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1、大连理工大学硕士学位论文人体髋关节运动生物力学模型研究姓名：孙广艳申请学位级别：硕士专业：一般力学与力学基础指导教师：齐朝晖20060601人体酸关链动生物力学模翌! 研究摘要黢关节生物力学模型豹建立是运动生物力学人体建模中簸重要的任务之一，从人体肌肉力学模型的创建剡髋关节周围肌肉的简化到最后髋关节力学模型的建立，都存在着缀多不同意见。本课题主要镪务是创建一个简单豹胍肉模型，最大程度简化髋关节周围肌肉，合理的建立并测试模型。在下肢力学模型的研究中，骸关节力学模型的研究相对膝关节力学模拟的研究较少，髓人的馥关节模挺主要建立在生壤实验蘩础上，模登孛魏参数没有较为懿礴静力学意义，参数的确定均与生理实
2、验相关，这为以后的研究带来很大的困难。建巍一个较为合理的久体酸关节力学模壅胃竣秀霞绥翡研究疆供一定静参考耀方便。本文分为四个部分：首先，综述人体生物力学模型研究的发展现状。然艏，在对前久蓊究静虢岗张力蒜度模囊稻藤岗强力长发模鍪 燕黻蕊结，疆凑一个力学食义褶辩鞠确的肌肉张力长度速度模烈。在此基础上对髋关节周围的肌肉进彳予必要简化并将肌肉强力长度速发力学援整盛羽蘩麓纯爨黎襞关慧瓤罄士。最嚣，在蹦) A M S 软传孛，对髋关节三个自由度上的典型动作进行仿真测试，并验证肌阿张力- 长度- 速度模型。德得注意瓣是这三部分是阉蹲进撂、耜曼验证匏。研究结论：本文提出的髓关节力学模型蔟本上& 够反映出一般的
3、人体运渤规律，完成了靛关节三个自由发典型动作的岱真测试。对于黝l 方程得到豹肌肉力速特性给予重新解释，所掇出肌肉张力长度速度模型满熙人体基本生理特性，该模垄不但同时绘出了飘肉长度期肌肉速度对肌肉张力的影响且祷较为璩想的力学表达形式。对髓关节周围肌肉的简化较为完熬避体现了肌肉的基本功能。关键饲：髋关节；肌肉模型；力速特性：生物力学大连理工大学硕士学位论文B i o m e c h a n i c sM o d e l i n go f H u m a l lH i pJ o hA b s t r a c tM o d e l i n g o f h u m a n h i p j o i D t
4、 i s o n e o f 廿1 e m o s t 呻喇协心o f h u m 趾b o d y m o d d 洫gi 1 1s p o r t sb i o m e c h a n i c s T h e r ea r e m yd i f f e r e mv i e w p o i n _ t so ne i m e rm o d e l 址go fm u s c l eo rm o d e l i I 唱o fh l l m a nj o i m P r i m a r yp u r p o s e so ft h i sp a p e ra r ct oe s 乜b l i s
5、 ham u s c u l 盯m o d e la n dah l 蛐a nh i p j o 血m o d e L T h e 州i o u sl m m a nl o 、e rl i m b s s t I l d i e sm o s n yf o c u so nb 尬ej o i n t T h eo n l ys t u d i e so nh i pj o i l 】ta r eb 越e do np h y s i o l o 西c a l 四( p 盯i I 】1 e n t a t i 呲n sn e c e s s a r yt oe a t a b l i s ham
6、e c h a n i c sm o d e lo f h 嘲锄h i p j o i n t ht h i sp 印e r ，= f i r s n y ，也ed e v e l o p m e n to fb i o m e c h a I l i c sm o de ：L i n go f h u m 妣j o i n t sa I l d 舢s c l e s 副ei n 协o d l l c e d S e c 伽【m y ，b 勰e do nt h ep r e 、，主o u ss t l l d i 器，an e w 础s c l d a rm o d e l i ses t a
7、 b l i s h e d T h em u s c l l l a rm o d e li n c l u d e s 也ec k 玎a c t e r i s t i c so fm u s c l l l a rf o r c e _ 1 e n g t ha n d伽l s c l l l 盯f o r c e - v e l o c 畸n l i r d l y ，血e 珊l S c l e sa r o u n dn l e j o i n ta 他s i m p 监e d 雒m 1 - 1 s 蛆a rg r o u p s ，趾dt h e I l ，也em I l s c
