第四章 运动控制与步态 第三节 行走运动控制汇总
运动控制相关理论
运动控制相关理论
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• 了解任务性质能够提供任务结构框架。任 务可依据其间关系归纳为共同特点采取由 易到难次序编排。
运动控制
运动控制相关理论
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• 运动控制订义为调整或者管理动作所必需 机制能力。
• 运动控制领域是直接研究动作性质, 以及动 作是怎样被控制。
运动控制相关理论
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动作
• 动作产生是由三个原因相互作用而来: 个体， 任务以及环境。
• 动作是围绕任务和环境要求来组织。在一 个特定环境中，个体产生动作是为了到达 任务要求。从这首先来看，我们认为动作 组织受到个体、任务和环境几个原因制约。
意力分散情况。
运动控制相关理论
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运动控制理论
• 运动控制理论描述了运动是怎样被控制。 • 运动控制理论是关于控制运动一组抽象概
率。 • 理论是一系列内部之间相互联络陈说, 用来
描述不可被观察到结构或者过程, 并将它们 相互联络起来, 以及同可观察到事件联络起 来。
运动控制相关理论
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理论提供了:
整编。这种方法认识到动作是在个体、任 务和执行任务时环境之间相互作用而产生，
运动控制相关理论
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运动控制相关理论
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任务导向方法
运动控制相关理论
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运动控制相关理论
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运动控制相关理论
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步行控制算法实验报告(3篇)
第1篇一、实验目的1. 理解步行控制算法的基本原理和实现方法。
2. 掌握步行控制算法在虚拟环境中的应用。
3. 分析不同步行控制算法对步行效果的影响。
二、实验原理步行控制算法是研究如何使机器人或虚拟角色实现自然、稳定的步行过程。
本实验主要涉及以下原理：1. 动力学模型：建立机器人或虚拟角色的动力学模型，描述其在行走过程中的运动状态。
2. 控制策略：设计控制策略，使机器人或虚拟角色在行走过程中保持稳定，并实现预定路径。
3. 反馈控制：利用传感器获取实时信息，对控制策略进行调整，提高步行稳定性。
三、实验器材1. 机器人或虚拟角色：用于实现步行控制算法。
2. 动力学模型软件：用于建立机器人或虚拟角色的动力学模型。
3. 控制策略设计软件：用于设计步行控制算法。
4. 传感器：用于获取实时信息，如加速度计、陀螺仪等。
四、实验步骤1. 建立动力学模型：根据机器人或虚拟角色的结构和参数，建立相应的动力学模型。
2. 设计控制策略：根据动力学模型，设计步行控制算法，包括步频、步幅、步态等参数。
3. 编写控制程序：利用编程语言实现控制策略，使机器人或虚拟角色能够按照预定路径行走。
4. 集成传感器：将传感器集成到机器人或虚拟角色中，用于获取实时信息。
5. 调试与优化：对控制程序进行调试，调整参数，提高步行效果。
6. 实验验证：在虚拟环境中进行实验，观察机器人或虚拟角色的步行效果。
五、实验结果与分析1. 实验结果（1）步频：实验结果显示，不同控制算法对步频的影响较小，基本保持稳定。
（2）步幅：不同控制算法对步幅的影响较大，部分算法导致步幅过大或过小。
（3）步态：实验结果显示，部分控制算法使机器人或虚拟角色的步态较为自然，而另一些算法则较为僵硬。
2. 分析（1）步频：由于步频主要受动力学模型和步态参数影响，因此不同控制算法对步频的影响较小。
（2）步幅：步幅受控制策略和动力学模型影响，部分算法可能导致步幅过大或过小，影响步行稳定性。
第四章 运动控制及步态 第三节 行走运动控制
和距下关节
水平面：研究很有限
关节运动学
矢状面运动
关节运动学——矢状面运 动
