限制手臂擺動對人體步行影響的生物力學研究

北京體育大學，北京 100084

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限制手臂擺動對人體步行影響的生物力學研究

The Effects of Arm Swing Restraint on Human Walking

北京體育大學，北京 100084

李秋捷，曲峰，萬祥林

LI Qiujie，QU Feng，WAN Xianglin

摘要：目的：探討手臂擺動對人體行走步態(tài)特征的影響，從而為無臂的仿人機器人以及假肢的設(shè)計提供理論支持。方法：選用10名青年男性大學生為受試者，以1.5±0.3m/s的速度完成手臂自然擺動和限制雙臂擺動的行走運動，研究采用Kistler三維測力臺、Motion紅外高速運動捕捉系統(tǒng)同步采集受試者行走時動力學和運動學數(shù)據(jù)。結(jié)果：(1)限制擺臂會顯著降低步行頻率；(2)限制擺臂會顯著增大步行時重心的上下擺動、減少骨盆的旋轉(zhuǎn)角度；(3)踝關(guān)節(jié)的生物力學參數(shù)在兩種不同運動狀態(tài)下表現(xiàn)出顯著性差異，不擺臂時踝關(guān)節(jié)屈伸角度增大、屈伸力矩增大、關(guān)節(jié)做功增大；同時，不擺臂會造成膝伸力矩顯著性增大，做功增多；針對髖關(guān)節(jié)，不擺臂會造成髖關(guān)節(jié)的屈伸角度增大；(4)下肢各參數(shù)在兩種走路模式上表現(xiàn)出高度的相關(guān)性。結(jié)論：步行中手臂自然擺動可以降低腿部的能量消耗，是節(jié)省能量的一種行走模式；擺臂與不擺臂兩種行走狀態(tài)下肢的運動模式在不同水平上高度一致。

關(guān)鍵詞：步行；限制手臂擺動；生物力學分析；能量消耗

步行在人體日常生活中扮演了非常重要的角色，而人體的步行需要身體各個部分的相互配合，其中擺臂的作用不容忽視。正常的人體步行過程中，相關(guān)肢體和關(guān)節(jié)需要一個很高程度的穩(wěn)定性和協(xié)調(diào)性，其中手臂的行為不是像鐘擺一樣自由擺動的，其擺動也是由多個肌群參與相互作用的結(jié)果[1-2]。但對于上肢病變的患者以及安裝假肢的康復病人，他們的步行協(xié)調(diào)性受到了破壞，從而可能會增大跌倒、損傷的可能性。這就使步行中擺臂的研究在骨科疾病的診斷，臨床療效的評估，以及康復指導中發(fā)揮越來越重要的作用。

在人類步態(tài)的研究中，已做過一些關(guān)于手臂擺動和步態(tài)關(guān)系的研究。有研究表明，手臂擺動產(chǎn)生扭矩是軀干上段軸向旋轉(zhuǎn)的主要貢獻者，手臂擺動抑制胸廓軸向旋轉(zhuǎn)，從而使身體彈簧樣活動產(chǎn)生的勢能驅(qū)動骨盆在水平方向上做旋轉(zhuǎn)運動[3]。Murray等[4]研究發(fā)現(xiàn)隨著速度的增加手臂擺動的幅度也逐漸增加，他們認為正常的手臂擺動有調(diào)節(jié)步行中身體重心垂直方向上移動的作用。Wannier[5]等人的研究也發(fā)現(xiàn)，作為人類行走中的一個附屬功能，上肢的擺動頻率、幅度的變化都會明顯影響下肢肌肉的肌電反應。也有學者從能量消耗方面分析步行中手臂擺動的作用，但不同的學者實驗結(jié)果差異較大，且采用的實驗方法大多從氣體代謝方面進行分析，針對運動學參數(shù)、動力學參數(shù)以及關(guān)節(jié)做功的研究的較少，對于骨盆的旋轉(zhuǎn)、軀干的旋轉(zhuǎn)、步幅、步頻等參數(shù)的分析結(jié)果各有不同。

