人體步態(tài)模型實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、步行是人類日常生活中重復(fù)最多而又復(fù)雜的一種整體性運(yùn)動(dòng)，行走的方式和風(fēng)格稱之為步態(tài)。一個(gè)人的步態(tài)是自身結(jié)構(gòu)與功能，運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，個(gè)人行為及心理活動(dòng)在行走時(shí)的外在表現(xiàn)。廣義地講，步態(tài)反映了一個(gè)人身體素質(zhì)和精神素質(zhì)的水平。研究人在行走過程中的步態(tài)特征不僅對于了解人體運(yùn)動(dòng)規(guī)律，發(fā)現(xiàn)肢體間的協(xié)調(diào)配合決策具有重要的意義，而且在臨床診斷、康復(fù)醫(yī)療、人機(jī)工程學(xué)、體育科學(xué)以及仿生機(jī)構(gòu)與類人機(jī)器人等領(lǐng)域都具有重要的意義。本文受到國家自然科學(xué)基金“下肢康復(fù)訓(xùn)

2、練機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)研究”項(xiàng)目的資助，針對人體步態(tài)模型的研究方法、研究過程和研究結(jié)論進(jìn)行了詳細(xì)論述和分析。 在綜述分析了國內(nèi)外有關(guān)人體步態(tài)運(yùn)動(dòng)測量方法的基礎(chǔ)上，提出了一種檢測骨盆四自由度運(yùn)動(dòng)的新方法，對其進(jìn)行了理論分析，推導(dǎo)了求解人在跑步機(jī)上行走時(shí)骨盆沿空間三個(gè)坐標(biāo)軸的平移運(yùn)動(dòng)和繞垂直軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型。在此基礎(chǔ)上，提出了一套用于同時(shí)測量骨盆運(yùn)動(dòng)，下肢髖、膝、踝關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)以及步態(tài)時(shí)相的人體步態(tài)運(yùn)動(dòng)測量方案，并進(jìn)行了相關(guān)理論分析

3、。 研制了步態(tài)測量實(shí)驗(yàn)平臺，以健康男性青年為對象進(jìn)行了步態(tài)實(shí)驗(yàn)研究，對步態(tài)時(shí)相，骨盆四自由度運(yùn)動(dòng)和髖、膝、踝關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了圖形描述，并對各個(gè)步態(tài)運(yùn)動(dòng)特征進(jìn)行了歸納分析。 在實(shí)驗(yàn)研究與步態(tài)圖形描述的基礎(chǔ)上，對骨盆沿相對坐標(biāo)系x軸和y軸的運(yùn)動(dòng)采用了正弦函數(shù)進(jìn)行模型描述；對骨盆沿相對坐標(biāo)系z軸的運(yùn)動(dòng)采用了擴(kuò)展指數(shù)函數(shù)進(jìn)行模型描述；根據(jù)髖關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度曲線特征，將S型Sigmoid函數(shù)進(jìn)行了擴(kuò)展，并將擴(kuò)展后的函數(shù)作為髖關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)

4、角曲線的回歸模型對其描述：對膝關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的模型描述采用了分段函數(shù)形式，節(jié)點(diǎn)兩側(cè)的曲線分別采用正弦函數(shù)和擴(kuò)展Gaussian函數(shù)進(jìn)行模型描述；運(yùn)動(dòng)曲線較復(fù)雜的踝關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)采用復(fù)合分段函數(shù)形式建模，節(jié)點(diǎn)間的曲線均采用擴(kuò)展Sigmoid函數(shù)進(jìn)行模型描述。對擬合函數(shù)進(jìn)行了殘差分析，分析結(jié)果驗(yàn)證了采用以上模型對人體步態(tài)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行定量分析的可行性。 對步態(tài)模型中的幅值和相位變量與身高和行走速度的關(guān)系進(jìn)行了相關(guān)分析，將相關(guān)性顯著的特征變量進(jìn)