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模拟人体腿部发力特点的人体双足步行模型

李俊  
【摘要】:研究目的本研究的目的是利用数理模型来模拟人体在稳定行走时的肌肉发力特点,探究人体是如何通过调整腿部发力,来实现肌肉耗能与供能的平衡,从而来达到稳定行走的目的。研究方法本研究为了探究人体稳定步行的过程,在Jeffrey和Chang等人的步行研究的基础上,提取他们模型中的局部装置,提出模拟人体步行特点的模型需要带有发力装置以及耗能装置,在此基础上建立了带有变化的足底压力中心、腿部动力装置和腿部耗能装置的人体步行质量弹簧模型。同时,在研究过程中,建立步行模型的运动学方程,通过计算得出模型的运动学参数,包括腿部长度、速度的变化和腿部与地面夹角、腿部转动的角速度的变化。利用控制变量的方法,通过改变模型中动力装置所提供的动力的大小、腿部阻尼的大小以及腿部刚度的大小,来模拟人体在步行过程中腿部发力装置的供能与行走时模型阻尼装置耗能的过程。从地面反作用力角度,本研究所提出的新模型模拟计算所得出的地面反作用力与前人的实验数据以及其他同类模型的模拟计算所得出的数据作对比,以模型行走得到周期性的地面反作用力数据作为稳定行走的判定标准;从能量角度,以每一步中耗能装置的能量消耗与动力装置的供给能耗数值相等为判断模型匀速步行的另一标准。研究结果本研究模型模拟所得出的地面反作用力数据和实验所得的地面反作用力大致相等即达到稳定步行,此时步行的耗能和腿部的供能达到平衡,且步行的速度均在人体步行速度的正常范围内。腿部刚度值的大小主要影响步行周期的长短,腿部阻尼值的大小主要影响步行时的耗能的多少,动力装置的振幅大小主要影响地面反作用力的峰值大小。研究结论人体通过调整腿部发力的大小,实现了步行时每一步内腿部的耗能与供能之间的平衡,从而使人体可以在正常步速范围(0.8-1.6m/s)内实现稳定的步行。模拟得出的步行数据有助于深刻理解人体步行时发力的动态过程,同时,这些数据也可以应用于未来双足机器人的研发和设计中。


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