下肢动作设计与实现外文翻译资料

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下肢动作设计与实现

第二章

生物力学

在设计和选择外骨骼驱动时，最有用的工具之一就是分析人体运动的大量数据。由于外骨骼必须与其操作者非常接近并遵循相同的运动，所以表征人体运动的现有数据对于确定外骨骼的预期运动很有用。外骨骼腿的设计越接近操作者的腿部或手臂位置，根据现有的人体运动数据进行设计越有用（即人体运动更好地匹配拟人化外骨骼而不是非人体运动数据）。即使在最好的情况下，从人类收集的运动学和运动学数据也是如此。运动并不完全匹配任何外骨骼的动力学和运动学，因此它应该主要用于一阶近似和初始设计估计。

我们没有收集人体运动的数据，而是收集了专门分析人体运动的临床步态实验室提供的大量数据。这种临床步态分析（CGA）数据通常通过视频运动捕捉设备与力板一起采集，以测量地面反作用力。对这些视频进行分析，以产生人类的CGA关节角。利用估计的肢体的质量和转动惯量，并测得的地面反作用力，CGA的关节力矩使用动态方程计算。由于个体步态的变化和固有的测量误差，尽可能地使用来自几个独立生物力学实验室的数据。然后修改CGA数据以更好地表示外骨骼，如下所示：

1. 所有扭矩数据都是按照75公斤体重（外骨骼的估计重量）进行缩放的。
2. 总结骨盆倾斜角度（或根据可用数据降低后倾角）和臀部角度，以在躯干和大腿之间产生单一角度。
3. 分析关于步态百分比而非时间的所有数据。所有数据都从单一步骤的0％至100％进行分析，以便每个步骤中的关键时刻对齐（例如脚趾脱落和脚跟着地）。但是，每个数据集的每步时间都是基于时间的计算（例如角速度和功率计算）。

当提及相对于人的方向时，根据三个以人为中心的参考平面来定义它们通常是有利的（图2.1）。本论文的大部分内容是研究人体在矢状面上的运动，即描述人的前后运动的垂直平面。矢状面的关节的轴线垂直于矢状面，在矢状面内提供运动。

Coronal Plane

图2.1：人类参考平面

所有收集到的CGA数据也按照工程“右手定则”转换为一组常用的符号约定。图2.2显示了三个主矢状平面腿关节（脚踝、膝盖和髋关节）的符号约定。正关节角是指当人体朝向右侧时，远端关节相对于近端环节逆时针运动。零度是由直立的直立人建立的。本文所用的这些符号约定与表2.1中的传统生物力学术语进行了比较。

-8 knee

图2.2：矢状平面腿关节的符号公约

表2.1：使用的生物力学术语和符号公约的比较

本章介绍了在整个外骨骼驱动设计中分析和使用的CGA数据的选定部分。虽然它并没有提供所有可能要检查的数据，但它试图更好地理解在比较不同人体关节或不同动作时所遇到的一般趋势。关节角度、扭矩和瞬时功率绘制水平地面行走CGA数据在本章。然而，附录A还附上了趋势比较的相似图。这里介绍的关节角、力矩和功率是由外骨骼应用程序指导的。

2.1平地行走

所有外骨骼的最基本的要求是，当操作员在平地上行走时，它们可以起作用。 在水平地面行走期间，每条腿在立场和摆动模式之间交替。姿势模式描述了脚在何时与地面接触，并且是腿部支撑人的一部分或全部体重并且可以推动人前进的时间。 在摆动期间，脚在空中并且更快地移动以进入下一站立模式的位置。在脚跟着地时，腿部从摆动切换到站立模式，然后切换回脚趾摆动离开。图2.3显示了这些基本的腿部变换，以及腿在每种模式下花费的大致时间百分比。

图2.3：步行阶段

对于水平地面步行，分析了来自三个不同生物力学实验室的以4.7 kph行走的CGA数据（[21]-[23]）。Winter实验室的数据通常被认为是生物力学标准。然而，另外两组数据包括踝关节，膝关节和髋关节的全部三个自由度，而Winter的数据仅包含屈曲/伸展自由度。