近年，涌現(xiàn)出大量的無臂仿真機器人，它們只有頭、軀干和下肢，為了模仿人類對于平衡的穩(wěn)定性控制，機器人在完成行走、站立及各種動作時都需要身體各部分復雜的配合，以代償沒有雙臂擺動維持的平衡。在正常的雙足步行過程中，矢狀面的運動起主導作用，額狀面和水平面的運動幅度相對較小，所以很多關(guān)于人體步態(tài)的研究集中在矢狀面的屈伸活動上。

綜上所述，人類步行中，手臂自然擺動在身體的姿勢控制中扮演一個重要角色，那么步行中刻意改變手臂的運動將有可能影響基本的步態(tài)參數(shù)，并因此改變步態(tài)效率。本實驗的目的旨在探討限制手臂擺動對人體行走步態(tài)特征的影響，從而為無臂的仿真機器人以及假肢的設(shè)計提供理論支持。

1研究對象和方法

1.1研究對象

10名青年男性大學生(年齡23.8±1.9歲；身高175.7±2.4cm；體重64.7±6.4kg)，且受試者身體健康狀況良好，無運動系統(tǒng)疾病及其它嚴重疾患史或異常步態(tài)。實驗前24h內(nèi)未從事劇烈運動，無肌肉疲勞癥狀。

1.2數(shù)據(jù)采集與處理

受試者著泳褲，在身上貼上29個反光標志點(頭頂點，頭正中矢狀面前/后點，左/右肩峰點，左/右肱骨外側(cè)髁，左/右尺骨莖突與橈骨莖突連線中點，右側(cè)肩胛骨偏移點，左/右髂前上棘，第四、五腰椎棘突中點，左/右大腿前側(cè)，左/右股骨外側(cè)髁，左/右股骨內(nèi)側(cè)髁，左/右脛骨粗隆，左/右腓骨外踝，左/右脛骨內(nèi)踝，左/右足尖，左/右足跟、與足尖同高點)。通過三維測力臺(Kistler 9281CA，Switzerland，1000Hz)、8鏡頭紅外高速運動捕捉系統(tǒng)(Motion Analysis Raptor-4，USA，200Hz)同步采集動力學和運動學數(shù)據(jù)。受試者以限制手臂擺動和自由擺臂兩種模式進行行走(如圖1、2)，開始時受試者距離測力臺直線距離10m，使用便攜式測速系統(tǒng)(Newtest Powertimer)將通過測力臺的速度控制在1.5±0.3m/s，兩個測速儀紅外發(fā)射裝置位于測力臺一側(cè)，間距3m。在規(guī)定速度下，受試者以正常步態(tài)、無任何步伐調(diào)整并以右腳著在臺面上視為一次有效測試。經(jīng)過三維測力臺后兩個步態(tài)周期，步行停止，每人每種步行模式記錄3次有效數(shù)據(jù)，3次數(shù)據(jù)均用于最后的計算。

圖1　自由擺臂行走測試現(xiàn)場

采集的所有標志點三維坐標采用Butterworth低通濾波進行平滑，截斷頻率為10Hz。根據(jù)標志點坐標建立肩部坐標系、骨盆坐標系、大腿坐標系、小腿坐標系、足坐標系，其中，髖關(guān)節(jié)中心根據(jù)Bell[7]的研究計算，膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動中心為股骨內(nèi)外側(cè)髁中點，踝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動中心為內(nèi)外踝中點；采用歐拉角的方法計算髖、膝、踝關(guān)節(jié)的三維角度；采用逆動力學[8]的方法計算三維凈力矩。關(guān)節(jié)功率定義為關(guān)節(jié)凈力矩與關(guān)節(jié)角速度的乘積。

圖2　限制手臂擺動行走測試現(xiàn)場

數(shù)據(jù)通過Motion Analysis自帶軟件Cortex 2.1.0.1103以及Microsoft Office Excel 2007、 MATLAB R2009a等軟件進行處理。

