一种下肢辅具翻滚形状仿生设计方法

1.本发明涉及生物医学工程领域，尤其涉及一种下肢辅具翻滚形状仿生设计方法。


背景技术：

2.对于下肢残障的人士(诸如代偿老年人、伤病人和残疾人等人群)而言，使用下肢辅具是其实现正常出行的主要方式。对于使用下肢辅具的使用者来说，合理的下肢辅具设计结构会给使用者带来良好的使用体验，在实现行走功能的同时还能有舒适的行走体验，这是目前下肢辅具设计所追求的目标。
3.然而，是否能够给使用者带来舒适的行走体验，这在很大程度上是取决于下肢辅具能否实现良好的足底翻滚功能，对于使用者而言，下肢辅具的良好足底翻滚功能不仅能够提供行走的稳定性，同时还能够降低步行能耗。
4.目前的问题在于：
5.由于目前还没有合理有效的下肢局部部位翻滚形状仿生设计方法，因此，目前还没有形成一种评估和仿生设计假肢、矫形器和足部辅具翻滚形状的科学和有效的方法，传统的下肢辅具翻滚形状设计往往仅由专业矫形师按照经验手工制作多副辅具，通过反复修正，才能确定最适合临床患者的设计。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种下肢辅具翻滚形状仿生设计方法，该翻滚形状仿生设计方法能够合理准确地确定下肢局部部位翻滚形状，为评估和仿生设计假肢、矫形器和足部辅具翻滚形状提供了有效的技术支撑。
7.为了实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
8.一种下肢辅具翻滚形状仿生设计方法，包括：
9.获取从脚后跟接触力板到对侧脚后跟接触力板，足底地面反作用力的压力中心位置数据和下肢关节标记位置数据；
10.基于下肢关节标记位置数据构建下肢局部坐标系；
11.将压力中心位置数据拟合到局部坐标系中，得出下肢局部部位的翻滚坐标，将整个支撑相翻滚坐标拟合的圆弧作为下肢局部部位翻滚形状。
12.进一步地，
13.所述基于下肢关节标记位置数据构建下肢局部坐标系，其具体为，基于下肢关节标记位置数据构建下肢足部的足基坐标系；
14.所述将压力中心位置数据拟合到局部坐标系中，得出下肢局部部位的翻滚坐标，将整个支撑相翻滚坐标拟合的圆弧作为下肢局部部位翻滚形状，其具体为，将压力中心位置数据拟合到足基坐标系中，得出下肢足部的翻滚坐标，将整个支撑相足翻滚坐标拟合的圆弧作为足翻滚形状。
15.进一步地，所述将压力中心位置数据拟合到足基坐标系中，得出下肢足部的翻滚
坐标，其具体实现的方法包括：
16.根据所述压力中心位置数据和下肢关节标记位置数据来计算确定压力中心至踝关节中心距离、大脚趾至踝关节中心距离、大脚趾至压力中心距离以及脚后跟至大脚趾距离；
17.在足基坐标系中预先定义第一足基预定义角和第二足基预定义角；
18.根据压力中心至踝关节中心距离、大脚趾至踝关节中心距离、大脚趾至压力中心距离以及脚后跟至大脚趾距离来计算第一足基预定义角和第二足基预定义角的角度；
19.基于压力中心至踝关节中心距离以及第一足基预定义角和第二足基预定义角的角度，计算得出足翻滚坐标。
20.进一步地，
21.所述基于下肢关节标记位置数据构建下肢局部坐标系，其具体为，基于下肢关节标记位置数据构建下肢踝-足部的踝-足基坐标系；
22.所述将压力中心位置数据拟合到局部坐标系中，得出下肢局部部位的翻滚坐标，将整个支撑相翻滚坐标拟合的圆弧作为下肢局部部位翻滚形状，其具体为，将压力中心位置数据拟合到踝-足基坐标系中，得出下肢踝-足部的翻滚坐标，整个支撑相踝-足翻滚坐标拟合的圆弧作为踝-足翻滚形状。
23.进一步地，所述将压力中心位置数据拟合到踝-足基坐标系中，得出下肢踝-足部的翻滚坐标，其具体实现的方法包括：
24.根据压力中心位置数据和踝关节标记位置数据来计算确定压力中心至踝关节中心距离；
25.在踝-足基坐标系中预先定义第一踝足基预定义角、第二踝足基预定义角和第三踝足基预定义角；
