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Sheng Wu Yi Xue Gong Cheng Xue Za Zhi. 2019 Dec; 36(6): 924–929.
PMCID: PMC9935169

Language: Chinese | English

基于假肢步态仿真模拟与评测系统的步态对称性研究

Study on gait symmetry based on simulation and evaluation system of prosthesis gait

贝贝 喻

上海理工大学 康复工程与技术研究所(上海 200093), Institute of Biomechanics and Rehabilitation Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, P.R.China 上海健康医学院(上海 201318), Shanghai University of Medicine & Health Science, Shanghai 201318, P.R.China 上海康复器械工程技术研究中心(上海 200093), Shanghai Engineering Research Center of Assistive Devices, Shanghai 200093, P.R.China

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洪流 喻

上海理工大学 康复工程与技术研究所(上海 200093), Institute of Biomechanics and Rehabilitation Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, P.R.China 上海健康医学院(上海 201318), Shanghai University of Medicine & Health Science, Shanghai 201318, P.R.China

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青云 孟

上海理工大学 康复工程与技术研究所(上海 200093), Institute of Biomechanics and Rehabilitation Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, P.R.China 上海健康医学院(上海 201318), Shanghai University of Medicine & Health Science, Shanghai 201318, P.R.China

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巧玲 孟

上海理工大学 康复工程与技术研究所(上海 200093), Institute of Biomechanics and Rehabilitation Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, P.R.China 上海健康医学院(上海 201318), Shanghai University of Medicine & Health Science, Shanghai 201318, P.R.China

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武警 曹

上海理工大学 康复工程与技术研究所(上海 200093), Institute of Biomechanics and Rehabilitation Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, P.R.China 上海健康医学院(上海 201318), Shanghai University of Medicine & Health Science, Shanghai 201318, P.R.China 上海理工大学 康复工程与技术研究所(上海 200093), Institute of Biomechanics and Rehabilitation Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, P.R.China 上海健康医学院(上海 201318), Shanghai University of Medicine & Health Science, Shanghai 201318, P.R.China 上海康复器械工程技术研究中心(上海 200093), Shanghai Engineering Research Center of Assistive Devices, Shanghai 200093, P.R.China

孟青云,Email: moc.621@6991yqgnem

上述测试需要使用摄像机、测力平台和其他方法收集动力学和运动学数据,因此获取数据十分困难。而且人体步态的动态变化使得受试者之间缺乏可重复性,因而测试结果往往是有限的 [ 4 - 5 ] 。另外,考虑到跌倒或者绊倒存在责任和安全问题,因此在测试过程中通常需要添加安全预措施。毋庸置疑,上述人体测试耗时长、重复性差、操作繁琐且存在责任风险,给患者带来极大的不适的同时,也影响了假肢的研发进度 [ 6 - 7 ] ,因此这些问题亟待解决。

以假肢测试平台(机器测试)代替人体测试实验或可有效避免上述测试耗时、重复性差等难题,对此国内外学者已经进行了大量研究。例如,Yunardi 等 [ 8 ] 通过相机捕捉一个腿部摆动的步态周期中腿部各关节的角度,已达到准确获取腿部数据的效果。显然,这种测试方式复杂且硬件成本较高,很难得到推广和应用。另外,焦伟 [ 9 ] 在控制系统中制定模糊控制规则,实现了机器测试代替人体进行连续步行的效果。但是,他们的机器测试平台只具有患侧腿部的结构设计,故无法对健侧腿和残侧腿的步态对称性进行研究。同样地,Richter 等 [ 10 ] 通过动态建模使得假肢测试机器人在矢状面可以完成两个自由度的髋关节运动,但是其只能模拟单侧髋关节运动,无法进行对称性分析。综上所述,目前尚未建成一套成熟的下肢假体性能评价体系。因此,本工作拟提出一种可以模拟健侧与患侧双下肢功能的行走测试平台。

1. 步态仿真模拟与评测系统设计

下肢假肢模拟与评测系统是为测评智能膝关节性能而设计,用以评测系统两侧下肢的结构不同。其中,一侧为人工下肢,由人工髋关节和人工膝关节组成,用来模拟残疾患者的健康侧腿;另一侧为仿生下肢,由人工髋关节、智能膝关节组成,用来模拟残疾患者的患侧肢体。行走不仅仅是下肢在运动,而且身体的重心会周期性地左右震荡,所以需要对行走过程中的平衡问题进行控制 [ 11 - 12 ] ,本工作采用气缸驱动髋关节升降来模拟人体的重心变化,通过设定跑步机的速度模拟人体不同速度下的行走过程。智能下肢假体通过一个特殊的关节连接到测试系统仿生下肢侧模拟器上,实现功能模拟。整个系统的设计基于仿生学原理,将人体行走过程简化为髋关节和膝关节在二维平面内实现一个自由度的运动。其样机设计原理图如 图1 所示。

