面向助力機(jī)器人設(shè)計(jì)的人體負(fù)重樓梯行走下肢運(yùn)動(dòng)研究

韓亞麗 趙國(guó)平 高海濤 朱松青

1.南京工程學(xué)院，南京，211167 2.東南大學(xué)，南京，211189

0 引言

下肢助力機(jī)器人是一種新型的具有可穿戴性能的機(jī)械裝置，它包含兩條與人腿類似的機(jī)械腿且并聯(lián)于人體下肢外部，通過(guò)腳部、腿部及腰部的關(guān)聯(lián)裝置與人體緊密貼合，在人體行走的過(guò)程中進(jìn)行助力。由于下肢助力機(jī)器人與穿戴者協(xié)同運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)負(fù)重行走的助力運(yùn)動(dòng)，故對(duì)人體的行走運(yùn)動(dòng)進(jìn)行研究，分析不同運(yùn)動(dòng)模式下人體下肢各關(guān)節(jié)角度變化、力矩變化、功率消耗，揭示人體行走運(yùn)動(dòng)機(jī)理，將為助力機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)選型提供重要依據(jù)。

樓梯行走是人們?nèi)粘Ｉ钪幸豁?xiàng)很自然的行為運(yùn)動(dòng)，從機(jī)構(gòu)學(xué)的角度來(lái)看，樓梯行走與平地行走有很大的差別，這種差別主要表現(xiàn)在下肢各關(guān)節(jié)角度運(yùn)動(dòng)變化的不同，研究此種運(yùn)動(dòng)變化產(chǎn)生的機(jī)理對(duì)助力關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)等有非常重要的意義。國(guó)外對(duì)樓梯行走運(yùn)動(dòng)研究起步較早。文獻(xiàn)［1－5］對(duì)上、下樓梯過(guò)程中的下肢關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)變化進(jìn)行了研究，文獻(xiàn)［6－8］對(duì)關(guān)節(jié)置換術(shù)或腿部傷殘者上、下樓梯的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了研究。通過(guò)對(duì)樓梯行走運(yùn)動(dòng)分析，得出人體行走運(yùn)動(dòng)的特征，可用于指導(dǎo)體育訓(xùn)練、人體下肢康復(fù)運(yùn)動(dòng)評(píng)定、假肢的設(shè)計(jì)等［9］。國(guó)內(nèi)對(duì)人體行走運(yùn)動(dòng)的研究起步較晚，且主要針對(duì)下肢正常者平地行走、坡道行走的步態(tài)分析進(jìn) 行 研 究［10－14］。 唐 剛 等［15］進(jìn) 行 了 上 樓 梯行走的實(shí)驗(yàn)研究，分析了上樓梯行走對(duì)關(guān)節(jié)角度變化的影響；劉建華等［16］進(jìn)行了上、下臺(tái)階方法的研究，分析了不同方法上、下臺(tái)階時(shí)的肌肉收縮變化及關(guān)節(jié)力矩的差異；張瑞紅等［17］對(duì)不同路況下的步態(tài)特征研究，分析了上樓梯時(shí)各關(guān)節(jié)力矩的變化。盡管國(guó)際上已有學(xué)者對(duì)樓梯行走運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了相關(guān)研究，但關(guān)于人體負(fù)重條件下進(jìn)行樓梯行走的研究還不多見(jiàn)。本文對(duì)行走正常者在不同負(fù)重條件下的上樓梯過(guò)程中下肢運(yùn)動(dòng)變化進(jìn)行分析，研究不同負(fù)重條件下的上樓梯行走過(guò)程中下肢各關(guān)節(jié)角度、關(guān)節(jié)力矩、關(guān)節(jié)功率變化情況，并研究上樓梯過(guò)程中，隨著負(fù)重增加，各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)變化趨勢(shì)，旨在為下肢行走助力機(jī)器人的設(shè)計(jì)及控制提供理論依據(jù)。

