张军,李建喜,夏钰坤,何旺骁,王丽娟



行走过程中人体下肢受力模型的建立与验证

张军1,李建喜2,夏钰坤3,何旺骁4,王丽娟5

近年来,在鞋的设计[1-2]、伤病预防以及下肢康复仪器的设计[3-4]中都需要考虑人体下肢的力学状态。在所有人体下肢力学模型的构建中,足底压力测试是其重要环节。目前,大多数国内外研究都是通过足底测力带和测力台直接进行测量,或是利用有限元模型计算出足底的静态受力情况[5]。然而,运动状态下关节的受力状态有别于静态时的情况。因此,在利用足底受力测试数据的基础上,应充分结合其他研究手段,建立适用于人体运动(如走、跑、跳)的动态下肢受力模型[6],这是目前下肢力学建模研究中的当务之急。

人体下肢由结构复杂的肌肉、韧带、骨骼等组成。因此,研究行走过程中下肢的受力状态,不仅要考虑足底的受力和各部分的质量,还必须综合考虑关节、肌肉的受力[7-8]。由于关节、肌肉的受力无法直接测量,所以目前国内外对下肢运动过程中关节、肌肉的受力研究还存在不足。Hurwitz通过静态力学模型分析了下肢关节的受力状况[9]。通常采用的关节力矩模型只重点考虑躯体的重力和足底压力,计算结果仅能反映出以关节为支点的肌肉力矩[10-11]。Damsgaard通过建立整个人体的有限元模型,计算了踝关节和膝关节的受力状态[12]。杨济匡等人采用有限元方法建立了人体下肢的多关节和韧带模型[13],然而该方法需要利用超级计算机进行运算,计算过程复杂,且无法给出下肢关节受力的解析结果。……