1.1研究背景

随着人们年龄增长和膝关节骨关节炎等疾病影响，人体下肢运动机能退化和异常的患者数量日益增多，社会迫切需要能够适应人体步态的下肢辅助装置来辅助患者或者老年人进行正常行走和康复训练。设计下肢辅助或者康复训练装置，就必须对人体步态、下肢运动学、下肢动力学、肌肉理论模型、关节生物力学模型和下肢各肌肉肌力等方面有深刻的研究和了解。

国外关于人体下肢运动的研究进展较早。在1975年，Cappozzo教授等人建立了三个关节的下肢模型，对模型进行缸体动力学分析。1988年，Pandy教授等人，创建了具有五个刚体的下肢人体模型，大小腿简化为质量杆，对模型进行了运动学和动力学分析。实际上，人体的肌肉骨骼模型十分复杂，骨骼受到各个肌肉群的作用从而产生运动，单纯地将人体下肢模型简化为棍棒模型，对于仿真而言，是不科学的。在上个世纪七十年代，以斯坦福大学为代表的美国多个高校和科研机构就开始研究人体肌肉骨骼模型，在骨骼的基础上添加肌肉来完善人体模型，研究不同肌肉对步态的影响等。伴随着计算机科学发展，将人体解剖学、人体运动学和动力学、生物力学、控制理论和计算机仿真技术结合起来，国外的学者开发出各类人体运动分析仿真软件，如OpenSim、AnyBody、LifeMod等，其中OpenSIm是由斯坦福大学Frank Andereson等人基于C 和JAVA开发的人体运动仿真软件。通过OpenSIm可以创建和分析人体肌骨模型，进行运动仿真和正向动力学仿真等，为人们研究异常步态、肌肉力等提供了依据。

在国内，关于人体下肢仿真进展较晚，许多研究都将下肢肌骨模型简化为木偶模型。对于人体这样复杂肌肉骨骼系统，这种模型有所缺陷。目前国内尚未有自主知识产权的人体生理仿真软件，在建模仿真技术上与国外还有一定的差距。

1.2研究目的

论文针对国内人体下肢肌骨系统建模及仿真资源短缺的现状，拟建立人体下肢肌骨模型，对其进行运动学及动力学分析，肌肉力计算仿真，提出对于人体复杂肌骨系统的建模和仿真方法。

1.3研究意义

论文研究人体下肢建模和仿真，对于国内人体复杂肌骨系统建模与仿真研究和资源较少的情况，有贡献意义。研究人体下肢步态、运动学、动力学和下肢肌力对下肢外骨骼设计有着重要的帮助和指导意义。

2. 研究的基本内容与方案

2.1研究目标

目前，国内对于人体复杂肌肉骨骼模型的研究较少，缺少理论研究和仿真开发。论文拟研究人体下肢复杂肌骨模型的建立与仿真，借鉴国外人体肌骨理论研究和仿真基础，引进先进建模和仿真技术，为国内研究生物力学、异常步态、康复工程和外骨骼辅助机械的研究和开发人员提供参考。