步态分析与行走稳定性研究

张峻霞 ，天津科技大学机电工程学院院长，天津市轻工工程学会理事长，科研方向是人机工程学、人体仿生机构设计。担任的科研项目及科研成果如下： 1.国家自然科学基金项目：基于滑跌事故预测模型的助行器行走稳定性研究（50975204）2.天津市科技支撑项目：智能仿生动力式助行器的研制（14ZCZDSY00010）3.教育部博士点专项基金：结构环境下步态失稳反应机理及平衡控制策略研究（20131208110005）4.发明专利：下肢残障者专用小型保洁车（ZL201410093591.1）、外骨骼式康复辅助装置（ZL201510446129.X）、自给式下肢助行器（ZL201110141855.2）

本书在简单阐述有关人体步态基本理论的基础上，结合多年来所开展的人体步态实验，基于人体步态分析进行了行走稳定性研究。全书共分五章，前两章是对人体步态相关基础理论及研究方法的综合阐述，包括步态分析的基本概念、步态分析参数、步态研究方法及常见测量系统等。后三章分别为人体在楼梯及坡道两种步态环境下的稳定性与自适应平衡、人体行走稳定性研究以及不同结构环境人体行走下肢生物力学特性研究。其中，对人体在楼梯及坡道两种步态环境下的稳定性与自适应平衡研究中主要对人体足底压力和表面肌电进行了分析。在人体行走稳定性研究中，包括了材料止滑性能试验、弯道行走实验、负重行走实验、不同足部约束状态下的行走实验。在不同环境人体行走下肢生物力学特性研究中，主要包括楼梯行走、跨越障碍物以及滑跌状态下的下肢生物力学特性研究。本书可为步态分析研究提供理论指导。同时，对双足机器人、人工关节、助行及康复辅具等的设计研究提供参考。

第1章步态分析与步态研究方法概述/1
1.1步态分析概述/1
1.1.1步态分析的概念/1
1.1.2步态分析的发展历史/3
1.1.3步态分析的意义与应用/4
1.2步态分析的基础/6
1.2.1人体行走机制/6
1.2.2人体行走稳定机理/10
1.3人体下肢的生理结构/13
1.3.1人体空间坐标系/13
1.3.2人体下肢骨骼/14
1.3.3人体下肢肌肉/17
1.3.4足部结构与功能/19
1.3.5人体下肢主要关节的运动能力/25
1.4步态分析参数/26
1.4.1空间参数/26
1.4.2时间参数/27
1.4.3运动学参数/28
1.4.4动力学参数/29
1.4.5肌电活动参数/30
1.4.6能量代谢参数/31
第2章步态分析方法与常见测量系统介绍/32
2.1常用步态分析方法/32
2.1.1观察法/32
2.1.2肌电分析法/32
2.1.3多刚体简化逆动力学分析法/33
2.1.4影像解析法/33
2.1.5有限元分析法/33
2.2测量系统/33
2.2.1三维步态分析系统简介/33
2.2.2Vicon光学三维动作捕捉系统/36
2.2.3肌电信号概述/39
2.2.4足底压力分析简介/42
第3章人体行走特定坡度的坡道与楼梯的自适应平衡研究/47
3.1基于足底压力的坡道步态失稳自适应平衡研究/47
3.1.1实验变量/47
3.1.2实验设备/47
3.1.3实验设置/49
3.1.4实验结果/54
3.1.5结果分析/55
步态分析与行走稳定性研究··目录··3.2基于表面肌电信号的坡道步态失稳自适应平衡研究/58
3.2.1实验变量/58
3.2.2实验设置/59
3.2.3实验结果/60
3.2.4结果分析/63
3.2.5双足机器人自适应平衡控制方法探究/63
3.3基于表面肌电信号的不同路况下人体行走步态特征研究/65
3.3.1实验方案/65
3.3.2实验设备/66
3.3.3结果分析/66
第4章人体行走稳定性研究/72
4.1滑跌概率预测及优化模型/72
4.1.1基于人体步态分析的滑跌概率预测模型研究/72
4.1.2基于人体步态分析的滑跌概率预测模型优化研究/86
4.2转弯及弯道行走对步态稳定性的影响研究/99
4.2.1转弯行走对步态稳定性的影响/99
4.2.2弯道行走步态特性研究/120
4.3负重对人体行走稳定性的影响研究——助行器结构质量配置对步态
