5）腿部外骨骼的改进与优化。找出设计的不足之处，提出改进设计思路。 

2 人体行走生物力学简介

2.1 人体生物力学简介

生物力学是研究物体的机械运动规律及与其他运动形式相互转化规律的科学。它以经典力学的理论和方法为主要工具，研究体育运动中的各种力学现象。人体的机械运动包括人体空间位置的变化和空间形状的变化[ ]。要建立运动技术的力学模型，必须知道其内在规律和约束条件。人体模型可分为环节链模型和多刚体模型。本文主要研究人体腿部，将大腿、小腿以及各关节转化为环节链模型进行分析。来!自~751论-文|网www.751com.cn

2.2 人体腿部结构图

如图所示，人体活动范围可分为矢状面、冠状面和水平面三个面。其中人体腿部主要包括髋关节、膝关节和踝关节三个关节。

图 2.1 人体部分结构图

2.3 人体腿部生物力学

腿是人身体的重要组成部分，也是人体运动受力的主要承担者。其中膝关节必须能够承受运动，并足够稳定使其能够吸收和抵抗人自身的重力以及在完成不同的运动时产生的力。例如，在做跳跃、跑步和举重练习时，膝关节必须能够抵抗地面的反作用力； 髋关节可限制大腿过度外展和旋外，为多轴性关节，可做收展、屈伸、旋转及环转运动，其稳固性比肩关节强；踝关节属于滑车关节，可沿着冠状轴做背屈及跖屈运动，足尖向上，足与小腿间角度小于90度时，叫背屈；反之，足尖向下，足与小腿间角度大于90度时，叫做跖屈。在跖屈时，脚可做一定范围的侧方向运动。人走路的过程就是根据身体的屈膝、屈髋等关节旋转，通过骨骼的支撑，再通过肌肉的协调发力而产生的一系列连贯动作。

因此，下肢可看作一个整体的运动单元，任何一个部位的变化都会影响整个下肢的变化，髋踝足的力学也影响着膝关节在步态中的负重[ ]。

2.4 人体建模

本文所设计的外骨骼机构，主要适用对象为年轻战士，根据设计目的主要考虑大腿、小腿的基本尺寸。为了便于后续分析，选取了人机工程学中人体的基本尺寸，利用solidworks软件建立了人体模型。人体各关节处通过配合形成转动副，可在二维平面内自由转动。该人体模型能够实现人体直立、屈膝、上下台阶等基本姿态。