不同路况对人体下肢肌肉特征参数的影响

提高医疗康复辅具的智能化水平能够明显改善老年人等弱势群体的运动步态及肢体运动能力,以及增强他们的自理能力、社会参与能力.因此,有效地获取人体在不同运动模式下的步态信息并将其应用在智能动作辅助系统控制系统的设计上是目前需要解决的重要问题.肌电信号能够很好地反映人体在运动时的肌肉活动状态和功能状态,本文针对不同路况下人体下肢肌肉的表面肌电信号进行一系列实验研究.通过比较人体下肢主要肌肉群的特征参数,得出人体下肢存在优势侧和非优势侧的结论,且不同路况下的这种差别是不同的.此外,本研究还通过分析不同路况下行走时人体下肢4组主要肌肉群(股内侧肌(VMO)、胫骨前肌(TIB)、半腱肌(SEM)和腓肠内肌(MED))的特征参数变化,得知双下肢的肌肉特征参数随路况的变化而变化的具体参数特点.本研究揭示了在不同路况下行走时人体下肢主要肌群的活动状态和变化特征,可为有行走功能障碍的患者及老年人的医疗诊断、康复训练及康复评定提供依据,同时也为双足机器人/智能助行器的优化设计奠定了基础.     

步态训练机器人控制系统仿真研究

步态训练机器人是一种可以模拟在不同路况下行走的机器人．针对控制系统能够适应不同路况的要求,设计了一种适应负载、速度变化的变参数PID控制器,并建立了控制系统模型．在MATLAB环境下,对控制系统进行了仿真分析．仿真结果表明,平地行走、上楼梯和下楼梯3种步态轨迹的跟踪曲线均具有良好的运行特性;控制器适应了速度、负载变化的影响,满足机器人对不同路况模拟的各项要求．该研究为步态训练机器人对不同路况的进一步模拟研究奠定了基础．     

人体下肢运动摄影及其运动学数据的确定

采用运动摄影的方法,确定人体下肢在平地行走、下蹲和起立以及上楼梯等运动的运动学数据,并对其进行比较分析。通过对采集的图像序列进行分析和处理,获得了人体下肢标志点在不同运动下的运动学数据。在上楼梯时膝关节的屈膝角变化范围较窄,但变化速度较快;而在平地行走时屈膝角逐步增大,但变化相对比较平缓,故上楼梯更易导致膝关节损伤。在下蹲的过程中,屈膝角随下蹲而逐渐变化,而起立时则和下蹲过程相反。该方法可以简单而快速地确定人体的运动学数据,可为人体运动的计算机模拟和分析提供运动学数据,也可为临床运动相关疾病的诊断和运动康复训练提供参考依据。     

基于Matlab的人体膝关节动力学仿真平台设计

在对小腿运动学和膝关节动力学分析的基础上,开发了一款基于Matlab的各种步态下人体膝关节动力学仿真平台.基于反向动力学原理,编写了Matlab计算程序,设计了仿真平台的图形用户界面(GUI),通过读取运动捕捉系统采集的下肢运动信息及三维测力台的支反力,实现了各种步态下膝关节关节力、关节力矩的快速计算.以正常步态为例,通过对一名健康人体右侧膝关节分析,并与Visual 3D软件结果进行对比,验证了该平台的可靠性,从而为人工膝关节置换和膝关节康复运动评定提供了一种新的分析工具.     

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     

运动捕捉技术的跑步运动损伤分析

跑步是重复性较高的运动,对膝、踝关节的损害较大。采用Vicon MX光学运动捕捉系统捕捉人体跑步运动的步态数据,结合生物力学、运动学原理构建膝、踝两关节的运动数据曲线并对特征曲线进行分析,最后得出跑步过程中的半月板、膝关节韧带、踝关节韧带等损伤的影响因素。研究成果可应用于人体生物力学分析及指导健身器械的构建。     

人体下肢摆动相冗余肌力分析

为探讨人体步态的形成机理,建立了人体下肢摆动相包含髋、膝和踝关节（ＨＫＡ）的肌骨动力学模型,模型中考虑了８ 组下肢主要肌肉。引入约束最优化方法求解冗余肌力分布问题,并通过数值计算说明了关节被动力矩对冗余肌力分布解的影响。在此模型和算法的基础上,探讨摆动过程中各组肌力的变化规律及其在形成正常步态中所起的作用,并从能量角度分析了所有肌肉总能耗与摆动相周期的关系,结果表明该步态存在一个与之相对应的最低能耗摆动相周期,即存在一最佳步速     