1.3統(tǒng)計分析

兩種步行模式下采集的參數(shù)用配對T檢驗分析方法進行比較，以P<0.05作為差異顯著性水平，P<0.01作為非常顯著性水平，所有統(tǒng)計分析應用SPSS17.0軟件完成。

2結(jié)果與分析討論

2.1研究結(jié)果

2.1.1步頻與步幅如表1所示，擺臂與不擺臂對步頻的影響有顯著性差異，且擺臂的平均步頻要大于不擺臂的平均步頻。在一個步態(tài)周期中，擺臂和不擺臂對步行的第一、二步在P<0.05水平上均沒有差異，但步幅顯示出增大的趨勢。

表1受試者在兩種行走模式下步頻和步幅一覽

Table 1The step length and frequency during walking with and without arm swing

注：*P<0.05代表擺臂與不擺臂相比有顯著性差異。

2.1.2骨盆、軀干旋轉(zhuǎn)如表2所示，擺臂與不擺臂對骨盆沿Z軸旋轉(zhuǎn)的影響有顯著性差異，且不擺臂比擺臂，骨盆旋轉(zhuǎn)有減小的趨勢。但對比兩條件下軀干旋轉(zhuǎn)，并沒有顯著性差異。

2.1.3重心的擺動如表3所示，擺臂與不擺臂對重心在水平面擺動幅度沒有顯著性影響。但是，擺臂與不擺臂對重心上下擺動的影響呈現(xiàn)非常顯著的差異，且不擺臂會造成重心在垂直面上的更大擺動。

表2本實驗受試者在兩種行走模式下骨盆、軀干旋轉(zhuǎn)一覽

Table 2The rotation angles of pelvis and trunk during walking with and without arm swing

運動形式骨盆旋轉(zhuǎn)(°)軀干旋轉(zhuǎn)(°)擺臂17.1±4.910.1±3.2不擺臂11.8±4.011.3±5.9P值P<0.001**0.243

注：**P<0.01代表擺臂與不擺臂相比有非常顯著性差異。

2.1.4下肢運動學、動力學參數(shù)擺臂和不擺臂兩種步行模式踝關(guān)節(jié)參數(shù)在矢狀面變化如表4所示，其中大部分指標表現(xiàn)出顯著性差異。兩種步行模式對角度最大值有非常顯著性差異，且不擺臂會造成背屈顯著性增大，而對角度最小值(趾屈)影響不大(P=0.052)。對力矩的最大值、最小值在P<0.05水平上均有顯著性差異，且不擺臂會造成力矩的顯著性增大。對功率最大值、最小值均有非常顯著性差異，且不擺臂會造成功率顯著性增加。踝關(guān)節(jié)做功表現(xiàn)出顯著性差異，且不擺臂會造成踝關(guān)節(jié)做功增加。

表3本實驗受試者在兩種行走模式下標準化重心擺動幅度一覽

Table 3The amplitude of swing of COM during walking with and without arm swing

運動形式水平擺動(BH)上下擺動(BH)擺臂0.02±0.010.031±0.003不擺臂0.02±0.010.036±0.002P值0.393P<0.001**

注：**P<0.01代表擺臂與不擺臂相比有非常顯著性差異。

表4　擺臂與不擺臂行走時踝關(guān)節(jié)矢狀面參數(shù)比較

注：*P<0.05代表擺臂與不擺臂相比有顯著性差異。

圖3　擺臂與不擺臂行走時踝關(guān)節(jié)矢狀面

注：TO為腳離地，ST為腳著地。

Fig 3Sagittal plane angles, moments and powers for the ankle during walking with and without arm swing (TO = toe off, ST = foot strike)

