坡面道路上地面形貌对人体步进摩擦的影响

人体行走经常发生滑摔事故，而坡面道路是人体行走的典型路况之一. 当前通过改变鞋底和地板的材料、鞋底和地板的表面形貌以提高步进摩擦系数的研究多是基于水平路面，对坡面道路上的人体行走，特别是地面形貌变化对坡面道路上的人体行走研究较少. 本文中以45钢作为材料，制备出表面波纹度相同而表面形貌不同的地板，利用步进摩擦试验平台改变行走路面的坡度研究了地面形貌变化对坡面道路上人体步进摩擦的影响. 结果表明:坡度对有效摩擦系数的影响高于表面形貌；随着坡度的增加，安全行走所需的必要摩擦系数增大，地面提供的有效摩擦系数减小，步频则先增大后减小；上坡启动时脚掌与路面的有效接触面积和下坡制动时脚跟的有效接触面积随坡度的增加而减小，导致有效摩擦系数降低，滑摔倾向增大. 人体行走姿态为了保持平衡而缩短步长以降低必要摩擦系数.      

人体步进摩擦的主要影响因素

人体步进摩擦是指在行走过程中,人脚与地面之间产生的间歇性摩擦现象.步进摩擦系数的大小直接关系到人体在行走过程中的安全性.本文介绍了影响人体步进摩擦系数大小的主要因素,包括材料?路面润滑状况?鞋底花纹?鞋跟形式与高度?人体步态参数等.在文章的最后分析了目前研究中存在的问题,进而指出了下一步的研究重点和目标.     

横倾状态下地板表面形貌对人体步进摩擦的影响

人体在行走过程中足底与地面之间产生的间歇性摩擦现象称为步进摩擦，地板表面形貌作为步进摩擦的重要影响因素之一而受到广泛关注. 现有研究成果多是基于水平路面，对坡度道路，特别是横倾状态下地板表面形貌对人体步进摩擦的影响研究较少. 本文作者以普通碳钢作为地板材料，机械加工出不同的表面形貌，利用止滑试验机研究了水平状态下地板表面形貌与其能够提供的最大临界摩擦系数的关系，利用步进摩擦试验平台研究了横倾状态下地板表面形貌对人体步进摩擦的影响. 结果表明:水平状态下，随着表面粗糙度的增大和表面纹理间距的减小，临界摩擦系数与人体行走实际所产生的有效摩擦系数均增加，防滑性能提高；横倾状态下，随着路面横倾角度的增大，有效摩擦系数及其侧向分量增大，侧滑风险提高；地板表面纹理排列方向对有效摩擦系数的影响明显，横向分布的防滑性能优于纵向.      

路面横倾角度对人体步进摩擦的影响

预防滑摔是步进摩擦研究的主要目的,但现有研究集中于水平路面和上下坡,对横倾路面研究较少. 通过采用自制步进摩擦试验平台测试人体在横倾路面上行走时的摩擦力、足偏角和步态周期,计算必要摩擦系数. 结果表明:随着横倾角度的增大,重力的侧向分量增大,导致侧向摩擦系数增大并起主要作用,侧滑风险升高,可调整重心向低侧偏移以减小必要摩擦系数,从而降低滑摔风险;低侧脚足偏角减小,高侧脚足偏角增加,可增加低侧脚足偏角的方法增加动态稳定域以提高行走时的稳定性;路面横倾增大了侧滑风险,人体自适应平衡机制随之减缓步速,并缩短较危险的单支撑期和延长较安全的双支撑期以防止滑摔.      

