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人体步态稳定性的综合力学模型构建与研究

孟凡刚  
【摘要】:行走是日常生活中每天都要发生的运动,人体特有的内在调节机制可使其稳步行走,而步态失稳给我们的生活造成了很大的影响,因此对于人体步态稳定性的研究显得尤为重要。本文使用实验室红外三维运动捕捉系统、测力台系统、表面肌电信号测量系统对10名青年男性受试者进行了测试。试验的环境为直线步道,试验中要求每位受试者分别进行左跨步和右跨步稳定自然步态行走,并对其步态信息进行采集和处理分析。使用计算机软件AnyBody对人体步态进行仿真和模拟分析,将所得结果与简化的下肢六杆五自由度肌骨模型相结合,对稳定步态过程中下肢肌肉力作用情况进行定量分析,得到的结论如下:关节力矩与关节角度进行结合,将步态周期分为支撑相和摆动相两个时相,对人体直道行走过程中矢状面、额状面、水平面内下肢髋、膝、踝关节的运动进行了详细的对比描述分析。作用于足部的肌肉,支撑相内比目鱼肌作用力最显著,腓肠肌次之,胫骨前肌最微弱,且三者支撑相的作用力明显强于摆动相。最大作用力顺序为比目鱼肌腓肠肌胫骨前肌,与整个步态周期中三者的发力情况相一致,平均作用力情况与最大作用力保持一致。作用于小腿的肌肉,支撑相内三者发力情况基本一致,摆动相内股四头肌最强,股二头肌次之,胫骨前肌最微弱。最大作用力顺序为股四头肌胫骨前肌股二头肌,胫骨前肌和股二头肌差距不大,平均作用力顺序为股二头肌股四头肌胫骨前肌,三者差距相对较小。作用于大腿的肌肉,支撑相内臀中肌的作用力最显著,与其他肌肉相差较大,剩余肌肉相对比较微弱。摆动相内,臀中肌和股四头肌作用力较显著且呈波动变化,剩余肌肉作用力较平稳且变化趋势几乎一致。最大作用力顺序为臀中肌股四头肌臀大肌半腱肌股二头肌,其中臀中肌与剩余四者的差值较大,股二头肌、半腱肌、臀大肌相当,平均作用力与最大作用力情况相似。对人体步态稳定性运动学和动力学进行定量研究和分析,其结果可为下肢残障人士的康复研究、智能假肢的制作、下肢助行装置的研发以及体育、医疗和军事等多个领域提供参考价值和理论支撑。


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