基于人体生物力学的下肢肌力衰退老年人步态及肌肉特性研究

发布时间：2017-08-18 04:23

  本文关键词：基于人体生物力学的下肢肌力衰退老年人步态及肌肉特性研究

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【摘要】：如今，中国已经进入老龄化社会，人口老龄化和家庭空巢化给老年人的健康、生活以及医疗等带来了不可忽视的影响。随着年龄的增长，人体各项机能逐渐衰退，其中以下肢肌力衰退最为明显。下肢肌力是维持人体正常姿态、完成各种日常活动的必需条件。下肢肌力衰退不仅会对人体行走的稳定性造成极大的影响，甚至还会引起老年人跌倒、骨折、关节脱臼等致残或死亡的严重后果。因此，对肌力衰退的老年人的步态和肌肉特性的研究是十分必要的。 本文以下肢肌力衰退的老年人为研究对象，以解剖学知识为基础，利用Solidworks建立了符合人体解剖结构的骨骼模型，通过ADAMS来仿真研究老年人的步态和肌肉力学特征。这对研究老年人跌倒机理，合理规划老年人步态以及进行老年人行走辅助装置的研究具有很好的理论意义和现实意义。 主要完成了以下几方面工作： 1)建立了包含跖趾关节在内的人体行走过程中的多刚体动力学模型，得到多刚体系统动力学方程。通过对人体行走过程中图像的采集和人体惯性环节参数的获取，利用Matlab计算出人体行走过程中各关节的关节力矩。 2)建立了一种符合人体生理特征的骨骼模型。利用ADAMS软件对该人体骨骼模型进行运动控制，模拟了老年人在一个步行周期的步态，得出人体各关节力矩的大小，此结果与通过Matlab计算得出的各关节力矩大小走向基本相同，验证了多刚体动力学模型的正确性。由实验数据可知，髋关节在行走过程中产生的关节力矩最大，，是老年人防跌倒行走装备的重点施力部位，通过对老年人髋关节提供额外的转矩，来弥补老人自身髋关节转矩的不足，将是老年人防跌倒装置的工作方式。 3)建立了人体下肢的肌肉模型。根据肌肉的直线理论，在ADAMS环境下的骨骼模型中设置了人体下肢9条肌肉的起止点，进而依据功能的不同将这些肌肉划分为5个肌群并在ADAMS中进行肌肉的力学特性分析。分析表明，股四头肌在老年人行走中产生的肌力最大，伴随着肌力的衰退，肌肉力量仅为正常肌力40%。为了防止股四头肌肌力衰退的老年人跌倒，除在髋关节提供额外的转矩外，还应在股四头肌位置至少增加500N的辅助力。
【关键词】：生物力学 肌力衰退 多刚体模型 肌肉骨骼模型 ADMAS仿真
【学位授予单位】：河北工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：C913.6;O313.7
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-9
• 第一章 绪论9-21
• 1.1 研究背景和意义9-11
• 1.1.1 课题研究的社会背景9-10
• 1.1.2 课题研究的现实意义10-11
• 1.2 国内外研究现状11-19
• 1.2.1 国内外老年人跌倒的研究现状11-12
• 1.2.2 国内外人体下肢肌力与平衡能力的研究现状12
• 1.2.3 国内外人体生物力学模型的研究现状12-14
• 1.2.4 国内外人体几何模型的研究现状14-17
• 1.2.5 国内外虚拟样机技术的研究现状17-19
• 1.3 本文的主要工作及内容结构19-21
• 第二章 人体行走的机理及步态分析21-31
• 2.1 人体下肢运动生物力学21-26
• 2.1.1 人体基本平面和基本轴21-22
• 2.1.2 人体下肢的解剖结构22-24
• 2.1.3 人体下肢各关节及自由度24-26
• 2.2 下肢肌力衰退的机理分析26-28
• 2.2.1 肌肉力量概述26-27
• 2.2.2 影响肌肉力量的因素27
• 2.2.3 肌力衰退与平衡和跌倒的关系27-28
• 2.3 老年人与年轻人步态研究28-30
• 2.3.1 人体正常行走步态28-29
• 2.3.2 老年人与年轻人步态对比29-30
• 2.4 本章小结30-31
• 第三章 人体多刚体动力学系统的建立及仿真31-47
• 3.1 人体多刚体系统的建立31-42
• 3.1.1 多刚体模型的建立31-32
• 3.1.2 系统动力学方程32-42
• 3.2 人体行走过程中关节力矩计算42-45
• 3.2.1 人体行走过程中运动学参数的确定42-43
• 3.2.2 各刚体惯性参数的确定43-44
• 3.2.3 人体行走过程中关节力矩计算结果44-45
• 3.3 本章小结45-47
• 第四章 人体下肢肌肉力学模型47-53
• 4.1 肌拉力线的确定47-48
• 4.1.1 肌拉力线的分类47
• 4.1.2 肌肉的起止点与代起止点47-48
• 4.2 肌肉力学模型分析48-52
• 4.2.1 肌肉的张力速度模型48-50
• 4.2.2 肌肉的张力长度模型50-51
• 4.2.3 肌肉的张力长度速度模型51
• 4.2.4 本文采用的肌肉力学模型51-52
• 4.3 本章小结52-53
• 第五章 老年人肌肉骨骼模型在虚拟样机的建立及仿真53-69
• 5.1 老年人骨骼模型的建立及运动控制53-59
• 5.1.1 人体骨骼模型的建立53
• 5.1.2 人体骨骼模型的运动控制53-55
• 5.1.3 老年人下肢肌肉相对位置的确定55-58
• 5.1.4 老年人下肢肌肉模型58-59
• 5.2 老年人肌肉骨骼模型的仿真分析59-67
• 5.2.1 老年人行走过程中的运动学仿真分析59-61
• 5.2.2 老年人行走过程中的动力学仿真分析61-67
• 5.3 本章小结67-69
• 第六章 总结与展望69-71
• 6.1 总结69
• 6.2 展望69-71
• 参考文献71-75
• 附录 A75-77
• 致谢77

【参考文献】

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本文编号：692665