体操自由操落地双侧下肢生物力学对称性研究

创建19环节三维多刚体模型调查体操自由操落地双侧下肢生物力学对称性。采用运动学(三维运动捕捉、高速摄像)和动力学(三维测力平台)方法采集40 cm和80 cm高度自由落地动作,获得下肢关节角度和地面反作用力,用于验证所创建的三维多刚体模型。然后使用高速摄像系统采集体操团身后空翻一周(后团)落地动作,数字化解析获得运动学数据,驱动三维多刚体模型完成计算机仿真,计算双侧下肢动力学参数。对比实验测量,模型仿真获得的地面反作用力峰值最大差值为3.8%,运动学和动力学复相关系数为0.92～0.97。尽管体操运动员采用双脚同时落地方式,下肢关节运动学角度呈现相似性,但两侧下肢动力学参数,如水平地面反作用力、下肢关节力矩、关节肌肉做功等呈现明显的不对称性。所创建的19环节三维多刚体模型可用于调查确定体操自由操落地下肢生物力学特征;体操运动员下肢动力学特征呈现非对称性;双侧不对称的动力学参数可能是体操落地下肢高损伤率的重要因素。     

两自由度的Burridge-Knopoff模型的一种近似分析方法

Burridge-Knopoff模型是速度驱动的多质量的质量弹簧系统.它是用来进行地震机理研究的一种摩擦动力系统的模型.本文考查了具有两个自由度的Burridge-Knopoff模型的摩擦激振问题.摩擦的不光滑性给系统的求解带来了很大的困难.又系统带有两个摩擦接触面,运动情况更加复杂.本文通过对摩擦力取平均的方法,得到了系统在各个运动形式下的通解,采用半解析的方法对此两自由度的系统进行了研究.通过以上方法,给出了一种周期运动的具体运动形式以及位移和速度的时程关系;并且发现在不同驱动速度的情况下,随着驱动速度的增大,系统的运动形式存在简单和复杂交替出现的现象,并给出了不同系统参数下的分岔图.     

圆弧足被动行走器非光滑动力学仿真研究

传统的被动行走器动力学研究方法是将被动 行走器模型视为双足轮流铰接于地面(或纯滚动)的倒立摆模型, 并应用角动量守恒假设计 算支撑腿转换时足地碰撞后的系统运动状态. 但该方法不能分析足地之间的滑动现 象、足地之间的非完全塑性碰撞现象和两足同时着地的情况. 采用基于线性互补 的非光滑动力学方法, 给出了一种基于中点格式积分一步的时间步进算法, 可以有效地分析 足地间的摩擦和碰撞现象. 应用该方法对被动行走器进行数值仿真, 发现了两种新的周期性 步态, 一种是带摩擦滑动现象的步态, 另一种是支撑足转换时发生多次碰撞现象的步态. 数 值仿真结果还表明, 较大的摩擦系数和较小的法向恢复系数更有利于被动行走器实现稳定周 期步态行走.     

篮球运动员急停起跳动作踝关节生物力学特征分析

主要采用三维运动影像捕捉系统与三维测力台,对体育学院20名篮球学生,急停单脚起跳双脚落地动作进行了三维同步测试。探讨了在急停单脚起跳双脚落地动作中踝关节的生物力学特征。研究结果表明:在起跳着地最大缓冲时刻踝关节处于最大内翻和外旋状态,且男生组大于女生组;此时刻也是踝关节最容易发生损伤时刻,男生组比女生组更容易发生踝关节损伤。研究结果对于认识踝关节损伤的生物力学特征,预防和减少运动中踝关节损伤的发生具有一定的理论参考价值。     

基于KANE方法的并联六自由度机构的动力学计算

将Kane方法运用于六自由度并联机构的动力学建模,在对实际机构进行简化的基础上,建立了滑块驱动力与动平台运动规律之间的数学模型.利用MATLAB软件进行编程计算,所得结果与ADAMS软件动力学仿真的结果十分相近,从而为优化六自由度并联机构提供了基础.     

