虚拟现实验证仿真多路况下人体下肢行走状态

背景：在智能下肢假肢控制器的研究过程中,无论采用肌电信号还是运动与动力学信息相结合等方式识别路况,其结果都通常抽象难懂。 目的：从直观运动学分析的角度说明不同路况之间的异同,并利用虚拟现实技术对多种路况场景进行建模和仿真以使识别结果形象化、直观化。 方法：用Simulink下的机械建模模块Simmechanics搭建人体下肢模型框图并进行输出运动学分析,比较各种路况下运动学信息的异同,结合虚拟现实工具箱建立多路况场景,用运动学信息驱动虚拟模型运动,完成不同路况的验证仿真。 结果与结论：直观利用运动学信息区分多种路况有一定的局限性,需结合其他手段或信号;虚拟现实工具箱能很好地再现数据所对应的运动场景。仿真结果表明,虚拟现实建模方法能够真实形象再现人体下肢在平地、斜坡以及楼梯的行走状况,使数据所反映的运动状态不再单调抽象,使识别结果形象化,可作为验证路况识别结果的手段,为智能假肢模式识别工作提供了一个良好的验证显示平台。     

一种基于表面肌电信号映射人体下肢运动意图的方法

智能膝关节假肢是截肢患者恢复日常运动的重要辅具。对人体下肢运动意图的识别是实现下肢假肢控制的关键。该文针对此问题,提出了一种通过表面肌电信号预测膝关节角度的方法。对表面肌电提取时域特征,通过 BP 神经网络模型建立平地行走过程中表面肌电信号和膝关节角度的映射关系,预测膝关节角度。     

假肢步态实验平台设计

背景：目前对于假肢的评价还停留在主观感受,缺乏一套客观的评价系统,建立模拟人体运动的在线假肢参数检测系统对于假肢性能的评价、假肢研究设计具有重要意义。 目的：实现假肢的多种步态运动,并通过运动学、动力学数据的比对,评价其仿真程度。 方法：根据仿生学原理,将下肢假肢简化成四杆四轴的力学模型,利用采集得到的多种步态模式,驱动下肢假肢运动,并搭建动态力学测试平台,实时测量假肢运动的地面垂直反力和前后剪力。 结果与结论：假肢步态运动,髋膝关节的变化曲线与正常步态数据相一致,而其地面垂直反力与前后剪力也与正常人体相接近。提示假肢步态实验平台模拟了下肢假肢步态运动,并实时采集假肢运动的多项运动学、动力学参数,具备较高的仿真程度。     

基于中枢模式产生器的主动式智能踝关节控制的研究

为了使主动式踝关节假肢携带者能更好地根据外部环境和步态的变化实现假肢自然行走,设计了主动式智能踝关节假肢的机械结构和控制系统,提出了主动式踝关节假肢运动轨迹的中枢模式产生器(CPG)控制策略。主动式踝关节假肢通过动力机构为人体提供了运动动力,可实现人体运动的主要功能和特性。通过Matlab/simulink仿真,有效验证了基于生物中枢模式产生器控制机制的主动式踝关节的运动控制方法,能够使主动式踝关节假肢的输出轨迹准确快速地跟踪期望轨迹。因此该主动式踝关节假肢能实现及时调节和动作,智能性增强,同时本文提出的该项技术对智能假肢的发展具有重要的实用价值。     

基于移动窗的人体下肢运动支撑期和摆动期的识别

假肢是截肢患者重获行动能力的唯一途径,识别人体下肢运动中的支撑期和摆动期,对控制假肢十分重要。本文基于人体下肢表面肌电(sEMG)信号对人行走步态周期中的支撑期、摆动期进行识别。利用加拿大公司生产的Infiniti生理数据采集系统,对人体下肢相关肌肉sEMG信号进行采集,用加权滤波窗进行滤波,并用限高窗进行分析,判定目标肌肉起始收缩的时间点,以确定支撑期、摆动期的开始时间。利用加权滤波窗和限高窗分析股直肌、胫骨前肌sEMG信号,能较为准确的完成对支撑期、摆动期的区分,在一定的容忍度范围内,能得到很高的正确率。实验表明,sEMG信号能够反映人体运动意愿,利用人体下肢相关肌肉进行支撑期、摆动期的识别是可行的,提出的分析sEMG信号的方法有一定的实际应用价值。     

