人步行时重心运动轨迹的捕捉与运动学分析

人步行时重心运动轨迹的捕捉与运动学分析人步行时重心运动轨迹的捕捉与运动学分析CaptureandKinematicalAnalysisoftheBody’sBarycenterTrajectoryWhenHumanWalking姚芮芮(上海市质量监督检验技术研究院培训中心，上海200072)摘要：研究人在步行时身体重心运动轨迹可以为下肢康复机器人提供参数。采用OPTOTRAK@CERTUSTM三维运动捕捉系统来实时采集步行时人体的重心运动轨迹，并通过对于人体三维模型进行步行运动学仿真分析，比对重心运动轨迹，进一步论证了研究结论的正确性。关键词：下肢康复机器人重心运动轨迹运动学分析DOI：10．3969／j．issn．1007—080X．2012．06．006Abstract：Researchingthebody’sbarycentertrajectoryinwalkingcanprovidedesignparametersforthelowerextremityrehabilitationrobot．ThispaperusedtheOPTOTRAK@CERTUSTMreal—timethree-dimensionalmotioncapturesystemforreal-timeacquisitionofthebody’Sbarycentertrajectoryinwalking，andcontrastedthebarycentertrajectorythroughthepedestriankinematicssimulationanalysisofthe3Dhumanmode1．Finally，thestudydemonstratedthevalidityofresearchfindingsKeywords：lowerextremityrehabilitationrobotbarycentertrajectorykinematicalanalysis0引言下肢康复机器人是近年出现的一种新型机器人，可模拟正常人的步态轨迹进行步行训练，帮助患者恢复步行能力。在步态分析中，研究人体重心运动的规律可为下肢康复机器人设计提供机构参数和控制参数。正常人在行走过程中重心的轨迹应该是一条三维的曲线，它既有上下方向的位移，又有左右方向的位移，同时伴随着人的向前运动，它还有向前的位移。由于康复机器人只是模拟人的行走，与人的真正走路还有所差别；其最大的不同就在于人在康复机器人上的“行走”是一种没有向前位移的行走，也就是说人的重心可以认为是在上下一维坐标系中变化。因此，本课题主要研究人体重心在上下一维方向的运动规律。通过建立人体步行时的三维模型，并导入其膝关节、髋关节的运动轨迹数据，可以通过运动学仿真分析得出步行时人体重心的运动轨迹，用以比对采集数据的正确性。在进行人体重心运动学分析过程中，采用了美国MDI公司开发的机械动力学仿真软件ADAMS。它使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的机械系统几何模型，对虚拟机械系统进行运动学和动力学分析，比较直观地观察及输出仿真结果。1步行时人体重心运动轨迹的捕捉为了捕捉步行时人体重心在竖直方向上的运动轨迹，采用上海硅步科学仪器有限公司的OPTOTRAK@CERTUSTM三维运动捕捉系统来实时采集人体重心作者简介：姚芮芮1985年生，女，硕士，助理工程师。研究方向为精密机械工程、机械产品检验、长度计量学等。32机电一体化12012．6运动轨迹。OPTOTRAK三维运动捕捉系统具有以下特点：(1)可实现三维／六自由度测量；(2)数据采集精度高(0．1mmRMS)，分辨率0．01mm；(3)可以实现数据实时采集和显示，最大采样频率可达4600Hz。重心轨迹采集实验原理图见图1。整个运动捕捉系统由控制单元、位置传感器、标志点以及标志点转换器构成，通过计算机及操作软件可以操作控制单元。