楼梯行走下肢生物力学特性研究

发布时间：2017-08-07 08:03

  本文关键词：楼梯行走下肢生物力学特性研究

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【摘要】：拟人行走装置可以提升肢体残疾人、老年人等弱势群体的运动能力,该类装置的结构设计、行走步态规划、平衡能力控制、智能化实现等已经成为众多学者关注的焦点,对各种环境的适应性也是其重要性能之一。随着城市化进程加剧,楼梯行走已经成为人们普遍的活动形式,拟人行走装置楼梯行走步态规划、动作控制问题也应得到关注。本文利用表面肌电信号、足底压力及步态分析手段探究楼梯行走时下肢步态和肌肉力学特性,旨在为提高拟人行走装置的环境适应性提供理论基础。本研究以健康青年男性为研究对象,在试验用楼梯上完成上、下楼梯行走试验,并将平地行走试验作为对照组,采集行走过程中时-空参数、动力学参数及运动学参数,应用SPSS和ORIGIN软件对所得参数进行统计、筛选、分析,绘制功能参数一时间曲线,得出一些量化结果,对上下楼梯同平地行走三种路况下表面肌电参数、足底压力参数进行单因素方差分析,揭示楼梯行走与平地行走的差异。通过行走试验和理论分析,本文得出以下主要结论:对上、下楼梯时人体下肢时空参数、关节角度、关节力矩、地面支反力等运动学与动力学参数分析得出上、下楼梯时髋、膝、踝三个关节运动规律;对比得出下楼比上楼需要更长的双支撑时间和更大的关节运动范围来完成行走,上楼需要较大的踝关节背屈力矩,下楼需要较大的膝关节屈曲力矩,两路况所需髋关节力矩相差不多;上、下楼梯时地面支反力均呈双峰型,两路况下各时相身体重心加速度变化情况不同。通过楼梯行走足底压力参数随步态变化曲线分析得出上、下楼梯功能参数随步态变化规律;上、下楼梯与平地三种路况行走足底压力参数组间与组内分析得出:楼梯行走时足部初始触地位置为跖骨区域,不同于平地行走的足跟先着地的行走姿势引起足弓区域压力压强显著增大、前足双峰型压力、压强时间曲线,平地行走为单峰型曲线,承重期X-COP左右摆动强烈、Y-COP在前足区域摆动激烈。上、下楼梯时单侧下肢肌肉原始表面肌电信号图得出各时相肌肉激活规律:上楼时肌肉发力时序为先后侧肌肉,其次为小腿前侧肌肉,最后为大腿前侧肌肉,下楼时肌肉发力时序为先胫骨前肌及内侧腓肠肌、后侧其余肌肉、前侧其余肌肉;上、下楼梯、平地三路况表面肌电信号参数对比得出:楼梯行走下肢肌肉激活程度显著大于平地行走时。以上研究结果可以用于指导上、下楼梯步态轨迹的规划,为关节驱动装置的选型提供基础依据,并通过足底压力的合理控制提高拟人行走装置的平衡控制,为上、下楼梯时关节运动的精细化控制提出指导意见,最终提高拟人行走装置在楼梯这一路况下行走的平稳性、可靠性。
【关键词】：楼梯行走 表面肌电信号 足底压力 步态分析
【学位授予单位】：天津科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：R318.01;TH789
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 1 前言9-16
• 1.1 课题来源及研究背景9-10
• 1.2 人体下肢运动生物力学研究动态10-13
• 1.2.1 关于运动生物力学应用现状的研究10-12
• 1.2.2 关于生物力学研究方法的研究12-13
• 1.2.3 与楼梯行走相关的基础研究13
• 1.3 现有研究中存在局限性13-14
• 1.4 研究目的及意义14-15
• 1.5 研究内容及框架结构15-16
• 2 运动生物力学测量技术及步态分析概述16-26
• 2.1 测量系统及步态分析简介16-20
• 2.1.1 运动捕捉技术的发展及VICON设备简介16-17
• 2.1.2 足底压力测量系统概述及鞋垫、力板系统简介17-19
• 2.1.3 肌电图测量技术发展及表面肌电遥测系统简介19-20
• 2.2 步态分析基本概念介绍20-26
• 2.2.1 关节运动平面20-21
• 2.2.2 上下楼梯步态周期划分21-22
• 2.2.3 步态分析的功能参数22-24
• 2.2.4 动力学参数24-25
• 2.2.5 ACOF与UCOF25-26
• 3 研究方案26-33
• 3.1 研究的技术路线26-27
• 3.2 试验方案27-30
• 3.2.1 受试者及测试肌肉选取27-28
• 3.2.2 试验环境搭建28-29
• 3.2.3 试验过程29-30
• 3.3 数据处理及分析方法30-33
• 3.3.1 原始数据预处理30-32
• 3.3.2 研究方法分析32-33
• 4 上下楼梯运动学及动力学参数分析33-45
• 4.1 时-空步态参数分析33
• 4.2 运动学参数分析33-38
• 4.2.1 踝关节角度-时间变化特征34-35
• 4.2.2 膝关节角度-时间变化特征35-36
• 4.2.3 髋关节角度-时间变化特征36-37
• 4.2.4 上下楼梯最大关节角度对比分析37-38
• 4.3 动力学参数分析38-44
• 4.3.1 上下楼梯过程中台阶测力台力值分析38-41
• 4.3.2 踝、膝、髋关节力矩变化分析41-44
• 4.4 本章小结44-45
• 5 上下楼梯表面肌电及足底压力参数随步态变化分析45-63
• 5.1 足底压力功能参数特征分析45-54
• 5.1.1 压力发生时序及作用时间45-46
• 5.1.2 峰值压强46-52
• 5.1.3 压力中心轨迹52-54
• 5.2 表面肌电参数分析54-62
• 5.2.1 下肢肌肉激活时序分析54-58
• 5.2.2 平均幅值分析58-60
• 5.2.3 峰值分析60-61
• 5.2.4 肌电积分分析61-62
• 5.3 本章小结62-63
• 6 总结与展望63-66
• 6.1 研究主要完成工作63
• 6.2 研究创新点63-64
• 6.3 研究结果64
• 6.4 研究应用前景64-65
• 6.5 后期研究开展方向65-66
• 7 参考文献66-72
• 8 攻读硕士学位期间发表论文情况72-73
• 9 致谢73-74
• 附录74

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本文编号：633575