人体足踝步态仿真的理论和方法研究

研制尸体足的步态仿真实验机，通过尸体足步态模拟实验获得足踝内部各骨块、关节的运动学和动力学数据；建立足踝系统的多体运动学和动力学仿真模型，利用尸体足步态模拟分析所得实验数据，通过仿真计算，再现步态中足踝内部各骨块的运动关系、求解运动学参数和动力学参数；试验测量足踝韧带、骨骼、足底软组织的力学特性参数，建立其本构方程；建立足踝系统的动力学应力分析数值模型，赋予测得的组织力学性能参数，以尸体足步态仿真实验数据和运动学、动力学仿真计算数据作为边界条件，通过动力学数值分析计算，获得步态中足踝内部各组织的应力和变形变化规律。在此基础上，提出并完善足踝系统步态仿真的理论和方法，把足踝系统的生物力学研究提升到一个动力学分析平台上进行，而不仅仅是进行静力学或准静力学分析，将会为足踝系统功能的生物力学探讨、疾病和治疗的生物力学机理研究、个性化支具设计的生物力学评价体系建立提供更为科学的理论、方法及平台。

探讨人体足踝各组成部分之间的力学作用关系，包括相对运动和相互作用力关系以及使足踝完成正常步态和各种复杂运动时肌肉力的时间历程变化规律成为足踝生物力学领域亟待研究的课题。而完成这些研究，要研制多功能人体足踝运动和动力学模拟及测量装置，实现活体测量无法进行的试验，同时获得活体试验无法得到的力学和运动学参数。本项目研制了一台五自由度的足踝步态模拟机，开发了控制程序，提出一套完整的多轴控制算法，使仿真器在模拟运动、时间、精度、负荷重量、调试效率等指标上和国际同行相比具有竞争力；建立了足踝与模拟机系统的运动学和动力学仿真数值模型，研究了模拟机的模拟能力及控制参数，为控制程序的优化提供支撑；通过假脚和尸体脚步态模拟试验验证了模拟机的可靠性和重复精度，测试结果令人满意；建立了足踝应力分析模型，对正常足踝步态下的应力状态进行了分析，揭示了足踝步态下的生物力学行为特性。在此基础上，提出并完善足踝系统步态仿真的理论和方法，把足踝系统的生物力学研究提升到一个动力学分析平台上进行，为足踝系统功能的生物力学探讨、疾病和治疗的生物力学机理研究、个性化支具设计的生物力学评价体系建立提供更为科学的手段。