骨盆在矢状面的运动 向前、后倾斜的范围是很小的（大约为2°～4°） 发生在髋部（骨盆与股骨间的屈伸）和腰骶关 节（骨盆与腰椎间的屈伸） 骨盆在整个步态周期中的运动模式就类似两个 完整波形的正弦波 骨盆的运动范围会随着行走速度的增加而增加 有屈髋关节肌明显挛缩的病人在支撑期的后半 部分（步态周期的30％～60％ ）就会出现极其 严重的骨盆前倾
踝关节跖屈时伴随着轻度的内翻与内收
关节运动学——冠状面运 动
距下关节在冠状面的运动
旋前与旋后的三维运动是距下关节与横向的
跗骨关节相互作用的结果 旋前运动包含了外翻、外展和背屈 旋后运动包含了内翻、内收和跖屈
关节运动学——冠状面运 动
距下关节在冠状面的运动
在足跟触地时，距下关节内翻的角度大约为2°～3° 足跟触地后不久，跟骨开始快速外翻并一直持续到
（步态周期的8％～45％） 在足跟离地不久（步态周期的40%），踝关节开 始跖屈，最大到15°～20°，一直到足趾离地 在摆动阶段，踝关节再次背屈到中立位以使足趾 完全离地
关节运动学——矢状面运 动
踝关节跖屈受限可能会导致前移推动力下降，也
可能会导致步长缩短 如果由于跟腱挛缩导致支撑期不充分的踝背屈， 可能引起不完全的足跟离地，导致“跳跃”步态 ， 限制了身体的前移，步长也会缩短 患有马蹄足畸形的病人，以过度伸直的足趾行走， 而足跟却不能触地，最常见于脑瘫患者 踝背屈受限也会影响摆动阶段的足趾离地。为了 代偿，就必须增加髋或膝关节的屈曲
关节运动学——矢状面运 动
髋关节在矢状面的运动
正常行走时，髋关节大约需要30°的前屈和
步态分析ppt演示课件
揭示肌肉的电生理活动与步态的关系。
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sEMG（表面肌电图）
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髋关节（hip)
• 髋伸肌：臀大肌、腘绳肌
• 髋屈肌：髂肌、腰大肌（髂腰肌）
• 髋外展肌：臀中、小肌、梨状肌、
• 髋内收肌群：耻骨肌、长/短收肌、大收肌
• 髋内旋肌：阔筋膜、臀小肌、臀中肌前部
• 髋外旋肌：臀中肌、臀大肌后部，梨状肌、 闭孔内肌
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当摆动腿向前迈步时， 骨盆向前及向对侧发生 一定的旋转，正常约5°
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正常步行周期中骨盆和下肢各关节 角度的变化
关节运动角度
步行周期 骨盆 首次着地 承重反应 站立中期 足跟离地 足趾离地 5°旋前 5°旋前 中立位 5 °旋后 5 °旋后 髋关节 30 °屈曲 30 °屈曲 30 °屈曲 ~0 ° 0 °~10 °过度伸展 10 °过度伸展~0 ° 膝关节 0° 0 °~15 °屈曲 15 °~5 °屈曲 5 °屈曲 5 °~35 °屈曲 踝关节 0° 0 °~15 ° 15 °跖屈~10 °背屈 10 °背屈~0 ° 0 °~20 °跖屈
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观察法
• 一般采用自然步态，即最省力的步行姿态。观察包括前 面观、侧面观和后面观。需要注意全身姿势，包括步行 节律、稳定性、流畅性、对称性、重心偏移、手臂摆动 、诸关节姿态与角度、患者神态与表情、辅助装置(矫形 器、助行器)的作用等。 • 在自然步态观察的基础上，可以要求患者加快步速减少 足接触面（踮足或足跟步行）或步宽（两足沿中线步行 ），以凸现异常；也可以通过增大接触面或给予支撑（ 足矫形垫或矫形器），以改善异常，从而协助评估。
• 股直肌、缝匠肌也参与屈髋活动
步态分析
剪刀步态：
膝关节始终屈曲 体前倾，足前部着地行走并呈剪刀步
或交叉步 支撑相延长，摆动相缩短 不稳定的疲劳步态
帕金森病步态：
表现为双侧性运动控制障碍和功能障碍
以面部、躯干、四肢肌肉运动缺乏、僵硬为 特征；
双支撑期时间延长；行走时体前倾、髋膝关 节轻度屈曲、关节ROM减小，踝关节摆动相 时无跖屈，足擦地，步伐细小、快速；上肢 几乎无摆动；
髋关节：支撑相时：躯干向患侧过度倾斜； 摆动相：患处轻度屈曲、外展、外旋；患肢 尽量避免足跟着地。
膝关节：在整个行走周期中以轻度屈曲膝关 节为特征；避免足跟着地而以足尖着地。
踝关节：患侧跨步长↓，正常的足跟-足尖 运动模式消失。
2、肌无力：
对步态的影响主要见于步行周期不同 阶段中肌肉的等张性收缩活动中；
和摆动相（swing phase）两个阶段。
支撑相约占步行周期的60%，摆动相约 占40%；
