軀干負(fù)重對步態(tài)的影響及相應(yīng)補償策略的試驗研究

趙功赫，曲 峰，楊 辰，萬祥林，劉 歡

●專題研究 Special Lecture

軀干負(fù)重對步態(tài)的影響及相應(yīng)補償策略的試驗研究

趙功赫，曲 峰，楊 辰，萬祥林，劉 歡

目的：研究軀干負(fù)重時的步態(tài)特征及相應(yīng)補償策略，探討軀干不同負(fù)重重量對步態(tài)的影響，為負(fù)重方式的選擇、負(fù)重裝備的改進(jìn)或仿人機器人的設(shè)計提供參考。方法：選用10名普通男性大學(xué)生為受試者，佩戴特制的可控制負(fù)重物重心位置的負(fù)重架，將負(fù)重物前后均勻安放，進(jìn)行3種負(fù)重狀態(tài)（負(fù)重物重量分別為0 kg，20 kg，40 kg）下的行走，采用Kistler三維測力臺、Motion紅外高速運動捕捉系統(tǒng)同步采集運動學(xué)、動力學(xué)數(shù)據(jù)。結(jié)果：行走中軀干負(fù)重重量的增加，顯著增加了步寬、支撐相百分比、膝關(guān)節(jié)屈曲角度、踝關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)力矩、下肢各關(guān)節(jié)功率和功（P＜0.05），顯著減小了步長、重心的上下擺動幅度、軀干的旋轉(zhuǎn)幅度（P＜0.05）。結(jié)論：人體通過減小步長、增加步寬、增加支撐相百分比、降低重心在上下方向擺動幅度、增大踝、膝關(guān)節(jié)力矩及膝關(guān)節(jié)屈曲角度來補償軀干負(fù)重增加對人體步行中平衡控制的影響；軀干前后均勻負(fù)重，限制軀干的旋轉(zhuǎn)，影響人體邁步的平衡；在仿人機器人的步態(tài)規(guī)劃的設(shè)計中，當(dāng)軀干負(fù)重增加時，應(yīng)適當(dāng)調(diào)整相應(yīng)參數(shù)，增大驅(qū)動力，滿足更多能耗。

負(fù)重；步態(tài)參數(shù)；軀干；補償策略

負(fù)重行走在日常生活中非常常見，如上班上學(xué)、登山訓(xùn)練、物品搬運、士兵負(fù)重行軍等各個方面。而外部負(fù)重物作用于人體，改變了身體和重物的總質(zhì)心的位置，人體會相應(yīng)地調(diào)整步態(tài)和身體姿勢，從而保持身體平衡[1]。長期負(fù)重行走，容易導(dǎo)致下肢應(yīng)力性骨折、下肢關(guān)節(jié)疼痛和背部肌肉拉傷、腰間盤突出等損傷[2-4]。對不同負(fù)重方式和負(fù)重范圍的研究，可以更深入認(rèn)識負(fù)重引起的人體的生物力學(xué)的改變以及相應(yīng)的穩(wěn)定控制特征，對負(fù)重裝備的改進(jìn)具有重要意義，進(jìn)而減少損傷[5-8]。

人們徒步出行、士兵負(fù)重行軍等，通常都會將負(fù)重物背負(fù)于背部，負(fù)重物的重心均在人體外。另外國內(nèi)、外有關(guān)負(fù)重行走的研究中，負(fù)重物的重心也多在人體外[9-12]，但是如果將負(fù)重物均勻放在軀干的前后，這樣負(fù)重物的重心就在身體內(nèi)，更靠近身體的重心，因而就會減小身體和重物的總質(zhì)心的變化，這會不會對人體行走更有利呢？近年，雙足步行機器人涌現(xiàn)，其步態(tài)就是以人類的步態(tài)為原型來設(shè)計，故人類的穩(wěn)定控制特征是研究雙足步行機器人的一個重要依據(jù)，因此探明不同負(fù)重狀態(tài)下行走的動作穩(wěn)定控制特征及機理，將有助于仿人機器人的設(shè)計。

在這種軀干前后均勻負(fù)重的方式下步行，步態(tài)勢必會做出相應(yīng)的調(diào)整，來保持行走的平衡和穩(wěn)定。為此，本研究特制了負(fù)重架，一方面實現(xiàn)對負(fù)重物重心的控制，另一方面模擬飛行器相對于機器人的質(zhì)量分布，以此更有針對性地進(jìn)行負(fù)重研究。本研究旨在對軀干負(fù)重下的步態(tài)特征進(jìn)行生物力學(xué)分析，用可靠地運動學(xué)、動力學(xué)參數(shù)來分析軀干和下肢的關(guān)節(jié)力學(xué)行為，一方面對優(yōu)化機器人的步態(tài)規(guī)劃、完善仿人機器人的設(shè)計和控制提供依據(jù)，另一方面對日常負(fù)重方式的選擇以及負(fù)重裝備的改進(jìn)等具有重要意義。

