本文關(guān)鍵詞：人體行走下肢生物力學(xué)研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

中國(guó)科學(xué): 技術(shù)科學(xué) 2011年 第41卷 第5期: 592 ~ 601

《中國(guó)科學(xué)》雜志社

SCIENCE CHINA PRESS

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人體行走下肢生物力學(xué)研究

韓亞麗, 王興松*

①

②

① 南京工程學(xué)院機(jī)械學(xué)院, 南京 211167; ② 東南大學(xué)機(jī)械學(xué)院, 南京 211189 * E-mail: xswang@seu.edu.cn

收稿日期: 2010-03-22; 接受日期: 2011-01-18

摘要 采用運(yùn)動(dòng)圖像采集系統(tǒng)、測(cè)力系統(tǒng), 獲得人體行走過(guò)程中關(guān)節(jié)標(biāo)記點(diǎn)坐標(biāo)值及腳底力的變化信息, 結(jié)合人體動(dòng)力學(xué)模型, 研究了不同負(fù)重(0, 10, 20, 30 kg)及不同行走速度(0.8, 1.3, 1.7 m/s)對(duì)人體下肢運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)的影響. 在人體行走矢狀面內(nèi)有下述研究結(jié)果. 1) 負(fù)重對(duì)人體行走運(yùn)動(dòng)學(xué)的影響為: 踝關(guān)節(jié)在腳尖離地階段的關(guān)節(jié)伸展角度隨著負(fù)重增加而增加; 膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍隨著負(fù)重增加而減小; 髖關(guān)節(jié)前屈角度隨著負(fù)重的增加而增加, 相反的髖關(guān)節(jié)的伸展角度隨著負(fù)重的增加而減小. 2) 速度對(duì)人體行走運(yùn)動(dòng)學(xué)的影響為: 踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍隨著速度增加而增加; 膝關(guān)節(jié)最大伸展角度隨著速度增加而增加; 髖關(guān)節(jié)彎曲角及伸展角均隨速度的增加而增加, 且髖關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍也隨速度的增加而增加. 3) 負(fù)重及速度對(duì)人體行走動(dòng)力學(xué)的影響為: 踝關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)力矩及功率均隨負(fù)重、速度的增加而增加. 研究結(jié)果可為人體下肢助力行走外骨骼機(jī)器人的設(shè)計(jì)與研究提供參考依據(jù).

關(guān)鍵詞 行走步態(tài) 動(dòng)力學(xué)模型 運(yùn)動(dòng)分析 負(fù)重行走

人體的行走運(yùn)動(dòng)是由多塊肌肉有節(jié)律收縮, 驅(qū)動(dòng)骨骼繞關(guān)節(jié)協(xié)同運(yùn)動(dòng)的結(jié)果, 過(guò)程復(fù)雜, 但隨著現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)的發(fā)展, 使得我們有可能對(duì)人類行走時(shí)下肢的運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)變化情況進(jìn)行更為精確的動(dòng)態(tài)數(shù)量化分析, 這項(xiàng)工作逐漸發(fā)展為生物力學(xué)的一個(gè)特殊分支, 并被命名為步態(tài)分析[1]. 國(guó)外對(duì)人體行走研究起步較早, 分析出人體行走運(yùn)動(dòng)的特征并用于指導(dǎo)體育訓(xùn)練、人體下肢康復(fù)運(yùn)動(dòng)評(píng)定、行走輔助裝置的設(shè)計(jì)等[2~6]. 國(guó)內(nèi)研究起步較晚, 且主要針對(duì)下肢正常者或病變者在零負(fù)重下的行走步態(tài)分析, 多用于康復(fù)評(píng)定[7~10]. 本文則是對(duì)行走正常者進(jìn)行不同負(fù)重及行走速度條件下的下肢行走步態(tài)分析, 旨在指導(dǎo)人體下肢助力行走外骨骼機(jī)器人設(shè)

計(jì): 例如, 助力外骨骼機(jī)器人并聯(lián)與人體下肢外部, 應(yīng)和人體下肢關(guān)節(jié)自由度相匹配, 如果對(duì)所有關(guān)節(jié)進(jìn)行驅(qū)動(dòng), 不僅會(huì)消耗大量的能源, 也必將加大控制系統(tǒng)的復(fù)雜性, 而已有研究表明[11], 人體下肢在行走過(guò)程的不同階段, 關(guān)節(jié)有做正功、負(fù)功之別, 若助力外骨骼機(jī)器人采用儲(chǔ)能元件實(shí)現(xiàn)在負(fù)功階段進(jìn)行能量?jī)?chǔ)存, 在正功階段釋放, 則達(dá)到節(jié)能的目的, 所以對(duì)人體行走步態(tài)進(jìn)行研究, 可得出關(guān)節(jié)做功情況; 同時(shí), 對(duì)人體行走進(jìn)行生物力學(xué)研究, 可得出行走過(guò)程中關(guān)節(jié)力矩及關(guān)節(jié)功率, 通過(guò)這些數(shù)據(jù)適當(dāng)?shù)谋壤s放用于行走助力、助殘機(jī)器人設(shè)計(jì), 可為行走助力機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器的選型及能源的選擇提供重要的依據(jù).