1 人體行走運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)方法

對(duì)12名健康的大學(xué)生進(jìn)行行走實(shí)驗(yàn)，測(cè)試對(duì)象年齡為18～22歲，體重為51～61kg，身高為1.67～1.73m。測(cè)試對(duì)象均無(wú)下肢疾病病史。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備為Motion Analysis公司開(kāi)發(fā)的人體步態(tài)分析系統(tǒng)，人體步態(tài)分析系統(tǒng)包含圖像采集系統(tǒng)及腳底測(cè)力系統(tǒng)。分布在行走實(shí)驗(yàn)區(qū)的6部紅外攝像機(jī)對(duì)人體上樓梯運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行采集，輸出粘貼在測(cè)試對(duì)象身體關(guān)鍵部位的標(biāo)記點(diǎn)（共22個(gè)標(biāo)記點(diǎn)，每條腿7個(gè)，每個(gè)手臂3個(gè)，背部1個(gè)，腰部1個(gè)）的三維坐標(biāo)，其采樣頻率為60Hz。腳底測(cè)力系統(tǒng)由嵌在行走軌道上的兩塊三維測(cè)力臺(tái)組成，其長(zhǎng)度為60cm，寬度為40cm，輸出行走過(guò)程中足底力、力矩信息，采樣頻率為1200Hz。

進(jìn)行樓梯的行走實(shí)驗(yàn)，首要的是進(jìn)行樓梯的制作，為此，要精心考慮樓梯的坡度、踏步尺寸及樓梯的寬度。樓梯坡度的確定，應(yīng)考慮行走的舒適性、攀登效率和空間狀態(tài)因素。樓梯的坡度一般在20°～45°為宜，坡度最好為30°左右。踏步的尺寸包括高度和寬度，一般應(yīng)與人腳尺寸步幅相適應(yīng)。行走時(shí)感到舒適的踏步，一般都是高度較小、寬度較大，寬度以不小于240mm為宜，須保證腳著力點(diǎn)重心落在腳心附近，并使腳后跟著力點(diǎn)有90%在踏步上。樓梯的寬度則應(yīng)根據(jù)場(chǎng)所要求而定。參照以上標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)綜合考慮，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)所需的樓梯尺寸如下：踏步高度為170mm，踏步寬度為270mm，梯段寬度為400mm，樓梯層數(shù)為3。其中梯段寬度由測(cè)力平臺(tái)中的力板尺寸確定。

實(shí)驗(yàn)前，分別把3層樓梯置于測(cè)力臺(tái)上并對(duì)測(cè)力臺(tái)進(jìn)行清零處理。測(cè)試者在測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)反復(fù)進(jìn)行模擬行走，旨在熟悉行走路況，同時(shí)找出一種相對(duì)最易保持不變的行走速度，以消除實(shí)際行走實(shí)驗(yàn)中，行走速度的差異對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成的影響。進(jìn)入實(shí)際實(shí)驗(yàn)階段，測(cè)試者需盡可能地保持同一速度，進(jìn)行不同負(fù)重狀態(tài)（負(fù)重分別為0kg、10kg、20kg、30kg，質(zhì)量塊放在背后的背包內(nèi)）下的上樓梯行走。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，每進(jìn)行完一次行走實(shí)驗(yàn)，測(cè)試者需坐下休息5min，以保持最佳的身體狀態(tài)進(jìn)行下一組行走實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，結(jié)合動(dòng)力學(xué)模型，編程計(jì)算各類實(shí)驗(yàn)條件下的下肢關(guān)節(jié)角度、力矩及功率，并對(duì)輸出結(jié)果采用SPSS軟件進(jìn)行方差分析。為了減小個(gè)體間的差異，對(duì)下肢關(guān)節(jié)角度的力矩及功率進(jìn)行了規(guī)格化處理，把力矩及功率的參數(shù)數(shù)值對(duì)人體質(zhì)量進(jìn)行規(guī)格化。

2 人體行走運(yùn)動(dòng)分析方法

圖2 下肢樓梯行走的力學(xué)模型簡(jiǎn)圖

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［18］。同時(shí)根據(jù)文獻(xiàn)［19］提出的人體測(cè)量學(xué)方法及人體運(yùn)動(dòng)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（圖2），利用自行開(kāi)發(fā)的步態(tài)分析系統(tǒng)程序，使用牛頓定理分別對(duì)下肢中的足部、小腿、大腿進(jìn)行受力分析［20］，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，輸出行走運(yùn)動(dòng)棍棒圖（圖3）。盡管人體行走運(yùn)動(dòng)包含矢狀面、冠狀面及橫斷面的運(yùn)動(dòng)，但其主要運(yùn)動(dòng)為矢狀面運(yùn)動(dòng)，故本文僅對(duì)人體矢狀面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行研究。

