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第1章 绪论 1

1. 1康复工程的研究与发展 1

1. 1. 1人体功能障碍的类型和康复途径 3

1. 1.2康复工程学的研究基础 4

1. 1. 3康复工程技术进展 5

1. 2生物机械学的研究 14

1.2. 1机械学与生物机械学 14

1.2.2生物机械学与生物力学 16

1. 2. 3生物机械学的研究内容 18

1. 3康复工程中的生物机械学研究 19

1. 3. 1人体运动的生物机械学模型及应用 20

1.3.2人体运动行为的结构与协调性研究 21

1.3.3人-机交互原理与方法 21

1.3.4人-机界面的分析与设计 22

1.3.5人-机系统中机械系统对生理功能的影响 22

1. 3. 6人-机一体化系统设计 22

1.3.7人体运动功能检测与评定 23

1. 4本书内容介绍 23

参考文献 24

第2章 人体运动功能的描述与评定 31

2. 1基于图像识别技术的人体运动轨迹检测 31

2.1.1标志点图像识别技术 32

2.1.2二维图像的三维重构法 39

2. 2人体地面反力检测 42

2.2. 1足底压力分布检测 43

2.2.2三维合力检测 44

2. 3表面肌电信号检测与处理 48

2.3. 1模拟放大电路 49

2. 3. 2数字滤波处理 50

2. 3. 3 sEMG分析和特征提取方法 56

2. 4人体上肢运动功能描述与评价 63

2. 4. 1臂部关节运动的协调性 64

2.4.2臂部运动质量评定 72

2.4. 3人手握物时受扰恢复能力 82

2. 5人体行走功能评定 88

2. 5. 1人体步态对称性评价指标 88

2. 5. 2步态对称性指标的应用 90

2. 6人体平衡功能描述与评定 93

2. 6. 1用重心轨迹变化描述平衡能力与评定指标 93

2.6.2人体平衡功能评价方法的应用 99

参考文献 102

第3章 人体受外界干扰时的平衡策略 104

3. 1基于能量分析的人体稳定性度量 104

3.1.1向前翻转的稳定性度量——稳定裕量 105

3. 1. 2向后翻转的稳定裕量 108

3.1.3不同初始条件下的稳定裕量 109

3.1.4动力学稳定域 110

3.1.5影响稳定性的相关因素 112

3.1.6双足步行过程中的稳定性分析 115

3. 2人体站立受扰时恢复平衡的生物机械学分析 121

3. 2. 1受扰强度的度量 121

3. 2. 2不同扰动强度下的平衡恢复策略 122

3. 2. 3站立受扰平衡恢复过程中各关节的贡献 125

3. 2. 4单跨步平衡恢复时最小跨步长 140

3. 3人体自然步态下意外滑动的危险性 146

3. 3. 1与意外滑动相关的步态参数 146

3.3.2健全人与假肢使用者意外滑动危险性的差异性 149

3.4人体发生意外滑动时的平衡恢复策略 158

3.4. 1研究平衡恢复策略的实验与分析方法 158

3.4. 2健全人意外滑动时的平衡恢复策略 164

3.4. 3单侧大腿假肢穿戴者的平衡恢复策略 167

3.4.4意外滑倒时的两阶段平衡策略 173

3. 5人体滑倒过程中的关节力矩分析 175

3. 5. 1多刚体模型的建立 176

3. 5. 2系统动力学方程 177

3. 5. 3滑倒时关节力矩计算 180

3. 6基于平衡恢复策略的假肢安全性 188

3. 6. 1通过改善步态降低滑动危险性 189

3.6.2通过康复训练提高应急反应能力 190

3.6.3增加假肢的防滑倒功能 191

3. 6. 4滑倒预警措施 192

参考文献 192

第4章 人体关节系统生物机械学特性的描述与应用 195

4. 1神经肌肉运动控制的生理基础与工程描述 195

4.1.1运动控制的层次结构与脊髓反射 195

4. 1.2 肌电图与肌电诱发响应 201

4.1.3 肌肉收缩的生物机械学模型 203

4.1.4关节负载系统的生物机械学模型 207

4.1.5考虑脊髓反射的生物机械学模型 209

4. 2肢体运动主要生物机械学特性的测量 210

4.2. 1肢体运动学参数的测量 211

4.2.2肌肉力量与关节机械力矩的测量 216

4. 2. 3机械动力学参数测量与关节动态特性测试 223

