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踏板式步态康复训练器研究 摘要 康复机器人因其快速的发展，在近年来已得国际康复领域的重视，成为研究热点。 步态康复训练器可以帮助下肢运动机能障碍的患者进：行恢复肢体运动功能的康复训练， 具有广泛的研究价值和市场前景。本文研究的踏板式步态康复训练器是一种带有跖趾关 节康复训练和减重康复训练功能，帮助患者恢复下肢行走和运动能力的健身器械，能够 帮助截瘫、下肢有运动障碍的患者进行下肢康复训练，也更具有实际应用意义。 本文首先在人体正常行走时的步态理论的基础上，对人类足部的关节结构、尺寸和 人类步态运动的特性规律进行了分析，为设计踏板式步态康复训练器的步态轨迹模拟康 复机构和足驱动机构的提供了参考数据和理论依据。根据人体步态轨迹测量实验的实验 数据，确定了个康复机构的工作空间，完成机械结构的总体方案。 其次，确定踏板式步态康复训练器进行总体结构，并绘制了产品样机工程。训练器 机械结构部分由步态轨迹模拟康复训练机构、足驱动机构和减重康复训练机构组成。利 用p r o e 三维设计软件进行了三维建模，通过二维图纸对其具体机构连接模块进行了分 析及说明。 再次，本文对踏板式步态康复训练器进行了杆件拆分，编制了相应的m a t l a b 的 m 函数，利用m a t l a b 的s i m u l i n k 对杆件机构建模进行矩阵运算并加以仿真，得到； 了踏板式步态康复训练器脚踏板和趾骨部位的弯曲曲线，符合人在平地行走的步态轨迹、 跖骨关节弯曲角度规律及踝关节的弯曲角度规律。 最后，采用n e w e u l e r 法推导了踏板式步态康复训练器的动力学、运动约束方程， 用以构造训练器的约束矩阵。确定了踏板式步态训练器的控制方案，完成了对踏板式步 态康复训练器的控制系统研究，控制系统组成及传感器信号采集电路的制作。 关键词：康复训练器；踏板式；跖骨；步态规律 哈尔滨工程大学硕士学位论文 踏板式步态康复训练器研究 i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i a b s t r a c t r e h a b i l i t a t i o nd e v i c eh a sd e v e l o p e dr a p i d l yi nr e c e n ty e a r s ，t h a ti ti su s e dt oh e l pt h eo l d ， t h ed a t i e n t sh a sl o w e rl i m b sm o v e m e n td y s f u n c t i o nw h i c hc a u s e db yt r a u m aa n dt r a f f i ct od o t h er e h a b i l i t a t i o nt r a i n i n g ，r e c o v e rl i m bf u n c t i o n i th a se x t e n s i v er e s e a r c hv a l u ea n d m a r k e t p r o s p e c t t h e r e f o r e ，t h es u b j e c th a sm o r ep r a c t i c a l s i g n i f i i c a n c e t h i sp a p e rs t u d i e s t h e p e d a l g a i tr e h a b i l i t a t i o nt r a i n e rd e s i g n sak i n do fr e h a b i l i t a t i o nt r a i n e rw i t h t h ef u n c t i o no f m e t a t a r s a lio i n tr e h a b i l i t a t i o nt r a i n i n ga n dw e i g h tl o s sr e h a b i l i t a t i o nt r a i n i n g ，w h i c hc a nh e l p t h ep a r a l y t i c s ，t h el o w e rl i m bm o v e m e n td i s o r d e rp a t i e n tt od ot h er e h a b i l i t a t i o nt r a i n i n g i t h a saw i d ea p p l i c a t i o nv a l u e i nt h i sp a p e r 。