在国家自然科学基金重点项目“机械仿生耦合设计原理与关键技术(No. 50635030)”的资助下,本文以人体运动作为研究对象,运用逆向运动学原理,通过建立人体多刚体运动生物力学模型,并设计和研制一套红外反光试验标记系统,应用三维光学运动捕捉技术和研发的试验测试方法,实现对人体全身各环节和各关节的运动测试,应用QTM软件和对SMAS软件进行二次开发和模块扩展,实现试验数据的处理和计算,对复杂的人体的上肢、下肢和脊柱运动功能的实现进行生物耦合和运动耦合的研究,以描述人体的空间运动行为,揭示人体空间运动的规律。将机械学的理论方法引入人体运动研究,运用机械学原理和数学的空间坐标变换等方法,建立了人体运动的17环节-16关节的多刚体运动模型,并对运动模型的组成进行物理描述,对模型的求解进行数学描述。设计并研制了一套基于所建模型参数要求的人体全身运动红外反光试验标记系统,系统包括人体全身17个运动环节的标记子系统和1个静态标定杆系统,每个标记子系统又包括静态解剖学标记点系统和动态技术标记点群系统,各系统之间相互配合,可以完成人体多种运动的试验测试。搭建三维运动捕捉系统测试平台,辅助自行研制的红外反光试验标记系统和研发的试验标定技术和试验测试方法,对8名健康亚洲成年男性分别进行3种运动速度(慢速、正常速和快速)和2种运动步态(走步和跑步)共6种运动状态(每种运动状态进行10次重复测试)的运动测试试验。应用QTM软件和SMAS软件,对试验数据进行3D重构、纠错、标定、数字滤波和降维等处理,以SMAS软件为基础进行二次开发和模块扩展,实现对人体上肢、下肢以及脊柱运动数据的同时计算,得到人体各关节和各环节的运动参数。通过研究人体的结构、形态、组成等生物学特征,探讨人体的生物耦合行为;通过对试验数据结果统计和绘图等分析,研究人体不同运动状态的运动周期、运动速度和运动时相,以及描述和揭示人体上肢、下肢和脊柱的空间位移和旋转运动的运动耦合特性。利用本文所建生物力学模型和研制的试验标记系统,同时搭建多设备同步测试平台,进行坐姿操作人机工程学和人体蹲-起生物力学的探索性试验研究,进一步验证所建生物力学模型和研制的试验标记系统在人体局部测试以及其他领域的应用。本文研究内容可以为工程仿生、人机工程、航空航天、国防军事、生物医学和体育竞技等领域的研究和应用,提供有效的研究方法和技术手段。