直立状态下,人体通过中枢神经系统抵抗外界扰动,维持自身平衡。在微扰动的作用下,以踝关节策略为主。踝关节动态特性在其中起着重要作用。本文设计了直立微扰动实验,得到8名实验者的应对扰动的踝关节实验数据,从生物力学的角度研究人体踝关节动态特性及内在控制机制。主要研究内容包括以下几个方面:1)将人体受扰动后身体绕踝关节摆动过程,简化为以踝关节为旋转轴的一阶倒立摆模型。摆动为压力中心COP跟随着质心COM振荡过程,踝关节通过控制COP来调节COM位于支撑面合适位置,以保持身体平衡。通过该模型推导踝关节力矩和刚度估算公式。2)设计直立微扰动实验。通过将沙袋提到不同高度释放,在站立状态下撞击人体背部施加外力扰动。选择与踝关节运动相关的胫骨前肌、腓肠肌和比目鱼肌,通过肌电仪设备记录肌肉表面肌电信号用于分析肌肉激活程度。通过3D打印技术制作固定支架,将编码器固定在实验用皮鞋上,并使用STM32开发板采集编码器数据,组成了测量踝关节角度简易装置。通过测力鞋垫记录人体足底的压力分布并计算踝关节的力矩。在Visual C++环境下,编写具有多线程的Windows程序,使多个实验设备同时进行测量。3)微扰动下踝关节动态特性及肌肉反射控制机制分析。将肌电信号处理成肌肉激活程度,通过足底压力分布计算踝关节力矩,并与踝关节旋转角度相比较。通过分析实验数据,分析得到对于不同程度的干扰,比目鱼肌、腓肠肌和胫骨前肌三条肌肉的肌肉激活水平并未有明显变化。比目鱼肌激活水平和踝关节力矩线性度较高,踝关节旋转角度和踝关节力矩的线性度也较高。肌肉反射模型较好的预测了肌肉激活程度。本文通过微扰动实验,对人体踝关节动态特性进行分析。实验结果表明:踝关节的作用类似于扭簧,通过肌肉反射使刚度稳定在一定范围内,以抵抗扰动。本文所获得的数据及结论,可为后续仿肌肉反射的双足机器人设计提供人体仿生参数。