i ta n a l y z e st h ejo i n ts t r u c t u r e ，s i z eo fh u m a n f o o ta n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h eh u m a ng a i tr u l e ，w h i c ha l r e a d yb e c o m ear e s e a r c hf o c u si nf i e l do ft h ei n t e r n a t i o n a lo nt h e b a s i so ft h eb o d y sn o r m a lw a l k i n gg a i tt h e o r yr o b o tt op r o v i d e st h ed a t ap a r a m e t e r a n dt h e o r y b a s i so ft h em e c h a n i s md e s i g n b yt e s t i n gt h eh u m a nb o d yg a i tm e a s u r e m e n t ，i td e t e r m i n e s t h ep e d a l g a i tr e h a b i l i t a t i o nt r a i n e rw o r k e rs p a c ea n dt h eo w ：r a l ls c h e m e n e x t i td e t e r m i n e st h ep e d a l g a i tr e h a b i l i t a t i o nt r a i n e r sg e n e r a ls t r u c t u r e d e v i c e s m e c h a n i c a ls t m c t u r ec o n t a i n st h r e ep a r t s ：g a i t t r a c ks i r n u l a t i o nr e h a b i l i t a t i o nt r a i n i n g i n s t i t u t i o n s ，m e t a t a r s a li o i n tr e h a b i l i t a t i o nt r a i n i n gi n s t i t u t i o n sa n dw e i g h tl o s sd e v i c e u s e s p r o es o r w a r et op r o c e e d3 - dm o d e l ，a n a l y z e sa n di l l u s t r a t e st h es p e c i f i c c o n n e c t i o n m o d u l e sb yt h e2 - dm o d e ld r a wb ) rt h ea u t o c a d s o f t w a r e t h i r d ，t h i sp a p e rs p l i t st h er o dp i e c e so fp e d a l g a i tr e h a b i l i t a t i o nt r a i n e r ，a n dc o m p o s e s t h ec o r r e s p o n d i n gm f u n c t i o n sb yu s i n gt h es t r o n gm a t r i xo p e r a t i o nf e a t u r eo ft h em a t l a b t h r o u g ht h em a t l a b s i m u l i n kb u i l dt h em o d e lo fr o dp i e c e sm e c h a n i s m a n ds i m u l a t i o n g e tp e d a l g a i tr e h a b i l i t a t i o nt r a i n e r sf o o tp e d a l sa n dm e t a t a r s a lj o i n t sb e n d i n gc u r v e ，i t c o n s i s t sw i t ht h eg a i to fw a l k i n go nt h ef l a tt r a j e c t o r y , m e t a t a r s a lj o i n t sb e n d i n gr u l e sa n d a n k l e sb e n d i n ga n g l er u l e f i n a l l v u s i n gt h en e w e u l e rm e t h o d t od e d u c et h ed e v i c e st h em o v e m e n te q u a t i o n sa n d d y n a m i ce q u a t i o n 。c o n s t r u c t e dt h e r e s t r a i n tm a t r i x 。