8、l l l a rm o d e l i sa p p l i e dt o 咖s c l l l 缸g r o u p s F i n a l l y ，也r e e 啪i c a | m o v e m e n t so f h 啪髓1 1 i pj o i l l _ ta r es i I l 瑚l a t c di l lA D A M S A c c o r d i n gt 0 也es i m l l l a ：t i o nr e s I l l t s ，m em u s c l 】1 a rm o d e ld b o v ei sv a l i d a t e d 跹dm
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11、入蠢经发表或撰写的 舞究成果，也不包含为获褥大连褒 工大学或者其德单位的学位或证书所使用过约材料。与我一尽工佟的闷惑 对本研究所傲的贡献均已在谂文中做了明确的说骥并表示了谢意；作者签名：纽立丝日期：坦：丝丝大连理工大学硕士研究生学位论文大连理工大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。作者签名：导师签名：丑墼竺
12、! 年上细上日人体髋关节运动生物力学模烈研究1 绪论1 1 选题背景人体髋关节的运动生物力学模型研究属于运动生物力学的研究范畴。运动生物力学是运动科学中起步比较晚却发展迅速的一门学科，其研究范畴相当广泛，大致分为生物测量学，生物力学模型的建立和生物运动机制的电脑模拟几个方面。人体自身的研究是运动生物力学的一个重要方向，建模方法是运动生物力学的主要研究方法。髋关节是人体最大的关节【l 】，其解剖结构使得它具有先天的稳定性，又具有很大的活动度。髋关节在维持人体身体平衡和人体行进过程中起着十分重要的作用。髋关节主要由骨盆和股骨两部分组成( 如图1 1 所示) ，通过股骨头和髋臼连接在一起。在髋关节的
13、运动过程中大致有2 1 条肌肉参与了运动。近2 0 年来，不论是作为生物力学的基础理论研究，还是作为骨科临床上的应用研究，髋关节都是非常受重视的环节。但就研究结果来看：从肌肉力学模型的建立到整个关节力学模型的建立，几乎每位学者都有着自己不同的理解和看法。所建立的模型虽然比较多，并没有形成统一的见解。所建立的模型大部分以试验为基础且较多的为生理学模型而非生物力学模型，这对下一步的研究带来了困难。因此，若要使髋关节力学模型研究有可持续性，建立一个参数相对较少且力学含义较为明确的髋关节生物力学模型就显得相当必要。图1 1 髋关节F 瑭1 1H i p j o m t大连理工大学硕士学位论文1 2 国
14、内外运动生物力学及髋关节模型研究概况1 2 1 运动生物力学发展概况早在公元前，生物体的运动便引起希腊哲学家A r i s t o d e 的兴趣，随着力学和医学发展，1 9 世纪中业，俄国科学家I | M C e e H o B 提出对人体运动要从生理学和生物力学角 度进行研究分析。2 0 世纪初，德国科学家B r 啪e 和F i s h c r 用解剖尸体的实验方法测定人体各部分的相对质量和质心位置。2 0 世纪3 0 年代，英国生理学家H i 对肌肉力学的研究获得诺贝尔奖。1 9 6 7 年，第一届国际生物力学学术讨论会在瑞士苏黎世召开。1 9 5 9年，我国成立了运动生物力学研究组，标
15、志着我国正式开始生物力学的研究。运动生物力学的研究方法，现在大体有两种：第一种是应用多体理论建立动力学模型，其代表是美国力学专家眦；模型中的刚体数目可根据具体的研究对象进行灵活的选取。第二种是人体仿真研究方法，其代表是南非力学专家H a z f e ：他利用弹性肌元，阻尼器，内能源等力学原件来模拟整个人体系统，并以此来建立人体运动过程中的动力学解析式，并且依据这个理论模型的计算结果与实际数据进行比较，来寻找人体运动的最佳途径。与本课题相关的研究有M i l l c r 建立的4 刚体人体模型应用于潜水运动；P a s s e r r l l o 和H u S t o n 建立的1 0 刚体人体
16、模型应用于人体的空间运动；H a z t e 提出的1 7 刚体人体模型研究跳远起跳，并考虑了神经，肌肉的作用；P a I l d y 和z 苟a c 提出的跳高运动中的4 刚体肌肉骨骼模型。国内研究起步比较晚，1 9 8 0 年1 2 月成立了中国运动生物力学协会，标志着我国对生物力学研究的全面展开。近年来，运动生物力学课题是国内体育学术领域热衷的新兴课题。但运动生物力学研究者所涉及的领域和理论研究还不足。例如，运动生物力学的理论研究方法中，对于抽象人体运动学的数学模型方法在我国尚未得到广泛应用。国内对生物力学的研究一般都采用传统的研究方法来研究，研究的对象也比较局部或者简单。现在，国内外的运动生物力学研究逐步向精确化、同步化、模型化和电脑化纵深方向发展，其应用领域也不仅仅局限于体育学和医学。近几年，国内的王西十、白瑞蒲一直在从事人体生物动力模型的研究并发表了“一个解剖人体下肢的生物动力模型”。单大卯发表的关于人体( 下肢) 肌肉功能模型简介 2 】的文章较为全面的总结介绍人体下
