外骨骼下肢運(yùn)動步態(tài)的仿真研究

陳寧寧 曹吉文 王鈺

文章編號： 10069798（2019）01010104; DOI： 10.13306/j.10069798.2019.01.018

摘要：針對下肢運(yùn)動障礙患者的康復(fù)要求和人體下肢行走時的步態(tài)規(guī)律，本文基于Pro/Engineer軟件，對外骨骼的關(guān)節(jié)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計。分析了人體下肢的生理結(jié)構(gòu)及運(yùn)動步態(tài)，重點分析了步態(tài)周期內(nèi)骨盆的運(yùn)動規(guī)律，建立外骨骼簡易三維模型，為驗證此設(shè)計的可行性，采用Pro/Engineer軟件進(jìn)行仿真實驗。仿真結(jié)果表明，外骨骼帶動人體骨骼正常行走，而且各個關(guān)節(jié)的運(yùn)動軌跡與正常人行走軌跡相近，說明對外骨骼關(guān)節(jié)的設(shè)計是可行的，能夠滿足患者的康復(fù)要求。該研究具有較高的實際應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：步態(tài)周期; 下肢康復(fù); 外骨骼; 步態(tài)仿真

中圖分類號： TP241.3; TH122文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，康復(fù)下肢外骨骼技術(shù)發(fā)展迅速，受到醫(yī)療領(lǐng)域越來越多的重視[1]。目前，國外康復(fù)外骨骼技術(shù)發(fā)展相對成熟，比較著名的日本混合助力肢（hybrid assistive limb，HAL），其足部可以幫助患者分擔(dān)并提供支撐力，穿戴者幾乎不需要依靠自身力量維持站立，并能輕松完成長距離行走[2];美國Rewalk可幫助下肢運(yùn)動障礙者康健及日常行走[3]，但其價格昂貴，不適合在中國推廣使用。國內(nèi)康復(fù)技術(shù)發(fā)展緩慢，而且大多是在研究康復(fù)下肢外骨骼。牛彬[4]設(shè)計的可穿戴式下肢步行外骨骼，共8個自由度，對于單腿來說，髖關(guān)節(jié)兩個，踝和膝關(guān)節(jié)各一個，但平衡性能差，不能進(jìn)行臨床使用;饒玲軍等人[5]設(shè)計的下肢外骨骼行走機(jī)器人，單條腿共7個自由度，靠拐杖平衡穿戴者的重心，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、靈活性差;張倩[6]設(shè)計的下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人，共11個自由度，其中腰部一個自由度，對于單條腿，膝關(guān)節(jié)一個，髖和踝關(guān)節(jié)各兩個，使用盤式電機(jī)驅(qū)動，結(jié)構(gòu)輕巧，但未全面考慮骨盆運(yùn)動;近年來，校企合作推出的北京大艾和上海Fourier，只有腿部關(guān)節(jié)設(shè)有自由度，沒有考慮到人體行走時骨盆的側(cè)傾和扭轉(zhuǎn)運(yùn)動。在康復(fù)外骨骼機(jī)器人研究中，下肢步態(tài)運(yùn)動和骨盆協(xié)調(diào)運(yùn)動非常重要，張立勛等人[7]提出了一種測量人行走時骨盆運(yùn)動軌跡的方法，并建立了骨盆運(yùn)動軌跡數(shù)學(xué)模型;Y.Stuffer等人[8]認(rèn)為在設(shè)計康復(fù)下肢外骨骼時要考慮骨盆的運(yùn)動;王萍[9]基于人體骨盆運(yùn)動軌跡，設(shè)計了輔助骨盆側(cè)向移動機(jī)構(gòu)，配合康復(fù)機(jī)器人進(jìn)行下肢行走訓(xùn)練?；诖?，本文在詳細(xì)分析了人體步態(tài)行走規(guī)律的基礎(chǔ)上，在保證各關(guān)節(jié)應(yīng)具有的運(yùn)動特性下，利用Pro/Engineer軟件搭建外骨骼簡易模型，使其同人體骨骼關(guān)節(jié)對應(yīng)，通過Pro/Engineer運(yùn)動仿真模塊，驗證了該設(shè)計能按照正常人行走的軌跡進(jìn)行運(yùn)動，說明下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人的設(shè)計需要考慮骨盆的運(yùn)動。該研究具有一定的實際應(yīng)用價值。

