Passive knee flexion increases forward impulse of the trailing leg during the step-to-step transition

📄 arXiv: 2411.13289v1 📥 PDF

作者: Bernadett Kiss, Alexandra Buchmann, Daniel Renjewski, Alexander Badri-Spröwitz

分类: cs.RO

发布日期: 2024-11-20

备注: Data and code repository at https://doi.org/10.17617/3.BJ584M . Videos available on youtube at https://www.youtube.com/watch?v=RupuZPBI6Bg and at https://www.youtube.com/watch?v=oWwJbTPUOM4 . Manuscript submitted for publication in the Biomimetics Collection of Scientific Reports

💡 一句话要点

被动膝关节屈曲通过增加后腿前向冲量来优化步间过渡

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control) 支柱八：物理动画 (Physics-based Animation)

关键词: 双足机器人 步态分析 膝关节屈曲 动量传递 步间过渡

📋 核心要点

  1. 人类行走依赖跟腱的弹性反冲，膝关节屈曲可能在能量释放中扮演重要角色，但其具体影响尚不明确。
  2. 本研究利用双足机器人EcoWalker-2，对比主动与被动膝关节屈曲启动方式，分析其对步态动量和能量的影响。
  3. 实验表明，被动膝关节屈曲启动能显著增加后腿水平动量和质心动量，揭示了膝关节屈曲在步态中的作用。

📝 摘要（中文）

人类行走效率依赖于跟腱的弹性反冲，这种反冲由一个“弹射机制”促进，该机制在站立阶段储存能量，并在蹬地阶段释放能量。弹射释放机制可能包括膝关节的被动屈曲，因为据报道，膝关节屈曲的主要部分发生在先导腿触地后。本研究首次使用具有被动踝关节的双足机器人EcoWalker-2，研究了被动与主动膝关节屈曲启动的影响。通过利用机器人测量的精度，旨在阐明步态事件的时间安排及其对机器人动量和动能变化的影响。EcoWalker-2通过两种启动方法成功行走，保持了脚趾间隙。被动膝关节屈曲启动导致踝关节跖屈的开始时间延迟了3%的步态周期，从而导致后腿水平动量增加了87%，并且在步间过渡期间质心动量矢量的大小增加了188%。研究结果强调了膝关节屈曲在弹射释放中的作用以及步态事件的时间安排，为类人行走力学以及康复、矫形器和假肢开发的潜在应用提供了见解。

🔬 方法详解

问题定义：论文旨在解决人类行走过程中膝关节屈曲对步间过渡阶段动量传递的具体影响。现有研究对膝关节主动与被动屈曲启动方式的差异及其对步态效率的影响尚不明确，缺乏精细的量化分析。

核心思路：论文的核心思路是通过控制双足机器人EcoWalker-2，分别模拟主动和被动膝关节屈曲启动两种步态，并精确测量机器人行走过程中的动量和能量变化，从而量化膝关节屈曲方式对步间过渡的影响。这种方法能够排除人体实验中难以控制的因素，更准确地揭示膝关节屈曲的作用。

技术框架：研究采用双足机器人EcoWalker-2作为实验平台。该机器人具有被动踝关节，能够模拟人类行走的生物力学特性。实验中，分别采用主动和被动两种方式启动膝关节屈曲，并通过高精度传感器记录机器人行走过程中的关节角度、力矩、动量和能量等数据。然后，对这些数据进行分析，比较两种步态下的步态周期、动量变化和能量消耗等指标。

关键创新：论文的关键创新在于首次利用双足机器人平台，精确量化了被动膝关节屈曲启动对步间过渡阶段动量传递的影响。通过对比主动与被动膝关节屈曲启动方式，揭示了被动膝关节屈曲在提高步态效率方面的作用。

关键设计：实验中，关键的设计包括：1) 精确控制机器人膝关节的运动轨迹，分别模拟主动和被动膝关节屈曲启动；2) 使用高精度传感器测量机器人行走过程中的关节角度、力矩、动量和能量等数据；3) 采用统计分析方法，比较两种步态下的步态周期、动量变化和能量消耗等指标，从而量化膝关节屈曲方式对步间过渡的影响。

🖼️ 关键图片

fig_0
fig_1
fig_2

📊 实验亮点

实验结果表明，被动膝关节屈曲启动导致踝关节跖屈的开始时间延迟了3%的步态周期，但后腿水平动量增加了87%，质心动量矢量的大小增加了188%。这些数据清晰地表明，被动膝关节屈曲启动能够显著提高步间过渡的效率。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于康复机器人、外骨骼和假肢的设计与开发，通过模拟更自然的膝关节运动，提高设备的运动效率和舒适性。此外，研究结果有助于深入理解人类行走力学，为运动障碍患者的康复治疗提供理论指导。

📄 摘要（原文）

Human walking efficiency relies on the elastic recoil of the Achilles tendon, facilitated by a "catapult mechanism" that stores energy during stance and releases it during push-off. The catapult release mechanism could include the passive flexion of the knee, as the main part of knee flexion was reported to happen passively after leading leg touch-down. This study is the first to investigate the effects of passive versus active knee flexion initiation, using the bipedal EcoWalker-2 robot with passive ankles. By leveraging the precision of robotic measurements, we aimed to elucidate the importance of timing of gait events and its impact on momentum and kinetic energy changes of the robot. The EcoWalker-2 walked successfully with both initiation methods, maintaining toe clearance. Passive knee flexion initiation resulted in a 3% of the gait cycle later onset of ankle plantar flexion, leading to 87% larger increase in the trailing leg horizontal momentum, and 188% larger magnitude increase in the center of mass momentum vector during the step-to-step transition. Our findings highlight the role of knee flexion in the release of the catapult, and timing of gait events, providing insights into human-like walking mechanics and potential applications in rehabilitation, orthosis, and prosthesis development.