基于统计参数映射分析不同习惯落地模式跑者跑步过程中地面反力的差异

比较不同足落地模式跑者地面反力(ground reaction force, GRF)特征值是否存在差异,并基于一维统计参数映射(statistical parametric mapping, SPM)探索不同足落地模式跑者足触地期间GRF-时间连续性数据的差异。研究纳入32名习惯后足落地跑者(rearfoot strike, RFS)和27名习惯非后足落地跑者(non-rearfoot strike, NRFS),跑者以12 km/h的速度在构建的橡胶跑道上进行跑步,Kistler测力台被用于采集跑步过程中GRF的数据。采用SPM分析不同足落地模式跑者足触地期间三维方向GRF-时间连续性数据的差异。GRF特征值方面,RFS跑者的垂直平均负荷率和触地时前-后方向GRF均显著大于NRFS跑者。SPM结果发现,相较于NRFS跑者,RFS跑者的GRF曲线在站立相前-后方向的5%~10%显著较大,内-外方向的4%~12%显著较小,垂直方向的0~3%显著较小,8%~14%显著较大。对比GRF特征值和SPM分析结果,发现通过特征值分析不足以代表足触地期间GRF-时间连续性数据的变化,应建立连续性假设检验了解跑步过程中的生物力学变化,进而更好为跑步损伤预防提供一定的指导。

基于地面反力的双足机器人期望步态轨迹规划

提出了一种基于地面反力的双足机器人期望步态轨迹规划方法 .通过D’Alembert定理推导出地面反力与机器人关节运动之间的数学关系 .结合ZMP(零力矩点 )稳定性原则和其他物理性约束条件 ,给出了双足机器人期望步态轨迹 .受人类行走的启发 ,采用模糊策略来规划期望ZMP轨迹 .该方案与传统的双足机器人步态轨迹生成方法比较 ,可实现稳定的行走 ,具有上体的运动范围小 ,适用于单、双脚支撑期等优点 .双足机器人的实验说明了该方案的可行性和良好性能 .

人体动态和静态地面反力检测系统的研制

目的:研制一种集成检测动态行走和静态站立的地面反力分析系统。方法:设计三维测力台检测地面反力,开发数据采集、计算和分析的专用计算机软件。结果:利用该系统不仅可以检测行走过程中三个方向的地面反力,而且可以检测站立时压力中心曲线,计算其动摇长度、面积等特征值。结论:在测试常规行走的三维测力台上增加测试平衡能力的功能,可以丰富设备的功能,提高设备的利用率。

鞋跟高度对地面反力和鞋底压力中心的影响

目的:通过研究女性行走时地面反力和鞋底压力中心,探讨鞋跟高度对地面反力和鞋底压力中心的影响。方法:测量穿不同类型和不同鞋跟高度的受试者,在不同行走速度下地面反力的大小和鞋底压力中心,分析地面反力变化和鞋底压力中心轨迹。结果:自然步速下,垂直方向上地面反力峰峰值随鞋跟高度增加而增大;穿中高鞋的侧向反力的峰峰值最大,而前进方向上峰峰值最小。随鞋跟高度的增加,鞋底压力中心侧向的移动量明显增大。结论:鞋跟高度导致人体侧向移动量增大,不同鞋跟高度对地面反力产生不同的影响。

压力鞋垫的足-地面反力预测模型与分析

为方便医生对病人日常生活状态下足-地面反力的远程监诊,设计了鞋垫式足底压力测量系统。在足底压力的动态测量过程中,压力传感器的模拟信号经过放大滤波调理和数模转换后,通过Zigbee无线模块发送至SQL数据库,使用LabVIEW后处理程序实现足底压力的远程读取。基于足底压力数据,利用多元线性回归算法建立了足-地面反力的多元线性回归模型,发现FSR402传感器在测量10 N以下的压力时精度较高,当压力达到10 N及以上时精度显著下降。鞋垫式压力测量系统通过2次对比实验所测的测量值和预测值之间的误差为0.2488%和0.7318%,位于工程应用可接受的误差范围之内,而产生的误差以及预测力负值的原因是传感器精度和足部与鞋垫之间的黏弹性。

基于地面反力最优规划的双足机器人姿态控制

提出了一种基于地面反力最优规划的双足步行机器人上体姿态控制算法，以实现上体轨迹准确跟踪及为分级递阶控制结构中的地面反力／位混合控制提供参考输入。由于上体只安装了加速度器并未安装陀螺仪，文中采用线性观测器来重构沿偏转轴和俯仰轴的偏转速度，利用无源性理论控制器一观测器设计了保持上体姿态跟踪特性及系统为最终有界和局部指数稳定有界的地面反力期望值。