支撑相与摆动相的时间比例与步行速 度有关。
双支撑相：步行中双足落地的时相； 每个步行周期包含两个双支撑相，
各占10%； 双支撑相的长短与步行速度有关。
单支撑相：一条腿与地面接触，即对 侧的摆动相；
同一标记物被两台以上的检测仪同时获取时， 即可进行三维图象重建和分析。
输出结果包括：数字化重建的三维步态、各 关节三维角度变化、速率和时相。关节标记 物一般置放于需要观察的关节或重力中心。
常见病理步态的原因及表现
1、疼痛：
患者会尽量减少活动→关节活动能力 下降、关节固定→疼痛进一步加剧；
疼痛步态的特征：跨步长↓、步速↓、 支撑相时间↓。
背面：臀中肌步态 侧面：脊柱伸屈运动，髋、膝、踝的伸
《运动控制系统》教案
《运动控制系统》教案第一章：运动控制系统概述1.1 运动控制系统的定义1.2 运动控制系统的作用1.3 运动控制系统的发展历程1.4 运动控制系统的应用领域第二章：运动控制系统的组成2.1 控制器2.2 执行器2.3 传感器2.4 驱动器2.5 运动控制器与执行器的接口第三章：运动控制算法3.1 PID控制算法3.2 模糊控制算法3.3 神经网络控制算法3.4 自适应控制算法3.5 预测控制算法第四章：运动控制系统的性能评估4.1 动态性能评估4.2 静态性能评估4.3 稳态性能评估4.4 鲁棒性评估4.5 节能性能评估第五章：运动控制系统的应用案例5.1 运动控制5.2 数控机床运动控制5.3 电动汽车运动控制5.4 无人机运动控制5.5 生物医学运动控制第六章：运动控制系统的建模与仿真6.1 运动控制系统的数学建模6.2 运动控制系统的计算机仿真6.3 仿真软件的选择与应用6.4 系统建模与仿真的实际案例6.5 建模与仿真在运动控制系统设计中的应用第七章：运动控制系统的故障诊断与容错控制7.1 运动控制系统的常见故障及诊断方法7.2 故障诊断算法及其在运动控制系统中的应用7.3 容错控制策略及其在运动控制系统中的应用7.4 故障诊断与容错控制在提高运动控制系统可靠性方面的作用7.5 故障诊断与容错控制的实际案例分析第八章：运动控制系统的优化与调整8.1 运动控制系统的性能优化方法8.2 控制器参数的整定方法8.3 系统调整过程中的注意事项8.4 优化与调整在提高运动控制系统性能方面的作用8.5 运动控制系统优化与调整的实际案例第九章：运动控制系统在工业中的应用9.1 运动控制系统在制造业中的应用9.2 运动控制系统在自动化生产线中的应用9.3 运动控制系统在技术中的应用9.4 运动控制系统在电动汽车技术中的应用9.5 运动控制系统在其他工业领域中的应用第十章：运动控制系统的发展趋势与展望10.1 运动控制系统技术的发展趋势10.2 运动控制系统在未来的应用前景10.3 我国运动控制系统产业的发展现状与展望10.4 运动控制系统领域的研究热点与挑战10.5 面向未来的运动控制系统教育与人才培养重点和难点解析重点一：运动控制系统的作用和应用领域运动控制系统在现代工业和科技领域中起着至关重要的作用。
运动技能学习与控制课件第四章感觉系统对运动控制的作用
– 本体感觉反馈失真。
动物手术：切断神经传导
精度明显不如 从前，但依然 具有完成技能 的能力
肌腱振动技术：
二、本体感觉的作用
• 影响运动的准确性
– 对肢体错误位置的反馈提供了纠错的基础。
• 影响动作指令的开始时间
– 例如，伸直食指同时提踵。
• 肢体协调
第五节 前馈对动作控制的影响
optical flow
眼球
移動目標
固定目標
一、视觉信息
网球击球时，何时开始动作，何时球拍与球接触，这些信息 的获得离不开视觉信息。 当球接近人时，球距离越近，视网膜上的投影的变化率越大。 通过这种信息可以判断物体接触到视网膜的时间，即触前时 间Tc.
一、视觉信息
运动员运用视觉 信息来准确起跳。 接近40%的调整都 发生在最后一步。
人是看不清楚球的
思考题
• 什么是闭环控制系统？ • 中央视觉与周围视觉的区别？ • 什么是触前视觉信息？对于体育运动项目
有什么用？ • 本体感觉在运动控制中的作用。 • 前馈和反馈的区别？
中央视觉
中央 有意识
损害 这是什么？(What)
外周视觉
中央和外周 无意识 无
它在哪里？(Where)
一、视觉信息
腹侧视觉系统： •有意识分析的知觉。 •只限制在中央视觉 •需要聚焦和充足的光线。 •于人体注视聚焦的物体很敏感 背侧视觉系统 •为运动的视觉控制提供知觉信息 •全视野的（接近180度）， •不要求聚焦 •光线微弱的情况下也能工作。
听觉与动作控制
跑步的脚步声反映出跑步者的节奏； 球棒撞击声为棒球运动员提供棒球被击中程度的信息； 高尔夫球手通过杆头与球碰撞声音判断击球情况
步行功能训练...
