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负重常速行走时下肢关节动力学及表面肌电的实验研究

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负重常速行走时下肢关节动力学及表面肌电的实验研究

作者：朱陇康上海体育学院

学位级别：硕士

研究目的：根据之前关于人体负重能耗的研究表明，在足部负重1.5kg后行走时人体能耗显著增大，因此本次研究所选负重方式为脚踝、脚背负重，负重物重量为1.5kg。本研究的目的在于探讨分别在两侧脚背和脚踝处负重1.5kg的沙袋常速行走对... 详细信息

研究目的：根据之前关于人体负重能耗的研究表明，在足部负重1.5kg后行走时人体能耗显著增大，因此本次研究所选负重方式为脚踝、脚背负重，负重物重量为1.5kg。本研究的目的在于探讨分别在两侧脚背和脚踝处负重1.5kg的沙袋常速行走对下肢关节的影响，研究负重步态策略下，下肢关节运动学、动力学规律以及下肢主要肌肉放电水平的变化，并与无负重情况进行对比，进而探讨能耗增大的内在意义。研究方法：本实验的研究对象为13名正常青年人，受试者常速行走过程中的运动学和动力学数据通过红外三维运动捕捉与分析系统（VICON T40，英国，16摄像头，采样频率100Hz）和三维测力台（KISTLER9287C，瑞士，采样频率1000Hz）同步采集得到。采用Delsys肌电采集系统下肢所选肌肉的表面肌电数据，而后利用Vicon拍摄的静态在Visual-3D软件中建立人体运动模型，通过逆向动力学方法计算得到动力学数据。由EMGworks4Analysis软件处理得到肌肉均方根振幅数据。本次实验采用SPSS19.0软件对实验数据进行统计学分析，采用的统计学方法为单因素重复测量方差分析，组内水平共3个（无负重、脚踝负重、脚背负重），显著性差异水平α=0.05，所得数据均以“平均值±标准差”的形式表示。研究结果：1）关节角度：脚背负重行走与无负重行走相比，踝关节外旋角度峰值AA1-T、AA2-T显著增大（P=0.015，P=0.003）;相较无负重行走，脚踝、脚背负重行走时屈膝角度峰值KA1-S显著增大(P=0.003,P=0.004);脚背负重行走时膝关节内旋角度最大值KA2-T较无负重行走、脚踝负重行走显著增大（P=0.02，P=0.043）;脚背负重与无负重相比，膝关节外旋角度峰值KA3-T显著减小（P=0.045）;脚踝负重行走的屈髋角度峰值HA1-S明显大于无负重行走(P=0.004)。2）关节力：在踝关节处，脚背负重行走时踝关节所受外侧力第二峰值AF2-M、远端力第一峰值AF1-P较无负重行走明显增大（P=0.019;P=0.01）。脚踝负重与脚背负重相比，前者外侧力AF2-M值显著增大(P=0.001)）。在膝关节处，脚踝负重行走膝关节所受向后力峰值KF1-A显著减小、向前力峰值KF2-A、远端力峰值KF1-P明显大于无负重行走((P=0.008;P=0.029;P=0.021)。3）关节力矩：无论脚踝负重还是脚背负重行走，下肢三个关节在右脚与地面接触期间的力矩峰值、谷值均无显著变化。4）关节功率：脚踝、脚背负重行走较无负重行走，膝关节输入功率第二峰值KP3显著增大（P=0.011;P=0.022）。5）脚背负重行走时股二头肌在单支撑期放电水平加强（P=0.036）;股直肌、股内肌、胫骨前肌在第二个双支撑期放电水平加强（P=0.016;P=0.004;P=0.048）;脚踝负重行走较无负重行走股内肌放电水平显著提高（P=0.004）。结论：脚背、脚踝负重行走时人体需要消耗更多的能量，这些能量主要是由于负重后下肢肌肉收缩加强所消耗。包括股二头肌在单支撑期所消耗、股直肌、股内肌以及胫骨前肌在第二个双支撑期放电水平提高所消耗能量。从下肢各关节运动幅度的变化可知，脚踝、脚背负重行走与无负重行走相比，负重行走时踝关节外旋幅度增大，屈膝、屈髋幅度增大。负重后关节受力方面，只有踝、膝两个关节的受力显著增大。其中脚背负重行走时踝关节所受外侧力增大;脚踝负重行走时膝关节所受向后力、远端力增大。但是这些力都在关节可以承受的范围内，并不会对人体关节造成损伤。脚踝、脚背两个部位的负重形式下，三个关节的力矩都有不同程度的变化，但是差异并不显著。在关节功率方面，膝关节输入功率增大了，这说明在摆动前期股四头肌等伸膝肌群在负重后需要消耗更多能量才能顺利完成摆腿动作。