圖3 樓梯行走棍棒圖

3 人體行走運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)輸出結(jié)果及分析

3.1 樓梯行走過(guò)程中下肢各關(guān)節(jié)角度變化

不同負(fù)重條件下，上樓梯過(guò)程中，下肢各關(guān)節(jié)角度的變化曲線如圖4所示，圖4中，mL為負(fù)重。不同負(fù)重條件下下肢各關(guān)節(jié)角度曲線中關(guān)鍵點(diǎn)的數(shù)值（平均值及偏差）如表1所示。

圖4 上樓梯過(guò)程中下肢各關(guān)節(jié)角度曲線

表1 不同負(fù)重（mL）樓梯行走中關(guān)鍵點(diǎn)的關(guān)節(jié)角度值（平均值及偏差）

圖4中橫坐標(biāo)表示步態(tài)周期，定義從腳跟著地開(kāi)始到下次的腳跟著地為一個(gè)步態(tài)周期。一個(gè)步態(tài)周期內(nèi)包括支撐相和擺動(dòng)相，由圖4可得出，在上樓梯過(guò)程中，支撐相約為64%。圖4中，縱坐標(biāo)為關(guān)節(jié)角度值，各關(guān)節(jié)角度的定義如圖5所示。

圖5 關(guān)節(jié)角度定義說(shuō)明

由圖4及表1可知，上樓梯過(guò)程中，下肢各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)如下：當(dāng)腳跟著地后，髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)開(kāi)始伸展運(yùn)動(dòng)，踝關(guān)節(jié)進(jìn)行跖屈，在下肢從腳跟著地到支撐中相的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)一直伸展，而踝關(guān)節(jié)在最后有輕微的背屈運(yùn)動(dòng)；當(dāng)從支撐中期到腳尖離地過(guò)程中，髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)持續(xù)伸展，踝關(guān)節(jié)背屈至腳尖離地，腳部放松伸直；從腳尖離地到下次腳跟著地過(guò)程中，髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)彎曲，踝關(guān)節(jié)跖屈，做腿部的抬升動(dòng)作，直至邁上樓梯。

負(fù)重對(duì)髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)的最大伸展角影響不大，但髖關(guān)節(jié)及膝關(guān)節(jié)的最大彎曲角均隨負(fù)重的增加而增大，同時(shí)踝關(guān)節(jié)的最大背屈角也隨著負(fù)重的增加而增大。

3.2 樓梯行走過(guò)程中下肢各關(guān)節(jié)的力矩及功率變化

不同負(fù)重條件下，上樓梯過(guò)程中，下肢各關(guān)節(jié)力矩及功率的變化曲線分別如圖6、圖7所示。力矩曲線及功率曲線中關(guān)鍵點(diǎn)的數(shù)值如表2所示。

圖6 上樓梯過(guò)程中下肢各關(guān)節(jié)力矩曲線（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)行規(guī)格化的結(jié)果）

表2 不同負(fù)重樓梯行走中關(guān)鍵點(diǎn)的關(guān)節(jié)力矩及功率的數(shù)值（平均值及偏差）

圖7 上樓梯過(guò)程中下肢各關(guān)節(jié)力矩曲線（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)行規(guī)格化的結(jié)果）

由圖6、圖7及表2可知，當(dāng)腳跟著地后，髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)伸展，帶動(dòng)整個(gè)身體向前向上運(yùn)動(dòng)，故兩關(guān)節(jié)需輸出力矩及功率，以促成此種運(yùn)動(dòng)。在腳跟著地到支撐中相的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，踝關(guān)節(jié)的力矩及功率輸出不大，從支撐中相到腳尖離地的過(guò)程中，踝關(guān)節(jié)的輸出力矩及功率較大，用以完成腳尖蹬離樓梯邁向更上一層樓梯的運(yùn)動(dòng)。

