步态建模与分析

步态建模与分析1 步态分析的基本理论与方法1.１步态研究的意义行走是我们每个人日常生活的重要组成部分，所以对步态的各方面进行研究显得至关重要。

国外很早就在步态方面进行了大量的研究,起源于１７世纪欧洲，延续至今已有近四百年的历程。

国内则从1９82年开始戴尅戎等人逐渐接触和研究,在近几年日趋成熟，从内容、方法、结论等多方面都有较大进展。

除医学研究外，许多工程领域都与步态研究密切相关：1．临床诊断。

临床医学上对于病症，特别是运动功能障碍病症的正确诊断及治疗手段都是基于对人体正常与非正常运动充分了解的基础上的，因此关于人体运动参数的检测与分析方法的研究是该领域的必须环节。

２.康复工程。

肢体残疾是所有残疾中发生率最高的一种,肢体残疾直接导致的是患者的运动功能障碍。

肢体残疾者使用的假肢和矫形器是康复工程领域中两项很具代表性的主要技术，也是将人体运动机理分析的成果进行应用研究的典型范例。

3.人机工程学。

人机工程学研究的是人与机械、人与环境以及机械与环境之间的相互作用。

作为人机系统中的两大组成部分之一,人体的各种功能（包括运动功能）和限度是人机工程学的重要研究对象,也是人机工程学研究的基础之一。

４.体育科学。

体育科学包括运动医学、运动生理学等与体育运动相关的学科,它们均是以体育运动作为研究对象,通过对人体运动的研究来提高体育运动的水平，减少和避免运动中的意外伤害,治疗运动损伤等。

在对很多体育运动(如体操、跳水等)的研究中,运动的协调和身体的平衡是重要的关注方向。

5.仿生机构与仿生制造。

自然界的生物经过了漫长的进化，构造了相当完美的生命系统，模仿生命系统来改进现有设计、制造方法和制造系统具有重要的实际意义,生物学与机械工程结合产生了生物机械工程学（biomechanical eｎｇineering)；医学与工程科学结合形成了生物医学工程学(bｉomedｉcal engine ｅrinｇ)[1]。

1.2 人体步态周期每个人独特的步行方式代表了他如何解决以最小的力量,足够的稳定性和优美的姿势从一个地方移至另一个地方的问题。

研究表明[2]：对于人体步态影响较大的有六项决定性因素分别是骨盆转动,骨盆倾斜，在足跟着地后屈膝，足和踝的运动,膝关节运动和骨盆的运动。

不过只有人体在平面上以正常速度行走时才能被应用。

他们在步态周期中的肌肉活动起着动力、震荡吸收和稳定性的作用。

步行，类似于其他身体动作，有五种功能需要，每种需要有一种专门的解剖结构系统所提供。

功能需要与解剖结构系统对应表需要对应的解剖结构系统运动来源关节杠杆需要和意识运动的控制能量供应动力单元（肌肉）骨和关节神经系统运动中枢系统循环系统需要对应的解剖结构系统而对于步态的周期划分，在 1 个动作周期中，根据腿部动作的特征，可以分为支撑阶段和摆动阶段。

步行的周期国内的戴尅戎[3]根据８个转变点将步态周期分为7个期，即(以右下肢为例)跟着地期、站立中期（此期全足接触地面，身体在右下肢的支撑下不断向前移动)、推离期（右足跟离地至右膝关节开始增加屈曲度）、加速期、摆动前期、摆动中期、摆动后期。

赵吉凤、刘永斌[４]则采用RLＡ步态周期划分法(美加利福尼亚州Rａncｈo Los Amigoｓ步态分析研究室提出的最新步态分期,图1．2）,即将步态分为承重期、支持中期、支持末期、预摆动期、摆动初期、摆动中期、摆动末期七个阶段。