人-机运动相容型下肢康复训练外骨骼机构的构型设计与分析

对人-机运动相容型下肢康复训练外骨骼机构的构型设计进行研究,根据下肢的生物骨骼模型和下假肢膝关节设计技术,建立与人体下肢运动功能接近的刚体骨骼模型。分析人-机关节运动属性差异和人-机连接位姿偏差对人-机运动相容性的影响,基于人-机闭链的自由度分析和在人-机连接环节中增置连接关节,提出一种人-机运动相容的下肢外骨骼机构构型,并对无连接位姿偏差和有联接位姿偏差的骨骼-机构联体模型进行了ADAMS运动仿真分析。结果表明,在人-机连接环节中增置连接关节后,可以避免因人-机关节运动属性差异和人-机连接位姿偏差导致的人-机运动干涉现象,实现外骨骼机构运动与人体下肢运动的完全相容。     

基于关节坐标系的肌肉骨骼间附着点坐标转换方法

目的运动状态下对人体骨肌系统进行运动学及动力学分析时,应避免对人体造成伤害。本研究通过尸体切片、CT或者MRI图像重建等方法构建静态骨肌模型,并将其应用于活体进行分析。方法采用尸体切片数据重建下肢的三维骨肌模型,并对此骨肌模型及活体下肢建立统一规则的关节坐标系,详细描述人体骨肌系统模型和活体上相关肌肉骨骼间附着点空间坐标值转换。结果对研究对象膝关节屈曲运动中股二头肌短头力臂及长度进行计算和分析。结论该方法对提高人体运动学和动力学仿真及肌肉力预测具有重要意义。     

大腿截肢患者的残肢肌电运动识别

目的研究利用大腿残肢肌电信号进行下肢运动模式识别的方法,探讨肌电信号控制下肢假肢的可能性。方法采集15名大腿截肢者残肢侧股直肌、股外侧肌、阔筋膜张肌、股二头肌、半腱肌、臀大肌6块肌肉的表面肌电信号,提取肌电信号的6种时域、频域特征,利用支持向量机对平地行走、上楼梯、下楼梯、坐下、起立5种下肢运动模式进行识别。结果利用残肢肌电信号可以实现5种下肢运动模式的在线识别,对同一受试者同次测试数据识别率为94%,同一受试者的多次混合数据识别率为85%,对不同受试者混合数据识别率为74%。通过特征优化,仅利用3块肌肉的2个特征,对同一受试者的同次测试数据识别率仍可达92%。对平地行走、上楼梯、下楼梯3种动作的识别,同一受试者同次测试数据识别率为100%,同一受试者的多次混合数据识别率为98.33%,对不同受试者混合数据识别率为93.33%。结论仅仅利用残肢肌电信号能够实现运动意图的在线识别,通过对同一患者使用前的多次数据训练,有望达到较高的识别率。研究结果为肌电运动识别用于下肢假肢控制奠定了基础。     

基于角度编码器与扭矩传感器的下肢肌肉力量测量的研究

针对传统肌肉力量测量方法存在的辅助设备多、信号分析复杂、反馈滞后和易受环境变化影响等问题,提出一种利用关节角度编码器与外骨骼扭矩传感器快速、准确计算人体下肢肌肉扭矩的方法。采用整体法对人体-外骨骼系统模型建立动力学方程,搭建MATLAB/Simulink仿真计算平台,快速求解受试者步态训练时的动态实时肌肉扭矩。与传统测量方法进行对比验证,结果表明仿真计算出的扭矩曲线与传统方法获得的扭矩曲线基本一致,验证了该方法的正确性。     

