【摘 要】
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行走是人类日常生活中最基础也是最重要的活动能力。当下肢出现运动障碍时,人的行走会表现出各式各样的步态。步态的特性研究对认识人体运动规律,设计人体康复装置都能提供有效的依据。本文通过分析下肢生理结构,利用运动捕捉设备、测力台和人体运动生物力学仿真软件,获取了人体行走时下肢关节的运动力学数据,建立了描述步态特征的数学模型。然后提出了一套基于步态形状参数和下肢力矩的康复评价指标体系,建立了膝关节有限元模
【基金项目】
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国家自然科学基金项目（No.51175419）； 中央军委项目（No.106-418321001）、（No106-418219024）； 西安理工大学研究生培育项目（No.252051626）；
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行走是人类日常生活中最基础也是最重要的活动能力。当下肢出现运动障碍时,人的行走会表现出各式各样的步态。步态的特性研究对认识人体运动规律,设计人体康复装置都能提供有效的依据。本文通过分析下肢生理结构,利用运动捕捉设备、测力台和人体运动生物力学仿真软件,获取了人体行走时下肢关节的运动力学数据,建立了描述步态特征的数学模型。然后提出了一套基于步态形状参数和下肢力矩的康复评价指标体系,建立了膝关节有限元模型并分析了步态全周期中各组织在典型时刻下的生物力学变化,最后提出多属性拓扑图并对康复训练机构进行了结构设计与分析。本文的主要研究内容及创新性成果如下:（1）提出了一种由动作捕捉设备和测力台共同采集获取下肢步态数据的实验方法,利用软件VICON Nexus和Mokka对数据进行修正,最终通过人体运动生物力学仿真软件模拟出接近真实情况的下肢关节位移、角度、地面反作用力、合力与合力矩等数据。（2）分析比较了参数曲线和步态曲线的相似性,提出了基于GE-Bézier参数曲线的下肢三关节在矢状面的位移和角度周期数据的拟合方法,构建出了具有共性控制点并包含形状参数的步态曲线数学模型,总结了正常步态的形状参数参考范围,并提出以形状参数的差异描述个体步态的差异从而判断步态是否异常的方法。（3）依据形状参数与步态、姿势的关系以及下肢所能施加的力矩与康复程度相关的特点,提出了包含下肢关节位移和角度的形状参数以及下肢力矩参数的康复评价指标体系。（4）建立了膝关节的几何解剖实体有限元模型,通过对步态参数分析,选取了可代表步态全周期的七个典型时刻进行有限元仿真,得到了正常人行走时膝关节各组织结构的应力和位移变化规律。同时分析了应用坐姿康复机构进行下肢训练时的两个特殊时刻的膝关节生物力学特点。（5）针对正常人步态位移曲线的形状变化特征和下肢损伤患者不同康复时期运动方式的分析,总结了下肢康复训练机构的功能要求,提出了描述轮系结构和状态特征的多属性拓扑图及进行康复机构设计与分析的方法,设计了以行星轮系为核心、以滑移齿轮进行主、被动模式转换的坐姿式下肢康复训练机构及结构。本文的研究成果对全面揭示人体步行时下肢各关节的运动和受力规律、进行下肢康复训练效果评价、指导下肢康复训练装置设计具有理论指导意义和实用价值。
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