4. 3关节系统生物机械学模型与参数辨识 226

4. 3.1关节系统运动的控制模型 226

4.3.2系统辨识实验设计 231

4.3.3模型参数的估计方法 232

4.3.4神经肌肉反射特性的辨识方法 237

4.4关节系统生物机械学模型的应用 240

4. 4. 1正常人膝关节生物机械学参数的对比 240

4.4.2肌肉痉挛对神经肌肉动力学特性的影响 245

4.4. 3利用神经肌肉反射特性对痉挛患者进行分级评估 248

参考文献 250

第5章 膝关节的生物力学分析及应用 255

5. 1膝关节模型的建立与发展 256

5. 2基于医学图像的三维活体膝关节模型 257

5. 2. 1膝关节医学图像源及参数选择 257

5.2.2膝关节三维活体模型的建立 260

5.2.3膝关节三维模型的导出与有限元模型的建立 265

5. 3不同载荷下膝股胫关节的生物力学特性 267

5. 3. 1膝股胫关节各组织材料参数及边界条件 267

5.3.2采用Abaqus软件的有限元分析 269

5.3.3不同载荷下股胫关节的生物力学特性 270

5. 4半月板对股胫关节生物力学特性的影响 278

5. 4. 1半月板全部切除对膝关节生物力学特性的影响 279

5.4. 2半月板单侧切除对膝关节生物力学特性的影响 285

5. 4. 3半月板组织参数与连接位置对膝关节生物力学特性的影响 290

5. 5股胫关节相对位置对膝关节生物力学特性的影响 294

5. 5. 1股胫关节水平面角度的影响 295

5. 5. 2股胫关节冠状面角度的影响 295

5. 5. 3股胫关节冠状面与水平面角度的联合影响 295

5. 6膝关节韧带力学机制分析 298

5. 6. 1膝关节前移时韧带的限制作用 299

5.6.2膝关节后移时韧带的限制作用 300

参考文献 304

第6章 上肢假肢系统的生物机械学原理与功能仿生设计 307

6. 1人体上肢的解剖结构和运动功能 307

6. 2人体上肢肌骨系统运动生物力学分析 308

6. 2. 1上肢关节的运动范围 308

6. 2. 2上肢的运动机理和运动冗余问题 310

6. 3上肢假肢的生物机械学模型 312

6. 4肌电控制的假手结构分析与功能仿生设计 313

6.4.1肌电假手的仿生结构分析与传动计算 313

6.4.2仿生假手的肌电控制 316

6. 5仿生假手的智能感觉系统 319

6. 5. 1大闭环力感觉反馈 320

6.5.2小闭环触滑觉反馈 324

6. 6多关节仿生手指机构的运动分析 331

6.6. 1人手指的生理参数和运动规律表达式 333

6. 6. 2手指机构运动分析与轨迹方程 333

6. 7六杆仿生手指机构优化设计 337

6. 7. 1设计变量（广义坐标） 337

6.7. 2优化设计的约束条件 338

6.7.3优化设计数学模型及其求解 341

6. 8假肢肘关节仿生机构 343

6. 8. 1人体肘关节的驱动原理和等效机构模型 343

6.8. 2肘关节机构运动分析 344

6.8. 3机构力分析 345

6. 9肘关节机构优化设计 347

6. 9. 1肘关节机构设计变量 347

6. 9. 2优化设计目标函数 347

6.9.3约束函数 349

6. 9. 4优化设计数学模型和优化结果 350

参考文献 351

第7章 下肢运动的生物机械学分析与应用 353

7. 1概述 353

7. 2步行时下肢摆动期的生物机械学分析 355

7. 2. 1摆动期力学模型与动力学方程 355

7. 2. 2动力学方程的应用 358

7. 3不同路况下步态特征与关节力矩 361

7. 3. 1不同路况的步态特征 361

7. 3. 2不同路况下关节力矩 366

7. 3. 3健全者与大腿假肢穿戴者步态的差异性 369

7.4 趾关节屈伸对步态的影响 370

7. 4. 1实验方法 371

7.4.2实验结果 373

7.4. 3步态异常的原因 377

7. 5下肢肌骨模型与步行时的肌肉力 378

7. 5. 1下肢肌肉骨骼模型与动力学方程 379

7. 5. 2肌肉健的结构模型及参数 380

7. 5. 3关节被动力矩 383

7. 5. 4摆动期肌肉力 384

7. 5. 5支撑期肌肉力 390

7.5.6仿真计算与肌电信号对比 392

