基于simmechanics的人体步态动力学仿真分析

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1、基于SimMechanics的步态动力学仿真分析国家863项目（2008AA04Z212），国家自然科学基金（60705010、60874102）资助.孟明，罗志增（杭州电子科技大学，自动化学院，杭州，310018）摘要：对各种步态下人体下肢各关节力矩的计算和分析，能够为智能假肢膝关节阻尼的精确控制提供理论依据。本文利用实验采集的平地行走时的下肢姿态数据，在利用拉格朗日方程建立人体下肢刚体动力学模型的基础上，利用Matlab/SimMechanics工具箱建立下肢动力学仿真模型，获取了髋关节和膝关节力矩仿真曲线，为智能下肢假肢设计和控制

2、仿真提供了一定的理论依据和方法。关键词：SimMechanics；动力学仿真；步态分析DynamicSimulationofGaitBasedonSimMechanicsMingMengandZhizengLuo(AutomationSchool,HangzhouDianziUniversity,Hangzhou,310018,China)Abstract:Tocalculateandanalysisthejointsmomentsoflowerlimb,canprovidescientificsupportsfortheaccurat

3、econtrolofthedamperofkneejointoftheintelligentprosthesis.Theposturedataoflowerlimbinlevelwalkingwereacquiredinthispaper.BasedonthelowerlimbrigiddynamicmodelobtainedfromLagrangeequations,thelowerlimbdynamicsimulationmodelwasconstructedusingMatlab/SimMechanicstoolbox.Thent

4、hemomentsatthehip,kneejointswerecalculatedfromthesimulation.Theinvestigationprovidesausefulmethodfortheprosthesisdesignandsimulationcontrolinthefuture.Keywords:SimMechanics;Dynamicsimulation;Gaitanalysis佩戴假肢是截肢者康复的重要方式，可以从外形和活动能力上不同程度地恢复其正常状态，有利于全面提高提高残疾人的生活质量和社会参与能力。按照控

5、制方式的不同，目前使用的膝上下肢假肢可分为传统机械式假肢和智能下肢假肢两种类型[1]。运动生物力学分析表明人在行走过程中膝关节力矩是周期变化的，但机械式膝关节的阻尼力矩在假肢佩戴时是一次调定的，不能随步速和角度的变化而改变，因此恒定阻尼方式对步态的控制并不理想，增加了体力和精力消耗，也使得动作的自然协调程度大为降低。为解决上述问题，日本的中川昭夫等人在1986首先提出基于微处理器的气动式摆动控制膝关节，使膝关节力矩能够随步态的变化自动调整[2]。近年来，又先后有Blatchford公司的IP+和Adaptive、OttoBock公司的C

6、-Leg等智能下肢假肢推出，研制具有膝关节阻尼随步态模式和步频变化自动调整能力的智能膝上下肢假肢成为下肢假肢技术的一个研究热点[3]。其中，对行走过程中人下肢各关节力矩的计算和分析，是提高假肢膝关节阻尼的控制精确性的重要环节[4][5]。本文利用实验采集的平地行走时的下肢姿态数据，结合人体下肢刚体动力学模型，利用Matlab/SimMechanics工具箱建立动力学仿真模型，计算了髋关节和膝关节力矩，对假肢设计和控制仿真提供了依据和基础。1实验方法实验通过分别测量大腿和小腿的倾斜角度，来得到下肢姿态和关节角度信息。倾角测量采用Xsens

7、公司MTx姿态跟踪器，它能够提供无漂移的三维方向加速度、角度率和磁场信息等运动学数据，并精确计算三轴的方向信息。两个MTx位姿跟踪器利用支架分别固定在大腿和小腿上，利用LabView将数据采集并保存到计算机，如图1所示。同时，运动过程还同步采集视频图像至计算机，以与姿态数据对照分析。受试者为健康男子，在步态实验平台上以3.5km/h的速度持续行走，图2是一个步态周期内髋关节和膝关节角度。（a）髋关节（b）膝关节图1下肢姿态测量图2平地行走关节角度2人体下肢动力学模型人体下肢可看作髋关节、大腿胫骨、膝关节、小腿腓骨和胫骨、踝关节和跗骨趾骨

8、等依次联接的结构。人体平地行走时髋关节、膝关节在矢状面活动度较大，而在横断面上和冠状面的活动度较小。同时在膝上下肢假肢中一般忽略踝关节的转动，因此可以将人体下肢简化为平面的二刚体二自由度模型如图3所示。H为