26.根据压力中心、踝关节中心以及膝关节中心的坐标数据来计算第一踝足基预定义角、第二踝足基预定义角和第三踝足基预定义角的角度；
27.基于压力中心至踝关节中心距离以及第三踝足基预定义角的角度，计算得出踝-足翻滚坐标。
28.进一步地，
29.所述基于下肢关节标记位置数据构建下肢局部坐标系，其具体为，基于下肢关节标记位置数据构建下肢膝-踝-足部的膝-踝-足基坐标系；
30.所述将压力中心位置数据拟合到局部坐标系中，得出下肢局部部位的翻滚坐标，将整个支撑相翻滚坐标拟合的圆弧作为下肢局部部位翻滚形状，其具体为，将压力中心位置数据拟合到膝-踝-足基坐标系中，得出下肢膝-踝-足部的翻滚坐标，整个支撑相膝-踝-足翻滚坐标拟合的圆弧作为膝-踝-足翻滚形状。
31.进一步地，
32.所述将压力中心位置数据拟合到膝-踝-足基坐标系中，得出下肢膝-踝-足部的翻滚坐标，其具体实现的方法包括：
33.根据压力中心位置数据和踝关节标记位置数据来计算确定压力中心至踝关节中心距离；
34.在膝-踝-足基坐标系中预先定义第一膝踝足基预定义角、第二膝踝足基预定义角
和第三膝踝足基预定义角；
35.根据压力中心、踝关节中心以及髋关节中心的坐标数据来计算第一膝踝足基预定义角、第二膝踝足基预定义角和第三膝踝足基预定义角的角度；
36.基于压力中心至踝关节中心距离以及第三膝踝足基预定义角的角度，计算得出膝-踝-足翻滚坐标。
37.进一步地，所述获取从脚后跟接触力板到对侧脚后跟接触力板，足底地面反作用力的压力中心位置数据和下肢关节标记位置数据，其具体实现的方法包括：
38.实验在运动分析研究实验室进行，该实验室配备了两个记录960hz数据的力平台和一个记录100hz数据的八摄像头运动分析系统，力和运动数据随后以100hz同步；
39.根据的helen hayes标记组，将红外反射标记贴在受试者下肢关节位置上；
40.受试者步行在6.1米长的走道上，由运动分析系统捕获并记录下肢的关节标记位置数据，由两个嵌在走道上的六轴力台获取足底地面反作用力的压力中心位置数据。
41.本发明的一种下肢辅具翻滚形状仿生设计方法从理论建模角度，对下肢辅具翻滚形状的评估和仿生设计提供了科学有效的方法。本发明的翻滚形状仿生设计方法可以用于比较残疾人受影响的下肢系统的翻滚形状与非残疾人下肢系统一致的翻滚形状。本发明的翻滚形状仿生设计方法可以用于设计下肢假肢、矫形器和足部辅具，可以用于代偿下肢关节丧失的翻滚功能，提供行走的稳定性和经济性。
42.本发明的翻滚形状仿生设计方法相对现有技术，其有益效果在于：能够合理准确地确定下肢局部部位翻滚形状，为评估和仿生设计假肢、矫形器和足部辅具翻滚形状提供了有效的技术支撑。
附图说明
43.图1为本发明的一种下肢辅具翻滚形状仿生设计方法的流程示意图；
44.图2为基于本发明的实施方式1中足部翻滚形状几何计算示意图；
45.图3为基于本发明的实施方式1中足部翻滚形状矢状尺寸图；
46.图4为基于本发明的实施方式2中踝-足部翻滚形状几何计算示意图；
47.图5为基于本发明的实施方式2中踝-足部翻滚形状矢状尺寸图；
48.图6为基于本发明的实施方式3中膝-踝-足部翻滚形状几何计算示意图；
49.图7为基于本发明的实施方式3中膝-踝-足部翻滚形状矢状尺寸图；
50.图8为基于本发明的翻滚形状仿生设计方法设计模型图；
51.图9为基于本发明的翻滚形状仿生设计方法设计的鞋具、矫形器和假肢的模型图。
具体实施方式
52.下面用具体实施例对本发明作进一步说明：
53.需要说明的是，本文所提及的下肢是指人体的下肢，即腿部。
54.参见图1，本发明的总体构思概括为如下步骤1至步骤3。
55.步骤1，采用现有技术手段来获取从脚后跟接触力板到对侧脚后跟接触力板，“足底地面反作用力的压力中心(cop)位置数据”和“下肢关节标记位置数据”。
56.步骤2，基于步骤1中获取的下肢关节标记位置数据构建下肢的“足”、“踝-足”或“膝-踝-足”等局部部位的局部坐标系；所构建的局部坐标系为二维直角坐标系。