a _ s c e r t a i np e d a l _ g a i tr e h a b i l i t a t i o n 1 y a i n e r ，sc o n t r 0 1s c h e m e ，c o m p l e t et h er e s e a r c ho ft h ep e d a l g a i tr e h a b i l i t a t i o n t r a i n e r c o n t r o ls y s t e m ，c o n t r o ls y s t e mc o m p o s i t i o na n dm a n u f a c ：t u r i n gs e n s o rs i g n a la c q u i s i t i o n 哈尔滨工程大学硕士学位论文 c 1 r c u l l k e y w or d s ：r e h a b i l i t a t i o nt r a i n e r ；p e d a l ；m e t a t a r s a lj o i n t ；g a i tr u l e 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1课题的研究目的、意义 随着我国人口总量的增加和老龄化问题的不断加剧，以及包括环境因素在内的其它 因素的影响，我国残疾人口的总量在逐年上升。由于残疾人是一个特殊的群体，他们在 身体的某些方面存在着缺陷，在社会中处于不利地位，如何让他们恢复健康是亟待解决 的问题，已经引起人们关注和重视。 随着中国社会经济的发展，人们生活水平的提高和医疗体制的改革，康复工程受到 更大的重视，康复治疗设备将在急性治疗后的康复阶段发挥重大的作用，康复设备的研 发也得到了突飞迅猛的发展，但目前我国各类医疗康复机构不能满足重多患者的需要， 随着越来越多的关注，康复和服务于患者的产品技术和质量也随之提高，他们也将得到 更好的治疗，因此康复训练设备的研究以及应用具有广阔的发展前景。将康复训练器技 术转化为相应的机器人产品，对于提高患者的康复效果、相应的减轻社会及其家人的负 担具有实际意义【l 】。训练器代替护理员通过对患者实施被动运动训练，不仅大大地减轻 服务人员劳动的强度，帮助患者保持和恢复其关节运动幅度和运动能力具有重要意义。 虽然康复训练器不能够让患者的残患肢体做的复杂运动，但是只要有几种重要的康复运 动，就有利于恢复肢体的主要运动功能【2 j 。 康复训练器作为一种新型的医疗工具，正在逐步走近人们的生活，它具有传统的治 疗师所不具备的优势，以其高度的智能化、客观的康复评价标准，改变了传统的康复治 疗模式。康复训练器通过带动患者肢体运动达到康复训练的目的，对患者进行科学有效 的训练。同时，康复训练器是一种人机合作机器人，由于有了人的参与，训练器的结构 和控制都被提出了较高的要求【3 】【4 1 。 本课题利用机器人技术与临床步态康复训练相结合，针对老年人和下肢运动功能障 碍的患者，开发一种踏板式步态康复训练器，踏板式步态康复器通过利用助行机构模拟 正常人行走步态轨迹，在一定辅助设备帮助下对偏瘫、截瘫和有下肢行走困难的患者进 行下肢康复训练，其可以帮助受训者在接受康复训练并恢复健康，最终使患者达到康复。 因此，本课题的研究具有一定的意义。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i i i i i i i i 簟i i i 菌i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 薯i i i i i i i i i 葺宣i 宣i i i i i i i i i 置i i i i i i i i i i i i i l 2 国内外研究现状 1 2 1国外研究现状 康复训练器是是一种训练器械，它有广泛的应用场所，在家庭中也可以进行康复训 练，帮助下肢有运动障碍的人能够可以独立生活，并大幅度的提高生活质量。该方向 在西方国家，如德国、美国等国家发展较快，应用也较多。早在2 0 世纪6 0 年代就已经 有人开始尝试着把康复机器人产品化。从8 0 年代开始，康复机器人的研究进入起步阶 段，在9 0 年代以后开始全面发展【5 】。 图1 1 下肢康复机器人 瑞二匕的f o n d a t i o ns u i s s ep o u r l e sc y b e r t h 6 s e s 研究机构设计了下肢康复机器人。如图 1 1 所示，它由两个机器人矫形器组成，矫形器可以模拟人在行走时的状态，带动人体 下肢进行训练，可同时训练髋、膝、踝关节。机器人关节安装有位置和力传感器，可用 来检测关节的位置和力并反馈到控制系统中【6 】o 图1 , 2 g a i t t r a i n e r ( 左) 和h a p t i c w a l k e r ( 右) 2 第1 章绪论 德国弗朗霍费尔自动化机器人研究中心和柏林慈善医科大学机构的h e n n i n g s c h m i d t 、s t e f a nh e s s e n 等人一起开发的下肢康复训练机器人g a i tt r a i n e r ( g i t ) ，g i t 是 以行星轮系驱动脚踏板模式。