步态建模与分析

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1、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H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丿力程。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

2、运动参数的检测与分析方法的研究是该领域的必须坏节。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。2.体育科学。体育科学包括运动医学、运动生理

3、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)的研究屮，运动的协调和身体的平衡是重耍的关注方向。3.仿生机构与仿生制造。口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，模仿生命系统來改进现有设计、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(biomechanicalengineering)；医学与工程科学结合形成了生物医学工程学(biomed

4、icalengineeri1.2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冇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。功能需耍与解剖结构系统对应表需要运动來源需要

5、和意识能量供应骨和关节运动屮枢系统需要对应的解剖结构系统关节杠杆运动的控制动力单元（肌肉）神经系统循环系统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、站立屮期（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。赵吉风、刘永斌［4］则采用RLA步态周期划分法（美加利福尼亚州Ran

6、choLosAmigos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⑸等在周期的划分上，强调了足跟着地和足跟离地时相屮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⑹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⑺指出

7、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。在一个步行周期屮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：步彳亍的时间参数、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

8、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■空参数主要是骯关节、膝关节、踝关节的角度•时间关系（图3.7）O戴尅戎［3］还分析了骯、膝、踝关节在平地常速行走时的角度■角度关系。髏、膝、踝关节在冠状面、矢状面和水平面角度与时间的关系［30］13.2步态的动力学特征止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