57.步骤3，将步骤1中获取的“压力中心位置数据”拟合到步骤2中构建的局部坐标系中，得出下肢的足、踝-足或膝-踝-足等局部部位的翻滚坐标，整个支撑相翻滚坐标拟合的圆弧即为对应所述局部部位翻滚形状。
58.最终，步骤3获得的翻滚形状用于下肢辅具设计成特定弧形轮廓的仿生翻滚形状。
59.以下提供三个具体的实施方式，这三个具体实施方式均是基于上述的发明构思，具体如下：
60.实施方式1：
61.参见图2和图3，本实施方式1提供了一种足部翻滚形状设计方法，具体来说，所述足部翻滚形状设计方法包括如下步骤s110至s130。
62.s110，基于预先设置确定的实验坐标系，采用现有技术手段来获取从脚后跟接触力板到对侧脚后跟接触力板，“足底地面反作用力的压力中心位置数据”(坐标数据)和“下肢关节标记位置数据”(坐标数据)。
63.需要说明的是，所获取的压力中心位置数据和下肢关节标记位置数据应尽可能与目标用户匹配适合，因此，在获取数据时，应尽量基于目标用户自身的下肢来获取数据。比如，当目标用户的一个足部被截肢或丧失正常足底翻滚功能时，可以考虑基于另一个足部来获取数据。然而，当目标用户的两个足部被截肢或丧失正常足底翻滚功能时，则可以考虑基于“下肢状况与目标用户相近的正常人”的下肢来获取数据。
64.需要说明的是，所述“足底地面反作用力的压力中心位置数据”和下肢关节标记位置数据的获取是可以采用现有的多种技术手段来实现的。在本实施方式中，具体的实现方法如下：
65.s111，实验在运动分析研究实验室进行，该实验室配备了两个记录960hz数据的力平台和一个记录100hz数据的八摄像头运动分析系统，力和运动数据随后以100hz同步。
66.s112，根据的helen hayes标记组，将红外反射标记贴在受试者下肢关节标记位置上。
67.s113，受试者步行在6.1米长的走道上，由运动分析系统捕获并记录下肢的关节标记位置数据，由两个嵌在走道上的六轴力台获取足底地面反作用力的压力中心位置数据。
68.在本实施方式1中，所述关节标记位置包括：脚后跟(heel)、大脚趾(toe)和踝关节中心。
69.s120，基于步骤s110中获取的下肢关节标记位置数据构建下肢的足部部位的局部坐标系，该构建的局部坐标系称其为“足基坐标系”。
70.所构建的足基坐标系为二维直角坐标系，
71.所构建的足基坐标系的两个坐标轴分别为x坐标轴和z坐标轴；
72.将足基坐标系的原点确定为踝关节中心处；
73.将足基坐标系的x坐标轴正方向确定为脚跟至大脚趾矢量；
74.将足基坐标系的z坐标轴正方向确定为位于矢状面并且垂直于脚跟至大脚趾矢量的指向小腿的矢量方向。
75.需要说明的是，所述“脚跟至大脚趾矢量”是指，从脚跟开始并通过大脚趾的矢量方向。
76.s130，将步骤s110中获取的“压力中心位置数据”拟合到步骤s120中构建的足基坐标系中，得出下肢的足部部位的翻滚坐标，整个支撑相足翻滚坐标拟合的圆弧即为足翻滚形状。
77.该步骤s130，其具体实现的方法包括步骤s131至s134。
78.s131，根据所述“压力中心位置数据”和下肢关节标记位置数据来计算确定压力中心至踝关节中心距离、大脚趾至踝关节中心距离、大脚趾至压力中心距离、、以及脚后跟至大脚趾距离。
79.在本实施方式1中，压力中心至踝关节中心距离用d1来表示，大脚趾至踝关节中心距离用d2来表示，大脚趾至压力中心距离用d3来表示，脚后跟至大脚趾距离用d4来表示。
80.需要说明的是，所述压力中心至踝关节中心距离、大脚趾至踝关节中心距离、大脚趾至压力中心距离、以及脚后跟至大脚趾距离，这些距离数值均为采样数据的均值。由于每次采集的是标记点空间位置坐标，在人向前走的过程中，每个标记的位置都在变化，但两个标记的绝对距离理论上是不变的，但是，人在运动的话，皮肤会有微动，所以这些距离数值会有微变，通过计算均值，就可以消除微变的影响。