如图1 2 所示，该训练机可以模仿正常人的行走以及摆动 姿态，这样便可以帮助患者进行康复训练。h a p t i cw a l k e r 为研究员开发的g i t 二代下肢 康复机器人，它可以完成进行平地行走、台阶的训练和蹬自行车和滑雪的训练【_ 7 1 。 图1 3 主动运动甲板c a m op e d 德国研制了主动运动甲板c a m op e d 。如图1 4 所示：，c a m op e d 可使病人的患肢 在另一侧下肢的带动下做被动运动。在康复训练的过程中，患者双侧患肢主动协调运动 并在运动过程中克服c a m op e d 的阻力。主动和被动运动的结合的训练方式加强了萎缩 肌肉群的肌力，使病人主动地参与康复训练，缩短了康复的时间。它的特点是整个设备 没有电机驱动，而是靠病人健康下肢的运动来带动患肢；两个起导向作用的下肢支撑的 运动相互依赖，但运动方向相反；运动范围可以靠角度调节器进行设定；器械操作简单 易行l 引。 图1 4a u t oa m b u l a t o r 康复训练机器人图1 5步态康复系统 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i i i i i i i 宣i i i i i i i i 萱i i i i i i i i i i i i i 宣i i i i i i i i i i i 宣i i i 审i 宣宣i i i i i i i i i 审宣i i i i i 篁宣宣i i i 置i 宣i i i i 美国h e a l t h s o u t h 公司推出了a u t oa m b u l a t o r 牵引式机械臂步态康复训练机器 人，如图1 4 所示为。该系统为二自由度机械手，系统控制两套电机驱动的分别牵引患 者大腿和小腿完成步行动作。a u t oa m b u l a t o r 能实时监测患者训练的各项数据。同时评 估和引导患者的训练状态。 新：9 口坡南洋理工大学研制的步态康复系统，如图1 5 所示。其为包括地上行进装置、 减重吊绳装置、骨盆控制装置和步态辅助装置于一体的整合平台。主要用于脊髓损伤、 脑卒中的患者的步态康复训练。相较于其他步态康复机器人，该步态康复系统着重提出 了骨盆控制装置。其认为传统的吊绳结合跑步机式的下肢康复机器人忽略了人体步态过 程中骨盆位置的上下移动，故设计骨盆控制装置以适应骨盆的上下移动。而且，用地上 行进装置代替了跑步机【9 j 。 ，7 慧栅 图1 6m o t o m e d 的智能运动训练系统 德国r e c k 公司研制了m o t o m e d 智能运动训练系统，m o t o m e d 采用类似于自行车脚 踏板的结构。如图1 6 所示，该训练系统可以完成下肢的主被动运动和助；勾运动。下肢 被动运动模式下，患肢完全由m o t o m e d 的电机带动，该模式适用于患者完全丧失肌肉 力量，无法自己运动的情况；助力运动模式下，电机的阻力可以降为0 ，当患者不能做 完整的踩踏循环时，该训练系统帮助患者完成踩踏循环，发现患者的残余力量；主动运 动模式是指患者完全用自已的力量完成循环运动，并在运动的过程中显示高肌张力，检 测痉挛状况的发生【1 0 j 。 除止：之外，德国f r a u n h o f e r 研究所研制了绳驱动康复训练机器人【l l 】；日本m a k i k a w a 实验室研制的下肢康复机器人可通过模拟人的各种运动，如上下楼、走路等进行康复训 练【1 2 】；德国柏林自由大学设计了m g t 型康复机器人【1 3 】；英国$ a l f o r d 大学设计了动力 康复矫正器【1 4 j 。 4 第1 章绪论 i i i i i i i i 萱i i i i i i i i i 萱i i i i i i i i i i i i i i i i 宣i i i i i i i i 宣i i i i i 薯皇i i i i i i i i i i i i i i 葺i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 1 2 2 国内研究现状 国内对康复训练机器人及康复训练器械的研究起步较晚，仍处于发展阶段。国内的 研究机构主要集中在各大高校，主要有哈尔滨工程大学、清华大学、上海交通大学、浙 江大学等。 图1 7 智能原复系统样机 广州一康医疗设备实业有限公司生产了一种智能康复系统5 1 。如图1 7 所示为智能 康复系统的样机，它为床式结构，具有起坐功能和对下肢进行康复训练的功能。通过调 节智能康复系统与地面的相对姿态来改变患者与地面的角度，可以实现起坐功能。下肢 的康复训练通过电机驱动丝杠带动患者下肢运动。通过调节脚踏板上的弹簧可以改变患 者踝关节在脚踏板上的位置，在患者腰部位置有一个后仰的自由度。