1 研究對象與方法

1.1 受試者

10名青年男性大學(xué)生（年齡：（22.8±1.9）歲；身高：（175.3± 3.1）cm；體重：（66.2±6.4）kg），均習(xí)慣穿歐碼42的鞋，實驗前24 h內(nèi)未從事劇烈活動，下肢及足部半年內(nèi)無明顯損傷。

1.2 試驗儀器

本研究設(shè)計特殊的負(fù)重架（見圖1），自重9.5 kg，可將其佩戴在身上，前面的扶手固定上臂的運動，前后凸出的橫杠可固定杠鈴片，并實現(xiàn)將負(fù)重物平均分配于軀干前后，該負(fù)重裝置可以控制負(fù)重物的重心僅在前后橫桿的連線上移動，當(dāng)負(fù)重物平均分配于軀干前后時，則負(fù)重物的重心就在前后橫桿連線的中點。該負(fù)重架同時也模擬出了飛行器相對于機器人的質(zhì)量分布。

采用8鏡頭紅外高速運動捕捉系統(tǒng)（Motion Analysis Raptor-4，USA，200 Hz）、三維測力臺（Kistler 9281CA，Switzerland，1 000 Hz）同步采集步行中的運動學(xué)、動力學(xué)數(shù)據(jù)。通過便攜式測速系統(tǒng)（NewtestPowertimer，F(xiàn)inland）監(jiān)控步行速度，兩個測速儀紅外發(fā)射裝置置于測力臺一側(cè)，二者間距3 m。

圖1 負(fù)重架Figure1 Loading device used in the experiment

1.3 試驗步驟

受試者著緊身衣并佩戴泳帽，穿統(tǒng)一運動鞋，身上共貼29個反光點（頭頂點，頭前/后點，右側(cè)肩胛骨偏移點，第四、五腰椎之間，兩側(cè)肩峰點，兩側(cè)肱骨外上髁，兩側(cè)尺骨莖突和橈骨莖突中點，兩側(cè)大腿前側(cè)，兩側(cè)股骨外上髁，兩側(cè)股骨內(nèi)上髁，兩側(cè)脛骨粗隆，兩側(cè)內(nèi)踝，兩側(cè)外踝，兩側(cè)足尖和足跟）。

測試時，受試者佩戴負(fù)重架，雙手約束在前部扶手上，在距測力臺約10 m處準(zhǔn)備，聽到口令后受試者在規(guī)定速度下（（1.5± 0.2）m/s）自然走過測試區(qū)域（見圖2）。負(fù)重重量分別為0 kg（僅佩戴負(fù)重架）、20 kg（負(fù)重架前后各固定10 kg杠鈴片）、40 kg（負(fù)重架前后各固定20 kg杠鈴片）。在規(guī)定速度下，受試者以正常步態(tài)、無任何步伐調(diào)整并以左腳著在臺面上視為一次有效測試，每種負(fù)重重量下采集3次有效數(shù)據(jù)，負(fù)重重量隨機安排。為避免疲勞因素對實驗結(jié)果產(chǎn)生影響，要求受試者每次行走之間充分休息。

圖2 負(fù)重行走測試示意圖Figure2 Walking with weight-bearing

1.4 數(shù)據(jù)處理

采集的所有標(biāo)志點三維坐標(biāo)采用Butterworth低通濾波法進(jìn)行平滑，截斷頻率為10 Hz。根據(jù)標(biāo)志點建立軀干坐標(biāo)系、骨盆坐標(biāo)系、大腿坐標(biāo)系、小腿坐標(biāo)系、足坐標(biāo)系[13]，其中踝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動中心為內(nèi)外踝的中點，膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動中心為股骨內(nèi)外上髁中點，髖關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動中心根據(jù)BELL等[14]的研究計算獲得。軀干角度定義為軀干坐標(biāo)系和大地坐標(biāo)系之間歐拉角，髖關(guān)節(jié)角度定義為大腿坐標(biāo)系和骨盆坐標(biāo)系之間的歐拉角，膝關(guān)節(jié)角度定義為小腿坐標(biāo)系和大腿坐標(biāo)系之間的歐拉角，踝關(guān)節(jié)角度定義為足坐標(biāo)系和小腿坐標(biāo)系之間的歐拉角，采用逆動力學(xué)的方法[15]計算下肢關(guān)節(jié)的三維力矩，計算人體重心，其中人體慣性參數(shù)采用DELEVA[16]修正后的Zatsiorsky-Seluyanovs人體慣性參數(shù)。關(guān)節(jié)功率為關(guān)節(jié)力矩與關(guān)節(jié)角速度的乘積，采用梯形法計算關(guān)節(jié)功率對時間積分獲得關(guān)節(jié)功。對于下肢關(guān)節(jié)運動學(xué)、動力學(xué)參數(shù)，本文僅分析人體矢狀面數(shù)據(jù)，對下肢動力學(xué)參數(shù)除以體重進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，并對各指標(biāo)按一個步態(tài)周期（左足跟著地到左足跟再次著地）進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。