关键词：关节动力学常速步行表面肌电足部负重关节力矩关节功率

易筋经练习对中老年下肢各关节动力学及肌电信号募集特征影响的研究

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文体用品与科技 2020年第11期4卷 145-147页

作者：赵猛井兰香高原燕山大学体育学院河北秦皇岛066004

(1)目的:采集易筋经训练前、后中老年原地垂直纵跳动作生物力学数据,比较易筋经训练前后下肢各关节动力学和肌电信号募集特征的变化;(2)方法:选择40名中老年受试者随机分为训练易筋经组和健康教育对照组。采集受试者训练前后同步纵跳过... 详细信息

(1)目的:采集易筋经训练前、后中老年原地垂直纵跳动作生物力学数据,比较易筋经训练前后下肢各关节动力学和肌电信号募集特征的变化;(2)方法:选择40名中老年受试者随机分为训练易筋经组和健康教育对照组。采集受试者训练前后同步纵跳过程运动学、动力学数据,同步采集下肢肌表面肌电信号数据;(3)结果:与对照组及实验前相比,实验后训练组纵跳支撑期髋、踝关节峰值力矩、冲量矩、峰值功率、做功均显著提高;膝关节峰值力矩、冲量矩、峰值功率、做功均没有显著变化;臀大肌的活性显著提高,阔筋膜张肌、腓肠肌外侧头的活性显著降低;向心期髋、踝关节拮抗肌共激活显著提高,膝关节拮抗肌共激活显著降低;(4)结论:易筋经练习显著提高伸髋肌激活及共激活,提高髋关节动力学;降低伸膝拮抗肌共激活,控制膝关节动力学;通过提高踝跖屈拮抗肌共激活,提高踝关节动力学;训练后下肢各关节运动策略得以优化。

关键词：易筋经纵跳关节动力学拮抗肌共激活

步行中下肢关节动力学以及表面肌电的研究综述

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南京体育学院学报（自然科学版） 2014年第2期13卷 41-45页

作者：朱陇康上海体育学院上海200438

步行是我们日常生活中最为普遍的运动,要想深入地了解这项运动,必须对行走过程中控制人体运动的关节力矩进行分析。单纯的运动学或动力学研究不能准确揭示出人体步态所蕴藏的生命信息,因此,从关节动力学角度结合表面肌电研究人体步态已... 详细信息

步行是我们日常生活中最为普遍的运动,要想深入地了解这项运动,必须对行走过程中控制人体运动的关节力矩进行分析。单纯的运动学或动力学研究不能准确揭示出人体步态所蕴藏的生命信息,因此,从关节动力学角度结合表面肌电研究人体步态已成为当前研究的热点。通过多环节运动的动力学方法可对下肢关节动力学指标进行分析与探讨。目的:综述人体运动中下肢关节力矩、关节功率等关节动力学参数变化,以及肌电相关指标的变化。方法:检索PubMed和中国知网数据库中有关步行时下肢关节动力学的文章。英文检索词为Joint kinetics;Walking;sEMG,中文检索词为"关节动力学;步行;表面肌电。"结果与结论:目前对于人体步行中下肢关节动力学的研究:在研究指标上,单一指标的研究较多,多指标的综合研究不足。在研究对象上,针对青年人群和步行障碍患者的研究比较多,对老年人和儿童的相关报到较少。在研究内容上,针对背部负重行走的步态研究居多,对负重损伤的力学机制研究较少,在研究结果上,一些结论之间相互矛盾,负重影响人体步态的确切机制仍然模糊不清。

关键词：关节动力学步行表面肌电

空间机械臂关节精细动力学模型的建立及关节力矩控制

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宇航学报 2014年第6期35卷 663-668页

作者：刘志全危清清王耀兵中国空间技术研究院总体部北京100094

针对空间机械臂辅助对接任务中的复杂关节力矩控制问题,建立了含间隙、非线性刚度及啮合阻尼的多级行星齿轮传动复杂关节精细动力学模型,该模型不仅考虑了齿轮啮合刚度,而且考虑了齿轮轴的扭转刚度。提出了一种基于关节动态扭转变形的... 详细信息

针对空间机械臂辅助对接任务中的复杂关节力矩控制问题,建立了含间隙、非线性刚度及啮合阻尼的多级行星齿轮传动复杂关节精细动力学模型,该模型不仅考虑了齿轮啮合刚度,而且考虑了齿轮轴的扭转刚度。提出了一种基于关节动态扭转变形的关节力矩测量方法,并以此建立关节力矩控制系统,利用Runge-Kutta算法对关节精细动力学模型进行了数值计算。计算结果表明,此关节力矩控制方法约有1.7%的稳态误差,能满足关节力矩控制的需要;基于关节动态扭转变形的关节力矩测量方法有效地解决了提高关节力矩测量精度与保持传感器刚度之间的矛盾。

