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步态模式影响下的足底压力形成机理研究

作　者: 张绪成
导　师: 戴士杰
学　校: 河北工业大学
专　业: 机械工程
关键词: 身份识别步态识别足部多刚体模型质心波动模型下肢摆动模型足底压力特征
分类号: TP391.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

在现代社会，随着信息技术的飞速发展，信息安全越来越受到人们的重视，传统的身份识别认证已不能满足人们对于信息安全的需求，生物特征识别技术被寄予人们的厚望。常用的生物识别技术有指纹、DNA、掌纹、人脸、虹膜、语音和签名等，但这些生物识别技术却存在着共同的缺点，具有侵扰性，不能实现远距离识别。基于足底压力分布的身份识别作为步态识别的一个新兴领域，具有非侵扰性、隐蔽性的优点，同时可以实现远距离识别，相比于步态识别中的计算机视觉识别，还不存在背景干涉、条件、光照、气候等的影响，因此具有重要的研究意义。利用足底压力分布进行身份识别还是一个刚起步不久的研究方向，有许多亟待解决的问题。本文针对足底压力分布特征具有相对稳定性，在受到外界因素的干扰时容易产生变化，从而影响到识别的准确率，对足底压力与影响因素之间的关系进行研究，建立了关系模型。本文主要研究工作如下：首先对足底压力识别做相关介绍，介绍了目前步态识别的主要研究现状，足底压力识别用于步态识别的优点以及足底压力的广泛应用。对足底压力以及相关的足部生物力学模型进行了相应介绍。对足底压力影响较大的步态做了相关介绍，步态参数对足底压力产生的影响进行定性分析。其次建立了足部的多刚体运动学模型。把复杂的足部结构简化为一个八刚体的动力学模型，利用刚体运动之间的坐标关系分析了各刚体之间的关节相对转动，根据足底软组织厚度变化与地面支反力的比例关系，建立了地面支反力的关系模型，揭示步态中的足底压力动态变化规律。接下来分析研究了步态速度与足底压力之间的关系。针对步态速度对足底压力的两方面影响。首先建立了质心波动与足底压力的关系模型，分析出了质心前后左右波动对足底压力分布产生的影响；其次建立了摆动腿模型，分析人体步态运动所带来的惯性力对足底压力所带来的影响。最后根据以上所建立的模型，分析了足底压力的生物特征和分布特征，指出足底压力的某些变化规律，验证模型的准确性，并用于后续识别研究。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-9
第一章绪论  9-19
  §1-1 步态识别概述  9-11
  §1-2 足底压力应用  11-14
  §1-3 足底压力的研究  14-17
    1-3-1 足底压力测量设备的发展  15-16
    1-3-2 足底压力分析的研究现状  16
    1-3-3 足部生物力学的研究现状  16-17
  §1-4 本论文的主要研究内容  17-19
第二章步态概述  19-28
  §2-1 步态定义  19-20
  §2-2 步态参数  20-24
    2-2-1 步态的时空参数  20-22
    2-2-2 步态的运动学参数  22-23
    2-2-3 步态的动力学参数  23-24
  §2-3 步态对足底压力的影响  24-27
    2-3-1 足底压力的动态变化  24-25
    2-3-2 步态参数对足底压力的影响  25-27
  §2-4 本章小结  27-28
第三章足部运动生物力学模型  28-36
  §3-1 引言  28
  §3-2 足部结构  28-30
    3-2-1 足部骨骼组成  28-29
    3-2-2 足部关节  29
    3-2-3 足底软组织  29-30
  §3-3 足部运动  30
    3-3-1 足的功能  30
    3-3-2 足的运动  30
  §3-4 足部运动模型  30-35
    3-4-1 足的生物力学  30-31
    3-4-2 足部多刚体模型  31-32
    3-4-3 足部刚体之间坐标系的建立  32
    3-4-4 足部关节旋转变量的求解  32-33
    3-4-5 足部力学方程的建立  33-34
    3-4-6 模型中参数的确定  34-35
  §3-5 本章小结  35-36
第四章步态速度对足底压力的影响  36-46
  §4-1 引言  36
  §4-2 步态速度  36-37
    4-2-1 步态速度简介  36
    4-2-2 步态速度对人体稳定性的影响  36-37
    4-2-3 步态速度对足底压力大小的影响  37
  §4-3 步态速度与步态其他参数之间的关系  37-38
  §4-4 人体质心波动对足底压力影响  38-42
    4-4-1 人体质心波动  38
    4-4-2 人体模型简化  38-39
    4-4-3 力学分析和建立方程  39
    4-4-4 质心波动与足底压力的关系  39-42
  §4-5 步态速度与足底压力的关系  42-45
    4-5-1 基本原理  42-43
    4-5-2 摆动腿模型  43-45
  §4-6 本章小结  45-46
第五章模型的仿真验证与足底压力分析  46-53
  §5-1 引言  46
  §5-2 足部运动生物力学模型仿真验证  46-48
  §5-3 步态速度与足底压力关系模型的仿真验证  48-49
  §5-4 足底压力的生物识别特征验证  49-51
    5-4-1 足底压力的重复性  49-50
    5-4-2 足底压力的唯一性  50-51
  §5-5 足底压力的分布特征分析  51-52
  §5-6 本章小结  52-53
第六章结论与展望  53-55
  §6-1 结论  53-54
  §6-2 展望  54-55
参考文献  55-59
致谢  59

步态模式影响下的足底压力形成机理研究

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