RLA步态周期赵芳［5]等在周期的划分上，强调了足跟着地和足跟离地时相中老年人的步态的特点和区别,将其划分为:单支撑相、双支撑相、摆动相。

指出,老年组单双支撑时相约占周期的67%，中年组约占６３%,在双支撑时相,老年组的双支撑时相约占周期的３5％，中年组约占２6%,二者存在极显著差异。

陆爱云等[6]在步态周期的划分上，也是分为站立相、摆动相、双肢负重相。

铃木键二［7]指出人类步行从一侧足到该侧再次着地为止所用的时间为一步行周期。

在一个步行周期中要经过足底着地负重的站立相和足底离地移动的迈步相。

1.3步态的研究指标1．3.1步态的时空参数步态时空参数包括:步行的时间参数、步行的空间参数和步行的时-空参数。

步态周期的划分及各时相所占比例是时间参数的指标。

正常步态具有稳定性、周期性和节律性、方向性、协调性以及个体差异性，然而，当人们存在疾病时，以上的步态特征将有明显的变化。

步长、步宽、步速、步频(图3．6）作为空间参数的指标被大量选用。

为了消除身高对速度和步长的影响,赵芳、陆爱云等采用速度/身高,步长/身高两个参数更准确地反映其变化。

步的周期跨距时－空参数主要是髋关节、膝关节、踝关节的角度-时间关系(图3．7）。

戴尅戎［3］还分析了髋、膝、踝关节在平地常速行走时的角度－角度关系。

髋、膝、踝关节在冠状面、矢状面和水平面角度与时间的关系[30]1．3．２步态的动力学特征正常步行时身体的质心沿一复杂的螺旋形曲线向前运动。

在矢状面内表现为周期性上下移动，运动轨迹为正弦波,垂直方向上的高度变化幅值约为5 cm。

在水平面内表现为左右往复运动,轨迹同样形成正弦波［31］。

足-地接触力通常可按垂直、前后和左右方向做三维记录。

行走时足一地接触力在垂直方向上的分力最大,在每个步态周期转折点出现极值,足跟着地时有一极大值，随足部逐渐放平,受力面积逐渐增大,受力减小，足部完全放平时受力达最小，至足跟离地，足趾登地时出现另一极大值,即在整个步态周期中，垂直方向受力曲线具有典型的对称双峰性质。

正常人足一地接触力在水平、前后方向受力较小.且基本对称。

Winter在前人成果的基础上，经过多年潜心研究基本建立了人体行走(走路)的生物力学模型。

着地脚在垂直方向上,受力的方向不变,力的大小形似一条“双峰曲线”,虽然两峰值的大小随速度的改变而变化,但在正常行走时两力大小基本相同并占人体重量的1１0％左右。

在前后方向上,受力的方向有所改变,在脚着地的前半段与人体运动方向相反，后半段与人体运动方向相同，前后方向两力最大值的大小基本一致并占体重。

的２5%左右。

左右方向上力的方向相同,力的大小约占体重的5％。

(ａ）F x(t) (ｂ)Fｙ(ｔ)(c）Ｆz(ｔ)步态分析实验中测得的受力曲线[32]同时，经过相应的计算，可以得到关节力、关节力矩、关节功率、关节运动的速度和加速度等一系列的数据。

现有的各种步态分析软件中,这些都是可以直接得到的。

从而,为步态分析过程中的各种判断提供依据。

由测力板进行测试后,可以对足部进行分区,一般分为如下九个区域:第一趾(T1)、第二到五趾（T2-５）、第一跖骨头（M1)、第二跖骨头(M2）、第三跖骨头(M3）、第四跖骨头（Ｍ4）、第五跖骨头（Ｍ5)、足跟内侧（ＨM)、足跟外侧（H Ｌ）。

通过测力板或者测力鞋垫只能得到地面反作用力,不能像测力台一样得到力的空间矢量。

但是他们可以得到各个不同区域地面反作用力的值。

同时,经过相应的计算还可以得到压强,冲量，接触面积，步态中各分段的时间，以及在一个步态周期中的足底的压力中心轨迹。

(a）足底的压力以及中心轨迹线（b）压力的三维图ﻩ(c)足底的分区(ｄ)各区域压强随时间的变化曲线步态分析实验中由测力板测得数据]1．3.3步态的肌电信号特征下肢肌较上肢肌粗大，这与维持直立姿势，支持体重和行走相适应。