英文版發(fā)表信息: Han Y L, Wang X S. The biomechanical study of lower limb during human walking. Sci China Tech Sci, 2011, 54: 983?991, doi: 10.1007/s11431-

011-4318-z

1 人體行走運(yùn)動(dòng)研究

1.1 研究方法

我們使用江蘇省人民醫(yī)院康復(fù)科的Motion Analysis公司開(kāi)發(fā)的步態(tài)分析系統(tǒng)獲取人體行走運(yùn)動(dòng)學(xué)的原始數(shù)據(jù). 此系統(tǒng)由運(yùn)動(dòng)圖像采集系統(tǒng)和測(cè)力系統(tǒng)組成, 運(yùn)動(dòng)圖像分析子系統(tǒng)由分布在四周的高速攝像機(jī)及粘貼在待測(cè)部位的發(fā)光標(biāo)記點(diǎn)組成. 通過(guò)對(duì)標(biāo)記點(diǎn)的捕捉、識(shí)別可獲得人體步態(tài)的各個(gè)運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)、時(shí)間參數(shù)以及步幅等. 測(cè)力系統(tǒng)由布置在行走軌道上的兩塊測(cè)力板組成. 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖如圖1所示.

盡管Motion Analysis開(kāi)發(fā)的步態(tài)分析系統(tǒng)能輸出人體行走過(guò)程中的某些運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)信息, 但是并不能滿足我們研究的一些特殊需要, 如輸出人體行走過(guò)程中零力矩點(diǎn)變化信息、整個(gè)系統(tǒng)(實(shí)驗(yàn)者+背部負(fù)重)的質(zhì)心軌跡等. 為此, 我們僅使用該系統(tǒng)獲得了測(cè)試者身體關(guān)鍵部位的標(biāo)記點(diǎn)坐標(biāo)及測(cè)力系統(tǒng)的原始數(shù)據(jù), 自行采用C#與MATLAB混合編程開(kāi)發(fā)人體行走步態(tài)分析軟件, 結(jié)合建立的人體運(yùn)動(dòng)模型, 計(jì)算出行走過(guò)程中下肢行走過(guò)程中的一些運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)信息.

1.2 人體動(dòng)力學(xué)模型

由發(fā)光標(biāo)記點(diǎn)的位置坐標(biāo), 可計(jì)算出人體行走

運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)學(xué)結(jié)果, 如下肢各關(guān)節(jié)角度的變化θ、下肢大腿、小腿及足的加速度a, 詳見(jiàn)文獻(xiàn)[12]. 同時(shí)根據(jù)文獻(xiàn)[13]提出的人體測(cè)量學(xué)方法及人體運(yùn)動(dòng)

圖1 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖

中國(guó)科學(xué): 技術(shù)科學(xué) 2011年 第41卷 第5期

分析方法, 可獲得用于步態(tài)分析的人體下肢大腿、小腿及足部的質(zhì)量m、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量I等參數(shù). 結(jié)合步態(tài)實(shí)驗(yàn)時(shí)測(cè)力板實(shí)驗(yàn)結(jié)果及人體動(dòng)力學(xué)模型(如圖2所示), 使用牛頓第二定律可以計(jì)算出在各個(gè)步態(tài)時(shí)刻的關(guān)節(jié)力、力矩及功率.

利用牛頓定理對(duì)右足進(jìn)行分析, 可得

FRankle+mRfootg+Fplate1=mRfootaRfoot,L??Rankle=MRankle+TZplate1+M

FRankle+MFplate1.

進(jìn)而求出右足踝關(guān)節(jié)力FRankle及關(guān)節(jié)力矩MRankle如(1)

和(2)式所示:

FRankle=mRfootaRfoot?mRfootg?Fplate1, (1)

MRankle=L??Rankle?TZplate1?MFRankle?MFplate1. (2)

(1), (2)式中, mRfoot為右足質(zhì)量, aRfoot為右足行走過(guò)程

中的加速度, g為重力加速度, Fplate1為力板輸出的地

面對(duì)腳底的支反力, L??Rankle

為右腳角動(dòng)量隨時(shí)間的變

化率, TZplate1為力板輸出的地面對(duì)腳底的支反力矩,

MFRankle, MFplate1分別為由FRankle, Fplate1引起的力矩值.

