外骨骼下肢运动步态的仿真研究
文章编号： 10069798（2019）01010104; DOI： 10.13306/j.10069798.2019.01.018
摘要：针对下肢运动障碍患者的康复要求和人体下肢行走时的步态规律，本文基于Pro/Engineer软件，对外骨骼的关节进行结构设计。分析了人体下肢的生理结构及运动步态，重点分析了步态周期内骨盆的运动规律，建立外骨骼简易三维模型，为验证此设计的可行性，采用Pro/Engineer软件进行仿真实验。仿真结果表明，外骨骼带动人体骨骼正常行走，而且各个关节的运动轨迹与正常人行走轨迹相近，说明对外骨骼关节的设计是可行的，能够满足患者的康复要求。该研究具有较高的实际应用价值。
关键词：步态周期; 下肢康复; 外骨骼; 步态仿真
中图分类号： TP241.3; TH122文献标识码： A
随着科学技术的进步，康复下肢外骨骼技术发展迅速，受到医疗领域越来越多的重视[1]。目前，国外康复外骨骼技术发展相对成熟，比较著名的日本混合助力肢（hybrid assistive limb，HAL），其足部可以帮助患者分担并提供支撑力，穿戴者几乎不需要依靠自身力量维持站立，并能轻松完成长距离行走[2];美国Rewalk可帮助下肢运动障碍者康健及日常行走[3]，但其价格昂贵，不适合在中国推广使用。国内康复技术发展缓慢，而且大多是在研究康复下肢外骨骼。牛彬[4]设计的可穿戴式下肢步行外骨骼，共8个自由度，对于单腿来说，髋关节两个，踝和膝关节各一个，但平衡性能差，不能进行临床使用;饶玲军等人[5]设计的下肢外骨骼行走机器人，单条腿共7个自由度，靠拐杖平衡穿戴者的重心，但结构复杂、灵活性差;张倩[6]设计的下肢外骨骼康复机器人，共11个自由度，其中腰部一个自由度，对于单条腿，膝关节一个，髋和踝关节各两个，使用盘式电机驱动，结构轻巧，但未全面考虑骨盆运动;近年来，校企合作推出的北京大艾和上海Fourier，只有腿部关节设有自由度，没有考虑到人体行走时骨盆的侧倾和扭转运动。在康复外骨骼机器人研究中，下肢步态运动和骨盆协调运动非常重要，张立勋等人[7]提出了一种测量人行走时骨盆运动轨迹的方法，并建立了骨盆运动轨迹数学模型;Y.Stuffer等人[8]认为在设计康复下肢外骨骼时要考虑骨盆的运动;王萍[9]基于人体骨盆运动轨迹，设计了辅助骨盆侧向移动机构，配合康复机器人进行下肢行走训练。基于此，本文在详细分析了人体步态行走规律的基础上，在保证各关节应具有的运动特性下，利用Pro/Engineer软件搭建外骨骼简易模型，使其同人体骨骼关节对应，通过Pro/Engineer运动仿真模块，验证了该设计能按照正常人行走的轨迹进行运动，说明下肢外骨骼康复机器人的设计需要考虑骨盆的运动。该研究具有一定的实际应用价值。
1人体下肢运动步态介绍
1.1人体下肢生理结构分析
人体下肢骨骼髋关节是一个拥有球形关节面的球窝关节，包括3个自由度，分别是在矢状面的屈曲和伸展、冠状面的外伸和内收及髋关节的内旋和外旋;膝关节有2个自由度，分别在矢状面的伸屈和绕着下肢长轴的旋转（膝关节屈曲时）;踝关节有3个自由度，分别在矢状面屈伸、横断面上的内收和外展及旋前旋后运动[1012]。传统下肢外骨骼设计一般只考虑髋关节、膝关节及踝关节的屈伸运动，不利于穿戴者康复和行走。
1.2人体行走步态分析
人行走时重心会转移，朝向支撑肢，人体骨盆侧倾图如图1所示。当左腿抬起時，骨盆朝左腿倾斜，右髋关节内收，左髋关节外展，即骨盆朝非支撑肢倾斜，支撑肢髋关节内收，非支撑肢髋关节外展[13]。骨盆上下倾斜的最大角度不在人体重心垂直位移的峰值处，而在人体非支撑肢脚尖即将离开地面附近。人体行走时，在重心的最低点和最高点处，骨盆上下倾斜很小（少于2°）[1415]，人起始步的第一阶段是重心转移，当骨盆发生倾斜时，人的踝关节相对于腓骨外展或内收，加上足的屈伸运动，踝关节至少有2个自由度[11]。
人正常行走时，骨盆在水平面会发生一定角度的旋转，骨盆旋转俯视图如图2所示。图2a为骨盆未发生旋转时，此时骨盆位于中性位置;图2b为右侧骨盆向前旋转时，引发左侧骨盆绕股骨头向内旋转;图2c为右侧骨盆向后移动时，引发左侧骨盆绕股骨头向外旋转[13]。骨盆的一侧旋前，另一侧旋后，即进行骨盆的扭转运动，两侧最大旋转角度约为4°，总共约8°。骨盆的扭转及上下倾斜使人体重心不断转移，达到向前行走的目的[16]。
