基于AnyBody的步态稳定性仿真分析及应用研究

论文摘要

行走是人类日常生活中最为普遍的运动,人体能够凭借自身的神经调节系统和肌肉骨骼运动来保持行走过程中的稳定性,因此针对人体步态稳定性的研究对改善人们生活品质和提高人们生活幸福感具有重要意义。本文采用实验与仿真相结合的方式进行研究,招募了 13名青年男性受试者在干燥地面环境和涂油地面环境中进行直道行走实验,使用Vicon三维运动捕捉系统、测力台和表面肌电信号系统采集了受试者下肢的相关参数。使用AnyBody建模仿真系统进行仿真实验,获得两种环境下受试者下肢的关节反应力和肌肉力数据。从人体内外调节机制出发分析人体步态特征,采用单因素方差分析与增量占比相结合方式综合阐述步态稳定调节过程,结论如下:(1)人体正常直道行走过程中受到油介质扰动下,自我调节维持步态稳定性外部运动调节机制如下:髋关节缩减矢状面运动范围;膝关节缩减关节运动角度,在支撑相前期增强屈曲运动并在后期增强伸展运动;踝关节在支撑相前期减弱背屈运动并在末期增强背屈运动来维持步态稳定性。(2)人体正常直道行走过程中受到油介质扰动下,人体身体内部通过神经系统调节肌肉收缩力来调节肢体运动保持步态稳定,具体表现在股外侧肌,股内侧肌,胫骨前肌以及腓肠肌发挥作用明显。其中支撑相前期腓肠肌发挥作用明显,支撑相中期股内外侧肌发挥作用明显,支撑相末期胫骨前肌发挥作用明显。本研究结论可为下肢康辅助性装置的研究提供理论基础,同时可指导双足拟人机器人的设计和开发。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 前言
•   1.1 研究背景及意义
•   1.2 国内外研究动态
•     1.2.1 步态稳定性研究方面
•     1.2.2 在人体力学模型构建与仿真分析方面
•     1.2.3 现有研究中不足之处
•   1.3 课程主要研究内容及框架
• 2 人体步态分析及稳定性概述
•   2.1 步态生物力学参数概述
•     2.1.1 步态周期
•     2.1.2 时空参数
•     2.1.3 运动学参数
•     2.1.4 动力学参数
•     2.1.5 肌肉活动参数
•   2.2 下肢关节运动概述
•     2.2.1 髋关节运动
•     2.2.2 膝关节运动
•     2.2.3 踝关节运动
•   2.3 步态稳定性概述
•     2.3.1 步态稳定性影响因素
•     2.3.2 步态稳定性评价方法
• 3 步态稳定性分析实验
•   3.1 实验设备
•     3.1.1 VICON三维红外运动捕捉系统简介
•     3.1.2 AMTI生物力学测力台系统介绍
•     3.1.3 Noraxon表面肌电遥测系统介绍
•     3.1.4 实验随行保护装置
•   3.2 实验方案设计
•     3.2.1 实验受试者选取
•     3.2.2 实验下肢肌群选取
•     3.2.3 实验方案设计
•   3.3 实验数据采集
•     3.3.1 实验环境准备
•     3.3.2 受试者准备
•   3.4 实验数据处理
•     3.4.1 参数选取
•     3.4.2 数据处理
•   3.5 实验结果分析
•     3.5.1 时-空参数分析
•     3.5.2 下肢关节运动分析
•   3.6 本章小结
• 4 基于AnyBody系统人体下肢运动仿真分析
•   4.1 AnyBody人体模型仿真系统简介
•     4.1.1 AnyBody系统特点
•     4.1.2 AnyBody系统肌肉力原理
•   4.2 人体下肢肌骨模型构建与验证
•     4.2.1 人体下肢肌骨模型构建
•     4.2.2 人体下肢肌骨模型验证
•   4.3 仿真分析
•     4.3.1 下肢关节反应力分析
•     4.3.2 下肢运动肌力分析
•   4.4 本章小结
• 5 步态稳定性因素分析及其应用研究
•   5.1 步态稳定性外部因素分析
•     5.1.1 步态稳定性运动学参数分析
•     5.1.2 步态稳定性动力学参数分析
•   5.2 步态稳定性内部因素分析
•   5.3 步态稳定性的应用研究
•     5.3.1 下肢运动功能障碍应用
•     5.3.2 双足拟人机器人应用
•   5.4 本章小结
• 6 总结与展望
•   6.1 全文总结
•   6.2 本文主要创新点
•   6.3 本文不足与展望
• 7 参考文献
• 8 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 杨雨辰

导师: 苏海龙

关键词: 步态,稳定性,仿真分析,调节机制

来源: 天津科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,医药卫生科技,信息科技

专业: 生物学,生物医学工程,计算机软件及计算机应用

单位: 天津科技大学

基金: 天津市自然科学基金

分类号: R318;TP391.9

DOI: 10.27359/d.cnki.gtqgu.2019.000632

总页数: 71

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