A Kinematic and Kinetic Dataset of Lower Limb Joints During Obstacle Crossing in Healthy Young Adults

📄 arXiv: 2504.19149v2 📥 PDF

作者: Jingwen Huang, Shucong Yin, Zhaokai Chen, Hanyang Xu, Chenglong Fu

分类: physics.med-ph, eess.SY

发布日期: 2025-04-27 (更新: 2025-09-03)

期刊: Journal of Biomechanics, 2025, Article 112979

DOI: 10.1016/j.jbiomech.2025.112979

💡 一句话要点

构建健康年轻人跨越障碍步态的下肢关节运动学与动力学数据集

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 步态分析 运动学 动力学 障碍物跨越 下肢关节 数据集 生物力学 辅助设备

📋 核心要点

  1. 现有研究缺乏对跨越不同高度障碍物时，整个步态周期内运动学和动力学变化的全面考察，尤其是在下肢截肢患者中，平衡和跌倒风险更高。
  2. 本研究通过收集健康成年人在跨越不同高度障碍物时的运动学和动力学数据，旨在创建一个新的数据集，为相关研究提供基础。
  3. 实验结果表明，障碍物高度增加导致髋关节和膝关节角度和力矩显著增加，且优势足和非优势足之间存在显著不对称性。

📝 摘要（中文）

本研究旨在创建一个关于健康成年人跨越不同高度障碍物的下肢关节运动学和动力学数据集。该数据集记录了10名健康成年人在跨越四种不同高度（7.5厘米、15厘米、22.5厘米和30厘米）的障碍物时的髋、膝、踝关节的角度和力矩数据。结果表明，随着障碍物高度的增加，摆动相持续时间延长，髋关节和膝关节的角度和力矩显著增加（分别增加1.5倍和1.0倍）。相比之下，踝关节的角度和力矩在不同障碍物高度下变化不大，表明踝关节的运动策略相对一致。此外，研究还观察到优势足和非优势足之间存在显著不对称性：优势足表现出更大的髋关节和膝关节角度以及更稳定的踝关节行为，反映了更好的协调性。这些发现为改进跌倒预防策略以及辅助设备（如假肢和外骨骼）的设计提供了宝贵的生物力学见解。

🔬 方法详解

问题定义：现有研究在分析人体跨越障碍物步态时，缺乏对不同障碍物高度下，整个步态周期内下肢关节运动学和动力学变化的全面考察。尤其对于下肢截肢患者，这种步态分析的不足会影响假肢和外骨骼的设计，增加跌倒风险。因此，需要更精细的数据集来支持相关研究。

核心思路：本研究的核心思路是通过实验收集健康成年人在跨越不同高度障碍物时的下肢关节运动学和动力学数据，构建一个高质量的数据集。通过分析该数据集，可以深入了解不同障碍物高度对下肢关节运动的影响，以及优势足和非优势足之间的差异，从而为改善跌倒预防策略和辅助设备设计提供依据。

技术框架：该研究的技术框架主要包括以下几个阶段： 1. 实验设计：招募健康成年人作为实验对象，设置不同高度的障碍物。 2. 数据采集：使用运动捕捉系统和测力板等设备，同步记录实验对象在跨越障碍物时的下肢关节运动学（角度）和动力学（力矩）数据。 3. 数据处理：对采集到的原始数据进行滤波、校准等预处理，提取关键的运动学和动力学参数。 4. 数据分析：对提取的参数进行统计分析，比较不同障碍物高度下，以及优势足和非优势足之间的差异。

关键创新：该研究的关键创新在于构建了一个包含不同障碍物高度下，下肢关节运动学和动力学数据的完整数据集。该数据集不仅包含了髋、膝、踝关节的角度和力矩信息，还考虑了优势足和非优势足之间的差异，为相关研究提供了更全面的数据支持。

关键设计： * 障碍物高度设置：设置了四个不同的障碍物高度（7.5厘米、15厘米、22.5厘米和30厘米），以模拟不同难度的跨越任务。 * 数据采集设备：使用了高精度的运动捕捉系统和测力板，以保证数据的准确性和可靠性。 * 数据处理方法：采用了合适的滤波算法和校准方法，以减少噪声和误差。

📊 实验亮点

实验结果表明，随着障碍物高度的增加，髋关节和膝关节的角度和力矩显著增加（分别增加1.5倍和1.0倍），而踝关节的变化相对较小。此外，优势足表现出更大的髋关节和膝关节角度以及更稳定的踝关节行为。这些发现揭示了跨越不同高度障碍物时下肢关节的运动规律，以及优势足和非优势足之间的差异。

🎯 应用场景

该研究的数据集和分析结果可广泛应用于以下领域：1) 跌倒预防：通过了解不同障碍物高度下下肢关节的运动模式，可以制定更有效的跌倒预防策略。2) 辅助设备设计：为假肢和外骨骼的设计提供生物力学依据，使其更符合人体运动规律。3) 运动康复：帮助康复医生制定更个性化的康复方案，提高患者的运动能力。

📄 摘要（原文）

Obstacle crossing is an essential component of human locomotion, particularly for individuals with lower limb amputations who face elevated risks of imbalance and falls. While prior studies have explored this task, they often lack a comprehensive examination of kinematic and kinetic changes throughout the entire gait cycle across varying obstacle heights. This study creates a novel dataset collected from ten healthy adults performing obstacle crossing at four different heights (7.5 cm, 15 cm, 22.5 cm, and 30 cm). Kinematic and kinetic data (angles and torques of hip, knee, and ankle) were recorded and analyzed. Results indicate that increased obstacle height leads to a longer swing phase and significant increases in both hip and knee joint angles (1.5 and 1.0, respectively) and torques. In contrast, ankle joint angles and moments exhibited minimal variation across obstacle heights, indicating a relatively consistent movement strategy at the ankle. Furthermore, significant asymmetries were observed between the dominant and non-dominant foot: the dominant foot demonstrated larger hip and knee joint angles and more consistent ankle behavior, reflecting greater coordination. These findings offer valuable biomechanical insights for improving fall prevention strategies and informing the design of assistive devices such as prostheses and exoskeletons.