人体关节生物力学的研究为临床诊断及疾病预防、医学仿真、康复工程、体育竞技、航空航天等提供了重要的理论依据。但是目前生物力学领域还存在许多急需解决的问题，比如：骨关节疾病的发病机理尚不明确；人工关节失效问题在很大程度上限制了其使用寿命；另外，我国的生物力学研究起步较晚，人体运动学数据库还不是很完善，而人工关节产品大都依靠进口，它们在解剖形态、行为运动、关节力学等方面均与我国患者不尽匹配。因此，深入研究人体关节的生物力学行为具有十分重要的现实意义。本论文运用当今运动生物力学的先进研究手段，从生物学、力学、解剖学的角度出发，对健康人及关节损伤患者的髋、膝关节运动生物力学行为进行了实验及仿真分析，旨在为国人关节运动学数据库的建立提供数据支撑，同时为深入揭示人体髋、膝关节运动规律、了解骨关节疾病的力学病理原因、运动创伤的预防和康复以及人工关节的优化设计提供理论支持。通过研究国人在走路、跑步、下蹲、下跪等日常典型运动中的下肢关节运动行为，发现下肢关节运动学参数具有明显的年龄、性别、人种差异。具体来说，与男性相比，女性在冠状面和横断面内具有较大的关节活动度；与欧美人种相比，国人的步行速度、关节活动范围均存在一定的差异；另外，对青年人来说，膝关节活动度在低屈曲运动中与高屈曲运动中存在较强的相关性，而老年人则没有明显的相关性。利用运动捕捉技术对前交叉韧带损伤患者在韧带重建前后分别进行了步态分析，并结合欧拉法、逆向动力学方法建立了三维关节运动角度、关节力、力矩等运动学、动力学参数的求解模型，结果表明：与健侧膝关节相比，在韧带重建手术三个月后，患侧膝关节的上述运动学及动力学参数均尚未恢复到正常水平。此外，利用膝关节稳定性测量设备对前交叉韧带损伤患者的被动旋转稳定性进行了测量，通过分析膝关节主动旋转稳定性与被动旋转稳定性的相关性，指出临床上被动测量方法得到的膝关节稳定性并不能反映其在主动情况下的真实稳定性。基于关节置换患者的医学扫描图像，建立了人工膝关节有限元模型，通过实验验证显示其模拟计算的结果与实验结果的误差小于5%。基于上述模型，对髌股关节运动学行为进行了分析。通过模拟人体从站立到坐下的过程，指出在屈膝过程中，随着膝关节屈曲角度的增加，髌骨假体产生绕人体x轴的旋转，以及沿身体向下、向内的移动。同时，基于步态分析结果，利用有限元模型对关节力在衬垫内、外侧的分布规律进行了研究，深入分析力学因素对骨关节疾病的影响。通过建立人工全髋关节置换术后的股骨模型，研究了关节置换术对股骨应力分布、振型的影响，结果表明：植入假体后股骨原有的力学结构特性被改变，假体柄部产生了明显的应力集中和应力遮挡，股骨的固有频率发生了改变；另外，非球面髋关节接触力学特性的研究结果表明，旋转椭球形髋关节具有较低的峰值接触压力和较大的接触面积，且接触分布形式与天然髋关节类似。