27、步态地面反作用力预测与日常活动监测技术研究

步态地面反作用力预测与日常活动监测技术研究

步态地面反作用力预测方法

在步态分析中，地面反作用力的研究至关重要。地面反作用力分为水平方向的分力 (F_x)（摩擦力）和垂直方向的分力 (F_y)，这里主要关注垂直分力 (F_y)。其计算公式为：
[
F_y = M \times a_y =
\begin{bmatrix}
m_{shank} & m_{shank} & m_{thigh} & m_{thigh} & m_{upper}
\end{bmatrix}
\begin{bmatrix}
a_{y_{left_shank}} \
a_{y_{right_shank}} \
a_{y_{left_thigh}} \
a_{y_{right_thigh}} \
a_{y_{upper}}
\end{bmatrix}
]
其中，(M) 是质量矩阵，代表简化行走模型中各肢体的质量；(a_y) 是各肢体在垂直方向的加速度，可由直接获取的小腿加速度以及间接获取的大腿姿态角、小腿长度和大腿长度计算得出。而 (F_x) 和 (M_{xy})（地面在步态中对人体施加的扭矩）可通过各肢体的转动惯量、角加速度和水平加速度直接计算，但并非研究重点。

在双支撑阶段，由于双下肢同时着地，无法直接从运动学数据计算双下肢地面反作用力的分布。为此，设计了一个多元非线性回归模型，输入健康受试者的地面反作用力数据（健康受试者的地面反作用力比患者更有规律，有利于回归出理想模型），直接回归模型的各个参数。通过以下公式计算回归模型的实时输入信号 (x)：
[