一个解剖基人体下肢的生物动力模型--第一部分: 模型描述

建立一个完整的解剖基人体下肢二维（矢状面内）生物动力模型,该模型仿真了人体下肢的生物动力运动,并可用来计算人体下肢在冲击外载荷或肌肉活性力的作用下,下肢的重要承力部位－膝关节处的结构力（包括：膝关节的咬合接触力、膝关节处四个主要韧带张力等）和人体下肢的肌肉群力;同时本模型也可用来计算人体下肢在运动期间,膝关节处的咬合位移以及膝关节和髋关节的屈伸位移等。另外,模型还为研究人工关节、人工韧带和人工肌肉     

一个解剖基人体下肢的生物动力模型--第三部分:肌肉效应

本将人体下肢的肌肉根据其解剖特征，分为５个肌群，并在由本第一部分所建立的基本的解剖基模型的基础上，计入其对人体下肢动力运动的效应。本所建立的５个肌群，则主要代表着膝关节处的运动和稳定肌。最后，作为应用，研究了一个献中的特例。     

一个解剖基人体下肢的生物动力模型--第二部分: 数值结果

表述人体下肢生物动力模型的数值技术、数值结果并将其与文献进行比较.模型显示:当人体下肢小腿受冲击外载荷作用时,在膝关节处所产生的4个主要韧带张力以及膝关节处的咬合接触力,在大腿固定不动(或运动受到约束)的情况下,要远大于大腿未受约束的情形.这与医学常识是吻合的.     

一个解剖基人本下肢的生物动力模型：第二部分：数值结果

表述人体下肢生物动力模型的数值技术,数值结果并将其与献进行比较,模型显示：当人体下肢小腿受冲击外载荷作用时,在膝关节处所产生的４个主要韧带张力以及膝关节处的咬合接触力,在大腿固定不动（或运动受到约束）的情况下,要远大于大腿未受约束的情况下,要远大于大腿未受约束的情形,这与医学常识是吻合的。     

一个三维人膝关节刚性咬合的生物力学模型

基于人膝关节的解剖特征,在献和试验的基础上,对膝关节解剖结构作了适当的简化,从而建立了一个完整的三维人膝关节刚性咬合的生物力学模型。     

一个三维人膝关节弹性咬合的生物力学模型

基于人膝关节的解剖特征,在文献和试验的基础上,对膝关节解剖结构作了适当的简化,从而建立了一个完整的三维人膝关节弹性咬合的生物力学模型。     

基于UK理论的下肢关节力矩分析方法

基于UK(Udwadia-Kalaba)理论,以人体解剖学为基础,建立了人体单侧下肢的数学模型,提出了一种求解下肢运动过程中的关节力矩的简便方法,通过仿真验证了该方法的实用性和简便性。将人体单侧下肢简化为两自由度的两刚体模型,应用UK理论建立人体下肢运动的动力学模型,利用运动参数采集设备检测下肢做动作时的运动学参数,将实测角速度数据作为系统约束,通过计算约束力矩来计算实时关节力矩数据。仿真结果表明:被测单侧下肢髋关节力矩在1.8s处取极值29.5N·m,膝关节力矩在2s处取极值4.8N·m,两侧曲线具有对称相关性;实验结果基本反映出实际情况,可用于估算运动中关节力矩,且计算过程中无需引入额外参数,计算简便。     

跳跃运动的动力学解释

本文建立由质点与无质量刚性杆组成的人体简化模型。将动力学方程化作以位置坐标为自变量的自治形式,以膝关节肌肉力矩作为控制变量,利用以质心的速度与加速度为相坐标的相平面分析人体的跳跃运动。分析结果可对腾空高度与肌肉的输出功、爆发力、下肢起始位置及上肢辅助动作的相互关系作出定性的动力学解释。     

前交叉韧带及其纤维束对膝关节前错运动的约束作用

本文对人体膝关节中的前交叉韧带及其纤维束在膝关节前错运动中的约束作用与破坏性质进行了实验研究。测定了在膝关节３０°及６０°屈曲时前交叉韧带的约束占关节总约束的百分比，并了解到在分离后的纤维束中，只有前侧带对前错运动起约束作用，在前错至破坏过程中，前侧带比后侧带表现出更高的强度和延展性。     

生物力学中人体关节运动规律的一种实验方法

本文介绍研究人体关节运动规律的一种离体实验方法及原理,按照此种方法可以测量出生物关节的运动规律,这对建立生物力学模型和生物工程设计都是必需的。根据我们的实验,人体肘关节和膝关节都不是通常的运动付,而是特殊的生物铰。     

四连杆膝关节假肢的动力学建模与分析

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.      

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.     

人工膝关节模拟试验机及其生物摩擦学性能评价研究进展

人工膝关节生物摩擦学模拟试验是在设计和制造阶段评价人工膝关节假体的主要方法.本文介绍了球面接触型、假体力和运动直接控制型及膝关节肌肉力重建型3类人工膝关节模拟试验机及其对应生物摩擦学研究现状,讨论了3类人工膝关节生物摩擦学试验的要求和特点,详细说明了现有人工膝关节生物摩擦学试验和测试标准,指出今后还需增加动物活体试验方式,扩大模拟人体运动测量范围,并应加强多因素同时作用下人工膝关节磨损机理研究,制定统一的人工膝关节生物摩擦学试验标准.     