81.s132，在足基坐标系中预先定义两个夹角，这两个夹角分别称其为第一足基预定义角和第二足基预定义角。
82.所述第一足基预定义角定义为“从踝关节中心出发到压力中心和大脚趾的两条直线之间的夹角”。在本实施方式中，第一足基预定义角用α1来表示。
83.所述第二足基预定义角定义为“从大脚趾出发到压力中心和脚跟的两条直线之间的夹角”。在本实施方式中，第二足基预定义角用α2来表示。
84.s133，根据压力中心至踝关节中心距离、大脚趾至踝关节中心距离、大脚趾至压力中心距离以及脚后跟至大脚趾距离来计算第一足基预定义角和第二足基预定义角的角度。
85.所述第一足基预定义角和第二足基预定义角的角度是通过公式计算得出的，具体来说，
86.所述第一足基预定义角的角度依据公式
[0087][0088]
来计算得出。
[0089]
所述第二足基预定义角的角度依据公式
[0090][0091]
来计算得出。
[0092]
s134，基于压力中心至踝关节中心距离以及第一足基预定义角和第二足基预定义角的角度，根据公式来计算得出足翻滚坐标(roll-overx,roll-overz)。
[0093]
足翻滚坐标中的“roll-overx”根据公式
[0094]
roll-overx＝d1
·
cos(α1+α2)
[0095]
计算得出。
[0096]
足翻滚坐标中的“roll-overz”根据公式
[0097]
roll-overz＝-d1
·
sin(α1+α2)
[0098]
计算得出。
[0099]
需要说明的是，所述足翻滚坐标(roll-overx,roll-overz)为基于足基坐标系的坐标数据。
[0100]
最后计算得出了足翻滚坐标，整个支撑相足翻滚坐标拟合的圆弧即为足翻滚形状。
[0101]
实施方式2：
[0102]
参见图4和图5，本实施方式2提供了一种踝-足部翻滚形状设计方法。
[0103]
所述踝-足部翻滚形状设计方法包括如下步骤s210至s230。
[0104]
s210，基于预先设置确定的实验坐标系，采用现有技术手段来获取从脚后跟接触力板到对侧脚后跟接触力板，“足底地面反作用力的压力中心位置数据”和“下肢关节标记位置数据”。
[0105]
如实施方式1一样，所获取的压力中心位置数据和下肢关节标记位置数据应尽可能与目标用户匹配适合。
[0106]
在本实施方式中，获取压力中心位置数据和下肢关节标记位置数据的具体实现方法如下：
[0107]
s211，实验在运动分析研究实验室进行，该实验室配备了两个记录960hz数据的力平台和一个记录100hz数据的八摄像头运动分析系统，力和运动数据随后以100hz同步。
[0108]
s212，根据的helen hayes标记组，将红外反射标记贴在受试者下肢关节标记位置上。
[0109]
s213，受试者步行在6.1米长的走道上，由运动分析系统捕获并记录下肢的关节标记位置数据，由两个嵌在走道上的六轴力台获取足底地面反作用力的压力中心位置数据。
[0110]
在本实施方式2中，所述关节标记位置包括：踝关节中心和膝关节中心(knee)。
[0111]
s220，基于步骤s210中获取的下肢关节标记位置数据构建下肢的踝-足部部位的局部坐标系，该构建的局部坐标系称其为“踝-足基坐标系”。
[0112]
所构建的踝-足基坐标系为二维直角坐标系，
[0113]
所构建的踝-足基坐标系的两个坐标轴分别为x坐标轴和z坐标轴；
[0114]
将踝-足基坐标系的原点确定为踝关节中心处；
[0115]
将踝-足基坐标系的z坐标轴正方向确定为踝关节中心至膝关节中心矢量；
[0116]
将踝-足基坐标系的x坐标轴正方向确定为位于矢状面并且垂直于z坐标轴正方向的指向前方的矢量方向。
[0117]
需要说明的是，所述“踝关节中心至膝关节中心矢量”是指，从踝关节中心开始并通过膝关节中心的矢量方向。
[0118]
