人体步态模型实验研究

论文摘要

步行是人类日常生活中重复最多而又复杂的一种整体性运动,行走的方式和风格称之为步态。一个人的步态是自身结构与功能,运动调节系统,个人行为及心理活动在行走时的外在表现。广义地讲,步态反映了一个人身体素质和精神素质的水平。研究人在行走过程中的步态特征不仅对于了解人体运动规律,发现肢体间的协调配合决策具有重要的意义,而且在临床诊断、康复医疗、人机工程学、体育科学以及仿生机构与类人机器人等领域都具有重要的意义。本文受到国家自然科学基金“下肢康复训练机器人关键技术研究”项目的资助,针对人体步态模型的研究方法、研究过程和研究结论进行了详细论述和分析。在综述分析了国内外有关人体步态运动测量方法的基础上,提出了一种检测骨盆四自由度运动的新方法,对其进行了理论分析,推导了求解人在跑步机上行走时骨盆沿空间三个坐标轴的平移运动和绕垂直轴的旋转运动的数学模型。在此基础上,提出了一套用于同时测量骨盆运动,下肢髋、膝、踝关节旋转运动以及步态时相的人体步态运动测量方案,并进行了相关理论分析。研制了步态测量实验平台,以健康男性青年为对象进行了步态实验研究,对步态时相,骨盆四自由度运动和髋、膝、踝关节旋转运动进行了图形描述,并对各个步态运动特征进行了归纳分析。在实验研究与步态图形描述的基础上,对骨盆沿相对坐标系x轴和y轴的运动采用了正弦函数进行模型描述;对骨盆沿相对坐标系z轴的运动采用了扩展指数函数进行模型描述;根据髋关节的旋转角度曲线特征,将S型Sigmoid函数进行了扩展,并将扩展后的函数作为髋关节转角曲线的回归模型对其描述;对膝关节旋转运动的模型描述采用了分段函数形式,节点两侧的曲线分别采用正弦函数和扩展Gaussian函数进行模型描述;运动曲线较复杂的踝关节旋转运动采用复合分段函数形式建模,节点间的曲线均采用扩展Sigmoid函数进行模型描述。对拟合函数进行了残差分析,分析结果验证了采用以上模型对人体步态运动进行定量分析的可行性。对步态模型中的幅值和相位变量与身高和行走速度的关系进行了相关分析,将相关性显著的特征变量进行了回归分析,对步态模型进行了扩展。并对模型进行实验检验,检验结果表明了所建立的步态运动模型及扩展模型的可行性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的来源
• 1.2 课题的研究意义
• 1.3 人体步态描述方法研究进展
• 1.3.1 人体步态图形描述方法研究进展
• 1.3.2 人体步态机构模型研究进展
• 1.3.3 人体步态数学模型研究进展
• 1.4 人体步态测量方法研究概述
• 1.5 人体正常步态运动特征
• 1.6 论文主要研究内容
• 第2章 步态运动测量方案及实验平台
• 2.1 骨盆四自由度运动测量方案
• 2.1.1 人体空间坐标系
• 2.1.2 骨盆四自由度运动测量方案
• 2.1.3 骨盆四自由度运动测量实验平台
• 2.2 髋膝踝关节运动测量方案及实验平台
• 2.2.1 人体下肢结构
• 2.2.2 髋膝踝关节运动测量方案
• 2.2.3 髋膝踝关节运动测量实验平台
• 2.3 步态时相测量方案及实验平台
• 2.3.1 步态时相特征参数
• 2.3.2 步态时相测量方案
• 2.3.3 步态时相测量实验平台
• 2.4 数据采集过程
• 2.5 本章小结
• 第3章 步态图形描述与特征分析
• 3.1 实验研究对象
• 3.2 实验方法
• 3.3 步态时相的图形描述与特征分析
• 3.4 骨盆运动的图形描述与特征分析
• 3.5 髋、膝、踝关节运动的图形描述与特征分析
• 3.6 骨盆与双侧髋、膝、踝关节间的相位特征关系
• 3.7 本章小结
• 第4章 步态模型描述
• 4.1 骨盆沿相对坐标系x轴运动的模型描述
• 4.1.1 正弦函数模型
• 4.1.2 骨盆沿相对坐标系x轴运动的模型描述
• 4.2 骨盆沿相对坐标系y轴运动的模型描述
• 4.3 骨盆沿相对坐标系z轴运动的模型描述
• 4.3.1 扩展指数函数模型
• 4.3.2 骨盆沿相对坐标系z轴运动的模型描述
• 4.4 髋关节旋转运动的模型描述
• 4.4.1 扩展Sigmoid型函数模型
• 4.4.2 髋关节旋转运动的模型描述
• 4.5 膝关节旋转运动的模型描述
• 4.5.1 扩展Gaussian函数模型
• 4.5.2 膝关节旋转运动的模型描述
• 4.6 踝关节旋转运动的模型描述
• 4.6.1 分段函数模型
• 4.6.2 踝关节旋转运动在节点间的分段模型描述
• 4.6.3 踝关节旋转运动的整体模型描述
• 4.7 本章小结
• 第5章 步态模型相关与回归分析
• 5.1 相关分析基本原理
• 5.1.1 二元数据的数字特征及相关系数
• 5.1.2 相关系数的假设检验
• 5.1.3 多元数据的数字特征及相关矩阵
• 5.2 步态周期与步长的相关与回归分析
• 5.2.1 步态周期相关分析
• 5.2.2 步长相关分析
• 5.2.3 步长与步态周期的回归分析
• 5.3 骨盆沿x轴运动相关与回归分析
• 5.3.1 相关分析
• 5.3.2 回归分析
• 5.3.3 骨盆沿x轴运动扩展模型
• 5.4 骨盆沿y轴运动相关分析
• 5.5 骨盆沿z轴运动相关分析
• 5.5.1 相关分析
• 5.5.2 骨盆沿z轴运动扩展模型
• 5.6 髋关节旋转运动相关与回归分析
• 5.6.1 相关分析
• 5.6.2 回归分析
• 5.6.3 髋关节旋转运动扩展模型
• 5.7 膝关节旋转运动相关分析
• 5.8 踝关节旋转运动相关与回归分析
• 5.9 本章小结
• 第6章 步态模型检验
• 6.1 步态模型检验方法
• 6.2 步态周期与步长模型检验
• 6.3 骨盆沿x轴运动模型检验
• 6.4 骨盆沿y轴运动模型检验
• 6.5 骨盆沿z轴运动模型检验
• 6.6 髋关节旋转运动模型检验
• 6.7 膝关节旋转运动模型检验
• 6.8 踝关节旋转运动模型检验
• 6.9 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢
• 个人简历