擺臂和不擺臂兩種步行模式膝關(guān)節(jié)參數(shù)在矢狀面變化如表5所示。兩種步行模式對膝關(guān)節(jié)屈角度最大值、最小值均沒有顯著性差異。對力矩的最大值有顯著性差異(P<0.05)，且不擺臂會造成力矩最大值(膝關(guān)節(jié)伸)的顯著性增大，而對力矩最小值(膝關(guān)節(jié)屈)沒有顯著性影響。對功率最大值沒有顯著性影響，但不擺臂會造成功率最小值顯著性增加。膝關(guān)節(jié)做功表現(xiàn)出顯著性差異(P<0.05)，且不擺臂會造成膝關(guān)節(jié)做功增加。

擺臂和不擺臂兩種步行模式髖關(guān)節(jié)參數(shù)如表6所示。兩種步行模式對角度最大值、最小值均有顯著性差異(P<0.05)，且不擺臂后角度最大值(髖關(guān)節(jié)伸)顯著性增大，角度最小值(髖關(guān)節(jié)屈)減小。對膝關(guān)節(jié)力矩、功率、做功均沒有顯著性差異。

擺臂與不擺臂行走時下肢關(guān)節(jié)角度、力矩相關(guān)性系數(shù)如表7所示，大部分r值大于0.99，表現(xiàn)出高度的相關(guān)性。

表5　擺臂與不擺臂行走時膝關(guān)節(jié)矢狀面參數(shù)比較

注：*P<0.05代表擺臂與不擺臂相比有顯著性差異。

圖4　擺臂與不擺臂行走時膝關(guān)節(jié)矢狀面

注：TO為腳離地，ST為腳著地。

Fig 4Sagittal plane angles、moments and powers for the knee during walking with and without arm swing(TO = toe off, ST = foot strike)

圖5　擺臂與不擺臂行走時髖關(guān)節(jié)矢狀面

注：TO為腳離地，ST為腳著地。

Fig 5Sagittal plane joint angles、moments and powers for the hip during walking with and without arm swing(TO = toe off, ST = foot strike)

表6　擺臂與不擺臂行走時髖關(guān)節(jié)矢狀面參數(shù)比較

注：*P<0.05代表擺臂與不擺臂相比有顯著性差異。

3分析討論

(1)擺臂對步幅和步頻的影響。在本實驗中，手臂束縛后，步頻顯著性減小，可見手臂擺動對步頻有顯著性影響，通過降低步頻來維持身體的穩(wěn)定性，步幅顯現(xiàn)出增大的趨勢，以維持特定的速度。Chapman[9]研究發(fā)現(xiàn)，限制手臂擺動后步行速度、步幅降低，步頻增加，這與本實驗的研究結(jié)果有所不同，分析其原因，可能是由于實驗控制的條件不同，本實驗控制受試者步行速度在1.5±0.3 m/s。步行速度的不同，必然會導致步幅和步頻的差異。也有文獻研究[10]，在正常步態(tài)中手臂自然擺動，為了維持特定的速度，軀干附近的肌肉緊張，肌電放電增多，而本實驗不擺臂的行走模式選用雙手抱于胸前，所以，肌肉緊張導致的代償也可能是致使步頻、步幅發(fā)生變化的原因，但仍需通過研究進一步探討。

表7擺臂與不擺臂行走時下肢關(guān)節(jié)角度、力矩相關(guān)性系數(shù)

Table 7The correlation of angles and moments forlower limbs between walking with and without arm swing

指標r踝關(guān)節(jié)角度0.994膝關(guān)節(jié)角度0.999髖關(guān)節(jié)角度0.998踝關(guān)節(jié)力矩0.997膝關(guān)節(jié)力矩0.994髖關(guān)節(jié)力矩0.989

