研究目的:人体的肢体运动通常是多关节运动。在其运动控制过程中,中枢神经系统需要处理的最重要的生物力学特性信息就是多环节链状系统特性。具体体现在肢体运动时,任何一个环节的运动都会产生被动力矩(互动力矩)作用于其他环节。这种关节间的相互作用被称为动力学耦合。对上肢多关节运动的相关研究发现,互动力矩在多关节运动控制中发挥着重要作用,且不同的关节在肢体链中所扮演的角色不同。有学者提出用主导关节假说来解释这些现象。然而目前对下肢多关节运动控制的研究较少,分析方法存在局限性,下肢的多关节运动控制策略尚不明了。本研究旨在建立下肢环节互动动力学模型,分析讨论走、跑过程中下肢的多关节运动控制机理,为临床康复、运动训练理论、人体仿真与机器人设计等提供理论依据。研究方法:本研究采用Vicon红外运动捕捉分析系统和Kistler三维测力台同步采集16名受试者走路(两种速度:1.5m/s、2m/s)、跑步(四种速度:2m/s、3m/s、4m/s、5m/s)共六种动作任务的运动学和动力学数据,运动速度通过Brower红外光栅计时仪监控。利用C#编写环节互动动力学计算软件,直接读取由Vicon Nexus输出的运动学和动力学数据数据,并完成走、跑二维矢状面内下肢多关节互动动力学的计算。最后,通过力矩分析方法(力矩方向分析和冲量矩分析)完成对各种力矩成分的分析。研究结果:在跑步的支撑期,膝关节和踝关节的肌肉用力最大。这两个关节的运动主要由肌肉力矩(muscle torque,MUS)主导,对抗由于地面反作用力引起的接触力矩(external contact torque,EXT)。这两个关节主要承担了对人体的支撑作用。而髋关节的肌肉用力较小,其运动主要由被动力矩EXT主导,MUS在整个过程中主要起调控作用。在跑步的摆动期,髋关节的肌肉用力远大于膝关节和踝关节,MUS成为运动的主导因素,髋关节主要承担了下肢摆动加速/减速。膝关节和踝关节的运动则是由被动的互动力矩(interactive torque,INT)主导,MUS发挥作用较小,主要完成对关节运动的调控。无论是跑步支撑期还是摆动期,随着运动速度的增加,髋、膝、踝关节各力矩分析指标存在显著性差异(P<.05)。主要表现为各被动分量随速度的增加而增大,但是在5m/s时,EXT和INT有显著下降。在走路的支撑期,髋、膝、踝的运动均由MUS主导(类似单关节运动的叠加)。在走路的摆动期,分为两种情况:1.在速度较慢的1.5m/s条件下,髋、膝的运动主要由重力矩(gravitational torque,GRA)主导,而踝的运动主要由INT主导。2.在速度较快的2.0m/s条件下,髋、膝的MUS明显挺高,髋关节的控制策略存在个体所差异,而膝关节的运动由MUS主导。踝关节的运动仍由INT主导。此外,相同速度下的走路和跑步的各种力矩分析指标存在显著性差异(P<.05)。研究结论:本研究首次建立了基于关节角的下肢环节互动动力学模型,完整地分析了一个走路或跑步的步态周期,在前人基础上进一步完善了环节互动动力学模型。本研究还自主研发了可用于批量处理的下肢环节互动动力学计算软件。根据主导关节假说,在跑步的支撑期,膝关节和踝关节为主导关节,髋关节为从属关节。在跑步的摆动期,髋关节成为主导关节,而膝关节和踝关节为从属关节。在跑步的不同步态阶段,由于运动任务的不同,各关节的运动控制策略也有所不同。在跑步的支撑期,下肢完成远固定运动(闭链运动),远端关节(踝、膝)发力大于近端关节(髋);在跑步的摆动期,下肢完成近固定运动(开链运动),关节用力大小顺序为髋、膝、踝。走路的支撑期,肢体的运动基本由三个单关节运动叠加而成。三个关节无明显从属关系。在走路的摆动期,个体差异显著,髋,膝关节都可能成为主导关节,髋踝关节为从属关节。人体下肢运动的协调控制正是有效地利用了肢体的重力、接触力以及由于自身运动所产生的惯性力,以达到省力,高效的目的。运动速度和运动模式会引起被动力矩的变化,各关节的运动控制策略也会随之改变。