人体负重行走的生物力学研究进展

对人体背部负重行走的运动生物研究,国外已经大量开展,但目前在国内几乎仍旧是空白.本文从人体负重行走的步态参数变化、足—地反作用力变化、压力传感器的应用、肌电应用等方面对相关文献进行综述,并提出该领域未来的主要研究方向.     

人体步态分析与负重外骨骼机器人的动力学仿真

分析和识别穿戴者的步态信息,指导负重外骨骼机器人的机械结构设计,使其能够和穿戴者协调同步行走。设计仿人体下肢生物平台,利用传感器系统实时反馈人的步态数据,设计与建立步态数据库,在ADAMS中建立三维离线式仿真系统,结合步态的运动学数据,进行动力学分析,为机械结构的设计和驱动单元的选型提供了理论依据和数据支持。通过负重外骨骼机器人的穿戴测试,表明机械结构设计合理,可以真实反映关节转矩的变化。     

步态变化对人体膝关节接触生物力学特性的影响

步态变化对股胫关节接触生物力学特性影响的量化研究对人们认识关节的力学行为,保护关节减少伤害非常重要。通过含半月板、股胫关节软骨和股骨、胫骨三维实体的膝关节有限元模型,仿真分析了在步态发生变化时膝关节股胫关节的接触力学特性。仿真分析表明:步态变化后股胫关节内外侧接触面积和接触应力发生了变化,内收外展角度的变化比内外旋角度的变化对膝关节生物力学特性的影响大,膝关节外旋同时出现外展时会加重股胫关节外侧的应力。     

人体跖趾关节弯曲对行走步态特征的影响

该文就正常情况和跖趾关节运动受到约束时的自然步态特征从实验的角度进行了研究 ,这对于康复训练、假肢设计以及拟人机器人的控制规划均有十分重要的意义。结果表明 :在跖趾关节运动受到约束后 ,人体其它关节角位移峰 -峰值和角速度峰 -峰值均有明显变化。为实现由于跖趾关节受到约束后的协调行走 ,人体其它关节会有相应的补偿运动。由实验可知 ,运动补偿主要发生在踝关节和膝关节 ,同时上躯干也加入到补偿之中。由于多关节协调运动补偿 ,人体在跖趾关节运动受到约束后 ,其自然行走步态的平均步速和步长可达到正常情况的 94 .8%和 95 .5 %。     

负重型阻力背心对自由泳训练影响的生物力学研究

目的:探讨一种新的负重型阻力背心对自由泳训练的影响.方法:以12名男子游泳二级运动员为研究对象,采用随机交叉顺序分别在使用和不使用负重型阻力背心2种状态下进行50m自由泳冲刺实验,用3台高速摄影机进行全程拍摄,并运用图像解析系统获取相应的运动学参数.结果:穿负重型阻力背心者在50m自由泳整个距离的冲刺实验中划幅显著小于不穿者;穿负重型阻力背心者在0~10m、20~30m及30~40m距离段的划频显著高于不穿者,而在40~50m距离段,穿负重型阻力背心者的划频则显著低于不穿者;在0~10m距离段,穿负重型阻力背心者的游速显著高于不穿者,而在10~20m,30~40m及40~50m距离段,穿负重型阻力背心者的游速显著低于不穿者.结论:穿负重型阻力背心进行自由泳训练会导致划幅缩短,游速减慢,且在40~50m的划幅及划频显著降低,证明负重型阻力背心对提升自由泳训练是有效的.     

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。     

低成本人体步态在线检测系统

研究了一种由 CCD摄像机、三维测力台及表面肌电信号检测装置组成的人体步态在线检测系统。在该系统中图像、力和表面肌电信号都由一台计算机实时采集。采用普通监控用图像设备和边缘检测、模板匹配等方法识别运动图像中的标志点 ,降低了系统硬件成本和对测试背景的要求。初步应用结果表明 :系统同步性能好 ,空间分辨率小于0 .2 %。该系统不仅适合于临床进行步态分析 ,而且也可用作其他与人体运动姿态有关研究的检测平台。     

单侧负重对人体足底压力特征的影响研究

为探究人体不同单侧负重方式与负重重量行走时足底压力分布特征,分析单侧负重对不同性别人群带来的足底压力变化,选取30名男性与30名女性受试者分别在单肩、手提与斜挎背包3种负重方式下以自身体重的0％、5％、10％ 与15％ 等4种负重重量下行走,利用Medtrack足底压力板测量足底压力峰值和压强峰值.结果表明:单肩背包时...     