下肢肌按部位的不同可分为髋肌、大腿肌、小腿肌和足肌四大肌肉群。

每个肌肉群中又存在数额不同的几块肌肉。

在步行过程中,各关节会根据需要做屈伸运动，关节的屈伸是由不同的肌肉在步态的不同阶段收缩和舒张以及韧带共同作用的结果。

其中肌肉的收缩会造成肌电信号的不同。

通过肌电信号的采集测试,我们可以得到一个步态周期中各肌肉的活动情况（如表3.2)。

步态周期中各肌肉的活动注：摘自泽村诚志从解剖结构我们能知道不同肌肉对于各关节的不同屈伸运动所起到的作用,考虑到一般的实验均采用的是对人无害的表面肌电测试，故在步态的肌电测试中主要选择的肌肉如表３.３所示。

步态周期中表面肌电常选肌肉以及所对应的关节运动关节主要运动主要作用浅层肌肉髋关节屈股直肌伸臀大肌、股二头肌膝关节屈半腱肌(较小)、股二头肌伸股四头肌（股直肌）踝关节屈（跖屈）腓肠肌伸（背屈)胫骨前肌2 实验设备设备统计表明,对步态的分析国内外己经进行了多方面的研究，内容虽各有不同,但就对步态的测试方面，使用的仪器和方法几乎一致,即用摄影或摄像记录和计算测量运动学参数，使用测力台记录动力学参数，也有少数使用足底压力分布器测量更精确的足-地压力分布规律,有些也使用肌电仪采集相关肌肉的肌电信号。

然后，进行综合的统计分析等。

2.1三维运动捕捉系统人体运动捕捉和分析的研究始于２0世纪8０年代初[１2]，因其在人体生物力学研究领域重要的学术价值和广阔的应用前景，近年来已成为从事该领域的研究工作人员必须要掌握的一门技术。

人体运动测量技术广泛应用于手术导航［13-1４]、康复治疗[1５-１6］、虚拟现实[1７-18]、动画仿真[29］、运动员动作校正等研究领域［２0],并涉及到与生物力学相关的许多基本问题,如运动检测、人体解剖、光学原理和刚体跟踪等，其捕捉数据的精确度直接关系到后续运动学与反向动力学计算结果的准确性。

所以能否采集到高精度的运动数据是该领域研究的前提。

从技术的角度来说,运动捕捉的实质就是要测量、跟踪、记录物体在三维空间中的运动轨迹。

典型的运动捕捉设备一般由以下几个部分组成：传感器、信号捕捉设备、数据传输设备和数据处理设备。

到目前为止，常用的运动捕捉技术从原理上说可分为机械式、声学式、电磁式和光学式。

同时,不依赖于专用传感器，而直接识别人体特征的运动捕捉技术也将很快走向实用。

不同原理的设备各有其优缺点，一般可从以下几个方面进行评价:定位精度；实时性；使用方便程度；可捕捉运动范围大小;成本;抗干扰性;多目标捕捉能力。

Optotraｋ® Certus™三维运动测量系统Ｏptotｒａk®Cｅrtus™仪器系统Ｏptotraｋ® Ｃeｒtus™是全球著名的加拿大ＮDI(Ｎortｈern Diｇital Ｉnc.）公司的主打成果产品，该仪器是专门为动态运动捕捉开发研制的,并且可以同步进行肌电信号测量。

Opｔoｔrak®Ceｒtｕs™仪器系统主要包括：若干台高精摄像头、S－typ ｅ系统控制单元（SCU)、可调型摄像头支架、数-模转化仪、Mａｒker点等(图3.1）。

该系统利用三个精确标定好的线阵ＣCD,组成一个位移传感器。

通过CCD 捕捉到主动发光的Mａｒker点所发出的近红外光，可以实时得到每个Marker 点在不同时刻的三维空间坐标（图3.２)。

Oｐｔoｔrak®Cerｔuｓ™三维运动测量工作原理Optotrak®Ｃｅrtｕs™三维运动测量系统的优点［21]:(１)精度高(0.1ｍmRMS）,分辨率可达0.01mｍ；(２)数据可实时采集和显示,可同时作动态和静态测量；（３)三维/六维自由度测量；(4）最多可支持512个Mａｒker点；(5）最小Marker点的直径4ｍm，重量只有２.5g~5.5g;(６)Ｍａrｋer点发光频率是4600Hｚ,整个系统的最大数据频率是1500Hｚ。