(2)擺臂對骨盆、軀干旋轉(zhuǎn)的影響。手臂束縛后，骨盆繞垂直軸旋轉(zhuǎn)幅度減少，可見手臂擺動對骨盆旋轉(zhuǎn)運動具有明顯的影響。Cappozzo等[11]學者認為，上肢是身體上半部分角動量的主要貢獻者，下肢是身體下半部分角動量的主要貢獻者，身體上下兩部分的角動量需要相互平衡以維持身體水平方向上旋轉(zhuǎn)的平衡。由此推斷，當手臂束縛后，身體上半部分的角動量隨之明顯減小，而下肢可能通過減少骨盆水平旋轉(zhuǎn)幅度來減少身體下半部分角動量，與身體上半部分平衡。另外，手臂擺動抑制了胸廓的軸向旋轉(zhuǎn)運動，使得軀干彈簧樣活動產(chǎn)生的勢能只能驅(qū)動骨盆水平面上的旋轉(zhuǎn)運動。手臂束縛后，減少了對胸廓的抑制，從而減小了軀干產(chǎn)生的勢能，降低了骨盆在水平面的旋轉(zhuǎn)。有研究[12]表明，骨盆水平旋轉(zhuǎn)幅度減小可能還與骨盆周圍肌肉緊張度增加有關(guān)。

林曉聰[13]認為，手臂擺動帶動了脊柱整體的旋轉(zhuǎn)。本實驗中，軀干角是肩關(guān)節(jié)運動時序與骨盆運動時序的差值，研究結(jié)果表明，兩種步行對軀干旋轉(zhuǎn)角度沒有顯著性差異，這可能是雙手抱臂后，上肢及軀干肌肉緊張度增加導致的。

(3)擺臂對重心擺動的影響。從實驗結(jié)果得知，不擺臂會增大身體重心的上下擺動，但對重心的左右擺動并沒有顯著性影響。分析實驗結(jié)果，從下肢的運動學、動力學參數(shù)上得知，不擺臂會造成踝關(guān)節(jié)屈伸活動范圍增大，踝關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的力矩增大，這可能是致使重心上下產(chǎn)生波動的原因。另外，有研究發(fā)現(xiàn)，骨盆在水平面上的旋轉(zhuǎn)是行走步態(tài)的首要決定因素，可以減少行走中身體重心在垂直面上的擺動幅度，使重心更趨于穩(wěn)定。所以不擺臂后，骨盆旋轉(zhuǎn)幅度減小也可能是重心上下擺動增多的原因。

(4)擺臂對下肢運動學、動力學參數(shù)的影響。從圖3-5中以及表7得知，擺臂組和不擺臂組在下肢運動學、動力學參數(shù)上表現(xiàn)出高度的相關(guān)性，大部分r值超過0.90，曲線高度吻合，這說明兩種行走狀態(tài)，在不同水平上下肢運動模式高度一致。

在本研究結(jié)果中，兩種走路模式對踝關(guān)節(jié)的影響最為顯著，膝關(guān)節(jié)除力矩和功外均沒有顯著性差異，對髖關(guān)節(jié)各項參數(shù)并沒有顯著性影響。這與前人的研究結(jié)果有所不同，Brain[14]研究發(fā)現(xiàn)，兩種步行模式對踝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)并沒有顯著性差異。但不擺臂后膝關(guān)節(jié)屈伸力矩顯著性增大，這與本研究結(jié)果一致。本實驗得出不擺臂造成膝關(guān)節(jié)力矩、踝關(guān)節(jié)屈伸角度、踝力矩、踝關(guān)節(jié)做功及功率均增大。這說明擺臂會減少踝關(guān)節(jié)用力，減少踝關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)做功，維持身體平衡。

本實驗的某些研究結(jié)果與前人的研究結(jié)果不同，可能的原因主要有以下兩個方面：1.手臂束縛的方式不同，本研究采用的是雙臂抱于胸前，而前人研究則選用繃帶，使雙臂被動束縛在軀干左右；2.實驗中控制的步行速度不同，這可能導致步幅和步頻的研究結(jié)果有所差異。

(5)擺臂對下肢能量消耗的影響。功被定義為功率對時間的積分，并用焦耳每千克體重來表示。當功為正值時，關(guān)節(jié)內(nèi)部力矩和關(guān)節(jié)角速度的方向相同，表示肌肉的向心運動，能量被產(chǎn)生出來。當功為負值時，內(nèi)部力矩與角速度相反，表示肌肉的離心運動，能量被吸收[15]。行走時負功主要使肢體在抵抗重力時吸收能量，正功使人體向前運動。不管是正功還是負功，肌肉收縮都要消耗能量，不擺臂行走時，踝關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的正功和負功均大于擺臂行走，表明不擺臂行走時踝關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)附近的肌群需要消耗更多的能量。