膝骨性关节炎功能评价步态指标研究——足底压力各阶段时间分布及地面垂直反力

目的探讨膝骨性关节炎患者足底压力各阶段时间分布及地面垂直反力。方法选取40例膝骨性关节炎(KOA)患者、10位正常老年人和10位正常年轻人,运用足底压力测量系统测试单足支撑期足底压力各阶段时间分布及地面垂直反力。结果在时间分布上,单侧OA组健、患侧触地初期和前脚掌蹬离期差异无显著性意义(P>0.05),健、患侧之间前脚掌触地及全足支撑期差异有非常高度显著性意义(P<0.001);单侧KOA组健侧与正常老年组相应侧比较,各阶段差异均有显著性意义(P<0.05)。双侧OA组左右侧相比差异无显著性意义(P>0.05),与单侧KOA组健、患侧比较,各阶段差异均有显著性意义(P<0.05)。单侧KOA组健、患侧缓冲时间T0和缓冲力系数K值差异有非常显著性意义(P<0.01),健侧与正常老年人比较差异有显著性意义(P<0.025,P<0.001);双侧KOA组自身比较差异无显著性意义(P>0.05),但小于正常老年组及单侧KOA组健侧(P<0.05)。结论KOA患者单足承重期时间减少,缓冲时间缩短,缓冲力系数降低,这些指标可以作为KOA患者功能评价步态指标和疗效客观依据。

不同上楼速度下的垂直地面反力

上楼垂直地面反力决定着人体质心在垂直方向上的运动,与垂直方向上的平均行走速度、初速有密切的联系。该文建立了上楼行走垂直方向模型,提出了连续周期行走约束,给出了垂直地面反力表达式,研究了其最大值的影响因素,建立了垂直方向初速与垂直地面反力参数、水平方向平均速度之间的数学关系,并对不同上楼速度下的垂直地面反力最大值变化情况进行了预测。用光学运动捕捉系统和六维力台进行了不同速度下的上楼行走测试,测试结果表明:预测结论较准确,上楼低速行走时更加接近水平行走,为使垂直地面反力最大值变化较小,随着行走速度的增加,垂直方向初速增加。

意外滑移后自主恢复平衡过程中地面支反力和利用摩擦系数研究

为了研究正常行走和意外滑移两种不同情况下地面支反力(ground reaction forces,GRF)和利用摩擦系数(utilized coefficient of friction,UCOF),进而探究影响意外滑移后自主恢复平衡的因子,本研究选取20名健康男性青年在干燥无油直道和涂油直道条件下进行行走试验,使用AMTI测力台分别采集两种情况下的地面支反力数据,进而求出两者利用摩擦系数。结果表明,增大垂直向上支反力、内侧剪切力和向后剪切力有助于滑后恢复。意外滑移过程中UCOF的大小可以表征发生滑移的可能性。本研究结果可为下肢肌群的选取提供参考,同时有助于提出有效的防滑策略。

短跑支撑期股后肌损伤的动力学分析

目的:本研究通过分析短跑途中跑支撑期下肢关节各种力矩分量,探寻下肢动力学与股后肌损伤的内在联系。方法:8名短跑运动员为受试者,采用即时红外高速摄影技术及三维测力台,引入环节互动动力学方法计算分析短跑最大速度阶段支撑期的下肢关节力矩,研究各种力矩分量(含肌肉力矩、地面反作用力力矩、惯性力矩等)在膝、髋关节处产生的作用,分析在支撑期股后肌的受力及作用情况。结果显示:触地初期,地面反作用力通过膝、髋关节前方,在膝关节处产生伸膝力矩,在髋关节处产生屈髋力矩,为抵抗这一力矩,股后肌群收缩产生屈膝力矩和伸髋力矩分别为231.09±99.04Nm和453.15±199.06Nm。结论:触地初期股后肌承受极大的负荷,是股后肌损伤发生的高危险期。

低成本人体步态分析系统的研究

目的:改进原有矢状面人体步态分析系统,增加额状面运动轨迹和肌电信号检测功能,完善系统软件,使其操作更加简单方便。方法:增加部分硬件,改进运动轨迹检测步骤,优化标志点自动识别算法和软件流程。结果:该系统可以检测与分析矢状面和额状面运动轨迹、地面反力和表面肌电信号,并且能够对患者平衡控制功能进行训练治疗。结论:额状面的肩摇晃系数、髋内收和内旋系数、脚面侧翻角度等参数,弥补了单一矢状面运动分析的不足,新系统丰富和完善了原有矢状面人体步态分析系统的功能,为临床提供了一种成本低廉、功能齐全的步态分析工具。

基于多传感器信息的双足机器人步行系统的研究

提出了一种基于多传感器信息和实时修正算法的双足机器人分级递阶行走控制结构。在系统设计中 ,充分考虑零力矩点 (ZMP)稳定性规则以及机器人行走时所受的其它物理性约束条件。为提高机器人对不平整路面的鲁棒性和克服系统建模误差 ,行走控制系统中采用了鲁棒地面反力控制器和基于地面反力最优规划的姿态控制策略。

一种类人型机器人的步行稳定性研究

类人型机器人行走稳定性的理论对机器人模仿人的行走有着至关重要的影响。通过增加类人型机器人的脚跟,使其行走稳定性增强.根据双足机器人行走稳定性的动力学条件,结合类人型机器人行走的特征和重心位置,并考虑地面反力和能量两方面的因素,给出了类人型机器人行走稳定性与脚跟高度的数学关系,即增加机器人的脚跟可以增强类人型机器人步行的稳定性.