Schematic diagram of gait simulation and evaluation system

步态仿真模拟与评测系统结构原理图

下肢假肢步态仿真模拟与评测系统包括三个步进电机,分别驱动人工下肢侧髋关节和膝关节以及仿生下肢侧髋关节,并通过气缸升降模拟正常人行走过程中重心的变化,使整个系统可以在二维平面上完成步态仿真。本工作使用 86BYGH250C 的两相混合式步进电机配合上海研蓝自动化科技有限公司生产的 C5-E 驱动器来驱动相应关节的摆动。步进电机的基本步距角 1.8°,由于人体步态周期中支撑前期膝关节会有较小角度的屈伸动作,此时关节运动角度较小 [ 13 ] ,故需减小每脉冲运转的角度来提高电机的运转精度。本设计通过驱动器将电机设置为 16 细分,使得电机可以低速平稳运行,通过安装在电机上的编码器实时检测髋关节和膝关节在行走过程中角速度和加速度的变化。控制系统的主控芯片采用 STM32F407VGT6,实时测量模拟行走步态过程的角度时间数据,下位机通过串口将数据传至上位机,在上位机中以文本的形式记录步态数据,方便后期数据处理。整体控制框图如 图2 所示。

Control block diagram of gait simulation and evaluation system

步态仿真模拟与测评系统整体控制框图

2. 步态仿真模拟与步态对称性实验

步态仿真模拟与评测系统需采集正常成年人行走步态周期的关节角度与时间数据作为控制源信号,配合驱动器形成闭环控制,分别去控制 3 个电机。本次步态数据采集实验受试者纳入标准为:①身体健康,没有影响运动的神经性疾病;② 下肢以及足部各个关节能够正常活动,在没有辅助措施的情况下可以正常行走;③自愿参加实验。本次测试由专业医师用江苏德长医疗科技有限公司的全身三维步态与运动分析系统,采集一位 27 岁成年男性在跑步机上分别以 0.5、0.8、1.0 m/s 的速度行走的多个步态周期的关节角度与时间数据,其中一个步态周期指的是从一侧足跟着地到同侧腿足跟再次着地所经历的时间 [ 14 ] 。数据采集过程中存在抖动等不确定性因素,因此对每种步速下采集的数据进行多个周期取平均值处理,选取其中一个较平滑的步态数据。最终在 Matlab 中拟合人体膝关节和髋关节步态曲线,如 图3 所示。

图 3

Gait curves of three different speeds

三种不同步速下的步态曲线

图3 中可以看到一个步态周期中每个时间点对应一个确定的角度,在程序中设置定时器的溢出时间,并将电机设置为同步模式,通过 CAN 总线依次发送各个关节的角度数据给相应的电机,通过电机驱动对应的关节,即可达到模拟人体行走步态的目的。

2.1. 下肢假肢测试平台步态模拟验证测试

本实验的主要目的是研究假肢测评系统模拟人体步态的近似程度。通过测评系统试验样机的左右髋关节与膝关节处的旋转编码器,采集模拟步态的输出关节角度数据,进而与通过仪器采集得到的关节角度数据进行比较。3 种步速下关节模拟程度相似,以人工下肢侧髋关节和膝关节为例,给出 0.5 m/s 步速下健侧髋关节与膝关节的目标曲线与实际采集所得的关节曲线,如 图4 所示。

Contrasting curves of input and output joint angles at 0.5 m/s pace

0.5 m/s 步速下输入与输出关节角度对比曲线图

图4 可以看出实际测试曲线与目标曲线基本重合,在一个周期的步态过程中,在幅值附近达不到输入的数据值,这是由于编码器的反馈延迟造成的,这种误差在工程允许范围之内。实验结果表明,关节输入曲线与测试曲线的拟合度较高,说明下肢假肢测试平台可以较好地模拟人体步态。

2.2. 智能膝关节假肢机器测试

文献[ 15 ]中根据左右侧对称性步态参数提出三个对称性指标,表达式如下:

式中 X L X R 分别代表左右侧肢体的步态特征参数,本工作中, X R 代表仿生下肢的步态实验数据, X L 代表人工下肢步态实验数据。在式(1)中, SI = 0 时表示完全对称;式(2)中, R I = 1 表示完全对称;式(3)中, R II = 0 表示完全对称,其中正负号表示肢体的主导地位。基于测试平台的硬件设备,本文中步态特征参数为步幅和最小膝关节角度。