穿戴式下肢外骨骼对人体步态特性的影响研究

本文拟探明穿戴式下肢外骨骼对人体下肢相应关节参数与肌肉运动学、动力学参数的影响变化,进而为优化其结构、提高其系统性能提供科学依据。本文通过采集受试者的行走数据,以人体下肢各关节在矢状面上的关节角度作为下肢外骨骼仿真分析的驱动数据,运用人体生物力学分析软件Anybody分别建立了人体模型(即未穿戴下肢外骨骼的人体模型)和人-机系统模型(即穿戴下肢外骨骼后的模型),并对比分析了两种情况下人体下肢运动时的运动学参数(关节力、关节力矩)及肌肉参数(肌肉力、肌肉激活程度、肌肉收缩速度、肌肉长度)的变化情况。实验结果表明,人体穿戴下肢外骨骼后行走的步态满足正常步态,但会出现个别肌肉力突增的现象;下肢主要肌肉的最大肌肉激活程度均未超过1,说明肌肉均未出现疲劳或损伤状况;股直肌的最大肌肉激活程度增加最多(0.456),半腱肌的最大肌肉激活程度增加最少(0.013),提示下肢外骨骼最容易引起股直肌疲劳或损伤。通过本文研究结果说明,为避免出现个别肌肉力突增导致人体下肢损伤,在设计下肢外骨骼时,要特别注意人体体段长与下肢外骨骼杆长的一致性和运动的平稳性。     

下肢助力机器人动力学分析与应用

背景：2005年成功研制出下肢康复机器人系统,该机器人通过中心控制系统和步态、姿态控制系统互相协调,带动下肢各种运动,从而达到恢复下肢功能的目的。 目的：对下肢康复助力机器人做动力学分析。 方法：该系统为一个复杂的动力系统,由多个关节和多个连杆组成,具有多个输入和多个输出,分析其运动和作用力之间的关系。通过运动信息感知网,实现机器人系统主动为使用者提供完成髋关节屈/伸、旋内/旋外及外展/内收功能恢复动作的助力支持。 结果与结论：利用动力学方程完成人-机混合系统的控制。减小人体感受的运动强度,使练习者能充分完成功能恢复动作,随着康复者下肢力量的加强和动作的熟练程度的提高,通过改变系统控制参数,系统会逐步减少对其助力支持,直到康复。     

基于多模态信息融合的肘关节连续运动估计

目的 针对目前上肢康复训练设备多为被动式、训练方式单一、患者主动参与度较低等问题,提出一种基于多模态信息融合的上肢连续运动估计算法,实现对肘关节力矩的准确估计。方法 首先,在4种角速度下,采集受试者的表面肌电信号和姿态信号,提取信号的时域特征并利用主成分分析方法进行特征融合;其次,通过附加动量法和自适应学习率对反向传播神经网络(back propagation neural network, BPNN)进行改进,使用粒子群算法(particle swarm optimization, PSO)对神经网络进行优化,构建基于PSO-BPNN的连续运动估计模型;最后,以第2类拉格朗日方程计算的关节力矩作为准确值,对模型进行训练,并与传统BPNN模型进行性能对比。结果 传统BP神经网络模型均方根误差为558.9 mN·m,R²系数为77.19%,优化模型后的均方根误差和R²系数分别为113.6 N·m、99.12%,力矩估计准确度进一步提高。结论 本文提出的肘关节连续运动估计方法能够准确地识别运动意图,为上肢外骨骼康复机器人的主动控制提供切实可行的方...     

