基于能量的人体动力学平衡评价指标的仿真研究

了解人体平衡机理 ,对人的疾病诊断和康复有重要意义。提出了一种基于能量分析的人体动力学稳定区域的评价指标。以人体两刚体倒立摆模型为例 ,利用优化方法 ,计算了其动力学稳定区域的前后边界 ,分析了动力学稳定区域与肢体动力学特征之间的能量关系。该方法更适合人体质心有较大位移及速度运动时的稳定性分析。分析了人体踝关节力矩对其稳定区域的影响。仿真结果表明 :踝关节力矩的减弱会导致稳定区域的明显减少 ,而且对稳定区域前边界的影响较后边界更明显 ,即踝关节肌肉力矩的减弱会导致更多的向前跨步来保持平衡。这与临床观察到的老年人跨步平衡特征是一致的     

膝上截肢患者行走过程中的滑倒危险性分析

为了研究膝上截肢患者在平地行走过程中所面临的滑倒危险性,共有10名男性健康受试者和6名男性单侧膝上截肢患者参加了试验。每位受试者均在干燥路面条件下,以自然步态进行3次行走试验。试验过程中,分别采集受试者的运动学参数和地面反力。利用地面反力计算出每位受试者行走过程中所需最大摩擦因数(RCOFPEAK)以及额状面内的侧向力对所需最大摩擦因数的贡献率(RX),并且分别进行单因素方差分析(ANOVA)。结果表明:截肢患者所面临的滑倒危险性明显大于健康受试者;行走过程中截肢患者的身体在额状面内的摇摆增大,使得侧向地面反力明显增大,这是截肢患者的滑倒危险性显著增大的主要原因。     

不同足地界面对人体三维步态的影响

为了解足地界面对人体下肢运动学、动力学的影响,从实验的角度对受试者在光足、穿球鞋和穿7 cm高跟鞋时的三维步态进行了测试。结果表明在运动学方面:足地界面对踝、膝和髋关节运动均有影响,而且在冠状面内的影响程度远大于矢状面。在动力学方面:穿高跟鞋后,膝关节和踝关节内收力矩峰值增大,踝关节和髋关节弯曲伸展力矩均有变化;沿股骨和胫骨轴向,分别作用于膝关节和踝关节的力增加,沿步行前后方向膝关节和髋关节的力增加。这些变化加剧了关节的磨损,长期积累会造成关节损伤和病变。     

对线对小腿截肢患者残侧下肢生物力学特性的影响

为定量研究假肢对线对小腿截肢患者行走过程中残侧下肢生物力学特性的综合影响,建立了考虑对线设置的三维刚体动力学模型,并结合步态实验,得到了膝关节力矩、步态时相对称性和残端界面压力等参数。结果表明:异常对线主要影响残侧膝关节力矩和步态时相对称性,对残端压力影响较小;腿管近端适配器的调整在对线设置中的作用较远端适配器明显;因为患者的自身调节作用,假肢正常对线要实现患者下肢生物力学性能的总体最优而非单项最优。     

电流变液智能下肢假肢摆动相控制原理与方法

建立了膝上假肢—残端系统的动力学方程,用解逆动力学问题的方法得出实现最佳步态所需的膝关节控制力矩。为实现对膝力矩的控制,研制了应用新型智能材料—电流变液的阻尼器及相应的微型数控高压电源。通过对步行速度的测量可以启动存储于单片机中相应的力矩模式,从而实现跟踪步行速度的膝力矩自动控制。与步速相适应的膝力矩模式是通过使假肢侧学习健侧步态的学习系统获得的。实验表明这种控制方法是有效的。     

人体站立受扰平衡策略的实验研究

为研究人体受到扰动后的平衡模式。利用Kane方法建立了人体5刚体4自由度站立受扰平衡的动力学模型。4个年轻受试者进行了不同强度的20次扰动实验。结果表明,人体受扰后肢体绕跖趾关节的翻转动量矩可用来表示扰动强度。不同扰动强度,平衡模式不同,如身体摆动、单跨步和双跨步。而且平衡过程是多关节协调运动,各关节均参与平衡恢复,其中跖趾关节和髋关节对于平衡恢复起主要作用,膝关节的贡献较小。上述研究对于平衡机能的康复训练和拟人机器人的平衡控制均具有重要意义。