步行中下肢关节动力学以及表面肌电的研究综述

步行是我们日常生活中最为普遍的运动,要想深入地了解这项运动,必须对行走过程中控制人体运动的关节力矩进行分析。单纯的运动学或动力学研究不能准确揭示出人体步态所蕴藏的生命信息,因此,从关节动力学角度结合表面肌电研究人体步态已成为当前研究的热点。通过多环节运动的动力学方法可对下肢关节动力学指标进行分析与探讨。目的：综述人体运动中下肢关节力矩、关节功率等关节动力学参数变化,以及肌电相关指标的变化。方法：检索PubMed和中国知网数据库中有关步行时下肢关节动力学的文章。英文检索词为Joint kinetics;Walking;sEMG,中文检索词为“关节动力学;步行;表面肌电。”结果与结论：目前对于人体步行中下肢关节动力学的研究：在研究指标上,单一指标的研究较多,多指标的综合研究不足。在研究对象上,针对青年人群和步行障碍患者的研究比较多,对老年人和儿童的相关报到较少。在研究内容上,针对背部负重行走的步态研究居多,对负重损伤的力学机制研究较少,在研究结果上,一些结论之间相互矛盾,负重影响人体步态的确切机制仍然模糊不清。     

含神经控制的下肢肌骨系统正向动力学分析

为探讨运动生物力学建模与分析的基础性问题,以下肢步态为研究对象建立了包含神经兴奋肌肉收缩动力响应和肌肉肌腱动力特性在内的下支系统正向动力学分析模型,并针对自然步态的运动过程,采用参数最优化方法进行了模拟计算。计算结果与实验测量的比较表明:正向动力学方法可将肢体运动状态、肌肉收缩力、神经控制信号等联系起来,求解人体步态的控制模式。该文建立的模型和计算方法为下肢运动的模拟分析和人体冗余运动控制机理的研究提供了基本的分析工具。     

基于Fitts定律的人体步态对称性评定指标

评价人体步态运动中,为了寻找能全面反映步态对称性特征的参数,该文通过推广Fitts定律提出了在二维极坐标下步长对称性和跨步长执行对称性2种4个指标,并且选用常用的时相对称性指标作为对比指标,对健康受试者和右腿膝关节僵直患者在不同情况下的步态对称性进行了对比实验研究。结果表明,新指标不仅适用于不同路况和运动模式的步态对称性评定,而且比常规的时相对称性指标更能准确反映跨越障碍和单侧关节僵直步态的不对称特征。     

Influence of Prosthetic Sagittal Alignment on Trans-Tibial Amputee Gait and Compensating Pattern:A Case Study

This study relates the gait asymmetry, residual limb comfort, and energy cost during walking and identifies a compensating pattern for the trans-tibial amputees when the prostheses are misaligned. One male subject with a trans-tibial amputation volunteered for the study. The knee joint moments at the prosthetic side, the phase symmetry index, and the interface pressures were discussed under three sagittal alignment settings. The results show that the subject changes the knee joint moment, gait symmetry, and interface pressure with a misaligned prosthesis to improve his comfort and movement during walking. A high-quality liner reduces the gait sensitivity to misalignment and enhances the amputee＇s ability to compensate for misalignment. Since different people have different compensation patterns, more cases will be studied in future work.     

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。     

Terrain Identification for Prosthetic Knees Based on Electromyographic Signal Features

Introduction Biomechanical analyses have shown that knee mo- ments vary considerably while walking on different terrain types[1,2]. Humans naturally adjust their mo- ments through visual or tactile feedback. The same ca- pability in a transfemoral prosthe…     

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。     

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;由于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。     

人体背部负重对坡道行走步态的影响

为了研究背部负重对于坡道行走步态的影响并分析受试者面临的滑倒危险性,4名健康受试者先后在10°斜坡上完成了不负重上坡和下坡、负重上坡和下坡条件下的试验。每人在每种条件下都进行3次试验。通过步态分析系统得到步态周期、步长、摆动相所占比例、脚跟触地时小腿角度和所需最大摩擦因数等步态参数,并且进行了统计分析。试验结果表明:负重后所需最大摩擦因数没有增大,而是明显减小;受试者在负重后会自动调节步态参数,从而降低所需最大摩擦因数,减小滑倒的危险;不同的受试者,由于行走习惯和肌肉强度等生理条件不同,在同样的环境中和同样的负重条件下面临的滑倒危险不相同。     

基于时—频分析的步态模式自动分类

针对不同路况和运动模式下的高维、非线性、强耦合和高时变下肢加速度信号的识别问题,提出了一种基于时--频分析的步态模式自动分类方案.利用三轴加速度传感器采集运动时小腿在矢状面、冠状面和横切面的加速度信号,利用五阶Daubechies小波基对其进行特征提取,并采用线性判别式分析进行降维,最后利用决策树和支持向量机对得到的精简步态特征进行模式分类.实验结果显示两种分类器的总体分类准确率均达到90%以上,个别步态分类可达到100%,验证了特征提取和降维方法的合理性和有效性.