在 2.1 节评测系统步态模拟实验中已经验证了本系统模拟步态的可行性与准确性。本实验用已经研发的智能膝关节假肢,通过特殊的接口穿戴在假肢测评系统的仿生下肢侧 [ 16 ] 。将膝关节装载在测试平台仿生腿侧,启动测试平台,控制跑步机分别以 0.5、0.8、1.0 m/s 三种不同步速进行测试。通过智能膝关节控制系统搭载的角度传感器实时测量膝关节角度,并将相应的步态数据上传至上位机。通过观察不同步速下膝关节自动调整开度从而适应相应的步态的效果,评测膝关节的好坏。三种步速下,两侧膝关节的步态数据曲线如 图5 所示。结合上述步态对称准则,可计算步态周期以及步态特征参数如步幅、最小膝关节角度,步态对称量化结果如 表1 所示。

表 1

Quantification table of gait symmetry

步态对称性分析量化表

步速 步幅 最小膝关节角度
SI
0.5 m/s 1.08% 1.02 1.07% 1.71% 102.10% 1.85%
0.8 m/s 1.87% 1.04 1.21% – 1.47% 93.81% – 1.72%
1.0 m/s 2.03% 1.07 1.88% – 2.23% 88.26% – 1.82%

Output curves of knee joint of artificial lower limb and bionic lower limb with three different speeds

三种不同步速下人工下肢侧膝关节与仿生下肢侧膝关 节输出曲线图

图5 可知,在不同步速下,装载所研发膝关节的步态曲线具有预屈曲过程,且对应曲线段较为平缓;表明装载所研发膝关节预屈曲角度小于正常步态。这是因为患者实际佩戴假肢膝关节时,义肢和截肢者的不同动作方式、认知能力和动态特性,以及两者之间的运动协调差异等,都会导致站立相预屈曲角度过小。另外,针对每一种步速下的步态曲线,人工下肢侧与仿生下肢侧的膝关节曲线整体变化趋势相同,两者相位上相差半个步态周期;并且仿生下肢侧的摆动相与人工下肢侧摆动相之间吻合得较好,而两者之间的站立相则吻合较差(站立相包含预屈曲过程)。针对三种不同步速下的步态曲线,人工下肢侧与仿生下肢侧的曲线并无太多变化。

根据 表1 可以得到以下结果。针对步幅的对称性指标,与 0 相比仿生下肢侧的 SI R II 偏差略大于人工下肢(1.07%~2.03%)。另外,不同步速下两侧步幅的 SI R II 偏差小于 2.03%;而 R I 逼近 1(1.02~1.07)。这些结果表明两侧步幅差异较小且均在正常范围内。针对最小膝关节角度,当步速为 0.5 m/s 时,对称性指标 SI R II 均大于 0,表明与仿生下肢侧相比,人工下肢侧的最小膝关节角度偏差较大。而当步速大于 0.8 m/s 时, SI R II 均小于 0,表明与人工下肢侧相比,仿生下肢侧的最小膝关节角度偏差较大。基于本文研究,随着步速的增大,人工下肢侧和仿生下肢侧的 SI R II 的绝对值在增大, R I 越来越远离 1,表明步速变大时,对称性变弱,这与现实情况是相符的。

综上所述,本工作所研发的步态测评系统可以较好地模拟残疾患者佩戴假肢膝关节时的状态,定量评价假肢的步态对称性。

3. 讨论和结论

相对于东南大学焦伟 [ 9 ] 提出的的只具有模拟腿结构的测试平台,本文所提出的机器测试平台通过增设人工下肢,与仿生下肢的步态数据进行对比,可以更好地评价和测试膝关节的性能。相对于 Yunardi 等 [ 8 ] 通过相机捕捉数据的方法,本设计采用角度编码器获取各个关节角度,大大节省了成本。相对于 Richter 等 [ 10 ] 只能模拟单侧髋关节运动的测试平台,本设计具有双侧髋关节的结构设计,可以对健侧腿和残侧腿的步态进行对称性分析。

本文根据步态采集仪器采集正常成年人的步态特征数据,然后提取人体步态轨迹曲线,通过电机带动假肢测评系统的关节运动。将通过采集测试系统得到的相应的关节角度曲线与通过仪器采集的步态曲线进行对比,验证了测试平台的可行性。然后在假肢测评系统仿生腿侧戴上研制的智能膝关节,通过上位机将采集的步态数据记录下来,结合步态对称评估标准,进行了定量的步态对称性分析。假肢测试平台可以很好地带动已经研发的膝关节进行步态测试,通过分析测试采集所得的步态数据,可以促进膝关节的研发。

本实验只是基于水平面的步态评测,后续可以将不同的路况环境加入假肢步态测评系统,从而可以更加完善地去测评假肢膝关节的性能,更好地促进膝关节的研发。

利益冲突声明:本文全体作者均声明不存在利益冲突。

Funding Statement

国家重点研发计划项目课题(No.2018YFB1307303);国家自然科学基金项目(No.61473193);上海康复器械工程技术研究中心资助项目(No.15DZ2251700)

References

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