调节康复系统后仰 的角度，可以更好踏步治疗的效果更加显著。系统具有自动消除痉挛的程序，在进行康 复训练时，一旦发现患者发生肌肉痉挛状况，智能康复系统可通过减慢驱动杠的速度并 向反方向运动来消除痉挛，使患者减轻病痛，减少因痉挛造成患者肢体上的伤害。同时， 实时跟踪并显示患肢的受力情况，治疗师可对病人患肢的受力情况对病人做训练效果的 评定。 图1 8 平面三连杆康复机器人 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i i ii 。li,i i l l i i i i 宣i i 置i i i i 商宣i i i i 如图1 8 为燕山大学设计的平面三连杆康复机器人。根据人体在矢状面的运动特点， 该机器人由三个连杆构成，其间由两个转动副铰接，三连杆逦过转动副铰接在基座上， 并分别固连在人体下肢，三个转动副的转动带动人体的髋、膝j 踝三个关节运动。通过 滚珠丝j 旺将伺服电机的旋转运动转变为了丝杠的直线运动，以此为康复机器人的各个关 节提供动力。将患者的大腿、小腿、足部分别与对应的连杆绑定，康复机器人即可以带 动患者做康复运动【1 6 j 。 糕动蕊悖 动氟辆 f 艘轩 黪捣 图1 9 外骨骼下肢康复机器人 如图1 9 为浙江大学研制的另一款下肢康复机器人，该机器人依然采用外骨骼式的 设计方式，通过杆秤可调节的两根杆来代替人体的大腿、小腿。由伺服电机带动滚珠丝 杠驱动两个转动关节模拟人体的髋关节和膝关节。该机器人还有悬吊装置以减轻患者站 立式对一f 肢的压力、靠背机构以增加站立时稳定性和缓冲机构缓冲重力对康复训练的影 d 向 1 7 1 。 图1 1 0 自适应触觉交互机构 6 第1 章绪论 北京航空航天大学设计了一种自适应触觉交互机构，可辅助患者下肢进行康复训练。 这种机构根据患者运动能力不断发展的特点，提出了被动训练阶段的被动控制和主动训 练阶段的主动控制方式的控制策略【l8 1 。被动控制是对机器人进行位置控制，主动控制分 为主动静态模式和主动等速模式。在主动静态模式下，患者受到一个恒定的阻力，患者 的关节角度不会发生变化，只会产生肌肉紧张，这种模式可以在短期内提高肌肉力量； 在主动等速模式下，阻力随着人的主动力而变化，无论人的主动力有多大，机器人的速 度都不会超过预定的速度。如图1 1 0 所示为自适应触觉交互机构样机。 图1 1 2 减重步态康复训练机器人 哈尔滨工程大学机电一体化实验室一直为康复机器人领域前列，几年来研究一直致 力于该领域的研究，研究成果颇丰。如图1 1 2 为哈尔滨工程大学设计的减重式步态训练 机器人，根据行走时脚步接触地面的受力状态，协调人体重心控制系统来协调步态系统 运动( 步态轨迹、踝关节弯曲角度和人体重心运动规律) 使之与人体运动状态相协调， 从而实现了对下肢各个关节、肌肉的锻炼以及神经功能的恢复训练【1 9 1 。 图1 1 3 卧式下肢康复训练机器人 如图1 1 3 为卧式下肢康复机器人，由主动进给机构和两套相同的姿态机构组成。主 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i i i i i i i i i i i i i i i i i 宣i i 宣i i i i i i i i i i i i i i 苗宣i i i i i i i i i i 葺i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 苗i i i i i 宣商i i i i 动进给机构由做往复运动的齿形带和对称安装在齿形带上的两块滑块构成。姿态机构包 括由曲柄滑块构成的膝关节姿态机构和踝关节机构组成。能够带动患者做仰卧式的腿部 屈伸运动，以及脚踝关节的运动【2 。 如图1 1 4 所示为下肢步态训练机器人的样机，机器人共有6 个自由度，可同时对人 体的髋、膝和踝关节进行训练。根据人体步态理论，采用了两套双滑块机构，分别由两 个电机驱动，双滑块机构上面连接有连杆，连杆上安装脚踏板，通过双滑块机构在前后 方向的，k 平移动带动脚踏板运动，调节脚踏板的位置。通过脚踏板处的电机可以调节人 体脚踝的姿态，带动患者在大腿平面内做康复训练，完成对人体的步态模拟训练。患者 在对下肢进行康复训练时，其足部与机器人的脚踏板相连，机器人的脚踏板末端模拟人 正常行走时足部的椭圆形轨迹，达n ：) i l 练的目的。 图1 7 下肢步态训练机器人 除此之外，国内的其他一些研究机构和大学对此也做了相关研究，如上海大学设计 了一种四自由度外骨骼机器人2 1 1 。浙江大学设计的可穿戴下肢外骨骼用以改善步行能力 【2 2 】 0 1 3 论文的主要内容 本) e 的研究对象是踏板式步态康复训练器。现有的下肢康复机器人一般通过大腿、 小腿的摆动和脚踝的转动实现对人类步态的模拟，忽略了人类足部跖趾关节和身体重力 在步态中的作用。本课题提出一种新的带有跖趾关节康复机构和减重支撑机构的踏板式 步态康复训练器，主要工作内容如下： ( 1 ) 查阅国内外大量文献。