水面小尺度漂浮平台的设计与实验

针对水面便携、易投放的小尺度漂浮平台的需求,设计了一种基于漂浮系统和稳定机构的水面小尺度漂浮平台,详细分析了水面小尺度漂浮平台的总体结构和工作原理,设计了二自由度的并联稳定机构和基于惯性测量单元的位姿测量系统,建立了基于滑模变结构原理的控制系统。在此基础上,完成了实验室摇摆台实验和水池摇摆实验。实验室实验结果表明,小尺度漂浮平台能够提供±0.2°的稳定基座;水池摇摆实验结果表明,小尺度漂浮平台能够提供±0.8°的稳定基座;负载系统能够有效地探测目标。研究结果可为水面小尺度漂浮平台的改进提供基础。     

Impactless biped walking on a slope

Walking without impacts has been considered in dynamics as a motion/force control problem. In order to avoid impacts, an approach for both the specified motion of the biped and its ground reaction forces was presented yielding a combined motion and force control problem. As an application, a walker on a horizontal plane has been considered. In this paper, it is shown how the control of the ground reaction forces and the energy consumption depend on the gradient of a slope. The biped dynamics and the constraints within the biped system and on the ground are discussed. A motion control synthesis is developed using the inverse dynamics principle proven to be most efficient for human walking research, too. The impactless walking with controlled legs is illustrated by a seven-link biped. The “flying” biped has nine degrees of freedom, with six control inputs. During locomotion, the standing leg has three scleronomic constraints, and the trunk has three rheonomic constraints. However, there are three rheonomic constraints for the prescribed leg motion or three scleronomic constraints for reaction forces of the trailing leg, respectively. The nominal control action for impactless walking can be precomputed and stored. The model proposed allows the investigation of several problems: uphill and downhill walking, optimization of step length, stiction of the feet on the slope and many more. All these findings are also of interest in biomechanics.     

一种分析手指接触摩擦的新型试验装置

手指接触摩擦行为的研究对人类生产生活具有重要的意义,鉴于影响这一行为的因素众多,到目前为止手指接触摩擦特性还未被深入认识.针对当前手指接触摩擦试验中的试验变量难以控制和试验可靠性较差等问题,设计出一种新型的试验装置并对受试者手指进行了接触摩擦重复性试验,得出新型装置能确保手指与样品间的法向力、接触角度的稳定性,使得试验结果具有很好的可比性和可靠性,并证实了该试验装置能准确地考察粗糙度、接触角度等因素对手指接触摩擦过程的影响.该装置的研制将对系统深入揭示手指接触摩擦学行为具有重要的意义.     

Analysis of kinematic data and determination of ground reaction force of foot in slow squat

In the present paper, the ground reaction force (GRF) acting on foot in slow squat was determined through a force measuring system, and at the same time, the kinematic data of human squat were obtained by analyzing the photographed image sequences. According to the height and body weight, six healthy volunteers were selected, three men in one group and the other three women in another group, and the fundamental parameters of subjects were recorded, including body weight, height and age, etc. Based on the anatomy characteristics, some markers were placed on the right side of joints. While the subject squatted at slow speed on the force platform, the ground reaction forces on the forefoot and heel for each foot were obtained through calibrated force platform. The analysis results show that the reaction force on heel is greater than that on forefoot, and double feet have nearly constant force. Moreover, from processing and analyzing the synchronously photographed image sequences in squat, the kinematic data of human squat were acquired, including mainly the curves of angle, angular velocity and angular acceleration varied with time for knee, hip and ankle joints in a sagittal plane. The obtained results can offer instructive reference for photographing and analyzing the movements of human bodies, diagnosing some diseases, and establishing in the future appropriate mathematical models for the human motion.     

A data recovery algorithm for a video analysis of human movements on the basis of force plate measurements

A data recovery method is proposed for a video analysis of human movements using force plate measurements. An algorithm is formulated to determine the missing angles of a three-link anthropomorphic device on the basis of a mathematical model of motion, a parameter identification model, and force plate measurements. This algorithm is used to recover the missing inclination angle between a shank and a horizontal line during the process of sitting down.     