s230，将步骤s210中获取的“压力中心位置数据”拟合到步骤s220中构建的踝-足基坐标系中，得出下肢的踝-足部部位的翻滚坐标，整个支撑相踝-足翻滚坐标拟合的圆弧即为踝-足翻滚形状。
[0119]
该步骤s230，其具体实现的方法包括s231至s234。
[0120]
s231，根据所述“压力中心位置数据”和踝关节标记位置数据来计算确定压力中心至踝关节中心距离。
[0121]
在本实施方式2中，压力中心至踝关节中心距离用d1来表示。
[0122]
需要说明的是，所述压力中心至踝关节中心距离数值为采样数据的均值。这与实施方式1同理。
[0123]
s232，在踝-足基坐标系中预先定义三个夹角，这三个夹角分别称其为第一踝足基预定义角、第二踝足基预定义角和第三踝足基预定义角。
[0124]
所述第一踝足基预定义角定义为“从踝关节中心出发到膝关节中心的直线和实验坐标系的z坐标轴的正方向的夹角”。在本实施方式中，第一踝足基预定义角用θ来表示。
[0125]
所述第二踝足基预定义角定义为“从踝关节中心出发到压力中心的直线和实验坐标系的z坐标轴的正方向的夹角”。在本实施方式中，第二踝足基预定义角用α来表示。
[0126]
所述第三踝足基预定义角定义为“从踝关节中心出发到压力中心的直线和踝-足基坐标系的x坐标轴正方向的夹角”。在本实施方式中，第三踝足基预定义角用β来表示。
[0127]
s233，根据之前确定的“压力中心、踝关节中心以及膝关节中心的坐标数据”来计算第一踝足基预定义角、第二踝足基预定义角和第三踝足基预定义角的角度。
[0128]
所述第一踝足基预定义角、第二踝足基预定义角以及第三踝足基预定义角的角度均是通过公式计算得出的，具体来说，
[0129]
所述第一踝足基预定义角的角度依据公式
[0130][0131]
来计算得出，式中，式中，knee
x
表示膝关节中心的横坐标，ankle
x
表示踝关节中心的横坐标，kneez表示膝关节中心的纵坐标，anklez表示踝关节中心的纵坐标。
[0132]
所述第二踝足基预定义角的角度依据公式
[0133][0134]
来计算得出，式中，cop
x
表示压力中心的横坐标。
[0135]
所述第三踝足基预定义角的角度依据公式
[0136][0137]
来计算得出。
[0138]
s234，基于压力中心至踝关节中心距离以及第三踝足基预定义角的角度，根据公式来计算得出踝-足翻滚坐标(roll-overx,roll-overz)。
[0139]
踝-足翻滚坐标中的“roll-overx”根据公式
[0140]
roll-overx＝d1
·
cos(β)
[0141]
计算得出。
[0142]
踝-足翻滚坐标中的“roll-overz”根据公式
[0143]
roll-overz＝-d1
·
sin(β)
[0144]
计算得出。
[0145]
需要说明的是，所述踝-足翻滚坐标(roll-overx,roll-overz)为基于踝-足基坐标系的坐标数据。
[0146]
最后计算得出了踝-足翻滚坐标，整个支撑相踝-足翻滚坐标拟合的圆弧即为踝-足翻滚形状。
[0147]
实施方式3：
[0148]
参见图6和图7，本实施方式3提供了一种膝-踝-足部翻滚形状设计方法。
[0149]
所述膝-踝-足部翻滚形状设计方法包括如下步骤s310至s330。
[0150]
s310，基于预先设置确定的实验坐标系，采用现有技术手段来获取从脚后跟接触力板到对侧脚后跟接触力板，“足底地面反作用力的压力中心位置数据”(坐标数据)和“下肢关节标记位置数据”(坐标数据)。
[0151]
如实施方式1一样，所获取的压力中心位置数据和下肢关节标记位置数据应尽可能与目标用户匹配适合。
[0152]
在本实施方式中，获取压力中心位置数据和下肢关节标记位置数据的具体实现方法如下：
[0153]