1人體下肢運(yùn)動步態(tài)介紹

1.1人體下肢生理結(jié)構(gòu)分析

人體下肢骨骼髖關(guān)節(jié)是一個擁有球形關(guān)節(jié)面的球窩關(guān)節(jié)，包括3個自由度，分別是在矢狀面的屈曲和伸展、冠狀面的外伸和內(nèi)收及髖關(guān)節(jié)的內(nèi)旋和外旋;膝關(guān)節(jié)有2個自由度，分別在矢狀面的伸屈和繞著下肢長軸的旋轉(zhuǎn)（膝關(guān)節(jié)屈曲時）;踝關(guān)節(jié)有3個自由度，分別在矢狀面屈伸、橫斷面上的內(nèi)收和外展及旋前旋后運(yùn)動[1012]。傳統(tǒng)下肢外骨骼設(shè)計一般只考慮髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)及踝關(guān)節(jié)的屈伸運(yùn)動，不利于穿戴者康復(fù)和行走。

1.2人體行走步態(tài)分析

人行走時重心會轉(zhuǎn)移，朝向支撐肢，人體骨盆側(cè)傾圖如圖1所示。當(dāng)左腿抬起時，骨盆朝左腿傾斜，右髖關(guān)節(jié)內(nèi)收，左髖關(guān)節(jié)外展，即骨盆朝非支撐肢傾斜，支撐肢髖關(guān)節(jié)內(nèi)收，非支撐肢髖關(guān)節(jié)外展[13]。骨盆上下傾斜的最大角度不在人體重心垂直位移的峰值處，而在人體非支撐肢腳尖即將離開地面附近。人體行走時，在重心的最低點和最高點處，骨盆上下傾斜很小（少于2°）[1415]，人起始步的第一階段是重心轉(zhuǎn)移，當(dāng)骨盆發(fā)生傾斜時，人的踝關(guān)節(jié)相對于腓骨外展或內(nèi)收，加上足的屈伸運(yùn)動，踝關(guān)節(jié)至少有2個自由度[11]。

人正常行走時，骨盆在水平面會發(fā)生一定角度的旋轉(zhuǎn)，骨盆旋轉(zhuǎn)俯視圖如圖2所示。圖2a為骨盆未發(fā)生旋轉(zhuǎn)時，此時骨盆位于中性位置;圖2b為右側(cè)骨盆向前旋轉(zhuǎn)時，引發(fā)左側(cè)骨盆繞股骨頭向內(nèi)旋轉(zhuǎn);圖2c為右側(cè)骨盆向后移動時，引發(fā)左側(cè)骨盆繞股骨頭向外旋轉(zhuǎn)[13]。骨盆的一側(cè)旋前，另一側(cè)旋后，即進(jìn)行骨盆的扭轉(zhuǎn)運(yùn)動，兩側(cè)最大旋轉(zhuǎn)角度約為4°，總共約8°。骨盆的扭轉(zhuǎn)及上下傾斜使人體重心不斷轉(zhuǎn)移，達(dá)到向前行走的目的[16]。

人體正常步態(tài)周期時相圖如圖3所示。一個步態(tài)周期由支撐期（60%）和擺動期（40%）構(gòu)成。支撐期包括兩個雙足支撐期和一個擺動期，其中擺動期即單肢支撐階段，指一側(cè)足趾離地后到此足跟著地前這段時間，雙足支撐期是指在行走過程中，兩側(cè)足都與地面接觸，一側(cè)足處于蹬離期，一側(cè)足處于站立前期，時間較短[17]。

2仿真過程的建立

2.1仿真前的準(zhǔn)備

由國標(biāo)GB10000—88[18]可知身高181.5 cm男性下肢各關(guān)節(jié)的尺寸，在Pro/Engineer軟件上，搭建相應(yīng)尺寸的簡易外骨骼結(jié)構(gòu)。根據(jù)對人體下肢運(yùn)動步態(tài)分析的結(jié)果，外骨骼髖關(guān)節(jié)處的3個自由度分成兩部分：一是對髖關(guān)節(jié)的屈伸運(yùn)動賦予銷連接;二是置于2個關(guān)節(jié)軸承，使用兩個銷連接控制運(yùn)動，實現(xiàn)人行走時骨盆的左右傾斜和在水平面的旋轉(zhuǎn)，設(shè)置為被動自由度。膝關(guān)節(jié)處設(shè)置1個自由度，使用銷連接控制膝關(guān)節(jié)的屈伸運(yùn)動，踝關(guān)節(jié)處設(shè)置兩個自由度，踝關(guān)節(jié)的屈伸運(yùn)動設(shè)置為主動自由度，踝關(guān)節(jié)的外展和內(nèi)收設(shè)置為被動自由度，均使用銷連接。外骨骼簡易模型如圖4所示。把外骨骼穿在與其尺寸相匹配的人體骨骼上，各個關(guān)節(jié)自由度對應(yīng)好，關(guān)節(jié)角度正負(fù)分配圖如圖5所示。α為髖關(guān)節(jié)角度，屈曲為“正”，伸展為“負(fù)”;β為膝關(guān)節(jié)角度，均為正值;γ為踝關(guān)節(jié)角度，背屈為“正”，跖屈為“負(fù)”。

