基于躯干驱动的双足步行机器人三维运动分析及其与人类步态压力中心轨迹的对比研究

针对传统双足机器人难以模拟人类步态生物力学特征的问题，研究人员通过改进膝关节和足踝稳定性构建机械稳定化模型，采用三维运动分析系统（1200?Hz采样频率）对比健康受试者与模型的压力中心（COP）轨迹。发现该躯干驱动模型能部分复现人类双支撑期COP特征，但单腿支撑期存在向后偏移现象，为医学康复领域提供了新型步态研究范式。

　　

在探索人类直立行走奥秘的征程中，传统双足机器人始终面临重大挑战——它们依赖关节处安装的驱动器与传感器，通过控制零力矩点（Zero Moment Point, ZMP）维持平衡，这种"自下而上"的控制模式虽能实现平面行走，却难以模拟人类"躯干驱动-下肢随动"的复杂生物力学特征。更棘手的是，膝关节接触面不规则和足踝多关节不稳定性导致早期仿生模型频繁跌倒，无法获取可靠的压力中心（Center of Pressure, COP）数据，而COP轨迹恰是揭示步态奥秘的关键钥匙。

为突破这一瓶颈，研究人员对原有双足安卓模型进行革命性改造：用铰链式膝关节替代原有结构以消除接触面不规则问题，采用锁定机制稳定足踝关节。这个被称为"原则模型"的新系统通过腰大肌（psoas major）收缩驱动躯干运动产生惯性力，再经骶髂关节传递至下肢，实现了"自上而下"的步行控制。研究团队创造性地将35个标记点安装在健康受试者身上，24个标记点配置于模型，借助高速运动捕捉系统（1200?Hz）和地面反作用力平台，首次系统比较了两者的三维COP轨迹。

主要技术方法
研究采用配对设计，对比原则模型与健康受试者的右足COP轨迹。通过Vicon运动分析系统采集标记点数据，结合MATLAB进行数值处理。关键改进包括：1）膝关节改为铰链结构并添加弹性约束；2）足踝采用锁定机制；3）保留原模型的五组气动肌肉（腰大肌、臀小肌等）驱动系统。

研究结果

双支撑期与单腿支撑期COP对比
在步态周期初期（双支撑期），模型COP轨迹与人类高度吻合，证明躯干驱动的惯性力传递机制能有效模拟人体重量转移。但当进入单腿支撑期（47.5%-61.5%阶段），模型COP出现特征性向后偏移——与行走方向相反的偏差达15.4mm，这与其步幅缩短（模型0.91±0.05?s vs 人类0.41±0.05?s）、步速降低直接相关。

COP轨迹形态学差异
人类COP呈现经典的"问号形"轨迹：从足跟外侧向前内侧延伸至拇趾。模型虽复现了初始外侧偏移特征，但缺乏向前的推进相，这种差异源于腰大肌驱动产生的腰椎前凸（lumbar lordosis）力学效应与人类存在量化差别。值得注意的是，模型单腿支撑期延长现象与骶髂关节融合患者的步态障碍具有相似性。

讨论与意义
这项发表于《Clinical Biomechanics》的研究颠覆了传统步态分析"下肢主动-躯干被动"的认知框架，证实躯干驱动可自主产生近似人类的COP轨迹。腰大肌通过三重力学作用调控步态：矢状面的屈伸力提供推进力，冠状面的侧屈力协助重量转移，水平面的旋转力促进摆动腿前进。尽管模型在步速、步幅参数上与人类存在差距，但其展现的"腰椎前凸-骶髂传递-地面反力"耦合机制为临床步态异常分析提供了新思路，特别是对骶髂关节功能障碍患者的步态预测具有独特价值。未来通过优化躯干质量分布和肌肉协同模式，该模型有望成为连接机器人学与康复医学的创新研究平台。