研究在跑步过程中的下肢关节运动特征是人体运动生物力学研究领域的关键问题之一。本课题以人体下肢髋、膝、踝关节为研究对象,所推导的模型、实验数据及相关结论在人体运动生物力学、体育科学以及类人机器人研究领域具有一定的科学意义和应用价值。首先,在了解国内外研究现状的基础上,根据人体生理结构特点,建立在矢状面内的人体七刚体六自由度简化模型。在此基础上,基于D-H法建立人体下肢运动学模型,基于Kane方法推导人在跑步过程中摆动期与支撑期的动力学方程。其次,以跑步机、FAB系统和无线相位检测系统为实验平台,制定实验方案和实验数据处理方法;通过对多样本在多个速度下的实验测量,归纳人在跑步过程中的髋、膝、踝关节转角运动特征和规律,在此基础上,研究跑步速度对人体髋、膝、踝关节运动特性的影响,推导回归方程,最终建立了基于Fourier函数的以速度为自变量的髋、膝、踝关节转角数学模型;除此之外,针对跑步速度对步态相位的影响规律进行研究,建立支撑期和摆动期的数学模型。最后,利用MATLAB软件中的SimMechanics工具箱,对人体跑步过程进行了建模与仿真研究,验证本文所建立的人体运动学、动力学模型的以及髋、膝、踝关节转角数学模型的正确性。