实验过程中，被测试者在跑步机上行走，将标志点贴于其背部骨盆中心位置作为身体重心。当被测试者按照一定的速度在跑步机上行走时，通过位置传感器来实时测量其轨迹。控图1人体重心轨迹采集实验原理图根据下肢康复机器人的技术，步行训练能够达到的最大速度为3．2km／h，适合的患者身高为1．6～1．8m；故将跑步机速度调至3．2km／h，分别选取1．6m、1．8m身高的测试者在跑步机上进行行走，以100Hz的频率采集标志点的轨迹，每次采集时间为10S。由于系统采集的是三维／六自由度的数据，而实验的目的只需要竖直方向即z方向的数据，所以截取z方向一组数据即可。2数据分析相关研究明，人体步行时重心上下运动轨迹近似一个正弦曲线与一个在有限范围内上下波动的非周期性误差曲线的叠加。此误差是由于自身因素或外界干扰使受试者产生不规则步态造成，如步幅的不Research．Developmentl均衡以及在跑步机上左右或前后的窜动等。将采集好以后的数据文件导入Matlab，画出其轨迹图。图2、图3分别为两种身高的重心轨迹图，可以看出两组曲线均符合这样的规律。考虑到误差主要是由于受试者产生不规则步态造成，如步幅的不均衡以及在跑步机上左右或前后的窜动等，所以将曲线按照轨迹周期分割后叠加取平均值再进行正弦拟合。图21．6m身高组重心轨迹数据图31．8m身高组重心轨迹数据图4处理后1．6in身高组重心轨迹数据2012．6I机电一体化33人步行时重心运动轨迹的捕捉与运动学分析圈5处理后1．8m身再组重心轨迹数据经过多组数据采集后发现，不同测试者的重心轨迹会因为其步幅、步频的不同而有所区别，但是均符合上述规律；此外，重心上下偏移的幅度均在±50mm以内。3几何模型构建在下肢康复机器人控制系统中，人体重心的位移、速度、加速度需要参与到动力学运算中去。从上文可知，步行时人体重心竖直方向上的轨迹为正弦曲线；但是，在步行训练过程中，人体重心运动轨迹是否依然遵循这一规律，仍需要进一步分析。如果仍符合这一规律，那么还需要确定这一正弦曲线的具体参数。为此，就需要建立相应的人体模型，在步行训练的条件下进行人体重心运动学分析。选取180cm为减重支撑系统能承受的最大患者身高。人体大腿和小腿长度分别占人体27．2％和22．9％，为490mm、412mm。由于在进行步行训练时患者上半身是被牵引的，只能在上下方向上运动，所以在建模时用质量块表示。使用Solidworks建立人体三维模型。导入后系统的质量信息以及装配关系都需要重新设定，因此需要给样机模型中的部件赋予质量信息。首先，假定人体体重为8Okg，然后计算各部位的质量分别进行设定。单侧大腿、小腿质量分别占人体14．19％和5．15％，分别为11．4kg、4．1kg。人体上半身的质量设定为49kg。设定好的人体三维模型见图6。34机电一体化I2012．6图6人体模型4基于ADAMS中的运动学仿真分析将建立好的机械样机模型保存为x_t格式输出到ADAMS／View环境下。样机模型各个零部件的几何形体构建完成后，各构件只是毫无联系地孤立存在于ADAMS中，需要通过施加约束的实现构件之间的装配，将分散的构件组装成具有一定功能的有机整体。ADAMS中的约束种类可分为4种：常用的运动副约束，例如铰链副、滑动副等；虚约束，常用来限制某个运动方向；接触约束，定义两构件在运动过程中始终相互接触；运动约束，规定构件遵循运动函数按照指定的轨迹运动。首先，将人体模型中下肢的各个关节用铰接副约束连接起来；然后定义人体上身质量块为移动副，只能在上下方向上运动；最后定义小腿与地面为接触副。建立约束后的人体模型见图7。图7设定人体模型的约束在各个关节约束上添加运动副约束即可以驱使矫形器实现仿真运动。运动副定义的运动可以是恒速运动，也可以通过函数生成器定义关于时间的复杂函数，从而定义复杂运动。对于每一轨迹段，设定矫形器各关节运动符合CGA髋关节和膝关节角度时间曲线。在这里可以直接将下肢矫形器双腿髋关节、膝关节运行轨迹(图8一图11)加载到运动副，虚拟样机就可以按照预定的规定进行运动。