阐述下肢康复机器人技术的发展现状、绳驱动技术的 特点以及在康复机器人领域方面的应用，同时指出本课题研究的背景和意义。 ( 2 ) 提出训练器工作原理。通过分析人类足部的关节结构，步态特性设计带有跖 第1 章绪论 趾关节运动能力的踏板机构。获得正常人平地行走是的步态曲线，使机器人带动患者进 行的康复训练曲线更接近人类真实的步态曲线，而且可以使足底力符合双突峰特征。 ( 3 ) 确定总体方案设计。针对踏板式步态康复训练器服务对象的特殊性，根据人 体下肢骨骼的机构特点和临床康复训练的特殊要求，提出合理的训练器机构结构方案。 ( 4 ) 总体机械结构设计。通过三维软件p r o e 对其进行建模，并通过a u t o c a d 进 行二维图纸的绘制。对其主要零件进行了设计及介绍，通过力矩的计算完成了电机的选 型。 ( 5 ) 运动学和动力学分析。推导踏板式步态康复训练器的运动学和动力学方程， 构成康复训练器的约束矩阵，运用m a t l a b 对系统运动! 学进行仿真，仿真分析训练器 运动空间，验证康复训练的基本康复功能。 ( 6 ) 控制系统设计。该部分主要包括对直流伺服电机的三类负载进行了深入讨论， 选择可靠的通讯方式，完成各个硬件之间的通讯网络，使实时性、稳定性满足系统要求； 在踏板式步态康复训练器控制系统中加入了力反馈，采用了柔顺控制，能够更好的完成 减重支撑，保证了患者的安全性和舒适度要求。 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 第2 章人体步态轨迹分析及康复训练器工作原理 2 1 引言 当人发生行走动作时，其下肢在时间和空间上就有一种协调关系，这是指人体下肢 重复做有规律动作和方式即为步态【2 3 。要想正确理解人体步态、下肢结构和相互位置运 动关系，就要依据人体解剖学和临床康复医学对人体下肢骨骼有个全面的了解。 2 2 人体下肢特征及足部结构 2 2 1 人体下肢特征 如图2 1 所示为人体下肢骨骼图，人体下肢骨骼包括髋骨，大腿骨( 股骨) ，小腿骨 ( 胫骨和腓骨) ，踝骨和趾骨组成，总共6 6 块骨骼包括髋关节、膝关节和踝关节三个关 节。主要功能是支持体重和进行运动。传统的下肢康复机器人一般只注重二于二髋关节、膝 关节和踝关节的康复训练，而将人体的足部视为一个整体，用一块脚踏板代替人的足部。 然而人体的足部恰恰是下肢中骨骼数量最多、结构最复杂的部分。 髋 尾 股 髌 腓 胫 图2 1 人体下肢骨骼结构 l o 骶骨 跗骨 跖骨 趾骨 第2 章人体步态轨迹分析及康复训练器工作原理 2 2 2 人体足部结构 为了了解人体的脚型数据，国内外都进行了很多大规模的脚型测量。胫骨的下端和 距骨之问犹如转动关节一样组合，沿距骨上的轴向上，胫骨可以方便的前后活动，这样 人体的脚就可以顺利的转动。也就是构成了人体的踝关节的。与此相比，脚向内侧和外 侧的活动却被限制在了很小的范围内。向内侧还可以作一定程度的弯曲，而向外侧几乎 不能弯曲。这是因为胫骨的下端和腓骨的下端分别包裹着距骨。特别是腓骨，一直延伸 到很低的位置，使得脚向外侧转动很困难。 第l 至5 跖骨 跟骨 跗骨 图2 2 足部骨骼结构 骨 通常意义上，可以把踝关节分为内踝和外踝两个部分。内踝即胫骨最下端，外踝即 腓骨最下端。一般内踝高而偏前，外踝低而偏后。人的足部除了踝关节以外还有其它的 关节。人体足部由2 6 块骨骼构成，加上2 块跖骨小头，共计2 8 块骨骼。靠近脚后跟有 7 块相互坚固结合、几乎不能松动的骨骼，总称跗骨。跗骨的前部并排排列5 根比较长 的骨骼，称为跖骨由于脚的各骨块之间是通过韧带和肌肉相互连接在一起的，各骨块之 间的连接处即形成关节。跖骨和趾骨之间称为跖趾关节。跖骨和跗骨之间的称为跖跗关 节。从内侧开始依次称为第一至第五跖骨。跖骨前面是脚趾骨，除了大脚趾只有2 节外， 其余脚趾有3 节。此外，人的足部还有四个足弓，如图2 2 所示。纵向的称为纵弓，横 向的称为横弓。纵弓、横弓各有两个。内纵弓在脚的内侧，由距骨、舟状骨、楔骨、第 一、二、三跖骨构成。外纵弓在脚的外侧，由跟骨、骰骨和第四、五跖骨构成。前横弓 由跖趾关节构成，后横弓由楔骨和骰骨构成的【2 4 j 。 6 八一 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i ；i i i i i i i i i i i 眚 2 2 3 人体足部测量 为了了解人体的脚型数据，国内外都进行了很多大规模的脚型测量。我国先后于 1 9 6 5 和2 0 0 0 年进行了两次大规模的脚型测量，测量人数达到了2 5 万人 2 5 1 。如图2 3 所 示为脚：型测量时所需测量的基本数据。脚型的基本数据相应的加以说明。 图2 3 脚型测量基本数据 1 、脚长 脚长是最长脚趾的顶端相切线到后脚跟凸点相切线之间的垂直距离。脚长是脚型测 量中的特征数据。其余脚型数据与脚长之间都存在着一定的比例关系。 2 、踵心 踵心是人站立、行走时的核心部位，是主要承重部位和着地部位。对脚在行走和运 动中的稳定性，脚关节的保护起着重要的作用。