关键词：空间机械臂关节辅助对接关节动力学力矩控制

不同姿势下楼梯时健康老年人下肢关节力矩及做功的动力学分析

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不同姿势下楼梯时健康老年人下肢关节力矩及做功的动力学分析

第三届“全民健身科学运动”学术交流大会

作者：彭哲勋钟运健南昌大学体育学院

目的:本文旨在探究在前屈姿势、正常姿势、后仰姿势下楼梯时,健康老年人下肢各关节力矩和做功的分配,进一步了解相关动力学适应机制,为指导老年人群在日常生活中保持科学、正确的下楼梯姿势和运动习惯及预防跌倒提供依据。方法:招募社... 详细信息

目的:本文旨在探究在前屈姿势、正常姿势、后仰姿势下楼梯时,健康老年人下肢各关节力矩和做功的分配,进一步了解相关动力学适应机制,为指导老年人群在日常生活中保持科学、正确的下楼梯姿势和运动习惯及预防跌倒提供依据。方法:招募社区里的健康老年受试者,为其提供免费量血压、功能评估等基本检查。筛选标准:（1）年龄≧60岁;（2）要求受试对象无心脑血管、肺部等慢性基础疾病;（3）视觉与前庭功能正常;（4）日常生活能独立自理,独立参与约2h的动作测试;（5）近两年无周围神经、肌肉骨骼系统方面疾患等;（6）自愿参与本次测试活动,填写《老年人群基本情况登记表》并签署知情同意书。经严格筛选有15名健康老年人符合标准。受试者分别进行前屈姿势、自然姿势、后仰姿势下楼梯行走,采集运动学数据和地面反作用力,根据逆动力学算法计算出下肢各关节肌力矩、功率,经积分求导分别得角冲量、做功量。结果:与正常姿势相比,健康老年人后仰姿势下楼梯时的屈髋力矩峰值及其角冲量增大（P＜0.05）,伸膝角冲量增大（P＜0.05）,屈髋肌群和伸膝肌群负功增加（P＜0.05）,伸髋力矩峰值及其角冲量减小（P＜0.05）;前屈姿势下楼梯时的屈髋力矩峰值及其角冲量减小（P＜0.05）,伸髋、伸膝角冲量增大（P＜0.05）,伸髋和伸膝肌群负功增加（P＜0.05）。结论:后仰姿势下楼梯对屈髋和伸膝肌群所需的力量与离心收缩能力要求较高,前屈姿势下楼梯对伸髋和伸膝肌群所需的力量与离心收缩能力要求较高。对于髋关节前部肌肉疼痛老年人,建议采取前屈姿势下楼梯较为安全;对于髋关节后部肌肉疼痛老年人,建议采取后仰姿势或正常姿势下楼梯较为安全;对于健康老年人,建议加强髋关节屈伸肌群和伸膝肌群的力量练习,尤其是加强离心收缩做负功的能力,以满足不同姿势下楼梯时下肢主要关节肌群力量与做功输出的要求,提高下楼梯时的动态平衡功能,降低下楼梯跌倒的风险,改善老年人的生活质量。

关键词：老年人下楼梯姿势关节动力学

来源： cnki会议评论

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空间站柔性机械臂辅助舱段对接动力学分析

中国空间科学技术 2016年第3期36卷 24-31页

作者：危清清王耀兵唐自新张大伟空间智能机器人系统技术与应用北京重点实验室北京100094 北京空间飞行器总体设计部北京100094

为验证空间站柔性机械臂系统在有初始位置、姿态误差的情况下能否成功完成辅助舱段对接任务,文章建立了空间站柔性机械臂辅助舱段对接动力学模型,模型考虑了对接机构的接触碰撞,依据关节精细动力学模型、力矩控制方法和阻抗控制程序进... 详细信息

为验证空间站柔性机械臂系统在有初始位置、姿态误差的情况下能否成功完成辅助舱段对接任务,文章建立了空间站柔性机械臂辅助舱段对接动力学模型,模型考虑了对接机构的接触碰撞,依据关节精细动力学模型、力矩控制方法和阻抗控制程序进行了空间柔性机械臂辅助舱段对接过程仿真。仿真结果表明,当关节输出端位置测量精度为17位时,依靠阻抗控制的方法,空间柔性机械臂在主动舱存在最大位置误差150mm,最大姿态误差2.5°的情况下仍能完成对接;对接成功后,空间柔性机械臂系统控制力迅速下降,仍然能较好地保持构型,不会影响对接舱段的安全。

