本文關(guān)鍵詞：走、跑過程中人體下肢多關(guān)節(jié)運動控制策略的研究

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【摘要】：研究目的:人體的肢體運動通常是多關(guān)節(jié)運動。在其運動控制過程中,中樞神經(jīng)系統(tǒng)需要處理的最重要的生物力學(xué)特性信息就是多環(huán)節(jié)鏈狀系統(tǒng)特性。具體體現(xiàn)在肢體運動時,任何一個環(huán)節(jié)的運動都會產(chǎn)生被動力矩(互動力矩)作用于其他環(huán)節(jié)。這種關(guān)節(jié)間的相互作用被稱為動力學(xué)耦合。對上肢多關(guān)節(jié)運動的相關(guān)研究發(fā)現(xiàn),互動力矩在多關(guān)節(jié)運動控制中發(fā)揮著重要作用,且不同的關(guān)節(jié)在肢體鏈中所扮演的角色不同。有學(xué)者提出用主導(dǎo)關(guān)節(jié)假說來解釋這些現(xiàn)象。然而目前對下肢多關(guān)節(jié)運動控制的研究較少,分析方法存在局限性,下肢的多關(guān)節(jié)運動控制策略尚不明了。本研究旨在建立下肢環(huán)節(jié)互動動力學(xué)模型,分析討論走、跑過程中下肢的多關(guān)節(jié)運動控制機理,為臨床康復(fù)、運動訓(xùn)練理論、人體仿真與機器人設(shè)計等提供理論依據(jù)。研究方法:本研究采用Vicon紅外運動捕捉分析系統(tǒng)和Kistler三維測力臺同步采集16名受試者走路(兩種速度:1.5m/s、2m/s)、跑步(四種速度:2m/s、3m/s、4m/s、5m/s)共六種動作任務(wù)的運動學(xué)和動力學(xué)數(shù)據(jù),運動速度通過Brower紅外光柵計時儀監(jiān)控。利用C#編寫環(huán)節(jié)互動動力學(xué)計算軟件,直接讀取由Vicon Nexus輸出的運動學(xué)和動力學(xué)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù),并完成走、跑二維矢狀面內(nèi)下肢多關(guān)節(jié)互動動力學(xué)的計算。最后,通過力矩分析方法(力矩方向分析和沖量矩分析)完成對各種力矩成分的分析。研究結(jié)果:在跑步的支撐期,膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的肌肉用力最大。這兩個關(guān)節(jié)的運動主要由肌肉力矩(muscle torque,MUS)主導(dǎo),對抗由于地面反作用力引起的接觸力矩(external contact torque,EXT)。這兩個關(guān)節(jié)主要承擔(dān)了對人體的支撐作用。而髖關(guān)節(jié)的肌肉用力較小,其運動主要由被動力矩EXT主導(dǎo),MUS在整個過程中主要起調(diào)控作用。在跑步的擺動期,髖關(guān)節(jié)的肌肉用力遠大于膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié),MUS成為運動的主導(dǎo)因素,髖關(guān)節(jié)主要承擔(dān)了下肢擺動加速/減速。膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的運動則是由被動的互動力矩(interactive torque,INT)主導(dǎo),MUS發(fā)揮作用較小,主要完成對關(guān)節(jié)運動的調(diào)控。無論是跑步支撐期還是擺動期,隨著運動速度的增加,髖、膝、踝關(guān)節(jié)各力矩分析指標(biāo)存在顯著性差異(P.05)。主要表現(xiàn)為各被動分量隨速度的增加而增大,但是在5m/s時,EXT和INT有顯著下降。在走路的支撐期,髖、膝、踝的運動均由MUS主導(dǎo)(類似單關(guān)節(jié)運動的疊加)。在走路的擺動期,分為兩種情況:1.在速度較慢的1.5m/s條件下,髖、膝的運動主要由重力矩(gravitational torque,GRA)主導(dǎo),而踝的運動主要由INT主導(dǎo)。2.在速度較快的2.0m/s條件下,髖、膝的MUS明顯挺高,髖關(guān)節(jié)的控制策略存在個體所差異,而膝關(guān)節(jié)的運動由MUS主導(dǎo)。踝關(guān)節(jié)的運動仍由INT主導(dǎo)。此外,相同速度下的走路和跑步的各種力矩分析指標(biāo)存在顯著性差異(P.05)。研究結(jié)論:本研究首次建立了基于關(guān)節(jié)角的下肢環(huán)節(jié)互動動力學(xué)模型,完整地分析了一個走路或跑步的步態(tài)周期,在前人基礎(chǔ)上進一步完善了環(huán)節(jié)互動動力學(xué)模型。本研究還自主研發(fā)了可用于批量處理的下肢環(huán)節(jié)互動動力學(xué)計算軟件。根據(jù)主導(dǎo)關(guān)節(jié)假說,在跑步的支撐期,膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)為主導(dǎo)關(guān)節(jié),髖關(guān)節(jié)為從屬關(guān)節(jié)。在跑步的擺動期,髖關(guān)節(jié)成為主導(dǎo)關(guān)節(jié),而膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)為從屬關(guān)節(jié)。在跑步的不同步態(tài)階段,由于運動任務(wù)的不同,各關(guān)節(jié)的運動控制策略也有所不同。在跑步的支撐期,下肢完成遠固定運動(閉鏈運動),遠端關(guān)節(jié)(踝、膝)發(fā)力大于近端關(guān)節(jié)(髖);在跑步的擺動期,下肢完成近固定運動(開鏈運動),關(guān)節(jié)用力大小順序為髖、膝、踝。走路的支撐期,肢體的運動基本由三個單關(guān)節(jié)運動疊加而成。三個關(guān)節(jié)無明顯從屬關(guān)系。在走路的擺動期,個體差異顯著,髖,膝關(guān)節(jié)都可能成為主導(dǎo)關(guān)節(jié),髖踝關(guān)節(jié)為從屬關(guān)節(jié)。人體下肢運動的協(xié)調(diào)控制正是有效地利用了肢體的重力、接觸力以及由于自身運動所產(chǎn)生的慣性力,以達到省力,高效的目的。運動速度和運動模式會引起被動力矩的變化,各關(guān)節(jié)的運動控制策略也會隨之改變。
【學(xué)位授予單位】：上海體育學(xué)院
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：G804.2

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本文編號：1136927