特性的影响研究/122
4.3.1实验设置/122
4.3.2实验分析/122
4.3.3质量配置策略模型/127
4.3.4实验结论/130
4.4足部结构对人体行走稳定性的影响研究/130
4.4.1实验变量/130
4.4.2实验设置/131
4.4.3实验方案/134
4.4.4实验对象/135
4.4.5实验设备/135
4.4.6实验结果及分析/135
第5章不同结构环境人体行走下肢生物力学特性研究/146
5.1楼梯行走下肢生物力学特性研究/146
5.1.1研究目的/146
5.1.2实验变量和方法/146
5.1.3实验结果/148
5.2滑跌过程中下肢肌肉力学研究/149
5.2.1实验方案/149
5.2.2EMG数据处理和滑跌判据/150
5.2.3结论/151
5.3跨越水平方向障碍物的步态及应用研究/152
5.3.1跨越水平方向障碍物实验设计/152
5.3.2跨越水平方向不同尺寸障碍物下肢生物力学分析/158
5.3.3跨越水平方向不同尺寸障碍物下肢生物力学参数显著性分析/182
5.3.4应用研究/199
5.3.5结论/202
参考文献/203
第1章步态分析与步态研究方法概述/1
1.1步态分析概述/1
1.1.1步态分析的概念/1
1.1.2步态分析的发展历史/3
1.1.3步态分析的意义与应用/4
1.2步态分析的基础/6
1.2.1人体行走机制/6
1.2.2人体行走稳定机理/10
1.3人体下肢的生理结构/13
1.3.1人体空间坐标系/13
1.3.2人体下肢骨骼/14
1.3.3人体下肢肌肉/17
1.3.4足部结构与功能/20
1.3.5人体下肢主要关节的运动能力/25
1.4步态分析参数/27
1.4.1空间参数/27
1.4.2时间参数/28
1.4.3运动学参数/29
1.4.4动力学参数/30
1.4.5肌电活动参数/31
1.4.6能量代谢参数/31
第2章步态分析方法与常见测量系统介绍/32
2.1常用步态分析方法/32
2.1.1观察法/32
2.1.2肌电分析法/32
2.1.3多刚体简化逆动力学分析法/33
2.1.4影像解析法/33
2.1.5有限元分析法/33
2.2测量系统/33
2.2.1三维步态分析系统简介/33
2.2.2Vicon光学三维动作捕捉系统/36
2.2.3肌电信号概述/39
2.2.4足底压力分析简介/42
第3章人体行走特定坡度的坡道与楼梯的自适应平衡研究/47
3.1基于足底压力的坡道步态失稳自适应平衡研究/47
3.1.1实验变量/47
3.1.2实验设备/47
3.1.3实验设置/49
3.1.4实验结果/54
3.1.5结果分析/55
3.2基于表面肌电信号的坡道步态失稳自适应平衡研究/58
3.2.1实验变量/58
3.2.2实验设置/59
3.2.3实验结果/60
3.2.4结果分析/63
3.2.5双足机器人自适应平衡控制方法探究/63
3.3基于表面肌电信号的不同路况下人体行走步态特征研究/65
3.3.1实验方案/65
3.3.2实验设备/66
3.3.3结果分析/66
第4章人体行走稳定性研究/72
4.1滑跌概率预测及优化模型/72
4.1.1基于人体步态分析的滑跌概率预测模型研究/72
4.1.2基于人体步态分析的滑跌概率预测模型优化研究/86
4.2转弯及弯道行走对步态稳定性的影响研究/99
4.2.1转弯行走对步态稳定性的影响/99
4.2.2弯道行走步态特性研究/120
4.3负重对人体行走稳定性的影响研究——助行器结构质量配置对步态特性的影响研究/122
4.3.1实验设置/122
4.3.2实验分析/122
4.3.3质量配置策略模型/127
4.3.4实验结论/130
4.4足部结构对人体行走稳定性的影响研究/130
4.4.1实验变量/130
4.4.2实验设置 /131
4.4.3实验方案/134
4.4.4实验对象/135
4.4.5实验设备/135
4.4.6实验结果及分析/135
第5章不同结构环境人体行走下肢生物力学特性研究/146
5.1楼梯行走下肢生物力学特性研究/146