踵心至后脚跟凸点相切线：艺问的垂直距 离称为踵心长度。经过脚型数据的统计分析，踵心长度约为脚长的1 8 。踵心横断面的 宽度为踵心宽度。 3 、腰窝 腰；言是人脚纵弓的凸点位置。腰窝在正常站立和行走时不与地面接触，可以防止脚 底的血管、神经受到压迫。腰窝至后脚跟凸点相切线的距离约为脚长的4 1 5 。 4 、跖趾关节 跖趾关节是人站立和行走的另一核心部位，功能和踵心相同。跖趾关节与踵心是人 脚纵弓的两个下缘点。同时跖趾关节还承担者前横弓的角色，在运动时会发生变化。人 1 2 第2 章人体步态轨迹分析及康复训练器工作原理 i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 赢i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 脚的5 个跖趾关节至后脚跟凸点相切线的距离有所不同，第一跖趾长度约为脚长的7 2 ， 第五跖趾长度约为脚长的6 3 5 。跖趾关节凸点距脚底平面的距离称为跖骨高度。围绕 跖趾关节一圈的围长称为跖骨围。选用三型回归方程，跖骨围与脚长之间存在下列关系 跖骨围= 0 7 脚长+ 7 1 5 ( 2 1 ) 跖趾关节横断面的宽度称为基本宽度。基本宽度约为跖骨围的4 0 。脚型测量中还 有很多其它的测量位置，因与本论文相关度不大，故二予以略去。 2 3 步态特征特征及足底力规律 2 3 1 步态特征 正常人行走是周期的、仂、调的运动过程，通过协调步态到体态的运动实现双足行走。 随着人体双腿迈步，人体的支撑点在双足间交替轮换，上部体态左右摇摆，关节和躯体 部位周期性地进行着时间和空间上的位置变化，临床上认为正常人的一个步态周期为从 一侧足跟着地开始计时，当同侧足跟再次着地所过的时长。如图2 4 所示，对于指定的 右腿而言，一个步态周期的活动包括支撑相( s t a n c ep h a s e ，s t p ) 和摆动相( s w i n gp h a s e ， s w p ) 两个阶段，足趾离地进入摆动相( 摆动相占步态周期的4 0 ) ，在摆动相期间腿 总是先屈膝，然后向前摆动，直至大小腿伸直。足跟接地即进入支撑相，身体重心连续 向前运动，支撑相占整个步态周期的6 0 ( 其中单侧肢体支撑期占4 0 ，双侧肢体支撑 期占2 0 ) 2 6 j ，当足趾再次离地时完成一个步态周期。 一0 一 支撑相摆动相 卜最初双一单腿十一再次双斗砌始_ 中期十后期- q 卜十一_ 卜一一 0 1 2 5 0 6 2 1 0 0 步态周期( ) 图2 4 右腿的步态周期 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 宣i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 2 3 2 足底力规律 人的体重最终是要反映到人脚与地面的接触力上的。对于足底力的研究分为静态应 力测试和动态应力测试。静态应力测试指人体静止不动时，足底与地面接触时期应力分 布情况；动态应力测试指人体进行行走时( 行走、跑步和上下楼梯) ，足底应力分布随着 时间变化的应力改变规律【2 ”。静态应力分布简单直观、容易测量。正常人站立时，前足 即跖趾关节和脚趾部分负重占体重的4 9 ；中足即腰窝部分负重占体重的7 ；后足即 踵心部分负重占体重的4 4 2 8 1 。动态应力测试指人体在运动中，足底应力分布随着时间 变化的应力改变规律。动态应力测试一般研究人体步行时的足底力的变化规律。动态应 力测试复杂，但很多足部疾病所造成的足底力的改变静态应力测试不能显示出来。动态 应力测试是研究人体步态周期行走规律和足底受力的主要研究方向。 如e 目2 5 所示为人体步态运动的时相和足底力变化图。以右脚脚跟刚着地开始，右 脚开始i 主入支撑相。支撑相分为以下几个时期。 右脚 左脚 支撑相6 2 摆动相3 1 1 + 1 2 蚪 一2 2 _ 牝一1 6 _ * 1 2 - t - 右脚前 脚掌 右脚后 脚跟 左脚前 脚掌 左脚后 脚跟 蕴潋基= j k k ： ：。 ll 7 ；卜。 i 人 l 7 i i i i 1 o 图2 5 人体步态运动时相和足底力变化 ( 1 ) 右脚脚跟刚着地至右脚跖趾关节刚着地。这一时期包括首次触地和承重反应 动作，占整个步态周期的1 2 左右。首次触地指足跟与地面接触的瞬间，这时下肢向前 1 4 第2 章人体步态轨迹分析及康复训练器工作原理 i i i i i i i i i i i i i i i i i i 宣i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 的运动速度变低，脚在地面上的位置落实。右脚脚跟处的应力慢慢变大直至顶峰。这一 阶段右脚完成首次触地及承重反应动作，左脚则完成减重反应和脚趾离地的动作。由于 此时双脚都和地面接触，所以此时是步态周期中最稳定的时期，故称之为双支负重期。 双支负重期的时间与步行速度成反比。如果为跑步时双支负重期将消失，表现为双足腾 空。