外骨骼机器人的研制,旨在提高人体的负重能力,降低人体运动中的能耗,从而辅助人体灵活的自然运动。然而,外骨骼设备往往无法与人体运动达成协调一致,究其原因在于,缺乏对人体自然运动规律的深刻理解,可穿戴装备难以顺应人体肌骨系统变形,从而导致其束缚和阻碍人体自然运动,最终增加人体运动代谢能。而肌肉是肢体自然运动的唯一马达,是做功和能耗的基本单元。其形变综合反映运动、力、能耗的变化特征。然而,目前还缺乏在运动中测量肌肉形变的理论方法。为此,本文以二维截面下的肌肉形变为对象,基于柔性点测量信息,建立形变位移场的重构方法,通过对肌肉骨骼系统简化并建模,实现对肌肉在二维截面下的变形进行重构。为实现对肌肉形变的测量,以人体骨骼肌肉生理学知识为基础,根据Hill肌肉模型,本文建立了肌骨系统的动力学方程,根据模态叠加原理,提出了肌肉截面的位移场重构方法。根据肌肉与皮肤表层之间的约束关系,将皮肤表层简化为二维圆环梁模型,再通过基于模拟退火的遗传算法对测量点位置进行优化。利用曲率模态对圆环梁的整体应变场及位移场进行重构。将肌肉骨骼系统简化为圆环盘模型,圆盘内圈为骨头与肌肉相连的部分,设为固定铰接,外圈为皮肤表面,设为自由端。再通过外圈上有限测点的位移值对整个圆盘位移场进行重构。从肌肉横截面积变化的角度出发,提取出圆盘的一部分扇形区域,用位移模态及应变模态分别重构出扇形区域的位移场,同时对在施加负载过程中的扇形区域面积变化做出重构与分析。利用医学超声设备对肌肉变形进行监测,通过图像处理手段可以得到超声图像内任意一点的位移时间图像,根据所提出的位移场重构理论对肌肉二维截面的位移场进行重构,以此对重构算法进行验证。同时对肌肉在变形过程中的厚度变化与横截面积变化作出计算和分析。通过以上对肌肉截面的仿真及实验,为定量测量肌肉截面的位移分布提供基础理论与方法,以探索人体运动规律的奥秘。