5.1.1研究目的/146
5.1.2实验变量和方法/146
5.1.3实验结果/148
5.2滑跌过程中下肢肌肉力学研究/149
5.2.1实验方案/149
5.2.2EMG数据处理和滑跌判据/150
5.2.3结论/151
5.3跨越水平方向障碍物的步态及应用研究/152
5.3.1跨越水平方向障碍物实验设计/152
5.3.2跨越水平方向不同尺寸障碍物下肢生物力学分析/158
5.3.3跨越水平方向不同尺寸障碍物下肢生物力学参数显著性分析/182
5.3.4应用研究/199
5.3.5结论/202
参考文献/203
第1章步态分析与步态研究方法概述/1
1.1步态分析概述/1
1.1.1步态分析的概念/1
1.1.3步态分析意义与应用/5
1.2步态分析的基础/6
1.2.1人体行走机制/6
1.2.2人体行走稳定机理/11
1.3人体下肢的生理结构/15
1.3.1人体空间坐标系/15
1.3.2人体下肢骨骼/15
1.3.3人体下肢肌肉/19
1.3.4足部结构与功能/22
1.3.5人体下肢主要关节的运动能力/27
1.4步态分析参数/29
1.4.1空间参数/29
1.4.2时间参数/29
1.4.3运动学参数/32
1.4.4动力学参数/33
1.4.5肌电活动参数/34
1.4.6能量代谢参数/35
第2章步态分析方法与常见测量系统介绍/36
2.1常用步态分析方法/36
2.1.1观察法/36
2.1.2肌电分析法/36
2.1.3多刚体简化一逆动力学分析/37
2.1.4影像解析法/37
2.1.5有限元分析法/37
2.2测 量 系 统/37
2.2.1三维步态分析系统简介/37
2.2.2Vicon光学三维步态分析系统/40
2.2.3肌电信号概述/43
步态分析与行走稳定性研究··目录··2.2.4足底压力分析简介/47
第3章人体行走楼梯与特定坡度的坡道的自适应平衡研究/52
3.1基于足底压力的坡道步态失稳自适应平衡研究/52
3.1.1研究变量/52
3.1.2试验设备/52
3.1.3实验设置/53
3.1.4实验结果/60
3.1.5结果分析/60
3.2基于表面肌电的坡道步态失稳自适应平衡研究/64
3.2.1实验变量/64
3.2.2实验设置/64
3.2.3试验结果/66
3.2.4结果分析/68
3.3基于肌电信号的不同路况下人体行走步态特征研究/71
3.3.1实验方案/71
3.3.2数据处理/72
3.3.3结论/73
第4章人体行走稳定性研究/79
4.1滑跌概率预测及优化模型/79
4.1.1基于人体步态分析的滑跌概率预测模型研究/79
5.2ACOF分布假设检验/91
4.1.2基于步态分析的滑跌概率预测模型优化研究/93
4.2人体弯道及转弯行走对步态稳定性的研究/111
4.2.1转弯行走对步态稳定性的影响/111
4.2.2弯道行走步态特性研究/132
4.3负重对人体行走稳定性的研究——助行器结构质量
配置对步态特性影响研究/137
4.3.1实验设置/137
4.3.2实验分析/137
4.3.3质量配置策略模型/142
4.3.4实验结论/145
4.4足部结构对人体行走稳定性的影响研究/146
4.4.1实验变量/146
4.4.2实验设置 /146
4.4.3试验方案/150
4.4.4结果分析/152
第5章不同结构环境人体行走下肢生物力学特性研究/163
5.1楼梯行走下肢生物力学特性研究/163
5.1.1研究意义/163
5.1.2实验变量/163
5.1.3实验结果/166
5.1.4研究结果/167
5.1.5结果分析/168
5.2滑跌过程中下肢肌肉力学研究/168
5.2.1实验方案/168
5.2.2数据处理 /169
5.2.3结论/170
5.3跨越水平方向障碍的步态及应用研究/171
5.3.1跨越水平障碍物试验设计/171
5.3.2跨越水平方向不同尺寸障碍物下肢生物力学分析/178
5.3.3跨越水平方向不同尺寸障碍物步态参数显著性分析/196
5.3.4应用研究/212
5.3.5结论/216
参考文献/218