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步态分析研究· 骨骼动作捕捉

编者荐语:

苏黎世联邦理工学院研发制作了用作步态分析研究的“膝关节扰动外骨骼”。该研究使用了OptiTrack运动捕捉技术,帮助研究者追踪并观察健康人士行走中的下肢形态和膝关节突发应急反应,获得详细力学数据,改进残障人士下肢辅助工具及设备。



步态分析 & 运动捕捉


苏黎世联邦理工学院 康复工程实验室

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 行进中人膝关节阻抗的动态估测


如果截瘫病人等下肢功能障碍患者能够通过康复训练恢复部分行动能力,这对他们来说好比点亮了人生的一盏明灯。法国Wondercraft公司就研发了免手持外骨骼,帮助丧失全部或部分步行能力的病人进行康复训练,最终让病人完全或部分恢复自主行走能力。




外骨骼释义及科研发展趋势

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“外骨骼机器人是将人的智慧与机器的机械动力装置相结合的一种机器人,不仅可以为操作者提供保护、身体支撑等功能,还可以在操作者的控制下完成一定的功能和任务……在下肢功能障碍患者的步行功能锻炼过程中的应用逐渐增多;此外,其在单兵作战装备研发等军事领域也得到了广泛应用。”

“对正常人体行走时的步态分析是人类下肢外骨骼设计的一个重要研究方面。由于人体下肢外骨骼需要辅助人体的承载并跟随人体一同活动,故对外骨骼的设计必须考虑外骨骼与操作者之间动作的协调性和一致性,且应与人体下肢具有相同的关节活动度。因此,分析正常人体下肢活动特点及行走时的步态是设计下肢外骨骼并实现行走的基础。在此基础上设计下肢外骨骼应具备的关节及关节活动度,然后通过人机互动操作外骨骼,并对外骨骼机器人步态的稳定性进行控制,从而完成外骨骼机器人系统的仿生设计。”

“正常步态——即正常人体采用最自然、最舒适的姿态行进时的步态,应具有3个特点:身体平稳,步长适当,耗能最少……步态分析是外骨骼机器人设计中不可或缺的技术环节,它通过生物力学和运动学手段,揭示正常步态的关键环节和影响因素,从而有助于外骨骼机器人的步态机理研究,步态控制及行走稳定性控制方法的研究等。”


摘自 王楠, 王建华, 周民伟.人体下肢外骨骼机器人的步态研究现状[J].中国骨科临床与基础研究杂志, 2012.02, 4 (1): 62-64



苏黎世联邦理工学院研发制作了一个膝关节扰动外骨骼。不同于前面所说的外骨骼康复训练辅助设备,这套膝关节扰动外骨骼是为科学研究所生,通过观察健康人走路过程中下肢形态,来改进残障人士下肢辅助工具及设备。该膝关节扰动外骨骼能够在健康实验者正常行走过程中随机对实验者的膝盖施加机械反冲力,观测健康膝关节如何调节外来反冲力造成的机械阻抗。


通过在实验者腿部骨骼关节处绑定被动式运动捕捉标记点,实验者在跑步机上调整好最舒适的前进速度,并有多台OptiTrack高速红外运动捕捉摄像机对实验者的全身(尤其下肢)的动作进行捕捉。



RELab步态分析流程


An Exoskeleton for Perturbing the Knee During Gait

步态分析OptiTrack运动捕捉技术的结合应用(3D骨骼运动画面为OptiTrack软件Motive使用界面)


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步态行进中扰动膝盖的外骨骼

苏黎世联邦理工学院 - 膝盖扰动器


           研究目标:


开发一个动力装置外骨骼,在实验者行走中动态扰动膝盖。

在步态周期的特定点设置简短的位置扰动,并测量相互作用扭矩。

使用外骨骼研究膝关节神经力学和步态/平衡控制。



实时导出到计算机上的运动捕捉数据不仅可以帮助研究者观察实验者的膝盖在受到外骨骼的反冲力后如何反应,研究者还可结合科研软件,将动作数据转化成更加详细的生物力学数据,以便进行更为精密的分析和研究,帮助改进现有假肢器官、矫正装置及医疗康复训练设备。