在上樓梯過(guò)程中，下肢各關(guān)節(jié)力矩均隨負(fù)重的增加而增大，同時(shí)下肢各關(guān)節(jié)功率也均隨負(fù)重的增加而增大。由表2中的力矩、功率增大幅度值可看出，在樓梯行走過(guò)程中，膝關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)力矩隨著負(fù)重的增加，其增大幅度較明顯；而踝關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)功率隨著負(fù)重的增加，其增大幅度較明顯。

4 樓梯行走對(duì)助力機(jī)器人設(shè)計(jì)的啟示

（1）樓梯行走生物力學(xué)結(jié)果分析。在上樓梯運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，下肢各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)在步態(tài)周期的不同運(yùn)動(dòng)相內(nèi)，變化有所不同。從腳跟著地到支撐中相的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)角度伸展，帶動(dòng)身體向前向上運(yùn)動(dòng)，相應(yīng)的兩關(guān)節(jié)輸出力矩及力矩隨負(fù)重增加而增大，以促成此運(yùn)動(dòng)，而踝關(guān)節(jié)做跖屈運(yùn)動(dòng)，關(guān)節(jié)力矩也逐漸增大；從支撐中相到腳尖離地過(guò)程中，輸出髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)角度伸展，踝關(guān)節(jié)做背屈運(yùn)動(dòng)，且踝關(guān)節(jié)輸出功率逐漸增大，完成腳尖蹬離樓梯的運(yùn)動(dòng)；從腳尖離地到再次的腳跟著地的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)彎曲，踝關(guān)節(jié)跖屈，做腿部的抬升動(dòng)作，直至邁上樓梯，在此運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，各關(guān)節(jié)在髖關(guān)節(jié)的帶動(dòng)下，做被動(dòng)擺動(dòng)，膝關(guān)節(jié)及踝關(guān)節(jié)的輸出功率較小。

由樓梯行走的生物力學(xué)變化情況可知，樓梯行走與平地行走有很大的區(qū)別，與平地行走相比［20］，樓梯行走過(guò)程中，下肢各關(guān)節(jié)角度的變化范圍較大，表明樓梯行走要比平地行走輸出較大的關(guān)節(jié)力矩及功率。與平地行走相比，樓梯行走過(guò)程中在一個(gè)步態(tài)周期內(nèi)下肢各關(guān)節(jié)功率均為正值，這說(shuō)明人體各關(guān)節(jié)在樓梯行走中主要起主動(dòng)作用，故在進(jìn)行助力機(jī)器人設(shè)計(jì)時(shí)，機(jī)器人各關(guān)節(jié)應(yīng)采取主動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式或可采用儲(chǔ)能裝置與主動(dòng)驅(qū)動(dòng)相結(jié)合的方式。

（2）負(fù)重對(duì)樓梯行走的影響。負(fù)重對(duì)樓梯行走的影響較大，尤其是下肢三個(gè)關(guān)節(jié)的輸出力矩及功率，均隨負(fù)重的增加而增大。從腳跟著地到支撐中期，髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)的力矩及功率隨負(fù)重增加而增大的幅度較明顯，在這個(gè)過(guò)程中，踝關(guān)節(jié)的力矩及功率變化不大，而在從支撐中期到腳尖蹬離地面的過(guò)程中，踝關(guān)節(jié)的力矩及功率隨負(fù)重增加而增大的幅度較明顯。由負(fù)重增加對(duì)下肢各關(guān)節(jié)力矩及功率的影響，可類推出助力機(jī)器人在負(fù)重行走中不同的步態(tài)階段，其各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)變化特征。

樓梯負(fù)重行走與平地負(fù)重行走相比，隨著負(fù)重的增加，下肢各關(guān)節(jié)的力矩及功率增大幅度較大，這也是由于樓梯行走中關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍增大所致。進(jìn)行不同負(fù)重條件下的樓梯行走生物力學(xué)的研究，獲得下肢各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)輸出結(jié)果，得出負(fù)重上樓梯行走過(guò)程中，人體下肢主要關(guān)節(jié)的輸出力矩、功率的峰值及相應(yīng)的變化趨勢(shì)，由此可以為下肢助力機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)方式的選取、控制策略的設(shè)計(jì)提供重要的參考依據(jù)。

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