Prosthetic ambulation in a paraplegic patient with a transfemoral amputation and radial nerve palsy

Great importance and caution should be placed on prosthetic fitting for a paraplegic patient with an anesthetic residual limb if functional ambulation is to be achieved. The combination of paraplegia with a transfemoral amputation and radial nerve palsy is a complex injury that makes the rehabilitation process difficult. This article describes a case of L2 paraplegia with a transfemoral amputation and radial nerve palsy on the right side. Following the rehabilitation course, the patient independently walked using a walker at indoor level with a transfemoral prosthesis with ischial containment socket, polycentric knee assembly, endoskeletal shank and multiaxis foot assembly and a knee ankle foot orthosis on the sound side. The difficulties of fitting a functional prosthesis to an insensate limb and the rehabilitation stages leading to functional ambulation are reviewed.     

Upper extremity kinetics during Lofstrand crutch-assisted gait

A three-dimensional (3D) biomechanical model was developed to determine upper extremity kinematics and kinetics of persons walking with forearm crutches. Six-component load cells and strain gauges were installed in the crutches to determine crutch forces. A six-camera VICON motion system was used to acquire coordinate data from 24 reflective markers attached to the upper extremities and crutches. Joint axes for the wrist, elbow, and glenohumeral joints were defined and joint forces and moments were determined using inverse dynamics. Accuracy of the crutch instrumentation was established by simultaneously collecting force data from a Kistler forceplate and each crutch during crutch-assisted gait with the respective crutch tip contacting the forceplate. In order to demonstrate the application of this biomechanical model, upper extremity weight bearing forces, joint motion, and stride characteristics were recorded from a subject with T-12 incomplete spinal cord injury (SCI), using a crutch-assisted reciprocal four-point gait pattern. The peak net joint forces and moments were greater for the right arm opposite the weaker left lower extremity. The largest joint forces were directed superiorly (Fz) and the asymmetrical pattern of crutch use was consistent with lower extremity strength differences. During left leg weight acceptance, increased right wrist extension motion and moment were recorded, which may contribute to wrist pathology.     

Data representation for joint kinematics simulation of the lower limb within an educational context

Three-dimensional (3D) visualization is becoming increasingly frequent in both qualitative and quantitative biomechanical studies of anatomical structures involving multiple data sources (e.g. morphological data and kinematics data). For many years, this kind of experiment was limited to the use of bi-dimensional images due to a lack of accurate 3D data. However, recent progress in medical imaging and computer graphics has forged new perspectives. Indeed, new techniques allow the development of an interactive interface for the simulation of human motions combining data from both medical imaging (i.e., morphology) and biomechanical studies (i.e., kinematics). Fields of application include medical education, biomechanical research and clinical research. This paper presents an experimental protocol for the development of anatomically realistic joint simulation within a pedagogical context. Results are shown for the lower limb. Extension to other joints is straightforward. This work is part of the Virtual Animation of the Kinematics of the Human project (VAKHUM) (http://www.ulb.ac.be/project/vakhum).     

The low er lim b prosthesis fittingfor non┐ideal stum p andfor sports prosthesis

ＰＲＥＦＡＣＥ　　Ｌｏｗｅｒｌｉｍｂｐｒｏｓｔｈｅｓｉｓｉｓｕｓｅｄｂｙｌｏｗｅｒｌｉｍｂａｍｐｕｔｅｅｔｏｓｕｂｓｔｉｔｕｔｅｔｈｅｌｏｓｔｆｕｎｃｔｉｏｎｓｏｆｓｔａｎｄｉｎｇａｎｄｗａｌｋｉｎｇ．Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｓｕｂｓｔｉｔｕｔｅｆｕｎｃｔｉｏｎｉｓｃｌｏｓｅｌｙｌｉｎｋｅｄｗｉｔｈｔｈｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｔｕｍｐ．Ａｍｐｕｔｅｅｓｗｈｏｈａｖｅｉｄｅａｌｓｔｕｍｐｃａｎｎｏｔｏｎｌｙｗａｌｋ，ｒｕｎａｎｄｊｕｍｐ，ｂｕｔａｌｓｏｐａｒｔｉｃｉｐａｔｅｇａｍｅｓ，ｗｈ…     

