膝关节炎是人类的一种慢性疾病,随着年龄的增长,其发病率不断增加。因此,研究膝关节的生物力学特性对该疾病的预防和治疗具有重要意义。本文利用捕捉系统和足压测试系统,对受试者行走的步态数据进行了采集,分析了人体下肢运动学和动力学参数在单个步态周期内的运动规律;同时,建立了膝关节的三维模型,完成了单个步态周期内膝关节处极限位置受力变化的有限元数值模拟,得出了一些有价值的结论。论文的主要研究内容如下:(1)介绍了 KOA及其影响,介绍了运动捕捉系统和足压测试系统及其应用研究。利用D-H五连杆运动模型建立了人体下肢运动学模型,利用足压测试技术测量得到地面反作用力进而求得膝关节所受的外力,完成了膝关节的力学模型;(2)提出了步态数据采集的实验方案。利用VICON光学式动作捕捉系统和AMTI测力板采集步态数据,对结果处理分析后并验证了膝关节力学模型的准确性。通过Opensim软件得到膝关节力和力矩;(3)采用MRI机扫描测量步态参数后的受试者左肢膝关节,利用MIMICS软件重建膝关节模型;并利用Geomagic Studio软件和Rhinoceros软件将膝关节模型实体化,得到膝关节三维几何模型;(4)利用HyperMesh进行划分网格,得到膝关节有限元模型,利用ABAQUS 2016软件进行有限元分析,采用准静态方法仿真步态中具有代表性的时刻,进而分析膝关节内部结构的应力变化。通过研究发现:(1)单个步态周期内50%时刻膝关节单侧受力最大;(2)步态周期中内侧半月板接触应力始终大于外侧半月板,半月板内缘接触应力大于外缘。本文将理论与实验测试相结合,分析了人体行走单个步态周期内的下肢运动与膝关节受力的规律,得出了一些有价值的结论。论文的研究成果对预防膝关节疾病、术后康复、磨损机制、个性化膝关节假体设计及制造等均具有一定的借鉴意义。