s311，实验在运动分析研究实验室进行，该实验室配备了两个记录960hz数据的力平台和一个记录100hz数据的八摄像头运动分析系统，力和运动数据随后以100hz同步。
[0154]
s312，根据的helen hayes标记组，将红外反射标记贴在受试者下肢关节标记位置上。
[0155]
s313，受试者步行在6.1米长的走道上，由运动分析系统捕获并记录下肢的关节标记位置数据，由两个嵌在走道上的六轴力台获取足底地面反作用力的压力中心位置数据。
[0156]
在本实施方式中，所述关节标记位置包括：踝关节中心、髋关节(hip)。
[0157]
s320，基于步骤s310中获取的下肢关节标记位置数据构建下肢的膝-踝-足部部位的局部坐标系，该构建的局部坐标系称其为膝-踝-足基坐标系。
[0158]
所构建的膝-踝-足基坐标系为二维直角坐标系，
[0159]
所构建的膝-踝-足基坐标系的两个坐标轴分别为x坐标轴和z坐标轴；
[0160]
将膝-踝-足基坐标系的原点确定为踝关节中心处；
[0161]
将膝-踝-足基坐标系的z坐标轴正方向确定为踝关节中心至髋关节中心矢量；
[0162]
将膝-踝-足基坐标系的x坐标轴正方向确定为位于矢状面并且垂直于足踝至髋关节矢量的指向前方的矢量方向。
[0163]
需要说明的是，所述“踝关节中心至髋关节中心矢量”是指，从踝关节中心开始并通过髋关节中心的矢量方向。
[0164]
s330，将步骤s310中获取的“压力中心位置数据”拟合到步骤s320中构建的膝-踝-足基坐标系中，得出下肢的膝-踝-足部部位的翻滚坐标，整个支撑相膝-踝-足翻滚坐标拟合的圆弧即为膝-踝-足翻滚形状。
[0165]
该步骤s330，其具体实现的方法包括步骤s331至s334。
[0166]
s331，根据所述“压力中心位置数据”和踝关节标记位置数据来计算确定压力中心至踝关节中心距离。
[0167]
在本实施方式3中，压力中心至踝关节中心距离用d1来表示，
[0168]
需要说明的是，所述压力中心至踝关节中心距离数值为采样数据的均值。与实施方式1同理。
[0169]
s332，在膝-踝-足基坐标系中预先定义三个夹角，这三个夹角分别称其为第一膝踝足基预定义角、第二膝踝足基预定义角和第三膝踝足基预定义角。
[0170]
所述第一膝踝足基预定义角定义为“从踝关节中心出发到髋关节中心的直线和实
验坐标系的z坐标轴的正方向的夹角”。在本实施方式中，第一膝踝足基预定义角用θ来表示。
[0171]
所述第二膝踝足基预定义角定义为“从踝关节中心出发到压力中心的直线和实验坐标系的z坐标轴的正方向的夹角”。在本实施方式中，第二膝踝足基预定义角用α来表示。
[0172]
所述第三膝踝足基预定义角定义为“从踝关节中心出发到压力中心的直线和膝-踝-足基坐标系的x坐标轴正方向的夹角”。在本实施方式中，第三膝踝足基预定义角用β来表示。
[0173]
s333，根据之前确定的压力中心、踝关节中心以及髋关节中心的坐标数据，来计算第一膝踝足基预定义角、第二膝踝足基预定义角和第三膝踝足基预定义角的角度。
[0174]
所述第一膝踝足基预定义角、第二膝踝足基预定义角和第三膝踝足基预定义角的角度是通过公式计算得出的，具体来说，
[0175]
所述第一膝踝足基预定义角的角度依据公式
[0176][0177]
来计算得出。
[0178]
所述第二膝踝足基预定义角的角度依据公式
[0179][0180]
来计算得出。
[0181]
所述第三膝踝足基预定义角的角度依据公式
[0182][0183]
来计算得出。
[0184]
s334，基于压力中心至踝关节中心距离以及第三膝踝足基预定义角的角度，根据公式来计算得出膝-踝-足翻滚坐标(roll-overx,roll-overz)。
[0185]
膝-踝-足翻滚坐标中的“roll-overx”根据公式
[0186]
roll-overx＝d1
·
cos(β)
[0187]
计算得出；
[0188]
