人体行走步态周期转换为不同相位描述

本文主要是介绍人体行走步态周期转换为不同相位描述，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

一、步行周期

二、相关论文描述

三、参考文献

一、步行周期

人体行走时的步态状态通常采用传感器进行判断，比如Dong Jin Hyun等[1]通过嵌入两个力感应电阻的鞋垫来估计的步行状态，其中一个检测脚趾接触，另一个检测脚后跟接触[5]。Conor James Walsh[3]基于外骨骼的角度和力传感器读数，实现了状态机控制策略。上述论文都是将连续步态离散化，通过条件判断进行触发，实现不同相位阶段的辅助助力。
通常可以将一个步态周期划分为不同的相位，每一个步态周期都可以分为支撑相和摆动相两大阶段[6]。

图 1 正常行走周期下以单腿为对象的步态划分 [6]

1、支撑相[6]
        支撑相是指下肢(单腿)接触地面和承受重力的时间，即在行走过程中与地面始终有接触的阶段，约占步态周期的60%；
1.1、支撑相详细描述
支撑相分为站立前期、站立中期和站立后期。
(1)、站立前期
        站立前期属于双足支撑期,有两个典型状态:脚跟触地与全足着地,该时期的人体重心在整个步态周期中最为稳定。站立前期开始于脚跟触地的动作,脚跟触地后下肢的前向运动逐渐减慢。人体重心在脚跟触地后由脚跟向全脚掌转移,达到全足着地的状态。
(2)、站立中期
        站立中期是开始于全足着地的状态,此刻人体重心转移到支撑脚上,从双足支撑期向单足支撑期转变。站立中期阶段的全足着地状态能够保持下肢膝关节的稳定性,防止下肢发软,并且牵引胫骨向前运动,为摆动期人体的前向运动做准备。
(3)、站立后期
        站立后期同样包含两个典型状态:脚跟离地与脚尖离地。双足支撑相始于一侧脚跟离地状态,此刻另一侧下肢脚跟触地期,即站立前期。进入脚尖离地状态,下肢膝关节开始加速运动,此时肌肉释放能量,人的身体逐渐前移,准备进人摆动期。

图 2 支撑期描述

2、摆动相[6]
        摆动相是指足离开地面向前迈步到再次落地之间的时间，约占步态周期的40%。
2.1、摆动相详细描述
摆动相分为摇摆前期、摇摆中期和摇摆后期。
(1)、摆动前期
        摆动前期阶段人体下肢加速向前摆动,双脚相间,下肢膝关节达到最大摆动角度值避免脚尖碰到地面,此时膝关节处于屈曲状态。
(2)、摆动中期(此时脚还未落地，图中有误)
        摆动中期阶段人体下肢摆至身前,髋关节处于屈曲状态,踝关节从跖屈状态转变为背屈状态,人体向前摆动并且重心前移。
(3)、摆动后期
        摆动后期阶段人体下肢的各关节运动开始减速,结束于脚跟触地。

图 3 摆动期描述

二、相关论文描述

当没有足部传感器时[4]，采用过零时间来统一划分一个步行周期。

将步态分为了四个阶段[1]：
(1)、摆动相
表示腿不与地面接触的步态阶段。

(2)、支撑相
表示腿与地面接触，并处于支撑状态。

(3)、脚跟撞击阶段
表示由摆动相转换到支撑相。

(4)、脚趾脱离阶段
表示由支撑相转换到摆动相。

步态相位通过检测各自摆动腿的脚跟撞击来从单支撑状态切换到双支撑状态，这可以通过电阻式足压传感器来测量[2]。

步态阶段为:
1、双支撑

2、左腿早期摆动(屈曲)

3、左腿晚期摆动(伸展)

4、右腿早期摆动(屈曲)

5、右腿晚期摆动(伸展)

三、参考文献

[1]. Development of Ankle-Less Active Lower-Limb Exoskeleton Controlled Using Finite Leg Function State Machine
[2].Design and Experimental Verification of Hip Exoskeleton With Balance Capacities for Walking Assistance
[3].An autonomous, underactuated exoskeleton for loadcarrying augmentation
[4].An Event-Driven Control to Achieve Adaptive Walking Assist with Gait Primitives
[5].Powered Hip Exoskeletons Can Reduce the User’s Hip and Ankle Muscle Activations During Walking
[6].外骨骼机器人控制原理与设计.蒋磊

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