人体十一刚体生物力学模型及跑步运动生物力学研究

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1、分类号：密级：UDC：编号：工学硕士学位论文人体十一刚体生物力学模型及跑步运动生物力学研究硕士研究生：马孝浩指导教师：赵凌燕讲师学科、专业：机械工程论文主审人：于凌涛副教授哈尔滨工程大学2018年3月分类号：密级：UDC：编号：工学硕士学位论文人体十一刚体生物力学模型及跑步运动生物力学研究硕士研究生：马孝浩指导教师：赵凌燕讲师学位级别：工学硕士学科、专业：机械工程所在单位：机电工程学院论文提交日期：2018年01月论文答辩日期：2018年03月学位授予单位：哈尔滨工程大学ClassifiedIndex:U.D.C:ADissertationfortheDegreeof

2、M.EngBodyElevenrigidbodyBiomechanicalmodelandBiomechanicalstudyofrunningexerciseCandidate:MaXiaohaoSupervisor:Lecturer.ZhaoLingyanAcademicDegreeAppliedfor:MasterofEngineeringSpecialty:MechanicalEngineeringDateofSubmission:Jan.2018DateofOralExamination:Mar.2018University:HarbinEngineerin

3、gUniversity哈尔滨工程大学学位论文原创性声明本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。作者（签字）：日期：年月日哈尔滨工程大学学位论文授权使用声明本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨工程大学有权保留并向国家有关

4、部门或机构送交论文的复印件。本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。本论文（□在授予学位后即可□在授予学位12个月后□解密后）由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。作者（签字）：导师（签字）：日期：年月日年月日摘要随着跑步运动的时兴，跑步带来的关节损伤成为这项运动的重大隐患。为了研究造成关节损伤的原因，针对人体跑步过程进行生物力学研究

5、，通过实验研究分析跑步运动的内在规律以及肢体关节受力特性。本文将从理论、仿真、实验三者相结合的方式，对跑步运动进行详尽的研究，如下：1.分析人体跑步运动的特点，结合多质点多刚体模型进行人体十一刚体生物力学建模，并在人体矢状面内建立运动学方程，建立各环节坐标位置、质心位置表达式；针对跑步中的支撑期建立人体十一刚体结构的动力学方程，腾空期利用动量矩定律进行分析，得到如何利用人体运动特征提高运动成绩；对人体多刚体模型进行跑步过程中惯性力作用分析。2.通过实验的方法，使用加速度计、FAB系统和足底相位系统获取跑步运动参数，对数据进行划分、滤波和分类。获得跑步足底状态分布、关节

6、转角变化、肢体加速度变化和足底压力变化。结合人体十一刚体模型，利用SimMechanics进行仿真。3.通过实验获得了跑步过程中人体的各种运动数据，基于数据分析得到跑步与步长和步频的关系，结合理论知识分析如何增加步频和步长来提高跑速。不同跑速下的步态周期变化也是不一样的，支撑期、腾空期和摆动期在随着跑速的增加而发生变化。着重分析跑步运动下肢关节转角极值变化规律，对比不同跑速下的上下肢体关节转角变化规律，详细分析跑步运动的运动规律，根据实验曲线将跑步运动进行详细分解。获得的肢体转角数据应用于建立好的SimMechanics仿真模型中，对人体跑步运动进行仿真。4.跑步运动

7、中的关键为各个关节的受力情况，根据跑步实验中获得足底压力和运动参数等，结合理论方面的动力学方程式，获得各个关节的关节力和关节力矩变化规律，可以发现支撑期的下肢各个关节的受力情况。并将仿真关节力矩与实验关节力矩作对比分析验证动力学模型的。根据实验中各个肢体的加速度数据，结合惯性力方程，得出各个肢体的惯性力-时间曲线。关键词：跑步运动；十一刚体模型；支撑期；关节转角；关节力和力矩ABSTRACTWiththepopularityofrunningsports，Jointinjurycausedbyrunninghasbecomeamajorhiddend