人体在向后滑倒时平衡调节能力的生物力学研究

通过分析从坐到站及行走过程中多次平衡干扰对滑倒的调节效果,从运动生物力学的角度,探究在有外部干扰及疲劳滑动状态下对人体平衡能力的影响以及差异性.利用动态滑轨在受试者完成坐起动作和正常向前行走时产生突然的向前运动,使受试者产生向后跌倒的趋势.运用Noraxon表面肌电测试系统、Kistler三维测力台、BTS三维红外动作捕捉系统,以及Ariel录像分析系统,同步记录受试者在正常坐起及向后滑倒过程中的运动学、动力学和肌电参数.运用Biodex多关节等速肌力测试系统实现下肢关节肌肉的疲劳.结果表明:有效的质心调节可以使人体在遇到突然的向后滑动时保持相对稳定状态,使身体不至于产生较大的波动,充分的下肢支撑以及有效的上肢关节的调节是避免滑倒的关键.在从坐到站及人体行走过程中,地面反作用力、压力中心移动范围的值相比无干扰状态下显著增加.在从坐到站过程中突然滑动测力台,腓肠肌内侧、股二头肌,胫骨前肌和股直肌的积分肌电值较无干扰状态有了显著的增加.人体在疲劳状态下,腓肠肌内侧和股直肌肌电值明显增加.在滑台上多次的滑动训练可以提高人体平衡能力.模拟跌倒的测试可以评估人体的跌倒风险,对于老年人跌倒风险的评估也有一定的意义.      

人体步态复杂度的递归图和递归定量分析研究

为了准确分辨并识别不同人体的步态特征,提出采用递归图和递归定量分析的方法,计算人体步态非线性时间序列的复杂度。首先利用互信息和伪邻近法分别计算得到合适的延时时间和嵌入维数,根据相空间重构的原理将一维时间序列扩展到高维相空间中,获得时间序列在高维空间中邻近点的分布规律和运动特点。构建了患有帕金森疾病的老年人、健康老年人和健康年轻人的步态信号递归图,可以直观定性分析和评估这3组人群的步态信号的空间分布程度,其中健康人群最复杂。采用递归定量分析,量化了人体步态的复杂度,结果表明,患有帕金森疾病的人群的步态复杂度最小,而且独立样本t检验显示了3组人群的复杂度具有显著的差异性。该方法简单可行,可以准确地对不同年龄和帕金森疾病的人群进行分类识别,有利于人体健康监测和诊断研究。     

正常青年人行走步态的实验研究

以VICON步态分析系统对5名年龄身高体重均相近的正常青年人的常速行走步态进行了实验研究.得到了青年人常速行走步态的基本参数,给出了关节角度的统计曲线,并对单支撑期内各关节角度进行了分析.比较了左右两侧关节角度的差异.结果表明,正常行走左右两侧关节角度存在着差异,以左右侧关节角度差异度结合时相对称性指标可以更合理地评价步态的对称性.单支撑期内关节角度范围为假肢设计及正常人步态的模拟提供了参考.     