关键词：空间机械臂辅助对接关节动力学力矩控制阻抗控制

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利用肌电信号求解关节力矩的研究及应用综述

智能系统学报 2020年第2期15卷 193-203页

作者：姜峰尹逊锋衣淳植杨炽夫哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院黑龙江哈尔滨150001 哈尔滨工业大学机电工程学院黑龙江哈尔滨150001

表面肌电信号(surface electromyography,sEMG)是人体的易于检测的神经信号,其富含大量人体运动信息。利用肌电信号作为输入信号,结合相关生物学模型分析肌电信号同肌肉力和对应关节力矩之间的关系,对于深入理解分析人体动力学具有重要... 详细信息

表面肌电信号(surface electromyography,sEMG)是人体的易于检测的神经信号,其富含大量人体运动信息。利用肌电信号作为输入信号,结合相关生物学模型分析肌电信号同肌肉力和对应关节力矩之间的关系,对于深入理解分析人体动力学具有重要意义。本文详细归纳总结了利用肌电信号求解人体关节力矩方法的研究成果,同时介绍神经肌肉骨骼模型的计算及优化过程,给出部分模型生理参数为之后的研究提供参照,并给出现阶段该方法在人体关节力矩求解中的应用。通过分析该求解过程中所面临的一些问题,总结出该方法的发展展望,为之后的研究提供参考。

关键词：表面肌电信号神经激活信号处理肌肉激活肌肉骨骼模型关节力矩关节动力学参数辨识

面向助力机器人设计的人体负重楼梯行走下肢运动研究

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中国机械工程 2013年第22期24卷 3090-3095页

作者：韩亚丽赵国平高海涛朱松青南京工程学院南京211167 东南大学南京211189

利用Motion Analysis公司开发的步态分析系统对12名测试对象分别进行不同负重(0kg,10kg,20kg,30kg)的上楼梯行走实验,检测出上楼梯过程中,下肢关键点的三维坐标值及脚底与地面间的反作用力及力矩,通过建立人体下肢动力学模型,获得行走... 详细信息

利用Motion Analysis公司开发的步态分析系统对12名测试对象分别进行不同负重(0kg,10kg,20kg,30kg)的上楼梯行走实验,检测出上楼梯过程中,下肢关键点的三维坐标值及脚底与地面间的反作用力及力矩,通过建立人体下肢动力学模型,获得行走过程中下肢各关节的运动学及动力学行走数据,并分析出随着负重的增加,下肢各关节的运动变化特征。揭示了人体不同负重上楼梯过程中下肢各关节的运动机理,获得的运动学及动力学数据为下肢助力机器人的设计提供了重要的理论依据。

关键词：楼梯负重行走关节运动学关节动力学助力机器人设计

疲劳诱发如何影响跃起着地动作时下肢关节负荷及平衡能力?

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中国组织工程研究 2018年第19期22卷 3021-3026页

作者：桂柱袁艺文沙滟西南医科大学体育学院四川省泸州市646000

背景:人体处于疲劳状态下,其控制肌肉的能力便会下降,但目前对疲劳后跃起着地下肢关节负荷及平衡能力的改变情况尚不明确。目的:探讨疲劳诱发对运动员着地下肢关节运动学、动力学及动、静态平衡的影响,从而为预防运动损伤提供重要参考... 详细信息

背景:人体处于疲劳状态下,其控制肌肉的能力便会下降,但目前对疲劳后跃起着地下肢关节负荷及平衡能力的改变情况尚不明确。目的:探讨疲劳诱发对运动员着地下肢关节运动学、动力学及动、静态平衡的影响,从而为预防运动损伤提供重要参考依据。方法:采用闭锁式动力链动作对16名优秀男子排球选手先诱发肌肉疲劳,再利用Vicon红外线运动图像采集系统及三维力测力台同步收集受试者跃起着地动作的运动学、动力学及足底压力中心参数。结果与结论:(1)疲劳后着地所测得的髋关节最大屈曲角度、活动范围和膝关节的活动范围显著小于疲劳前(P关节达到最大屈曲角度的时间显著下降,而地面反作用力最大值呈显著增加(P<0.05);(3)疲劳后着地,动、静态平衡在足底压力中心的偏移半径、移动速度及移动所复盖面积呈显著增加(P<0.05);(4)结果提示,疲劳后跃起着地受试者往往采取较为僵硬的着地动作,以尽快维持姿势稳定;疲劳后着地受试者身体平衡能力显著下降,造成着地后的冲击力无法有效地减少,从而增加了运动伤害发生的风险。

关键词：姿势平衡运动损伤活动范围,关节组织工程疲劳诱发跃起着地关节运动学关节动力学足底压力中心