4結(jié)束語

本文主要對外骨骼下肢運(yùn)動步態(tài)進(jìn)行仿真研究，介紹了人體下肢運(yùn)動步態(tài)，在分析步態(tài)周期內(nèi)骨盆的運(yùn)動規(guī)律時，闡述了外骨骼結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)該考慮的問題。基于此，設(shè)計一種下肢康復(fù)機(jī)器人簡易結(jié)構(gòu)，保證外骨骼的關(guān)節(jié)運(yùn)動自由度要與人體關(guān)節(jié)運(yùn)動自由度同軸，利用Pro/E運(yùn)動仿真模塊驗證了設(shè)計的可行性。該研究為今后下肢外骨骼的進(jìn)一步研究提供理論依據(jù)和實驗平臺，使國內(nèi)康復(fù)下肢外骨骼的功能越來越完善。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃高， 張偉民， Marco Ceccarelli， 等. 一種新的康復(fù)與代步外骨骼機(jī)器人研究[J]. 自動化學(xué)報， 2016， 42（12）： 19331942.

[2]趙豫玉. 穿戴式下肢康復(fù)機(jī)器人的研究[D]. 哈爾濱： 哈爾濱工程大學(xué)， 2009： 34.

[3]Zeilig G， Weingarden H， Zwecker M， et al. Safety and tolerance of the ReWalk exoskeleton suit for ambulation by people with complete spinal cord injury[J]. The Journal of Spinal Cord Medicine， 2012， 35（2）： 96101.

[4]牛彬. 可穿戴式下肢步行外骨骼控制機(jī)理研究與實現(xiàn)[D]. 杭州： 浙江大學(xué)， 2006： 1565.

[5]饒玲軍， 謝叻， 朱小標(biāo). 下肢外骨骼行走康復(fù)機(jī)器人的研究與設(shè)計[J]. 機(jī)械設(shè)計與研究， 2012， 28（3）： 2526.

[6]張倩. 下肢外骨骼康復(fù)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計與分析[D]. 成都： 電子科技大學(xué)， 2013： 2735.

[7]張立勛， 趙凌燕， 王嵐， 等. 一種測量人行走時骨盆運(yùn)動軌跡的新方法[J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報， 2006， 27（1）： 128131.

[8]Stuffer Y， Reynard F， Allemand Y， et al. Pelvic motion implementation on the walk trainer[C]∥IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics. Sanya， China： IEEE， 2007： 133138.

[9]王萍. 基于人體骨盆運(yùn)動軌跡的康復(fù)輔助機(jī)構(gòu)設(shè)計[J]. 北京生物醫(yī)學(xué)工程， 2015， 34（5）： 482487.

[10]卡潘德吉. 骨關(guān)節(jié)功能解剖學(xué)（中卷）下肢[M]. 顧冬云， 戴尅戎， 謝幼專， 等， 譯. 北京： 人民軍醫(yī)出版社， 2011.

[11]張月芳. 運(yùn)動人體科學(xué)基礎(chǔ)教程[M]. 廣州： 華南理工大學(xué)出版社， 2008.

[12]王正義. 足踝外科學(xué)[M]. 北京： 人民衛(wèi)生出版社， 2007.

[13]Lippert L S. Clinical kinesiology and anatomy[M]. The United States： F. A. Davis Company Press， 2006： 225227.

[14]Inman V T. Human locomotion[J]. Canadian Medical Association Journal， 1966， 94（20）： 10471054.

[15]MacKinnon C D， Winter D A. Control of whole body balance in the frontal plane during human walking[J]. Biomechanics， 1993， 26（6）： 633644

[16]劉富強(qiáng)， 張立勛， 董玉紅， 等. 助行訓(xùn)練機(jī)器人骨盆位姿控制機(jī)構(gòu)動力學(xué)研究[J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報， 2009， 30（10）： 1153.

[17]陳梁軍， 孔令成， 王玉成， 等. 人體步態(tài)分析與負(fù)重外骨骼機(jī)器人的動力學(xué)仿真[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程， 2016， 16（27）： 4549.

[18]中國標(biāo)準(zhǔn)化與信息分類編碼研究所. GB 10000—88 中國成年人人體尺寸[S]. 北京： 國家技術(shù)監(jiān)督局， 1988.

[19]Dr. Paulo Selber M D， Wagener de Godoy. clinical gait analysis normative gait database [C/OL]∥American Association for Counseling and Development . Brazil： AACD， 2006： http：∥www.clinicalgaitanalysis.com/data/index.html.

[20]Crosbie J， Vachalathiti R. Synchrony of pelvic and hip joint motion during walking[J]. Gaitand Posture， 1998， 6（3）： 237248.