Elftman[2]是首次提出步行中手臂自然擺動可以降低能量消耗的人。Ortega和Umberger[10]也通過實驗證實，人為限制手臂擺動后行走時的能量消耗增加不到10%。后續(xù)有學者研究發(fā)現(xiàn)，擺臂可以降低人體垂直方向的角動量，地面反作用力的力矩隨之減少，由于地面反作用力的力矩需要腿部肌肉產(chǎn)生，所以伴隨著腿部肌肉能量消耗的減少[16]。Collins[17]研究認為手臂擺動可以抵消腿部的運動，減少垂直地面反作用力矩和動員的肌肉力量，從而減少能量消耗。本研究雖然只計算了下肢矢狀面的變化，但不擺臂比擺臂踝關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)力矩均增大，伴隨著腿部肌肉用力增多。由此可以說明，步行中擺臂可以降低腿部的能量消耗。

4研究結(jié)論與建議

4.1結(jié)論

(1)步行中手臂自然擺動可以降低腿部的能量消耗，是節(jié)省能量的一種行走模式。

(2)對比擺臂與不擺臂兩種行走狀態(tài)，在不同水平上下肢運動模式高度一致。

(3)限制手臂擺動會降低步行頻率，增加步行時重心的上下起伏，同時會減小步行時骨盆的水平旋轉(zhuǎn)角度，但對重心的左右擺動以及軀干的旋轉(zhuǎn)角度影響并不顯著。

4.2建議

擺臂是人體行走節(jié)省能量的重要因素，這就建議無臂的仿真機器人，在模仿人類行走時，應增大驅(qū)動力，滿足步行中沒有擺臂作用帶來的更多能量消耗，同時應減少骨盆的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動，增大髖關(guān)節(jié)屈曲驅(qū)動和踝關(guān)節(jié)背屈驅(qū)動。在診斷上肢活動障礙和肩軸關(guān)節(jié)損傷的病人時，多關(guān)注病人下肢髖、膝、踝關(guān)節(jié)在屈伸角度上是否出現(xiàn)代償，骨盆旋轉(zhuǎn)是否正常，從而針對不同癥狀給予病人康復治療。

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Abstract

Objective: This study explores the effects of arm wing restraint on walking patterns so as to provide theoretical support for the design of no-arm human-simulation robots and prosthetic devices. Methods: Choosing ten young male students as subjects and asking them to walk at the speed of 1.5+-0.3m/s while swinging their arms naturally and walking with their arms restrained respectively. Using Kistler’s 3D force platform and the infrared high-speed motion capture system to collect subjects’ kinetic and kinematic data. Results: (1) Arms swing restraint will significantly reduce the walking frequency; (2) arm swing restraint will dramatically increase the vertical range of gravity movement and the rotary angle of pelvis; (3) under the two different motion conditions, biomechanic parameters present significant differentiation; (4) under the two walking patterns, lower limb parameters are highly correlated (r>0,90) . Conclusion: Arm swing during walking will reduce legs’ energy consumption. Therefore it is a kind of energy-saving walking pattern. The motion pattern of lower limbs under the two walking conditions is highly identical.

Key words:Walking; Arm Swing Restraint; Biomechanic Analysis; Energy Consumption

CLC number：G804.6Document code：AArticle ID：1001-9154(2016)01-0103-06

(編輯孫君志)

中圖分類號：G804.6

文獻標志碼：A

文章編號：1001-9154(2016)01-0103-06

收稿日期：2014-12-26

作者簡介：李秋捷，在讀碩士研究生，研究方向：運動生物力學，E-mail：lqj19921015@sina.com。通訊作者：曲峰。

基金項目：2013年國家高科技研究發(fā)展計劃(863計劃)。

Beijing Sport University, Beijing 100084