基于三维测力台系统的人体步态分析

在总结运动技术的生物力学特征和规律的基础上,解释步态异常的关键环节和影响因素,为运动障碍患者步行能力的康复评定提供科学依据。方法:通过使用三维测力台系统对正常人和患者行走时足底与支撑面之间的压力(垂直、左右、前后三个方向的力)进行测量与分析。结果:可检测出在行走过程中正常人和患者的地面反力以及加速度曲线和站立时的压力中心曲线。结论:由测力台系统检测出的图形和数据对比分析了正常人和患者的步态,从而发现患者在步行时存在的问题,找出影响步态的因素。

冬季运动项目训练智能管理系统

为了准确、定量、高效地测量和分析冬季项目运动员的专项动作,开发了冬季运动项目训练智能管理系统。该系统包含动作捕捉和识别、地面反力检测和计算以及人体动力学分析3个子系统,能够综合分析专项动作的运动学、动力学和骨骼肌肉力学状态。使用Python语言编制的系统软件集成了上述功能,利用此软件对一组跳台滑雪起跳动作进行了模拟计算,验证了系统的可靠性。该系统可同时应用于科研和教学,不仅能够为运动员的专项动作科学化训练提供指导,也可在课程教学中帮助学生学习运动生物力学的测量和分析技术。

正常人体步态的动力学仿真与分析

为研究人体正常行走时的步态,利用Simulink/Sim Mechanics对人体下肢进行动力学仿真与分析。首先以二连杆机构为基础进行动力学仿真建模,并设定模型参数,将模型仿真的结果与利用拉格朗日方程求解的逆动力学结果进行对比,若两者一致即证明模型具有正确性。据此建立单侧下肢正常行走的仿真模型,对模型的有效性以及地面反力对正常步态的影响进行仿真分析。试验结果显示,下肢在正常受力下仿真得到的总力矩面积与真实实验的总力矩面积的偏差为23%,证明模型是有效的;在有无受到地面反力下仿真得到的总力矩面积的偏差为89%,表明地面反力对正常行走步态具有重要影响。

非运动活跃人群单腿着陆时膝关节生物力学性别差异

目的非运动活跃群体前交叉韧带损伤问题突出。研究单腿着陆过程中,该群体下肢肌肉预激活模式与膝关节生物力学之间的关系及其性别差异。方法招募38名非运动活跃成人,包括20名女性和18名男性。记录了受试者单腿着陆过程中膝关节运动学、地面反力和下肢表面肌电的数据。回归分析评估了导致胫骨前向剪切力增大的风险因素。采用独立样本t检验对比膝关节生物力学以及表面肌电数据男女性别差异。结果着陆时,女性的胫骨前向剪切力显著高于男性(P<0.001)。

弯道行走地面支反力与利用摩擦系数的研究

通过地面支反力(GRF)求得的利用摩擦系数(UCOF)是预测行走滑跌可能性的一个有效方法。为了研究不同转弯策略下的利用摩擦系数,进而预测其滑跌可能性,本研究选取了10名健康男性青年进行直道行走与两种转弯策略(外侧脚转弯与内侧脚转弯)下的60°、90°转弯行走试验,使用ATMI测力台采集地面支反力数据,进而求出各行走条件下的利用摩擦系数。结果表明,各行走条件下的足-地间内外剪切力差异较大;弯道行走的滑跌可能性显著大于直道行走。对于内侧脚转弯,转弯角度对利用摩擦系数峰值没有显著影响。对于外侧脚转弯,推进力随转弯角度的增大而减小,这使得60°转弯时的利用摩擦系数峰值相较于90°转弯明显增大。这表明,弯道角度对内侧脚转弯时的滑跌概率影响较小,而对外侧脚转弯影响较大,角度越大滑跌概率越小。

外墙石材干挂根部石材破裂的防治

建筑物外墙石材干挂饰面,较粘贴饰面相比,因具有很多的优点,在工程中被广泛地推广与应用。传统的做法是落地式石材干挂饰面在完工后,其根部直接用素土或灰土掩埋,这样会造成建筑物在沉降过程中,地面反力挤压石材。

离合器摩擦力矩的确定

本文根据所建立的离合器滑磨功计算式,分析了离合器滑动摩擦力矩对滑磨功的影响,给出了根据汽车整车参数确定离合器摩擦力矩的方法和应用举例.