外加膝关节辅助力矩对下肢关键肌群肌力的影响分析

目的以减小步行时的膝关节合力为目标,基于受试者在正常步行状态下的膝关节合力和膝关节力矩,计算解析减少不同程度的膝关节合力所需的辅助力矩,并研究多种步速下辅助力矩对下肢关键肌群肌力的影响规律。方法通过三维光学动作捕捉系统及测力台采集人体在慢速步速、正常步速以及快速步速下的运动学和动力学数据。基于OpenSim生物力学计算平台计算下肢关键肌群肌力、膝关节合力及膝关节力矩,然后将膝关节合力按照减少5%、10%、15%、20%的目标进行等比缩减,在MATLAB中采用全局优化算法计算得到辅助力矩,最后分析辅助力矩对下肢关键肌群的影响规律。结果辅助力矩随膝关节合力减少的程度而增加,并且不同步速下辅助力矩的平均相关系数为0.87,最高相关系数为0.96。施加辅助力矩后,腘绳肌、股四头肌、腓肠肌的肌力分别在支撑相初期、支撑相中期、支撑相末期和预摆期减少的平均比例最大,并且在慢速步速下上述三个肌群肌力减少的平均比例最大,其值分别为31%、26%和23%。结论膝关节辅助力矩主要通过减弱下肢关键肌群的肌力来减少膝关节合力。本研究的结果提示不同步速下对膝关节施加特定幅度和变化趋势的辅助力矩,能够达到防止膝关节过载损伤等目的,可为主动机械外骨骼等辅助设备的驱动策略提供数据参考。