Electromechanical control of vibration on a plate submitted to a non-ideal excitation

This paper deals with the enhancement of electromechanical control of vibration on a thin plate submitted to non-ideal excitation. Modelling of the systems displays the non-ideal source used as external excitation above the structure on a particular surface and control force acting at specific points under the structure. The electromechanical device is composed by a RL circuit with a saturated inductance and stings connected to the plate is used as connection between the structure and the controller. Routh–Hurwitz criteria are used to obtain the stability condition of the controlled system and some dynamics exploration leads us to the condition for which the amplitude of vibration is reduced in the mechanical structure.     

面向微振信号的驻极体减振俘能装置设计与建模

随着航天工程的飞速发展以及先进制造业对加工精度要求的持续提高,对低频微振信号的控制与利用越发受到关注.本文采用驻极体材料,参考动力减振器理论,开发了一种面向低频微振环境的减振俘能一体化装置,建立了驻极体减振俘能装置的机电耦合模型.为兼顾减振和俘能的双重要求,本文分析和等效了静电力对系统动力学特性的影响,并进行了参数的评估,提出了适用于驻极体减振俘能的优化方法.建立了AMEsim和Simulink的联合仿真环境,对模型和结果进行了仿真验真.建模和仿真的结果表明,本文建立的驻极体减振俘能装置的机电耦合模型可以准确描述装置的运动过程,建模与仿真的误差在5%以内.驻极体减振俘能装置对参数变化十分敏感,且副结构刚度、初始间距等对减振俘能性能的影响都明显强于副结构阻尼.经过优化,本文设计的驻极体减振俘能装置,能够兼顾减振和俘能需求,可以实现接近于理想动力减振器的减振效果,也可以在牺牲15%减振效果前提下,获得1700 V输出电压和3.1 m W俘能功率.本文建立的机电耦合模型和动态静电力解析模型,有助于理解驻极体减振俘能机构的工作原理,揭示了非线性静电力的变化过程和作用机理.     

DYNAMIC MODELING AND ANALYSIS OF THE LOWER LIMB PROSTHESIS WITH FOUR-BAR LINKAGE PROSTHETIC KNEE$^{\bf 1)}$

相比于单轴式膝关节,四连杆膝关节具有更好的仿生特性和运动安全性,因而在下肢假肢研究中得到广泛关注. 本研究以一款四连杆膝关节被动假肢为研究对象,主要关注足-地交互作用力以及膝关节单边接触力等强非线性因素对下肢假肢步态的影响. 为此,采用 Kelvin-Voigt 模型和库伦模型描述足-地接触力和摩擦力,并采用 Kelvin-Voigt 模型描述膝关节单边接触力,从而基于第一类拉格朗日方程建立假肢动力学模型. 本研究以步态实验测得的髋关节运动数据为模型的驱动信号,针对假肢的步态特征进行了数值分析. 计算结果显示,当膝关节液压阻尼器的刚度较小时,强非线性作用力会使假肢产生显著的亚谐波响应,进而导致步态周期失谐. 进一步研究发现,提胯行为能够避免步态周期失谐,这也为残疾人行走时的提胯等代偿行为提供了一种新的力学解释. 为了评价假肢步态与健康人实测步态的一致性,本研究进一步定义了步态相关系数并分析了膝关节液压阻尼器刚度、阻尼参数对相关系数的影响. 结果表明,通过合理的刚度、阻尼参数设计,两者步态的相关系数可达到 0.9 以上,这为四连杆膝关节被动假肢进一步优化提供了理论支撑.     

The effects of wall roughness on the separated flow over a smoothly contoured ramp

Experimental measurements address the effects on a turbulent boundary layer of wall roughness on a flat plate and a ramp that produces a separation bubble over the ramp trailing edge. A fully rough flow condition is achieved on the upstream flat plate. The main effect of the wall roughness on the outer layer turbulence on a flat plate is to change the friction velocity. The separation region is substantially larger for the rough-wall case. The rough-wall boundary layer turbulence is less sensitive to the onset of an adverse pressure gradient over the ramp, producing substantially smaller Reynolds stress peaks in upstream flat-plate, wall-unit coordinates.