步态循环（Gait Cycle）

一、什么是步态循环（Gait Cycle）

定义：
步态循环是同一只脚从一次触地（Heel Strike）到下一次触地的完整运动周期，通常用 百分比(0%–100%) 表示。

上述图片来自：https://musculoskeletalkey.com/assessment-of-gait/

二、步态周期的两大阶段

阶段	百分比	简介
支撑期 Stance Phase	0%–60%	足部与地面接触，用于支撑身体重量
摆动期 Swing Phase	60%–100%	足部腾空前摆，为下一次接触做准备

支撑期细分（约 60%）：

1. Initial Contact（初始接触）

• 时间：0%

• 关键事件：Heel Strike（脚跟触地）

• 关节行为：

  • 髋关节屈曲（~30°）

  • 膝关节接近伸直

  • 踝关节中立或轻微背屈

• 肌肉：胫前肌、股四头肌开始活跃

• 外骨骼助力提示：通常不助力，可用于步态事件的触发（FSM状态重置）

2. Loading Response（负重反应）

• 时间：0%–10%

• 描述：身体重量转移到脚上

• 关键动作：膝关节屈曲（减震）

• 关节行为：

  • 膝关节轻屈（~15°）

  • 髋继续屈曲，踝快速跖屈

• 肌肉：大腿肌群协同控制膝盖屈曲，胫前肌控制脚掌着地

• 外骨骼助力提示：缓冲期，外骨骼若助力，需精细调控阻尼，否则会阻碍自然缓冲

3. Mid Stance（中期支撑）

• 时间：10%–30%

• 描述：身体重心正好位于脚的正上方

• 关键事件：另一脚离地，单腿支撑开始

• 关节行为：

  • 髋由屈曲转为伸展

  • 膝逐渐伸直

  • 踝背屈达到高点

• 肌肉：臀大肌、股四头肌活跃维持姿态

• 外骨骼助力提示：可提供轻微支撑力矩，协助髋膝抗重力

4. Terminal Stance（末端支撑）

• 时间：30%–50%

• 描述：身体重心向前移动，脚跟抬起

• 关键事件：Heel Off（脚跟离地）

• 关节行为：

  • 髋继续伸展

  • 踝快速跖屈

• 肌肉：小腿三头肌（比目鱼、腓肠肌）发力产生推进力

• 外骨骼助力提示：可提供推进助力，尤其是踝关节（软体外骨骼常在此施力）

5. Pre-Swing（预摆期）

• 时间：50%–60%

• 描述：准备抬腿，脚趾最后接触地面

• 关键事件：Toe Off（脚趾离地）

• 关节行为：

  • 膝开始屈曲

  • 髋屈曲

  • 踝达到最大跖屈

• 肌肉：腘绳肌开始活动准备抬腿

• 外骨骼助力提示：助力触发时机，开始进入摆动控制状态

摆动期细分（Swing Phase，约 40%）：

6. Initial Swing（初始摆动）

• 时间：60%–73%

• 描述：脚离地后抬起腿

• 关节行为：

  • 膝关节快速屈曲（最高 ~60°）

  • 髋开始屈曲

  • 踝背屈以避地

• 肌肉：髂腰肌、腘绳肌

• 外骨骼助力提示：助力抬腿动作，髋膝柔性引导

7. Mid Swing（中期摆动）

• 时间：73%–87%

• 描述：小腿继续前摆，准备伸展

• 关节行为：

  • 髋持续屈曲

  • 膝开始伸展

  • 踝背屈维持

• 肌肉：伸膝肌开始控制腿部伸展

• 外骨骼助力提示：可维持轨迹引导，使穿戴者动作更流畅

8. Terminal Swing（末端摆动）

• 时间：87%–100%

• 描述：脚准备再次接触地面

• 关键事件：Heel Strike（重新开始循环）

• 关节行为：

  • 膝接近伸直

  • 髋仍略微屈曲

• 肌肉：腘绳肌收缩控制膝伸速度

• 外骨骼助力提示：控制终点位置，避免脚掌“拍地”或晃动

三、关键关节的行为（Hip、Knee、Ankle）

髋关节 Hip：

• 支撑期：从屈曲 (~30°) 到接近伸展 (~0°)

• 摆动期：再屈曲至 ~30°，为脚前摆提供动力

膝关节 Knee：

• 支撑期初：微屈防震（15–20°）

• 中后期：接近伸直

• 摆动期初：屈曲至 ~60°

• 终摆动期：伸展至接触准备

踝关节 Ankle：

• Initial Contact：背屈（~0°）

• Mid Stance：慢慢跖屈（负重推进）

• Toe-Off：最大跖屈 (~15°)

• 摆动期：背屈以避免拖地

四、常见生物力学指标（助力控制必备）

指标	含义	应用
关节角度（Joint Angle）	髋/膝/踝在步态中的变化曲线	控制器目标轨迹
角速度（Angular Velocity）	角度的时间导数	事件检测、估计意图
关节力矩（Joint Torque）	肌肉产生的力矩估算	阻抗控制、力控制参考
地面反作用力（GRF）	脚接触地面产生的力	步态识别、助力触发
步长（Step Length）	一只脚到另一脚的距离	步态节律评估
步频（Cadence）	步数 / 每分钟	调整控制参数节奏
双支撑期时长	双脚同时接触地面的时间	跟踪平衡与步态稳定性

应用于外骨骼的场景

步态阶段	助力控制常见策略
Heel Strike	检测触发控制状态机重置
Mid Stance	提供关节支撑力（如膝关节助力）
Toe Off	助力推进，输出力矩/目标角度
Swing Phase	控制关节随动轨迹，避免脚拖地
Terminal Swing	精准位置控制，准备接地

阶段	控制策略建议
支撑早期	最小干预，避免破坏自然缓冲
Mid-Stance	提供髋/膝支撑助力
Terminal Stance	适当推进力（尤其是踝）
Pre-Swing – Initial Swing	施加髋屈曲力矩，抬腿助力
Terminal Swing	控制终点稳定性，准备落地