人在平地与跑步机上行走时下肢关节运动差异性研究

摘要

随着科学技术的发展及人们对生活质量要求的提高，运动生物力学在体育、医疗、人机工程、步态识别、航天领域扮演着越来越重的角色。步态研究是目前以及今后生物力学研究的重点之一，而很多关于步态信息的获取都是借助跑步机平台来完成的，但是忽略了平地与跑步机上运动时的差异，本文针对跑步机上行走与平地行走时下肢关节生物力学特征的共性及差异性展开以下研究：
　　首先，基于拉格朗日方程建立下肢在矢状面内的三自由度生物力学模型，并结合欧拉方程推导考虑关节摩擦时下肢髋、膝、踝关节的关节反力及力矩的解析表达式；研究开发与 FAB系统相结合的无线步态相位信息检测系统，完成硬件电路和软件的开发研究；研究并完成步态运动学及部分动力学参数的测量实验方法；基于插值法、拉依达准则及函数模型系数修正的方法完成实验数据的处理。
　　其次，进行基于SimMechanics的下肢生物力学半物理仿真平台研究。以下肢关节转角的数学解析模型为动力学模型的输入量，完成下肢动力学的理论计算和基于SimMechanics的仿真模型数据的获取，通过对比半物理仿真模型输出的关节反力和力矩与实验测量的下肢关节反力和力矩数据，验证人体下肢运动生物力学理论模型和半物理仿真模型的正确性，描述下肢关节反力、关节力矩特征。
　　最后，研究平地行走与跑步机上行走时下肢各个关节运动学、动力学参数的共性和差异性，分析产生差异的原因；建立基于Gauss函数、Fourier函数及Sin函数的髋、膝、踝关节转角数学模型；针对跑步机上行走的特征，探究跑步机上行走与平地行走时步态相位上的差异，并分析该差异对步态的影响。

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第1章 绪论

1.1 课题的背景及研究意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文的主要研究内容

第2章 人体下肢步态运动生物力学模型研究

2.1 人体下肢惯性参数

2.2 人体下肢步态运动学模型研究

2.3 人体下肢步态运动动力学模型研究

2.4 本章小结

第3章 基于SimMechanics的半物理仿真实验平台的开发

3.1 人体下肢步态运动特征描述

3.2 步态参数测量实验平台

3.3 实验数据处理方法

3.4 基于SimMechanics的人体步态运动半物理仿真模型研究

3.5 本章小结

第4章 人体运动生物力学模型的检验

4.1 下肢动力学模型计算

4.2 实验验证及关节动力学曲线特征描述

4.3 本章小结

第5章 跑步机上行走与平地行走下肢步态

5.1 跑步机上行走与平地行走时髋关节运动学特征差异性研究

5.2 跑步机上行走与平地行走时膝关节运动学特征差异性研究

5.3 跑步机上行走与平地行走时踝关节运动学特征差异性研究

5.4 步态相位数据对比及特征分析

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