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基于动作捕捉系统对下肢外骨骼运动分析及步态仿真
摘要：结合生物医学工程，设计出一种人体下肢外骨骼。通过光学动作捕捉系统采集人体正常行走时的位置坐标，分析采集数据，从而获得人体正常行走时的髋、膝和踝关节的角度变化；建立自由度为5的下肢外骨骼运动学模型，随后通过逆运动学求解出各个关节的角度变化，运用于步态规划中；在SolidWorks中建立下肢外骨骼三维模型，运用ADAMS进行动力学仿真，其中对仿真参数的设定为步态规划中求解的各关节角度，通过虚拟样机完成仿真动作，最后将所得的仿真数据与光学动作捕捉系统采集的数据进行对比。数据对比结果显示，下肢外骨骼能基本实现人体的正常行走，确定了模型建立的可适用性、运动学分析与动力学仿真准确性，为后期的研究提供基准。
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下肢外骨骼是一种结合人体机理与机械特性的可穿戴设备，其中涉及生物学、人体工程学、信息处理技术与传感器技术等学科的融合。下肢外骨骼在不同领域的应用价值都非常高，主要分为两大类：第一类是助力型，主要用来协助人负重，增强人体运动能力；第二类为助行性，帮助那些行动不便者，协助他们日常行走[1,2,3]。本文采用数据采集、运动学建模、动力学建模和ADAMS仿真等方法对下肢外骨骼进行分析，从客观的角度验证下肢外骨骼的稳定性与有效性。
1、试验
1.1 目的
通过试验采集人体正常行走时的下肢各项节点数据。
1.2 试验设备及对象
试验设备采用上海青瞳视觉科技有限公司的光学动作捕捉系统，由8个MC1300相机在不同角度进行标记捕捉，其摄像机的布局如图1所示，穿戴者中标记点如图2所示，试验对象为身高在167～180 cm之间。
图1 光学动作捕捉摄像机排布
图2 标记点的分布
1.3 试验数据的采集
光学式动作捕捉系统只有在漆黑环境下才能进行数据采集。在数据采集前需将试验室进行清理，隐藏一切反光物体，防止干扰点的出现，确保采集工作的顺利进行及数据的精确性。在试验室中，将MC1300红外动作捕捉相机安装在同一高度，并排列在房间中均匀排布，确保MC1300相机能捕捉到房间内任何角落的反光点，其排列如图1所示。先打开动作捕捉软件，再点击软件中的校准按钮，将“L型校准尺”放到试验室的中心位置，将其定为房间坐标原点，紧接着将“T型校准尺”拿到追踪环境，开始收集“T型校准尺”在环境中的图像，来确保MC1300相机接收到各位置的反光点；根据人体各节点的分布，将53个标记点粘贴在对应位置（如图2），然后展开双臂，掌心向下，双脚并拢，整个人体成T字形，确保53个标记点能完整投入到动作捕捉软件中，在系统中的建模如图3所示。试验者穿戴好动捕衣后，先简单做几项热身运动，在确定舒适性的同时，保证能在动作捕捉软件中准确反馈出来，从而确保试验数据的实时性与有效性。对每位试验者的每组动作进行20次记录，同时记录每位试验者的身高、体重、腿长、大腿、小腿、膝宽、踝宽等参数，方便后期采集数据的处理。
2、人体步态分析
步态是描述人正常行走的一种周期性现象，并且每一周期都可被划分为多个部分进行分析研究，而步态分析就是对人体运动周期内位姿的研究。关节角度会在步态规划中被反复提到，图4所示为下肢在矢状面投影图，以人体垂直于地面为中心线，髋关节的转动角度为运动状态下大腿与人体中心线的夹角θhip；膝关节的转动角度为运动状态下小腿与人体中心线的夹角θknee；踝关节的转动角为脚底平面法线绕踝关节的转角θankle，取顺时针方向为正，则顺时针方向的髋关节、膝关节、踝关节的角度均取正值。
在一个周期内，下肢髋关节角、膝关节角和踝关节角与时间的变换关系如图5所示[4]。
3、下肢外骨骼运动学分析
3.1 下肢外骨骼坐标系建立
为便于下肢外骨骼的分析，通常将机器人作为几个刚体通过关节连接成的运动链，这些可运动的刚体被称为连杆，下肢外骨骼被抽象为连杆模型。在已知连接的各连杆之间所形成的角度和连杆长度等参数的情况下，求解多连杆末端的位姿问题，称之为运动学。
图3 系统中模型的建立
图4 人体下肢矢状面投影
图5 一个步态周期内正常人下肢步态数据
目前通常采用D-H坐标变换法[5,6]进行建模，其中髋关节为3自由度（横移、俯仰、偏转），膝关节和踝关节为1自由度（俯仰）。共有5×2个自由度，10个广义坐标,如图6所示。
图6 下肢外骨骼运动学模型
在图6所示的各个关节建立坐标系，并以髋关节为基坐标（x0,y0,z0）。根据图6所建的简化模型，建立下肢外骨骼各关节的D-H参数表，如表1所示。其中，θi为zi的旋转角度；αi-1为连杆的旋转角度；di为两条相邻Z轴间公垂线的距离；ai表示连杆的长度。
表1 下肢外骨骼D-H参数表
3.2 正运动学分析
下肢外骨骼的正运动学就是根据下肢外骨骼连杆参数，髋关节、膝关节和踝关节的角度变换来求解末端执行器位姿的变换规律。基于D-H坐标的变换分析，结合表1得到关节之间的齐次变换矩阵，最终建立下肢外骨骼的动力学模型。
其D-H齐次变换矩阵通式为
式中：。