减重步行训练--禁忌证
• 脊柱不稳定；下肢骨折未充分愈合或关节 损伤处于不稳定阶段；患者不能主动配合； 运动时诱发过分肌肉痉挛；体位性低血压； 严重骨质疏松症；慎用于下肢主动收缩肌 力小于2级，没有配置矫形器者，以免发生 关节损伤。
减重步行训练--组成
• 减重步行训练系统： • 减重悬吊系统 • 步行系统
室内步行训练—注意事项
• ⑴行走训练时，注意安全。 • ⑵正确选择适当的行走辅助具和行走步态。 • ⑶要根据患者的身高和手臂长度，正确选 择和使用适合的助行架、腋拐或手杖。 • ⑷当患侧下肢支撑力＜体重的50%时，不宜 使用单腋拐；患侧下肢支撑力＜体重的90% 时，不宜使用手杖；双下肢支撑力总和＜ 体重的100%时，不宜使用助行架
15 °跖屈~10 °背屈
10 °背屈~0 ° 0 °~20 °跖屈 20 °~10 °跖屈 10 °跖屈~0 ° 0°
正常步态的维持,应为髋关节前屈30°,后伸10°;膝关节充分伸展,屈曲60°;踝关节跖屈20°,背伸15°
步行能耗
• 正常步行能耗 正常人以舒适的速度，即约4.5～5km/h的 速度步行时耗能不大，有实验表明，平地常速步行时的能 耗为0.33kJ/min· kg（0.8cal/min· kg），步速增加或步态 改变时能耗增加。 • 异常步行能耗 • 偏瘫时步行的能耗增加65%； • 截瘫后增加2～4倍； • 单侧膝上截肢步行时能耗增加60%～70%，双侧膝上截肢 能耗增加则为100%； • 单侧膝下截肢，能耗增加10%、双侧膝下截肢能 • 耗增加则为40%~50%。
通过对步行能力进行宏观分级大致了解患者的步
行水平。常用Hoffer步行能力分级和Holdden步行
功能分类
㈠临床分析
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跨步长（stride length）：是指同一足的足跟相继 触地之间的距离
步长（step length） ：是指不同足的足跟相继触 地之间的距离
步态分析的时空参数
步宽（step width）：是指两次连续的足触地时双 侧足弓之间的距离，通常是7～9cm
开始时（步态周期的73％）
关节运动学——矢状面运 动
踝关节在矢状面的运动
当足跟触地时，踝关节处于轻度的跖屈（0 °～5°） 在足跟触地后不久，足平放于地面 当胫骨前移越过支撑足时，踝背屈增加到10°
（步态周期的8％～45％） 在足跟离地不久（步态周期的40%），踝关节开
始跖屈，最大到15°～20°，一直到足趾离地 在摆动阶段，踝关节再次背屈到中立位以使足趾
足角（foot angle）：是身体前进的方向与足的长 轴之间的夹角，正常人大约是7°
步态分析的时空参数
步频（stride rate）：是对步态最基本的时间描述 ， 即每分钟的步数
步态周期：一个完整步态循环的时间
步时：完成左或右足一步的时间
通常情况下对称的步态其步时决定于步频，步时是步 频的倒数。
一旦开始行走，身体向前的动力会使身体的重心向 前越过足的位置，这样就迫使另一只足向前一步。 通过双足连续的、交替的移动而使身体向前进。
只要身体还在向前移动，这种流畅的、受控制的恢 复平衡的行为会一直持续。
当足的位置阻碍了身体向前移动的动力，并且在双 足支撑的静止时期恢复平衡，行走就停止了。
身体重心垂直的转移
有屈髋关节肌明显挛缩的病人在支撑期的后半 部分（步态周期的30％～60％ ）就会出现极其 严重的骨盆前倾
关节运动学——矢状面运 动
髋关节在矢状面的运动
正常行走时，髋关节大约需要30°的前屈和 10°的后伸
运动幅度与行走速度呈正相关 有髋部活动受限的病人在行走时也许不会出
现步态的偏离，这是由于骨盆和腰椎的运动 可对减少的髋部运动进行代偿
踝背屈受限也会影响摆动阶段的足趾离地。为了 代偿，就必须增加髋或膝关节的屈曲
关节运动学——矢状面运 动
第一跗跖关节在矢状面的运动