7. 6四杆机构膝关节性能分析 394

7. 6. 1支撑期的稳定协调区 395

7.6.2四杆机构膝关节的稳定协调性 396

7. 6. 3摆动期踝关节升高量 398

7. 6.4四杆机构膝关节的控制力矩 399

7. 7六杆机构膝关节性能分析 403

7. 7. 1.六杆机构膝关节的构成 404

7. 7. 2六杆机构瞬停节与假肢膝关节稳定性 404

7. 7. 3六杆机构膝关节运动学设计 410

7. 7.4六杆机构膝关节的动力学分析 417

7. 7. 5优化后的六杆机构膝关节性能试验 421

7. 8智能下肢假肢力矩控制装置 424

7. 8. 1气动力矩控制装置 424

7.8.2摩擦锥式阻力矩控制装置 431

7. 9储能式下肢假肢的原理与性能 432

7. 9. 1用步态分析法测定放储能量比s 433

7. 9. 2储能假肢动力学性能分析的有限元法 435

7. 9. 3材料力学特性和外力变化对储能性的影响 437

参考文献 439

第8章 小腿假肢装配中人-机界面的生物机械学分析 442

8. 1概述 442

8.2人-机界面压力的研究方法 444

8. 2. 1人-机界面压力的试验测量 444

8. 2. 2人-机界面压力的数值仿真 445

8. 3接受腔-残肢人-机界面生物力学模型 450

8. 3. 1残端-接受腔一体化模型——有限元法 450

8.3. 2步行中运动学参数和动态载荷的确定 457

8.4接受腔-残肢人-机界面力学参数测量 460

8. 5接受腔-残端界面压力的理论计算与实测结果 461

8. 5. 1残肢表面预压力和站立状态静压力 462

8.5.2行走过程中界面压力计算和实验测量结果 462

8.5.3考虑惯性载荷和关节角度变化时的界面压力 465

8. 6各种因素对界面应力的影响 469

8. 6. 1路面状况对界面应力的影响 469

8. 6. 2步速对界面压力的影响 472

8.6.3假肢装配时对线调整对界面压力的影响 476

参考文献 485

第9章 功能性矫形器原理和动力式步态矫形器仿生设计 487

9. 1概述 487

9. 2步态矫形器（步行机）的发展与现状 488

9. 3双关节单自由度步态矫形器（步行机）运动分析 492

9. 3. 1人体行走的特征参数和步态分析 492

9. 3. 2理想目标步态函数 494

9.3.3多杆步行机构选型和运动分析 495

9.4步行机构仿生优化设计 498

9.4. 1优化设计数学模型 498

9. 4. 2优化计算和仿真结果分析 501

9. 5步行机动力学分析 503

9. 5. 1动力学模型 503

9.5.2动力学方程 503

9. 6步行机的系统组成和控制系统框图 511

9. 6. 1步行机的系统组成 511

9.6.2步行机控制系统 512

参考文献 513

第10章 基于人体生物电信息的人-机一体化智能系统 515

10. 1概述 515

10. 1. 1生物电特征提取 515

10. 1. 2生物电模式分类 516

10. 2表面肌电信号分析识别系统 519

10.2. 1系统组成 519

10. 2. 2典型算法 525

10. 3基于表面肌电信号的人手动作识别 528

10. 3. 1人手动作识别流程 528

10. 3. 2健康受试者动作识别 530

10. 3. 3截肢者“意念”动作识别 534

10.4基于表面肌电信号的路况识别 540

10. 4. 1肌电信号特征提取 541

10.4.2路况辨识方法 543

10. 5基于脑电信号的脑-机接口系统 545

10. 5. 1脑电信号与脑-机接口 545

10. 5. 2稳态视觉诱发电位的特点和诱发方法 547

10. 5. 3基于SSVEP的脑-机接口的构造及特点 549

10.6脑-机接口在康复工程中的应用 552

10.6. 1脑-机接口控制的多自由度假肢 552

10. 6. 2 SSVEP脑-机接口的环境控制系统 552

10. 6. 3光标控制系统 554

10. 6.4电器遥控系统 554

10. 6. 5电话拨号系统 555

参考文献 556

中英文名词对照 559

名词索引引 569

附录A与本书有关的研究项目 580

附录B参加与本书有关科研项目工作的教师、博士后研究人员、博士研究生、硕士研究生和访问学者名录 582