将上述连杆变换矩阵从右依次相乘，最终得到下肢外骨骼末端位姿的相关方程：
末端方程中的各个化简元素如下：
3.3逆运动学分析
机器人的逆运动学是已知末端的位姿和位置，并且知道所有连杆的几何参数，求解各关节的角度。通常采用解析法和数值法来求解逆运动学。其中解析法的运算速度快，但通用性差，而数值法的通用性高，但求解速度慢，在下肢外骨骼领域采用数值法中的雅可比矩，它的通用性与准确性比解析法更加适合下肢外骨骼。以下就是通过逆运动的雅可比转换矩阵进行末端位姿中各个关节θi的求解[7]。
1）求解θ1、θ2。
利用逆变换左乘方程，得：
已知末端位姿，设式（15）等号两侧元素（2,3）（两行三列）相等，可得
采用三角迭代法，令
将式（17）代入式（16）得
式（15）两侧同乘，化简得
令式（19）中（2,4）两侧元素相等，即
解得
2）求解θ3、θ4、θ5。
令式（19）中（3,1）、（3,2）两侧元素分别相等，即：
则：
式中：
4、下肢外骨骼仿真分析
ADAMS软件能展示出下肢外骨骼的运动，并更好地进行动力学的仿真与分析[8,9]。
4.1下肢外骨骼仿真模型
按照GB/T 5703—1999提供的人体尺寸测量各部位的相关关系[10]。以身高为175 cm的成年人为例，按照人体各部位的关系，在SolidWorks建立下肢外骨骼模型，如图7所示。其中支撑架1、大腿杆件2、小腿杆件3和脚底4为刚性件，起支撑与传递运动的作用。为方便观察研究与分析，将髋关节、膝关节和踝关节的自由度定为1。
4.2 ADAMS仿真分析
将已经建立好的下肢外骨骼模型导入到ADAMS中，如图4所示，在仿真过程中需要对人体模型、下肢外骨骼模型及地面模型参数进行设计，以接近实际运动环境，达到近乎真实的模拟效果，其中参数设计如下。
图7 下肢外骨骼模型
1.支撑架；2.大腿杆件；3.小腿杆件；4.脚底。
1）材料属性添加。
在仿真之前，需要对人体模型、下肢外骨骼模型及地面进行材料的选择，如表2所示。
表2 材料属性
2）施加约束。
本文主要研究下肢部位，故对上肢部分与腰部进行固定。在大腿与躯干部添加旋转副，以模拟髋关节的转动与上下抬腿动作；同理，在大腿与小腿连接处添加旋转副，以模拟踝关节的抬腿动作；在小腿与脚掌连接处添加旋转副，以模拟运动时脚掌的抬起与脚尖的下落。并且在运动过程中对“地面”进行固定处理，在人体与地面之间添加平行约束，防止模型行走过程中发现左右摇摆、重心不稳的现象。
3）添加驱动。
将模型中的约束条件施加完后，接下来要对运动关节添加驱动函数。将STEP函数作为关节驱动函数，根据采集的试验数据未参考轨迹，并保存为“.txt”格式，导入ADAMS中生成5个关节的spline曲线函数并使用STEP函数调用，关节驱动函数设定为AKISPL(time,0,SPLINE＿2,1)等。
4）仿真及结果分析。
正常人行走的一个周期是1.5 s，设置仿真时间为9 s，为便于观察将仿真步长设置为2000，在仿真过程中，下肢外骨骼能很好地完成正常人体行走。图8为髋关节、膝关节和踝关节的速度图，从图8中可以看出，3个关节速度呈周期性变化，突出下肢外骨骼行走的平稳性。图9所示为试验中质心在x、y、z轴上的位移曲线，从中可看出下肢外骨骼在步态运动时候，质心在x方向保持稳定；y轴表示在步态运动中质心在左右摆动，呈现出类似正弦变化的曲线；z轴为移动方向，所以整条曲线随时间的变化不断上升。图10为髋关节、膝关节和踝关节在z轴的位移，可以看出三者都呈上升趋势，并且波动弧度较为平缓相近。图11为试验和仿真中质心在z轴上的位移曲线对比，通过对比得出两曲线的变化趋势几乎一致，这样确定仿真能完成人体步态行走，且保持在稳定状，但因两数据的起点不同，故仅供参考。
5、结论
1）本文设计出自由度为5的下肢外骨骼，具有一定的灵活性，能满足穿戴者的日常需求，也为后续自由度的添加、在不同路面的行走、运动及结构的设计提供一定的基础。
2）建立D-H及运动学模型，通过逆运动学求解得到5自由度关节的角度变化，可以更加直观地发现各个角度的变化。
图8 髋关节、膝关节和踝关节的速度
图9 仿真试验质心在x、y、z轴上的位移
图1 0 髋关节、膝关节和踝关节位移
3）基于光学动态捕捉系统，得到各个关节在不同平面的位移及转动角度的变化，使下肢外骨骼的设计更加贴近人体的结构，更加贴切地模拟人体行走动作，为步态规划提供良好的参考依据。
图1 1 试验和仿真中质心在z轴上的位移
4）通过ADAMS仿真下肢外骨骼的行走，对试验采集数据与仿真数据进行对比，验证了模型的可行性，也为物理样机的开发提供参考。
参考文献:
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文章来源:王珂,谭昕.基于动作捕捉系统对下肢外骨骼运动分析及步态仿真[J].机械工程师,2024(06):67-70+75.
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2024-06-11
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