可进行轻度的跖屈和背屈，以便在行走时为足内侧纵 弓提供灵活性。
关节运动学——矢状面运 动
第一跖趾关节在矢状面的运动
足跟触地时，第一跖趾关节呈轻度的过伸位 从足跟触地后不久到足跟离地，第一跖趾关节处于相
水平面：研究很有限
关节运动学
矢状面运动
关节运动学——矢状面运 动
骨盆在矢状面的运动
向前、后倾斜的范围是很小的（大约为2°～4°） 发生在髋部（骨盆与股骨间的屈伸）和腰骶关
节（骨盆与腰椎间的屈伸）
骨盆在整个步态周期中的运动模式就类似两个 完整波形的正弦波
骨盆的运动范围会随着行走速度的增加而增加
动能和潜能
最大运动能量在双下肢支撑期（步态周期的5％～55％）
最小运动能量在支撑中期（步态周期的30％～80％），
潜能是指地心引力作用于身体重量和身体重心的高度 时所产生的能。而动能由潜能补给
关节运动学
矢状面：关节的角旋转主要发生在矢状面
冠状面：重心旋转非常重要，特别是在髋关节 和距下关节
对的中立位 从足跟离地到足趾离地前，第一跖趾关节处于45°～
55°的过伸位 在支撑阶段的后半期和摆动初期，该关节屈曲从而位
回到中立位
关节运动学——矢状面运 动
第一跖趾关节在矢状面的运动
软组织的损伤，可导致第一跖趾关节过伸 受限，例如关节的扭伤或退形性改变，均 可引起明显的“外八字”步态。导致不能 有效地前移，还会增加膝关节和足内侧结 构的压力
在垂直方向，每一个步态周期中身体重心可由 两个完整的正弦波来描述
身体重心的最低点发生于两侧下肢支撑期的中点（步态周期的5 ％和55％）
身体重心的最高点发生于两次单下肢支撑期的中点（步态周期 的30％和80％）
身体重心的横向Βιβλιοθήκη 移行走时身体重心的横向转移形成了在水平方向的正 弦波
身体重心在右侧的最远点发生于右下肢支撑阶段的中点（步态 周期的30％）
完全离地
关节运动学——矢状面运 动
踝关节跖屈受限可能会导致前移推动力下降，也 可能会导致步长缩短
如果由于跟腱挛缩导致支撑期不充分的踝背屈， 可能引起不完全的足跟离地，导致“跳跃”步态 ， 限制了身体的前移，步长也会缩短
患有马蹄足畸形的病人，以过度伸直的足趾行走， 而足跟却不能触地，最常见于脑瘫患者
身体重心在左侧的最远点发生于左下肢支撑阶段的中点（步态 周期的80％）。
动能和潜能
尽管从表面上看，步行以一个恒定的前进速度进行 的，但事实上每一步的速度都在发生变化。当处于 支撑阶段的下肢位于身体重心的前方时，速度就慢 下来。相反，当处于支撑阶段的下肢位于身体重心 的后方时，速度就快起来。
因此，在支撑中期，一旦身体上移至支撑下肢，它 就达到它的最低速度；在双下肢支撑期，一旦身体 从支撑下肢下移并尚未上移至对侧下肢时，它就达 到它的最高速度。最小运动能量在支撑中期（步态 周期的30％～80％）
步态分析的时空参数
站立与摆动阶段
步态周期的阶段划分
站立与摆动阶段的分期
支撑阶段 ：
摆动阶段
足跟触地
早期摆动
足平放
中期摆动
中期支撑
末期摆动
足跟离地
足趾离地
站立与摆动阶段
身体重心的转移与控制
行走可被定义为一系列的失衡与恢复平衡。在行走 初期身体是向前倾斜的，为了防跌，需要把另一只 足向前移到一个新的位置而暂时的恢复平衡。
关节运动学——矢状面运 动
膝关节在矢状面的运动
当足跟触地时，膝关节大约屈曲5° 在步态周期的前15％，再屈曲10°～15° 之后膝关节逐渐伸直到几乎完全的伸直位一直
到足跟离地（步态周期的40％） 膝关节开始屈曲，到达大约35°的屈曲角度时，
足趾离地（步态周期的60％） 最大膝关节屈曲角度为60°，是发生在摆动中期
第四章 运动控制与步态
内容
第一节 与运动相关的神经系统结构与反射 第二节 运动控制的调节 第三节 运动控制
第三节 运动控制
学习内容
一
姿势控制
二
上肢控制
三 行走运动控制
行走运动控制
步态分析的时空参数 身体重心的转移与控制 关节运动学 肌运动学 步态控制机制 步态异常
步态分析的时空参数