人体正常步态周期时相图如图3所示。一个步态周期由支撑期（60%）和摆动期（40%）构成。支撑期包括两个双足支撑期和一个摆动期，其中摆动期即单肢支撑阶段，指一侧足趾离地后到此足跟着地前这段时间，双足支撑期是指在行走过程中，两侧足都与地面接触，一侧足处于蹬离期，一侧足处于站立前期，时间较短[17]。
2仿真过程的建立
2.1仿真前的准备
由国标GB10000—88[18]可知身高181.5 cm男性下肢各关节的尺寸，在Pro/Engineer软件上，搭建相应尺寸的简易外骨骼结构。根据对人体下肢运动步态分析的结果，外骨骼髋关节处的3个自由度分成两部分：一是对髋关节的屈伸运动赋予销连接;二是置于2个关节轴承，使用两个销连接控制运动，实现人行走时骨盆的左右倾斜和在水平面的旋转，设置为被动自由度。膝关节处设置1个自由度，使用销连接控制膝关节的屈伸运动，踝关节处设置两个自由度，踝关节的屈伸运动设置为主动自由度，踝关节的外展和内收设置为被动自由度，均使用销连接。外骨骼简易模型如图4所示。把外骨骼穿在与其尺寸相匹配的人体骨骼上，各个关节自由度对应好，关节角度正负分配图如图5所示。α为髋关节角度，屈曲为“正”，伸展为“负”;β为膝关节角度，均为正值;γ为踝关节角度，背屈为“正”，跖屈为“负”。
4结束语
本文主要对外骨骼下肢运动步态进行仿真研究，介绍了人体下肢运动步态，在分析步态周期内骨盆的运动规律时，阐述了外骨骼结构设计应该考虑的问题。基于此，设计一种下肢康复机器人简易结构，保证外骨骼的关节运动自由度要与人体关节运动自由度同轴，利用Pro/E运动仿真模块验证了设计的可行性。该研究为今后下肢外骨骼的进一步研究提供理论依据和实验平台，使国内康复下肢外骨骼的功能越来越完善。
参考文献：
[1]黄高， 张伟民， Marco Ceccarelli， 等. 一种新的康复与代步外骨骼机器人研究[J]. 自动化学报， 2016， 42（12）： 19331942.
[2]赵豫玉. 穿戴式下肢康复机器人的研究[D]. 哈尔滨： 哈尔滨工程大学， 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机理研究与实现[D]. 杭州： 浙江大学， 2006： 1565.
[5]饶玲军， 谢叻， 朱小标. 下肢外骨骼行走康复机器人的研究与设计[J]. 机械设计与研究， 2012， 28（3）： 2526.
[6]张倩. 下肢外骨骼康复机器人的机构设计与分析[D]. 成都： 电子科技大学， 2013： 2735.
[7]张立勋， 赵凌燕， 王岚， 等. 一种测量人行走时骨盆运动轨迹的新方法[J]. 哈尔滨工程大学学报， 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. 基于人体骨盆运动轨迹的康复辅助机构设计[J]. 北京生物医学工程， 2015， 34（5）： 482487.
[10]卡潘德吉. 骨关节功能解剖学（中卷）下肢[M]. 顾冬云， 戴尅戎， 谢幼专， 等， 译. 北京： 人民军医出版社， 2011.
[11]张月芳. 运动人体科学基础教程[M]. 广州： 华南理工大学出版社， 2008.
[12]王正义. 足踝外科学[M]. 北京： 人民卫生出版社， 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]刘富强， 张立勋， 董玉红， 等. 助行训练机器人骨盆位姿控制机构动力学研究[J]. 哈尔滨工程大学学报， 2009， 30（10）： 1153.
[17]陳梁军， 孔令成， 王玉成， 等. 人体步态分析与负重外骨骼机器人的动力学仿真[J]. 科学技术与工程， 2016， 16（27）： 4549.
[18]中国标准化与信息分类编码研究所. GB 10000—88 中国成年人人体尺寸[S]. 北京： 国家技术监督局， 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：∥/data/index.html.
[20]Crosbie J， Vachalathiti R. Synchrony of pelvic and hip joint motion during walking[J]. Gaitand Posture， 1998， 6（3）： 237248.