基于三維動態捕捉系統和Matlab的穿戴式下肢外骨骼步態分析

孟慶鑫，李志瑤

(1.長春理工大學 機電工程學院，長春 130022;2.長春大學 機械與車輛工程學院，長春 130022)

基于三維動態捕捉系統和Matlab的穿戴式下肢外骨骼步態分析

孟慶鑫1，李志瑤2

(1.長春理工大學 機電工程學院，長春 130022;2.長春大學 機械與車輛工程學院，長春 130022)

使用三維動態捕捉系統獲取人體下肢關鍵點的運動軌跡和三維數據，用Matlab軟件分析數據，繪制時間-坐標圖形，建立穿戴式下肢外骨骼的三維模型，為進一步研究穿戴式下肢外骨骼奠定基礎。

三維動態捕捉;下肢外骨骼;Matlab分析;三維模型

0 引言

穿戴式下肢康復外骨骼是近年來出現的一種新型康復器械，作為醫療器械的一個重要分支，它的研究融合了康復醫學、生物力學、機械學、機械力學、電子學、材料學、計算機圖形學、數學分析以及機器人學等諸多的領域，已經成為了國際康復器械領域的一個研究熱點。

基于穿戴式下肢外骨骼的Matlab分析主要是針對外骨骼的運動學分析。機構運動學主要從幾何角度出發，研究機構的位移、速度、角速度和加速度與位置變量之間關系，包括機構上的點的軌跡、速度、加速度等運動特征，并不考慮引起這些運動的力和力矩。運動學是機構結構分析的基礎，也是機構速度分析、加速度分析及總體機構的基礎。

本文使用ProE軟件繪制穿戴式外骨骼三維模型，使用三維動態捕捉系統獲得人體下肢運動軌跡，使用matlab分析軌跡，進行運動學分析，確定人體步態，為下一步研究奠定基礎。

1 建立穿戴式下肢外骨骼三維模型

穿戴式下肢外骨骼采用擬人化設計，以下肢運動軌跡為依據進行結構設計，機械關節的活動范圍必須保證能在正常人的步態范圍之內。人體下肢運動關節主要由髖關節、膝關節、踝關節三個部分組成，髖關節主要運動特征為前屈、伸縮、收縮、外展、內旋、外旋、繞環;膝關節主要運動特征為前屈、伸縮、內旋、外旋;踝關節主要運動特征為前屈、伸縮。通過三個主要關節的運動特征的比較可知，各關節的運動雖不相同，但都是以前屈、伸縮運動為主要運動特性。

穿戴式下肢外骨骼主要分為髖關節部分、膝關節部分和踝關節部分。髖關節為多軸性關節，能作前屈、伸縮、旋轉運動;膝關節為內旋/外旋、前屈/后伸兩個動作;踝關節為內旋/外旋、前屈/后伸、內收/外展三個動作。

根據對穿戴式下肢外骨骼的結構分析，可繪制出下肢外骨骼的三維結構圖，如圖1所示:

穿戴式下肢外骨骼的三維結構圖為下一步進行結構設計，優化結構模型奠定了基礎。

圖1 外骨骼結構圖

2 三維動態捕捉系統簡介

三維動態捕捉系統包含捕捉攝像機、連接纜線、供電系統及數據交流用的集線器硬件、系統校準套件和捕捉反光球。系統配有專門的運動捕捉軟件，進行系統設定、捕捉過程控制、捕捉數據的編輯處理、輸出等。在實驗人員的腰、髖、膝蓋、腳踝、大腿、小腿和腳尖、腳跟等部位粘貼maker點，使用cortex系統捕捉maker點的運動軌跡，同時生成maker點的坐標，以便后期的數據處理。

圖2為maker點在實驗人員身體上貼的位置:

圖2 maker點在實驗人員身體上貼的位置

當實驗人員以正常步態行走時，動態捕捉系統的捕捉攝像頭會捕捉maker點的軌跡，并在cortex系統上形成maker點的軌跡圖像，通過系統的連線功能，連接maker點，形成人體簡化骨骼圖像。

3 動態捕捉系統的圖像采集和數據分析

一個正常人的步態又分為兩個階段，即支撐期和擺動期。支撐期以足跟接地開始，當腳趾離地時即進入擺動期。正常人的步態周期可劃分為雙側支撐期、單側支撐期和擺動期。支撐期占總體步態周期的60%(其中單側支撐期占40%，雙側支撐期占20%)，擺動期占總體步態周期的40%。雙側支撐期中包括承重期和擺動前期，各占步態周期的10%。

平地直線行走是下肢運動的最基本形式，也是穿戴式下肢康復機器人的主要模擬目標和評定指標。圖3為動態捕捉系統捕捉的人體下肢擺動周期圖像(采集頻率為60Hz):

圖3 動態捕捉系統捕捉的人體下肢擺動周期圖像(采集頻率為60Hz)

根據動態捕捉系統采集的圖像自動生成的maker點的坐標，采用對步態分析最關鍵的髖、膝、踝關節處的maker點進行matlab分析，繪制時間-位移二維圖像。如圖4所示:

圖4 時間－位移二維圖像

圖4中的采集點軌跡中有些并不連貫，是由于采集過程中因為肢體遮擋住了maker點，或捕捉攝像機未能有效捕捉到maker點，造成軌跡出現亂點。

4 結語

由matlab圖像分析可知，髖、膝、踝關節在x軸隨時間運動特征基本是一條直線，符合直線運動特征，而各關節在y軸的運動特征有一定的周期性，說明人體在行走過程中有一定的左右擺動，各關節在z軸的運動特征有明顯的周期性，符合人體步態擺動期的運動特征。

通過三維動態捕捉系統采集的運動軌跡參數和三維數據，得到正常人的步態數據，應用matlab軟件分析數據，確定人體髖、膝、踝關節的運動特征，為穿戴式下肢外骨骼的設計提供理論數據，為下一步研究穿戴式下肢外骨骼奠定了基礎。

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Analysis on Wearable Lower Extremity Exoskeleton Gait Based on 3D Dynamic Capture System and Matlab

MENG Qing-xin1，LI Zhi-yao2
(1.School of Mechatronical Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022，China;2.College of Machinery and Vehicle Engineering，Changchun University，Changchun 130022，China)

This paper obtains the trajectory and 3D datum of human lower limb key points by 3D dynamic capture system，uses Matlab software to analyze the datum，draws the time-coordinate graphics and establishes a 3D model of wearable lower limb exoskeleton，which lays a foundation for further study on wearable lower limb exoskeleton.

3D dynamic capture;lower limb exoskeleton;Matlab analysis;3D model

TP 242.3

A

1009-3907(2013)12-1576-03

2013-10-28

孟慶鑫(1985-)，男，遼寧葫蘆島人，碩士研究生，主要從事機械制造及其自動化方面的研究。

李志瑤(1963-)，女，吉林長春人，教授，博士，主要從事機械制造及其自動化方面的研究。

責任編輯:

吳旭云