右足關(guān)節(jié)功率如下所示:

PRankle

=MRankle

?θ??Rankle

, (3)

其中, θ??Rankle為踝關(guān)節(jié)角速度.

同上, 右膝關(guān)節(jié)力、關(guān)節(jié)力矩及功率如下所示:

FRknee=mRcalfaRcalf?mRcalfg?FRankle, (4)

圖2 人體下肢模型

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韓亞麗等: 人體行走下肢生物力學(xué)研究

??, (5) MRknee=MFRknee?MFRankle?L2 人體行走運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析 Rcalf

??PRknee=MRknee?θRknee, (6) 對(duì)五名健康的大學(xué)生進(jìn)行行走試驗(yàn), 測(cè)試對(duì)象

右髖關(guān)節(jié)力、關(guān)節(jié)力矩及功率如下所示: 年齡為25(±2),平均體重為(56±6.8) kg, 平均身高為 FRhip=mRthighaRthigh?mRthighg?FRknee, (7) (1.7±0.03) m. 實(shí)驗(yàn)分兩種情況進(jìn)行: 一、對(duì)測(cè)試者在

零負(fù)重狀態(tài)下以不同的行走速度(快速行走1.7 m/s, ??MRhip=MFRhip?MFRknee?L Rthigh, (8)

正常行走1.3 m/s, 慢速行走0.8 m/s)進(jìn)行實(shí)驗(yàn). 二、對(duì)

??PRhip=MRhip?θRhip. (9) 測(cè)試者在同一速度下(約1.28 m/s, 此速度是通過(guò)對(duì)實(shí)

重復(fù)上述過(guò)程, 可計(jì)算出右腿各關(guān)節(jié)力矩及功率. 實(shí)驗(yàn)者在行走場(chǎng)地中反復(fù)實(shí)驗(yàn), 得出的相對(duì)最易保持不

變的速度)不同負(fù)重狀態(tài)(0, 10, 20, 30 kg)進(jìn)行實(shí)驗(yàn). 對(duì)驗(yàn)室自行開(kāi)發(fā)的步態(tài)分析系統(tǒng)程序主界面圖如圖3

同一行走條件下的所有測(cè)試對(duì)象的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行平均所示, 程序再現(xiàn)行走過(guò)程的同時(shí), 能實(shí)時(shí)輸出相應(yīng)的

計(jì)算, 并使用開(kāi)發(fā)的步態(tài)分析系統(tǒng)軟件對(duì)不同負(fù)重及運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)變化曲線. 一個(gè)完整步態(tài)周期內(nèi)的

不同行走速度下的矢狀面內(nèi)的關(guān)節(jié)角度、關(guān)節(jié)力矩及

行走棍棒圖序列如圖4所示.

圖3 程序界面圖

圖4 步態(tài)周期內(nèi)的行序列棍棒圖

從圖中可看出在一個(gè)步態(tài)周期內(nèi), 支撐期約占61%(其間經(jīng)歷過(guò)程為: 腳跟著地(Heel strike)—腳放平(Foot flat)—支撐中期(Mid-stance)—腳跟離

地(Heel-off)—腳尖離地(Toe-off)), 擺動(dòng)期約占39%(其間經(jīng)歷過(guò)程為: 腳尖離地(Toe-off)—擺動(dòng)中期(Mid-swing)—再次的腳跟著地(Heel strike))

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關(guān)節(jié)功率結(jié)果進(jìn)行計(jì)算, 并對(duì)輸出結(jié)果進(jìn)行比較分析. 實(shí)驗(yàn)僅對(duì)人體矢狀面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了研究.

2.1 不同速度下人體下肢關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)

對(duì)實(shí)驗(yàn)者進(jìn)行不同行走速度下的行走實(shí)驗(yàn), 得出下肢各關(guān)節(jié)角度、力矩及功率變化分別如圖5~7

圖5 不同行走速度下的關(guān)節(jié)角度曲線圖

(a) 踝關(guān)節(jié)角度; (b) 膝關(guān)節(jié)角度; (c) 髖關(guān)節(jié)角度

中國(guó)科學(xué): 技術(shù)科學(xué) 2011年 第41卷 第5期

圖6 不同行走速度下的關(guān)節(jié)力矩圖(圖中縱軸為關(guān)節(jié)力矩

相對(duì)測(cè)試者身體質(zhì)量進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的結(jié)果)

(a) 踝關(guān)節(jié)力矩; (b) 膝關(guān)節(jié)力矩; (c) 髖關(guān)節(jié)力矩

所示. 需要說(shuō)明的是圖中的數(shù)據(jù)是多次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值. 為了進(jìn)一步的對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較分析, 我們給出了一些關(guān)鍵點(diǎn)的數(shù)值(平均值及偏差), 表1給出了這些關(guān)鍵點(diǎn)的注釋, 表2中給出了不同行走速度

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