基于耦合摆模型的人体行走能耗分析

王存金; 唐景明; 沈冬华; 王兴松

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基于耦合摆模型的人体行走能耗分析

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基于人体行走摆动相期间摆动腿相关肌肉群几乎静息的现象,本文提出一个耦合摆模型并建立人体行走摆动相和双支撑相数学模型.采用打靶法求解摆动相期间支撑腿踝关节、摆动腿髋关节和膝关节角度变化.基于动量守恒计算摆动腿膝关节锁定和脚跟着地时,各关节角速度的变化,得出能量损耗率.分析各关节存在摩擦力矩时对摆动腿膝关节锁定和脚跟着地能耗率的影响.在髋关节与踝关节分别引入弹性储能元件,分析其对行走步态与能耗的影响.研究结果表明,基于数学模型计算出的各关节角度随时间的变化与正常行走时的实测数据非常接近;行走过程中主要的机械能损耗源于脚跟着地撞击,其能耗远大于膝关节锁定和摩擦力矩引起的能耗;在髋关节处添加弹性储能元件会缩短摆动腿摆动相时间,使步速加快,但导致脚跟着地时的能耗上升;在支撑腿踝关节处添加弹性储能元件可以降低摆动腿脚跟着地的能耗,并不会影响步速.本文的研究结果可为下肢助力外骨骼和足部假肢的设计与研究提供参考依据.

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来源
《中国科学》 |2021年第9期|P.1053-1065|共13页
作者
王存金; 唐景明; 沈冬华; 王兴松;
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作者单位

东南大学机械工程学院南京211189;

东南大学机械工程学院南京211189;

东南大学机械工程学院南京211189;

东南大学机械工程学院南京211189;

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正文语种 chi
中图分类骨科学（运动系疾病、矫形外科学）;
关键词
耦合摆; 行走步态; 能量损耗; 弹性元件; 打靶法;

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