关于人膝关节生物力学模型的研究现状

建立人膝关节模型是生物力学研究领域中最具挑战性的课题之一．本文对人膝关节生物力学模型的研究现状予以简单的评估和综述．结果显示:目前用于研究人膝关节的大部分模型,均属静力或准静力模型;仅建立了极少的人膝关节解剖基生物动力模型,且均属二维动力模型．因此,建立一个三维真实人膝关节生物动力模型是目前迫在眉睫的工作      

基于辅助起立机器人的人体起立动力学建模与试验研究

设计了一种符合人体起立运动的辅助起立机器人,通过牛顿欧拉方程对人体起立过程动力学进行分析与建模,推导机器人辅助起立、上肢辅助起立和肌力不足下肢辅助起立3种情况下,人体力与力矩平衡方程,依据方程在Simulink中建立仿真模型,并使用传感器系统对起立机器人辅助人体起立过程中力与力矩进行测量分析.结果表明:不论采取何种辅助起立方法,辅助起立机器人都可有效辅助起立,特别是对起立初始阶段辅助效果尤为明显.上肢辅助起立时,既可保持身体平衡与稳定,又可补偿起立时所需力与力矩,在接近完全站立时这种效果尤为明显,仿真模型可预测站立过程的关节力与力矩.肌力不足下肢参与辅助起立时,所提供辅助力有限但也起到一定作用.      

人体膝关节有限元模型建立及其有效性验证

建立了人体膝关节三维数字化模型,为膝关节损伤的数字化研究奠定基础;并基于有限元理论探讨、研究了膝关节损伤发生的力学机制。利用膝关节的核磁共振图像,采用专业的医学建模软件,基于3D插补法,重建膝关节三维数字化模型。建立的完整的人体膝关节三维有限元模型包括骨骼、韧带、软骨等14个主要力学承载部件,结构完整、形态逼真。本文所建的模型高度模拟了膝关节的结构与材料特性,具有空间结构测量准确性高、单元划分精细等特点。通过应力和应变测试验证了模型的有效性,模型可以重复使用,可以用此模型来研究膝关节损伤的力学机制。     

MATHEMATICAL MODELING AND EXPERIMENTAL STUDY ON SIT-TO-STAND PROCESS BASED ON ASSISTIVE STANDING-UP ROBOT

设计了一种符合人体起立运动的辅助起立机器人,通过牛顿欧拉方程对人体起立过程动力学进行分析与建模,推导机器人辅助起立、上肢辅助起立和肌力不足下肢辅助起立3种情况下,人体力与力矩平衡方程,依据方程在Simulink中建立仿真模型,并使用传感器系统对起立机器人辅助人体起立过程中力与力矩进行测量分析.结果表明：不论采取何种辅助起立方法,辅助起立机器人都可有效辅助起立,特别是对起立初始阶段辅助效果尤为明显.上肢辅助起立时,既可保持身体平衡与稳定,又可补偿起立时所需力与力矩,在接近完全站立时这种效果尤为明显,仿真模型可预测站立过程的关节力与力矩.肌力不足下肢参与辅助起立时,所提供辅助力有限但也起到一定作用.     

关节六自由度相对运动的一种测量装置

本文介绍了六自由度关节运动微机测量系统.该系统可以实时测量运动中膝关节的屈伸角,内收外展角、内旋外旋角以及胫骨相对于股骨的内外、前后和上下位移.制作了特殊的标校装置对系统进行了标校,其绝对误差为0.1cm.并对人体无损测量时系统的重复性进行了研究.该系统为研究关节运动学提供了一种有效的测量手段.     

基于人体下肢运动学机理的行人导航方法

利用人体运动特征实现行人导航是近年来导航技术领域新兴的研究方向之一。针对惯性测量组件足部安装方式在人体较高过载的运动中无法有效实现零速修正的问题,研究了一种惯性测量组件在人体下肢分布式安装,基于人体下肢运动学机理构建虚拟足部惯性测量组件,从而实现人体导航定位的方法。阐述了行人导航系统的结构与虚拟惯性传感组件的构建机理,研制了系统原理样机。实验结果表明所提出的方法在人体较高过载的行进中可有效克服测量信息超量程、冲击等因素对导航解算的影响,定位精度约为行进距离的6%,并通过分析总结了影响该类型行人导航系统性能的各项主要因素,为进一步研究提供了一定的理论与技术基础。     

步频再训练对跑步时下肢冲击的生物力学影响研究

探讨12周增加步频的训练方式(步频再训练)对跑步着地冲击以及下肢生物力学的影响。选取30名习惯后跟着地的健康男性跑步爱好者(步频再训练组15名,对照组15名)进行12周步频再训练。其中步频再训练组保持步速不变,在自选步频基础上增加7.5%的步频进行跑步训练。采用Vicon红外运动捕捉系统和Kistler三维测力台获取标记点轨迹和地面反作用力,分析比较两组跑者训练前后的跑步着地冲击、下肢髋/膝/踝运动学和动力学特征。结果表明:12周步频再训练后,步频再训练组自选步频显著增加5.7%;冲击峰值、平均负载率和最大负载率、冲击冲量、触地垂直动量等均显著降低;触地时重心垂直速度、足与地面夹角、踝关节角速度、踝关节与髋关节矢状面距离均显著减少;支撑期重心垂直位移、膝关节最大屈曲角度、膝关节活动度显著降低;下肢各关节最大力矩无差异,但下肢刚度显著增加。据此,12周增加步频的训练方式对着地姿势和支撑期下肢运动所产生的生物力学适应性变化,能有效降低跑步着地时的冲击力,进而对减小跑步损伤风险起到积极作用。