基于精确反馈线性化的动力型下肢假肢支撑期解耦控制

目的 针对膝-踝-趾动力型假肢系统支撑期强耦合性会导致假肢系统控制精度下降的问题,提出精确反馈线性化方法对动力型假肢系统解耦。 方法 采集人体下肢步态信息,将支撑期划分为支撑前中期和支撑末期,建立两个模态的动力学模型;使用精确反馈线性化解耦方法对支撑期假肢系统解耦,结合滑模控制设计动力型下肢假肢控制器;搭建联合仿真平台验证方法的有效性。 结果 解耦后系统相较于解耦前控制精度提高,解耦后支撑前中期膝、踝计算平均绝对误差( mean absolute error,MAE) 分别减少至 0. 001 1°、0. 002 6°,均方根误差( root meansquare error,RMSE) 分别减少至 0. 014 7°、0. 023 6°;支撑末期膝、踝、趾 MAE 分别减少至 0. 011 1°、0. 005 1°、0. 006 5°,RMSE 分别减少至 0. 021 9°、0. 021 0°、0. 012 9°,总体控制误差减少,响应速度加快,并且假肢能够在仿真环境中稳定运行。 结论 本文提出的解耦方法可有效简化下肢假肢系统的控制,并为假肢系统的进一步研究奠定基础。     

外骨骼框架生物力学设计及强度分析

目的 依据人体运动学分析,设计一套模仿人体下肢生理结构和运动特点的外骨骼机械结构,研究外骨骼在步行过程中两个不同时相下的生物力学特性,为外骨骼的设计与优化提供研究基础。方法 首先根据下肢步态分析,应用三维建模软件进行外骨骼机械结构的设计,在生成实体模型后利用有限元软件进行装配、网格划分以及单元属性赋值,并建立各个构建之间的面-面接触关系,模拟分析外骨骼的应力分布情况。结果 在1 kN载荷下,双腿站立（工况1）的最大应力为91.45 MPa,胫骨竖直（工况2）最大应力为154.55 MPa,分别发生在后背支架和髋部,与设计前的传力机制分析结果一致。结论 外骨骼在不同工况下应力分布有明显不同。由于在计算中没有考虑到步行过程中可能产生的冲击等不确定因素,在设计优化外骨骼时需要考虑并乘以一定的安全系数。     

全膝关节置换个体化患者右转步态的骨肌多体动力学仿真

目的构建个体化患者全膝关节置换(total knee replacement,TKR)的骨肌多体力学模型,模拟患者下肢右转步态时体内膝关节的生物力学行为。方法以1位具体患者的相关数据为材料,基于骨肌动力学仿真软件Any Body及其依赖于力的运动学建模方法,建立与患者相对应的TKR下肢骨肌多体动力学模型,并对患者的右转步态进行模拟。通过逆动力学分析右转步态,同时预测患者膝关节接触力、关节运动、肌肉活性和韧带力。结果模型预测的胫骨-股骨关节内、外侧接触力的均值均方根误差分别为285、164 N,相关系数分别为0.95和0.61,预测的髌骨接触力均值最大值为250 N。模型预测的接触力和肌肉活性与患者实验测量结果基本一致。此外,模型预测的胫骨-股骨的伸展弯曲、内外旋和内外翻运动的均值分布范围分别为3°~47°、-3.4°~1.5°、0.2°~-1.5°,胫骨-股骨的前后、上下和内外侧平移的运动范围分别为2.6~9.0 mm、1.6~3.2 mm、4.2~5.2 mm。模型还预测了内、外侧旁系韧带力和后交叉韧带力,其最大值分别为190、108、108 N。结论所开发的模型能够预测人工膝关节体内生物力学行为,为后续研究膝关节假体临床失效问题提供强有力的计算平台。