2.1.1脚踝跖屈和背屈

水平地面行走时脚踝跖屈和背屈角度遵循任何屈曲/伸展关节最复杂的模式。 但是，踝关节只能弯曲大约 10°至-15°，因此在任何弯曲/伸展关节的水平地面行走过程中都需要最小的运动范围。脚踝在一个步骤中经历四个阶段：

1. 足跟在脚后跟处发生小跖屈，以便将足部平放在地面上。
2. 当躯干越过脚步时，在中间时逐渐背屈。
3. 随着脚后跟抬升离开地面，负重转移到对侧腿时，脚后跟快速跖屈。
4. 当摆动腿通过站立腿时，初始摆动时的快速背屈达到刚刚超过0°的角度以最大化地面间隙。

图2.4：水平步行时的CGA踝关节角度（左）和扭矩（右）

足跟屈曲时脚踝屈曲扭矩很小（只有轻微的背屈力矩来限制脚掌），但随着姿势的进展，平稳增加到显著值。当脚踝提供扭矩推动身体向前时，脚踝扭矩峰值为110牛米（75公斤人），约为步态周期的45％。需要注意的是，在通常认为的后期站立（上文确定的阶段3）的快速跖屈期间，而不是在中期（第2阶段确定的）阶段的逐渐背屈结束时，不会出现大的踝关节扭矩。因为脚部的质量和惯性很小，所以在摆动期间脚踝上需要的扭矩可以忽略不计。

踝关节扭矩有两个独特的性质。首先，踝关节屈曲在水平地面行走时看到人体腿部任何关节的最大力矩。在一个外骨骼生产这种大扭矩成为一个挑战，因为任何重量在脚踝增加了显着的惯性腿在摆动。第二个独特的特性是，踝关节力矩几乎完全是足底弯曲（负值），使单向驱动器成为理想的驱动选择。这种不对称还意味着非对称致动器（单侧液压缸）的首选安装方向。相反，如果考虑对称双向致动器，则足底弯曲方向的弹簧载荷可以使转矩中心为零，从而降低所需的峰值扭矩。然而，在摆动过程中则需要很大的驱动力矩。

瞬时功率P可以通过公式（1）中的任意关节的转矩T和角度theta;来计算。2.1：

（2.1）

踝关节屈曲的水平地面行走的瞬时功率有一个巨大的高峰至少200 W（为75公斤的人）在约50%的步态周期。能量在前半部分被吸收，然后释放到身体的末端以推动身体向前。在水平地面行走时，这是任何腿关节的最大功率峰值，踝关节屈曲是唯一具有较大正平均功耗的关节。同样，踝关节的功率要求在摆动时可以忽略不计。

图2.5：水平地面步行过程中的脚踝功率

2.1.2膝屈曲和伸展

人体膝关节是股骨在胫骨上滚动和滑动的复杂组合。 对于生物力学，通常将膝关节分析为单个旋转关节。 尽管仍然有用，但这种分析忽略了膝关节的旋转中心如何作为膝盖角度的函数而实际移动。移动的旋转中心会在步态的各个阶段改变腿部的稳定性。将膝关节分析为单个旋转关节时，膝关节的这种“锁定”功能不应该被忽视。

膝盖角的特点是膝盖弯曲，以创建一个水平的髋关节轨迹。膝盖在早期的姿势中扣住脚跟，以吸收脚跟冲击的影响，然后在摆动过程中进行大幅度的屈曲。这种膝关节屈曲降低了有效的腿长，允许脚向前摆动时清除。膝穿过任何腿关节运动范围最大水平行走时，从完全伸直到-55°至-75°。

图2.1：水平步行时CGA膝关节角度（左）和扭矩（右）

图2.6显示了人类在平地行走时使用的膝关节扭矩。拐点扭矩具有正向和负向分量，表明需要双向执行器。 最高峰值扭矩是早期立场的延伸（最高60 Nm）; 因此严格的执行器应该偏置以提供更大的延伸扭矩。与踝关节不同，在摆动过程中膝关节力矩不可忽略。

图2.7显示了CGA膝关节功率。由于平均功率为负值，膝关节通常在水平地面行走时耗散功率。在水平地面行走过程中，膝关节屈曲关节迄今消耗了任何腿关节的最大力量。在行走时，膝关节动力学可以与许多膝关节假体中所见的受控耗散功率装置（即阻尼器）紧密匹配。