膝-踝-足翻滚坐标中的“roll-overz”根据公式
[0189]
roll-overz＝-d1
·
sin(β)
[0190]
计算得出。
[0191]
需要说明的是，所述膝-踝-足翻滚坐标(roll-overx,roll-overz)为基于膝-踝-足基坐标系的坐标数据。
[0192]
最后计算得出了膝-踝-足翻滚坐标，整个支撑相膝-踝-足翻滚坐标拟合的圆弧即为膝-踝-足翻滚形状。
[0193]
需要说明的是，本文中三个实施方式中均提及的实验坐标系是预先设置确定的，所述实验坐标系为二维直角坐标系，所述实验坐标系的原点确定为力板中心处；所述实验坐标系的x坐标轴正方向确定为水平步行前进方向；所述实验坐标系的z坐标轴正方向确定为位于矢状面并且指向上方的矢量方向。
[0194]
需要说明的是，实施方式1、2和3所提供的方法是用于确定下肢局部部位的翻滚形状，确定得出的翻滚形状将会被用于指导下肢辅具的设计，而本文中所提及的目标用户就是指所述下肢辅具的最终用户。
[0195]
参见图8和图9，以下提供一个仿生翻滚形状鞋具、矫形器和假肢设计模型图，其中r表示仿生翻滚形状半径，l表示脚长，apex表示顶点位置，t表示脚后跟厚度，h表示前足余量，d表示前足厚度，α表示前足摇摆曲线相对于水平面的切线角度等特征参数，它们的关系可以总结为以下公式：
[0196]
r*sinα＝l*(1-apex)#(17)
[0197][0198]
根据(18),得到cosα，
[0199][0200]
然后将(19)带入(18)，得到r,
[0201][0202]
图9是根据图8提供的下肢辅具仿生翻滚形状设计模型图设计的鞋具、矫形器和假肢实例图。
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由此实例可见，采用本发明的翻滚形状仿生设计方法，能够很方便地确定鞋具、矫形器和假肢仿生翻滚形状的半径，从而为鞋具、矫形器和假肢的穿戴提供良好的行走体验，使得穿戴者走路舒适省力。
[0204]
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，因此，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种下肢辅具翻滚形状仿生设计方法，其特征在于：包括：获取从脚后跟接触力板到对侧脚后跟接触力板，足底地面反作用力的压力中心位置数据和下肢关节标记位置数据；基于下肢关节标记位置数据构建下肢局部坐标系；将压力中心位置数据拟合到局部坐标系中，得出下肢局部部位的翻滚坐标，将整个支撑相翻滚坐标拟合的圆弧作为下肢局部部位翻滚形状。2.根据权利要求1所述一种下肢辅具翻滚形状仿生设计方法，其特征在于：所述基于下肢关节标记位置数据构建下肢局部坐标系，其具体为，基于下肢关节标记位置数据构建下肢足部的足基坐标系；所述将压力中心位置数据拟合到局部坐标系中，得出下肢局部部位的翻滚坐标，将整个支撑相翻滚坐标拟合的圆弧作为下肢局部部位翻滚形状，其具体为，将压力中心位置数据拟合到足基坐标系中，得出下肢足部的翻滚坐标，将整个支撑相足翻滚坐标拟合的圆弧作为足翻滚形状。3.根据权利要求2所述一种下肢辅具翻滚形状仿生设计方法，其特征在于：所述将压力中心位置数据拟合到足基坐标系中，得出下肢足部的翻滚坐标，其具体实现的方法包括：根据所述压力中心位置数据和下肢关节标记位置数据来计算确定压力中心至踝关节中心距离、大脚趾至踝关节中心距离、大脚趾至压力中心距离以及脚后跟至大脚趾距离；在足基坐标系中预先定义第一足基预定义角和第二足基预定义角；根据压力中心至踝关节中心距离、大脚趾至踝关节中心距离、大脚趾至压力中心距离以及脚后跟至大脚趾距离来计算第一足基预定义角和第二足基预定义角的角度；基于压力中心至踝关节中心距离以及第一足基预定义角和第二足基预定义角的角度，计算得出足翻滚坐标。4.