基于Petri网模型控制的步行机器人的自由步态

为解决步行机器人在复杂环境下的运动问题 ,根据步行运动的特点 ,提出了单腿运动的 Petri网控制模型 ,又以5足步行机为例 ,建立了与其腿数相对应的多腿协调控制模型 ,并制定了相应的控制策略。在此基础上 ,重新提出了有关步行机器人自由步态的有关概念及其运动规划算法 ,定义了保持静稳定行走状态的运动条件和判断方法。最后对 5足步行机在平面不连续落足区内的跨沟运动进行了仿真。仿真结果表明 ,提出的运动控制模型和自由步态能够自动适应运动环境 ,实现离散地形下的步行运动     

Dynamic stability of quadruped robot walking on slope with trot gait

The dynamic stability of a quadruped robot trotting on slope was analyzed.Compared with crawl gait, trot gait can improve walking speed of quadruped robots.When a quadruped robot trots, each leg is in the alternate state of swing phase or supporting phase, and two legs in the diagonal line are in the same phase.The feet in the supporting phase form a supporting region on the ground.When a quadruped robot walks on slope, the vertical distance from zero moment point ( ZMP) to the sup-porting diagonal line is defined as ZMP offset distance.Whether this distance is less than the maxi-mum offset distance or not, the stability of robot trotting on slope can be judged.The foot trajectory was planned with the sinusoidal function.Based on the kinematic analysis, the ZMP offset distance of quadruped robot under different slope angles, step length and step height was calculated, then the reasonable slope angle, step length and step height for quadruped robot trotting on slope to keep dy-namic stability can be determined.On the other hand, the posture angle of quadruped robot should be controlled within the desired range.Computer simulations were executed to verify the theoretical analysis.The study will provide reference for determining reasonable step parameters of the quadru-ped robot.     

日常活动中水平面行走步态实验

步态研究是人类运动生物力学和康复医学研究的热点之一。本文对日常变化活动中水平面行走步态进行了实验研究。实验涉及到人在日常生活中水平面上直线行走，圆弧线行走及行走中直角转向３种活动。测试对象在右手提１０ｋｇ重物和不提重物以３种不同速度行走。此外，还简述了实验设备和实验方法。     

基于时序分析的四足机器人对称步态变换

提出了一种四足机器人一般步态的时序分析方法．该方法使用8个参数描述一般步态：步态周期、前双腿落地之间的滞后时间、后双腿落地之间的滞后时间、同侧双腿之间的滞后时间以及各条腿的负荷系数．运用该方法分析了常用对称步态,经过归一化处理后得到了一个跨步周期中各腿着地和抬起的时间序列．证明了匀速情况下具有等负荷系数的两种对称步态之间只需要一个步态周期就能够完成步态变换,从而得到变换步态中各腿着地和抬起的时间序列．计算实例表明了该方法适用于分析对称步态变换．     

爆炸冲击对多层钢框架连续倒塌性能的影响

以5层钢框架结构为对象,对钢框架在爆炸冲击作用下的连续倒塌性能进行了研究.采用备用荷载路径法,分别对钢框架结构进行了静力非线性、动力非线性以及爆炸冲击作用下的动力非线性连续倒塌分析.分析结果表明:在常规的静力和动力非线性分析中,该框架具有良好的抗连续倒塌能力;在5 kgTNT的初始爆炸冲击作用下,钢框架的变形比常规分析...     

膝关节骨性关节炎步态分析特征及3D矫形鞋垫设计应用

概述了2种步态分析实验系统、实验原理和KOA患者下肢三维步态的改变;由于下肢生物力学的复杂性和研究技术的局限性,3D矫形鞋垫设计目前仍处于初级阶段,产品的治疗效果尚无统一意见并且未大量生产使用,因此对3D矫形鞋垫在KOA中的应用原理及制作过程进行深入探讨,明确KOA患者膝关节周围动力和静力结构变化,将其应用于3D矫形鞋...     

人体下肢表面肌电信号的检测与分析

人体步行时下肢肌电信号 (EMG)活跃 ,为研究步态周期内 EMG随路况的变化趋势 ,采用了下肢表面 EMG8通道检测装置进行了实验 ,对多人在 6种路况 (或步速 )下行走时的下肢 EMG进行了检测和分析。实验结果表明 ,步行时下肢肌肉活动有一定的规律性 ;各路况信号开始及持续时间、信号绝对值平均、中频等特征值区分明显 ,可以将其应用于智能肌电控制假肢路况模式辨识