图2.7：水平行走时的膝盖力量

2.1.3髋关节屈曲和伸展

图2.8详细描述了行走时的臀部角度。大腿以大约 20°至-20°的正弦曲线移动，大腿在脚跟处向上弯曲，以便脚在人的丘上接触地面。 随后是大部分站立阶段的臀部延伸和通过摆动的弯曲。

图2.8：水平行走时的CGA髋关节角度（左）和扭矩（右）

图2.8中的髋部扭矩是相对对称的（-80到 60 Nm）; 因此需要双向髋部执行器。 由于髋部支撑站立腿上的负载，所以在早期站立时需要负拉伸扭矩。 随着髋部在摆动过程中向前推动腿部，髋部扭矩在晚期姿态和早期摆动中为正。在后部摆动时，随着髋部在脚后跟撞击之前髋部减速，扭矩变为负值。

图2.9显示了髋关节的瞬时力学功能。髋关节在站立阶段吸收能量，并在脚趾离开时将其推向前方以推进躯干。平均功率为正，意味着需要主动驱动。

图2.9：水平行走期间的髋关节力量

2.1.4髋外展和内收

髋外展和内收是指骨盆倾斜（冠状面骨盆运动）和髋关节外展和内收的总和。类似于髋关节屈曲，髋外展/内收大致呈正弦曲线（图2.10）。 6°的峰值内收角出现在相反脚的脚趾离开（步态周期的10％）附近并且-8°的峰值外展角在脚趾离开后刚刚出现。髋关节外展/内收运动有助于将人脚上方的脚趾移动，并将脚踝向侧面引导以避免撞击脚趾。髋关节外展/内收也是双脚站立时两脚之间传输负载的关键。与矢状面关节相比，髋关节外展/内收在水平地面行走时使用的运动范围（14°）明显较小。

图2.10：水平步行的CGA外展/内转角度（左）和扭矩（右）

髋关节看到显著的内收扭矩峰值约50Nm。 在站立期间存在较大的内转力矩以平衡人的上身与脚的平衡，然后在摆动期间扭矩可以忽略不计。髋部扭矩是两次站立期间两脚之间传递的负载的良好可视化。在第一次双腿姿势（步态周期的0-10％）期间，随着在相反的脚趾关闭之前将负荷转移到脚上，臀部内收扭矩急剧增加。内收扭矩然后在平衡脚上平衡躯干约40Nm。 一旦相反的脚后跟撞击（步态周期的50％），随着在脚趾离开之前负载被转移回到相反的脚，髋内收扭矩迅速回落到零。

尽管髋外展/内收经历了一个小范围的运动，因为扭矩很大，相当大的功率通过关节传递。 在脚后跟撞击之后，瞬时功率达到 25W，并且在脚趾离开之前功率达到-25W。虽然不如在矢状面关节处消耗或需要的功率那么大，但该功率在平衡上身 横向在水平地面行走。

图2.11：骶髂关节外展期间的髋关节外展/内收力

2.1.5净腿旋转

为了简化这里的讨论，将所有沿着腿部的小旋转位置相加以得到一个腿部旋转。因此，图2.12代表骨盆，股骨，髋，胫骨和足部旋转的总和。由于包括骨盆旋转，所以总的旋转是相对于人体的躯干，而不是相对于它们的骨盆。在脚趾关闭和背部后不久，脚后跟在最大内旋（2°）下的最大外旋（-12°）大致呈正弦曲线。总体而言，在水平地面行走时，腿部旋转仅使用14°的运动，这比腿部外侧关节明显更小。

图2.12：水平行走时的CGA旋转角度（左）和扭矩（右）

通常，水平行走时的腿部旋转扭矩小于任何其他腿部关节的扭矩（从-15 Nm至40 Nm）。较大的内旋扭矩与随着站立腿从人前方移动到其后方而旋转骨盆相关联。 在摆动过程中，即使旋转运动仍然很大，旋转扭矩也可以忽略不计。

腿部旋转关节的瞬时功率也小于任何其他腿关节。净旋转功率通常总是正值（消耗功率），并且在站立结束附近尖峰到10W-20W，以与踝关节屈曲的功率峰值相关联。由于在旋转关节消耗或吸收的能量如此之少，因此不能主动给腿部旋转提供平稳行走的动力。

图2.

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