根据权利要求1所述一种下肢辅具翻滚形状仿生设计方法，其特征在于：所述基于下肢关节标记位置数据构建下肢局部坐标系，其具体为，基于下肢关节标记位置数据构建下肢踝-足部的踝-足基坐标系；所述将压力中心位置数据拟合到局部坐标系中，得出下肢局部部位的翻滚坐标，将整个支撑相翻滚坐标拟合的圆弧作为下肢局部部位翻滚形状，其具体为，将压力中心位置数据拟合到踝-足基坐标系中，得出下肢踝-足部的翻滚坐标，整个支撑相踝-足翻滚坐标拟合的圆弧作为踝-足翻滚形状。5.根据权利要求4所述一种下肢辅具翻滚形状仿生设计方法，其特征在于：所述将压力中心位置数据拟合到踝-足基坐标系中，得出下肢踝-足部的翻滚坐标，其具体实现的方法包括：根据压力中心位置数据和踝关节标记位置数据来计算确定压力中心至踝关节中心距离；在踝-足基坐标系中预先定义第一踝足基预定义角、第二踝足基预定义角和第三踝足基预定义角；根据压力中心、踝关节中心以及膝关节中心的坐标数据来计算第一踝足基预定义角、第二踝足基预定义角和第三踝足基预定义角的角度；基于压力中心至踝关节中心距离以及第三踝足基预定义角的角度，计算得出踝-足翻
滚坐标。6.根据权利要求1所述一种下肢辅具翻滚形状仿生设计方法，其特征在于：所述基于下肢关节标记位置数据构建下肢局部坐标系，其具体为，基于下肢关节标记位置数据构建下肢膝-踝-足部的膝-踝-足基坐标系；所述将压力中心位置数据拟合到局部坐标系中，得出下肢局部部位的翻滚坐标，将整个支撑相翻滚坐标拟合的圆弧作为下肢局部部位翻滚形状，其具体为，将压力中心位置数据拟合到膝-踝-足基坐标系中，得出下肢膝-踝-足部的翻滚坐标，整个支撑相膝-踝-足翻滚坐标拟合的圆弧作为膝-踝-足翻滚形状。7.根据权利要求6所述一种下肢辅具翻滚形状仿生设计方法，其特征在于：所述将压力中心位置数据拟合到膝-踝-足基坐标系中，得出下肢膝-踝-足部的翻滚坐标，其具体实现的方法包括：根据压力中心位置数据和踝关节标记位置数据来计算确定压力中心至踝关节中心距离；在膝-踝-足基坐标系中预先定义第一膝踝足基预定义角、第二膝踝足基预定义角和第三膝踝足基预定义角；根据压力中心、踝关节中心以及髋关节中心的坐标数据来计算第一膝踝足基预定义角、第二膝踝足基预定义角和第三膝踝足基预定义角的角度；基于压力中心至踝关节中心距离以及第三膝踝足基预定义角的角度，计算得出膝-踝-足翻滚坐标。8.根据权利要求1所述一种下肢辅具翻滚形状仿生设计方法，其特征在于：所述获取从脚后跟接触力板到对侧脚后跟接触力板，足底地面反作用力的压力中心位置数据和下肢关节标记位置数据，其具体实现的方法包括：实验在运动分析研究实验室进行，该实验室配备了两个记录960hz数据的力平台和一个记录100hz数据的八摄像头运动分析系统，力和运动数据随后以100hz同步；根据的helenhayes标记组，将红外反射标记贴在受试者下肢关节位置上；受试者步行在6.1米长的走道上，由运动分析系统捕获并记录下肢的关节标记位置数据，由两个嵌在走道上的六轴力台获取足底地面反作用力的压力中心位置数据。

技术总结
本发明公开了一种下肢辅具翻滚形状仿生设计方法。该翻滚形状仿生设计方法包括：获取从脚后跟接触力板到对侧脚后跟接触力板，足底地面反作用力的压力中心位置数据和下肢关节标记位置数据；基于下肢关节标记位置数据构建下肢局部坐标系；将压力中心位置数据拟合到局部坐标系中，得出下肢局部部位的翻滚坐标，将整个支撑相翻滚坐标拟合的圆弧作为下肢局部部位翻滚形状；所述下肢局部部位为足部、踝-足部或膝-踝-足部。本发明的一种下肢辅具翻滚形状仿生设计方法能够合理准确地确定下肢局部部位翻滚形状，为评估和设计假肢、矫形器和足部辅具翻滚形状提供了有效的技术支撑。部辅具翻滚形状提供了有效的技术支撑。部辅具翻滚形状提供了有效的技术支撑。


技术研发人员：陈文明 陈浩 陈立 马昕
受保护的技术使用者：复旦大学
技术研发日：2023.07.04
技术公布日：2023/10/7