圈8右腿膝关节运动轨迹÷；__■、ll，：、lI¨f：l；；一j7：：l＼；＼，：|l＼·田9右腿曩关节运动轨迹将右腿膝关节、髋关节运动轨迹数据导入相应的运动副约束，就可以使得右腿按照指定的运动轨迹来运动；然后再将右腿膝关节、髋关节运动轨迹数据右移50％的相位差，就可以得到左腿膝关节、髋关节运动轨迹数据，然后导入相应的运动副约束。这样就定义了人体模型的步行训练轨迹。运动轨迹定义好以后，就可以进行运动仿真了。在步态参数上，下肢康复机器人的最大训练速度。=Research．Developmentl圈lO左腿膝关节运动轨迹圈l1左腿矗关节运动轨迹3．2km／h=0．89M／s，最大步幅S⋯=0．6m，每个步态周期内跨两步，所以理论步态周期；=1．35s。在进行人体重心运动学分析时，为了确保减重支撑系统能支撑最小周期的步行训练，设定T；=1s。以T=1s来进行运动仿真。一圈l2下肢矫形嚣运动仿真圈仿真结束后，就可以得到人体重心的运动轨迹为了方便后续控制系统的计算，对其进行正弦拟合(见I下转第76页)2012．6I机电一体化35产品参数化在Pro／E二次开发中的应用及信息资源文件的位置，还包括此程序Pro／Toolkit的版本信息等等。注册文件Protk．dat在Pro／Toolkit文件夹下有样本，可以参考完成之后调用辅助应用程序，注册该程序即可应用。运行程序后界面见图4。通过选取对话框中列表中的某一行的尺寸数据，使之显示到下面一一对应的编辑文本框中。单击“确定”，重新再生成相应尺寸的支架模型。选取不同尺寸数值时，支架的整体结构尺寸就会随之发生改变，达到实现参数化的效果，从而省去了人为建模的过程，节省了时间和成本，提高了设计效率。3结束语本文以VisualStudio2005为开发平台，用VC++语言进行编程，通过Pro／Toolkit来进行产品零部件的参数化设计，能非常方便地完成产品模型的建立，从而把设计工作人员从繁琐的计算、设计工作中解放出来，既提高了设计效率，又降低了产品开发的成本，并能满足产品的同一零部件设计的系列化的要求。参考文献单泉，陈砚．Pro／EngineerWildfire4．0中文版参数化设计从入门到精通[M]．北京：机械工业出版社，2008．沈斌，麻连荣，宫大．基于Pro／E二次开发的零件参数化设计技术[J]．机械设计与制造，2007(1)：40—42．张继春．Pro／E二次开发实用教程[M]．北京：北京大学出版社，2003．刘莹，张福润．Pro／E二次开发中用户界面的制作[J]．现代机械，2004(4)：52—55房丽娜，郭培全．Pro／E的二次开发与应用[J]．济南大学学报：自然科学版，2007，21(2)：157—160．(上接第35页)图13)。可以看出，步行训练时人体重心上下方向的运动轨迹接近正弦曲线，与上文通过运动捕捉仪测试到的重心轨迹基本相符，在幅值上略大于自然行走下的重心偏移。图l3人体模型重心轨迹5结束语本文通过数据采集和运动学仿真分析分别得出了步行时人体重心运动轨迹。通过得出的轨迹图可以看出，两者的重心轨迹基本相符，在规律上都符合正弦轨迹，在幅值上仿真数据略大于自然行走下的重心偏移数据。从人体步行时的自然规律上讲，步行时身体重心上下起伏±20nlm更符合自然规律。此外，仿真分76机电一体化l2012．6析时只引入了膝关节和髋关节的运动轨迹数据，缺少踝关节的运动轨迹数据，也影响了结果的正确性。通过上述两种方法比较，在后续的下肢康复机器人设计中可以采用采集数据作为步态分析的数据，并可以进一步修正人体模型的膝关节、髋关节运动轨迹数据。参考文献张晓超，张立勋，颜庆．一种新型三自由度下肢康复训练机器人步态机构运动分析及仿真[J]．自动化技术与应用，2005，24(3)：32—35．张立勋，赵凌燕，王岚，等．一种测量人行走时骨盆运动轨迹的新方法[J]．啥尔滨工程大学学报，2006，27(1)：l28一l31．杨东超，汪劲松，刘莉，等．ADAMS在拟人机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