论文题目：穿戴下肢外肌肉助力装置在上下楼梯时对人体下肢关节的影响
摘要：研究目的:21世纪,我们国家老龄化进程加快,随着年龄的增长,人体下肢的肌肉力量下降,长时间的行走或者上下楼梯会加速人体关节磨损尤其是膝关节的磨损。本文以在“体彩杯”全国体育科技创新大赛中获奖的专利产品下肢外肌肉助力装置为研究对象,对穿戴下肢外肌肉助力装置在上下楼梯时人体下肢关节的运动学和动力学指标进行研究,探讨装置的性能、应用范围以及装置的优缺点,以便我们可以改善和设计出更适合人体使用的助力装置,并加速装置的开发与推广。研究方法:本文主要运用实验法和数理统计的方法,结合高速摄影对穿戴下肢外肌肉助力装置前后上下楼梯过程分别进行了步态的分析,同时通过文献资料的查阅对下肢进行生物力学建模,利用欧拉法和多刚体逆向动力学方法构建有关下肢关节内力和关节力矩的动力学参数的求解方程。收集受试者穿戴装置前后的下肢踝关节,膝关节和髋关节的相关指标进行关节内力和关节力矩的动力学计算并对计算结果标准化,辅以Excel2003软件和IBM SPSS软件对穿戴前后数据标进行配对样本T检验。研究结果:（1）在上楼梯阶段,从左脚踏在测力台进入第一双支撑相开始到左脚离开测力台进入第二单支撑相过程中,受试者穿戴助力装置后,踝关节和膝关节的关节角度均大于戴前且出现了显著性差异（P＜0.05）,髋关节的关节角度大于穿戴前且表现出极显著性差异（P﹤0.01）。在下楼梯阶段,从左脚任意一部分接触测力台进入第一双支撑相开始到左脚离开测力台进入第二单支撑相过程,受试者穿戴助力装置前后踝关节、膝关节、髋关节的关节角度对比均未出现显著性差异。（2）在上楼梯阶段,从左脚踏在测力台进入第一双支撑相开始到左脚离开测力台进入第二单支撑相过程中,受试者穿戴助力装置前后踝关节和膝关节的关节内力的峰值均未出现显著性差异,穿戴助力装置后的髋关节的关节内力峰值大于穿戴前关节内力峰值且出现极显著性差异（P＜0.01）。在下楼梯阶段,从左脚任意一部分接触测力台进入第一双支撑相开始到左脚离开测力台进入第二单支撑相过程,受试者穿戴助力装置前后踝关节和膝关节的关节内力峰值均未出现显著性差异,穿戴助力装置后的髋关节的关节内力峰值大于穿戴前的关节内力峰值且呈现极显著性差异（P＜0.01）。（3）在上楼梯阶段,从左脚踏在测力台进入第一双支撑相开始到左脚离开测力台进入第二单支撑相过程中,受试者穿戴助力装置后膝关节和髋关节的关节力矩峰值均小于穿戴前的关节力矩峰值且出现显著性差异（P＜0.05）,而穿戴助力装置前后踝关节没有显著性差异。在下楼梯阶段,从左脚任意一部分接触测力台进入第一双支撑相开始到左脚离开测力台进入第二单支撑相过程,受试者在穿戴助力装置后踝关节关节力矩的峰值小于穿戴前的关节力矩峰值且出现显著性差异（P＜0.05）,穿戴助力装置后膝关节关节力矩峰值小于穿戴前的关节力矩峰值且出现极显著性差异（P＜0.01）,而穿戴助力装置前后髋关节关节力矩峰值没有呈现显著性差异。（4）在上楼梯阶段,从左脚踏在测力台进入第一双支撑相开始到左脚离开测力台进入第二单支撑相过程中,受试者在穿戴下肢外肌肉助力装置后下肢踝关节和髋关节自身提供的关节力矩峰值小于穿戴前数值且出现显著性差异（P＜0.05）,穿戴助力装置后膝关节自身提供的关节力矩峰值小于穿戴前数值且出现了极显著性差异（P＜0.01）。在下楼梯阶段,从左脚任意一部分接触测力台进入第一双支撑相开始到左脚离开测力台进入第二单支撑相过程,受试者在穿戴助力装置后踝关节和髋关节自身提供的关节力矩峰值小于穿戴前数值且出现显著性差异（P＜0.05）,膝关节自身提供的关节力矩峰值小于穿戴前数值且出现力极显著性差异（P＜0.01）。研究结论:（1）穿戴下肢外肌肉助力装置在上楼梯阶段增大了下肢各关节角度的屈伸活动幅度,提高了重心,有利于上楼梯动作的完成。（2）穿戴下肢外肌肉助力装置在上下楼梯过程中,对踝关节和膝关节内力峰值无影响,但髋关节的关节内力的峰值均有明显的增大,即增大了髋关节的负荷,股骨头损伤的人不宜穿戴此装置。（3）在穿戴下肢外肌肉助力装置上楼梯过程中可使参与人体踝关节,膝关节,髋关节蹬伸活动的肌肉群肌力减小,为人体省力。（4）在穿戴下肢外肌肉助力装置下楼梯阶段可为下肢踝关节,膝关节,髋关节提供缓冲,减小臀大肌,股四头肌和小腿三头肌的负荷。
关键词：下肢外肌肉装置;上下楼梯;关节角度;关节内力;关节力矩
学科专业：运动人体科学
摘要
abstract
1 前言
1.1 研究背景
1.2 研究目的和意义
2 国内外研究现状
2.1 下肢外骨骼助力机器人国内外研究
2.2 上下楼梯行走的相关研究
2.3 有关运动生物力学测量的研究
2.3.1 三维测力台相关研究
2.3.2 运动影像解析的相关研究
2.3.3 人体动力学和运动学的相关研究
3 研究对象与方法
3.1 研究对象
3.2 研究方法
3.2.1 文献资料法
3.2.2 实验法
3.2.3 数理统计法
4 实验结果
4.1 运动学结果
4.1.1 上楼梯过程中下肢关节角度的变化
4.1.2 下楼梯过程中下肢关节角度的变化
4.2 动力学结果
4.2.1 上下楼梯过程中下肢关节内力的变化
4.2.2 上楼梯过程中下肢踝关节,膝关节和髋关节的关节力矩(肌力矩)的变化
4.2.3 下楼梯过程中下肢踝关节,膝关节和髋关节的关节力矩(肌力矩)的变化
4.3 助力装置的贡献
4.3.1 上楼梯过程中助力装置的贡献
4.3.2 下楼梯过程中助力装置的贡献
5 讨论与分析
5.1 穿戴助力装置对下肢关节角度变化影响的分析
5.2 穿戴助力装置上下楼梯过程中下肢关节内力变化的分析
5.3 穿戴助力装置上下楼梯过程中下肢关节力矩变化的分析
5.4 穿戴助力装置上下楼梯过程中助力装置贡献的分析
6 结论与建议
6.1 结论
6.2 建议
参考文献
致谢
附件