下肢康复机器人在辅助患者做步态康复训练时可以延长双支负重期的时间，虽然步 行速度会减慢，但增加了步行的稳定性。而且还可以减轻下肢的承重负荷。 ( 2 ) 右脚跖趾关节刚着地至右脚脚趾完全着地，足跟部离地，约占整个步态周期 的2 2 。此时重心由右脚踵心位置移动到跖趾关节位置。左脚处于摆动相的前期，只有 右脚接触地面，故称之为单支负重期。由于右脚单脚负重，故要求右脚膝关节稳定，左 脚准备向前摆动。如果下肢负重能力不够，这一阶段将变小，重心迅速转移，以保持身 体平衡。此时右脚脚跟完成接触受力，跖趾关节处受：7 丁逐渐上升到最大。主要受力部位 为脚跟和跖骨。 ( 3 ) 右脚脚趾完全着地至左脚脚跟刚要接触地面，约占整个步态周期的16 。此 时重心由跖趾关节位置继续向前移动。跖趾关节处达到峰值应力，跨趾的受力也明显增 加。这一阶段仍然是单支负重期。右脚前脚掌承受整个身体重力。 ( 4 ) 左脚脚跟刚要接触地面至右脚脚趾离地，约占整个步态周期的1 2 。此时左 脚完成足跟触地和承重反应动作。步态又进入双支负重期，身体重力由两脚共同分担。 此阶段身体重心由右脚向左脚转移。右脚脚趾所受应：匀经历短暂的峰值受力后，迅速下 降完成离地动作，左脚脚跟所受应力逐渐达到峰值受力。 右脚脚趾离地后，右脚即进入摆动时相内。右脚在空中完成向前摆的动作。占整个 步态周期的3 8 左右。摆动相可以分为前、中、后三个时期。在早期，左脚承担身体重 量，正经历左脚逐渐踩实地面的过程。如前面所述，由于右脚蹬离地面时的加速度作用 和屈髋、屈膝等动作，使身体倾向于不平稳，给左脚膝关节的稳定能力和左脚的承重能 力提出了要求。在中期要保持踝关节背屈。在末期，右脚要完成向前摆动速度的减缓， 准备右脚着地的姿势等动作，占步态周期的1 5 左右。摆动相内，由于右脚的摆动带动 人体的重心的前移，进而完成了人体的步行动作【2 9 】- 【3 7 】 整个步态周期中，人体足部的踵心位置和跖趾关= 市位置的足底力先后达到峰值，又 先后降低为0 ，这种特征称为足底力的双凸峰特征。 现有的下肢康复训练器一般忽略了人类足部跖趾关节在步态中的作用，一组完整的 步态，必须允许患者能够轻松地、长时间进行步行运动。在约占整个步态周期的6 0 6 5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 i i i 宣i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 誓i i i 宣i i i i i i i 皇i i i i i i i i i i i i i i i i 的下肢接触地面和承受重力的时间即支撑时相里，跖趾关节起到了非常重要的作用。在 支撑相时间里，人体重心从脚跟移动到脚趾，足底力表现为双突峰曲线。在步态康复机 器人中加入跖趾关节，一方面使得步态曲线更接近人类真实的步态曲线，另一方面可以 使足底力符合双突峰特征。 2 4 人体步态轨迹测量 2 4 1 步态轨迹测量试验 人体步态轨迹测量的目的是得到正常人在平地行走的步态规律，为踏板式步态训练 器的训练轨迹提供科学依据，本文采用人体关节角度测量装置，采集正常人在平地行走 时的膝关节、髋关节和踝关节相对的运动角度，结合数据方法对数据结果进行了分析和 处理，徒：到了人在平地行走的步态规律以及设计踏板式步态康复训练所要考虑的空间指 标。 人体步态关节角度测量装置如图2 6 所示，该系统主要由人体关节角度测量装置组 成。系统硬件由工控机、角度测量装置以及跑步机模拟的平地路况组成。角度测量装置 主要由电位计( 模拟量输出，角度测量装置的测量精度为其出厂标定精度为0 0 1 ) 及 可伸缩杆组成。测量装置是将装有电位计角度传感器的四个铰链连接的杆件分别绑在人 体下肢各个关节处，其长度可以在一定范围内调节，保证不同身高的受试者下肢长度。 实验时，主要采集到的是髋关节、膝关节、踝关节折三关节在步态周期中：龟度变化。 裟霞 飕疹丰踅 、 + 图2 6 人体关节角度测量装置 跑型多机上行走步态测量实验，以人在跑步机上行走为例说明实验过程。以1 名健康 男青年为测量对象，男青年身高为1 7 5 c m ，体重为7 0 k g ；实验室，先调节跑步机的速 1 6 第2 章人体步态轨迹分析及康复训练器工作原理 i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 度，以达到受试者正常平地行走时的速度，增加其舒适度，当其开始平稳行走并无明显 明前晃动时，开始步态轨迹测量。让受试者以平时习惯的步速和步长行走，将角度传感 器测得的角度信号经过编码器接口送入工控机，实时读取测量值，测量装置记录下多个 连续步态周期的位置轨迹。 在受试者行走过程中观察各关节相对转角和踝关节轨迹的变化趋势，运行平稳后采 集数据。实验室采集到的是人体每个步态周期的角度值，因左右腿步态周期相差半个周 期并且完全对称，因此仅讨论右腿在一个步态周期的角度变化，若想得到左腿步态规律 只需将右腿的前半个周期提到后面即可。选取规律良好的数据，得到正常人平地行走时