下肢主要关节力矩和末端力关系的实验研究与应用

摘要

本研究通过自行设计的下肢测力器，对24位研究对象分三个不同的组别进行了下肢末端效应器的三维力及三维力矩的测试。通过调节踏脚板与地面的角度和踏脚板与座椅的距离，测出在不同关节角度下末端效应器的力和力矩，并运用相关软件进行了数据的分析和处理，根据扎齐奥尔斯基通过虚功理论所导出的雅各宾法，计算出髋、膝、踝的关节力矩，通过进一步分析和计算，验证了扎齐奥尔斯基所提出的理论（即雅各宾法的实际及由实际雅各宾法转换公式推出的当一个对象对环境发出一个静止力，并且身体姿态和力的方向都不变，那么，在所包括的关节中的力矩就唯一确定了，末端点力的任何增加都需要在所有的关节力矩中同时的成比例地增加），得出同一关节角度下，下肢主要关节（髋、膝、踝）力矩的增加关系，即髋、膝、踝关节力矩的增加比例。在此基础上，得出所测试的所有个体中，在不同关节角度和末端效应器所发不同力的情况下，下肢主要关节（髋、膝、踝）力矩增加的比例关系，可以此来判定薄弱环节，为运动训练和技术诊断提供指导。本研究结论如下： （1）本研究自行设计了一套下肢测力器系统。通过该系统可测出在不同关节构形情况下下肢末端效应器所发出的力和力矩，同时可计算出下肢各主要关节的力和力矩。此系统适用于像划船、自行车、举重以及跑等项目下肢各主要关节力矩的测试及进行下肢主要关节薄弱关节的判定。 （2）本文通过实验结果分析，可得出对于同一个体，存在着最佳的关节构形，即在某一角度，末端效应器可发出的力最大，另外，对于同一个体来说，存在左右下肢不均衡的现象。 （3）本文通过实验结果的分析，得出：在相同情况下，女子末端效应器所测最大力和力矩小于男子，且下肢各主要关节力矩小于男子；对于所有被测试对象，在同一关节角度，末端点所测的力达到最大时，并非下肢各主要关节力矩值也达到最大，即下肢各主要关节力矩达到最大时的关节位置与肌肉发出力最大时的关节位置并非总是一致。 （4）本文通过下肢各主要关节力和力矩的测试及分析，从实验上验证了扎齐奥尔斯基的理论，并进一步得出：对于每个被测试者，在不同的下肢关节构形中，下肢的主要关节力矩的增加的比例趋于一致，本研究的结果是髋、膝、踝关节力矩绝对值在髋、膝、踝力矩的绝对值之和中的比例趋于常数，分别为0. 61、0.32、0.07，写成连比形式约为6：3：1；下肢各主要关节力矩增加的比例不随着性别和疲劳状态而发生改变。