數(shù)據(jù)用Cortex2.1.0.1103以及Microsoft Office Excel 2007、MATLAB R2009a等軟件進(jìn)行計算處理。

1.5 統(tǒng)計分析

采用重復(fù)測量單因素方差分析比較軀干負(fù)重重量對步態(tài)參數(shù)的影響，后續(xù)采用LSD檢驗方法進(jìn)行兩兩比較，以P＜0.05作為差異顯著性水平，所有數(shù)據(jù)應(yīng)用SPSS17.0軟件分析。

2 研究結(jié)果

2.1 時空參數(shù)

不同負(fù)重重量行走時步態(tài)時空參數(shù)結(jié)果如表1所示，40 kg負(fù)重行走時步長顯著小于0 kg、20 kg負(fù)重（P＜0.05），步頻顯著大于0 kg、20 kg負(fù)重（P＜0.05）。步長、步寬在不同負(fù)重重量間均有顯著差異（P＜0.05），步長隨著負(fù)重重量的增加而減小，步寬隨著負(fù)重重量的增加而增大。支撐相、擺動相百分比在不同負(fù)重重量間均有顯著差異（P＜0.05），支撐相百分比隨著負(fù)重重量的增加而增大，擺動相百分比隨著負(fù)重重量的增加而減小。

2.2 重心運動特征

不同負(fù)重重量行走，重心的左右擺動幅度無顯著性差異（P＞0.05），而上下擺動幅度隨著重量的增加顯著減?。≒＜0.05）（見表2）。

表1 不同負(fù)重重量行走時步態(tài)時空參數(shù)比較（n=10）Table1 Gait parameters during walking under different loading conditions（n=10）

表2 不同負(fù)重重量行走時重心擺動幅度（n=10）Table2 The amplitude of swing of COM during walking under different loading conditions（n=10）

2.3 軀干運動特征

負(fù)重重量對于軀干的左右傾和前后傾無顯著影響（P＞0.05），僅軀干前后傾幅度有顯著差異，40 kg、20 kg負(fù)重行走時，該指標(biāo)較0 kg負(fù)重行走顯著增大（P＜0.05）。而對軀干旋轉(zhuǎn)卻影響顯著（P＜0.05），軀干內(nèi)旋最大值、最小值、旋轉(zhuǎn)幅度在不同負(fù)重重量間均有顯著差異（P＜0.05），均隨著負(fù)重重量的增加而減?。ㄒ姳?）。

表3 不同負(fù)重重量行走時軀干各參數(shù)（n=10）Table3 The angular movement of trunk during walking under different loading conditions（n=10）

2.4 下肢運動學(xué)、動力學(xué)參數(shù)

不同負(fù)重重量行走時踝關(guān)節(jié)在矢狀面的運動學(xué)、動力學(xué)參數(shù)結(jié)果（見表4）表明，40 kg、20 kg負(fù)重行走時，力矩最大值（最大跖屈力矩）、功率最大值、功率最小值、正功均顯著大于0 kg負(fù)重（P＜0.05），40 kg負(fù)重與20 kg負(fù)重行走相比，上述各指標(biāo)均顯著增大（P＜0.05），但不同負(fù)重重量下踝關(guān)節(jié)的角度最小值（踝最大跖屈角度）、角度最大值（最大背屈角度）和矢狀面活動幅度均無顯著差異（P＞0.05）。

不同負(fù)重重量行走時踝關(guān)節(jié)在一個步態(tài)周期內(nèi)的矢狀面角度、力矩、功率變化曲線如圖3所示。

不同負(fù)重重量行走時膝關(guān)節(jié)在矢狀面的運動學(xué)、動力學(xué)參數(shù)結(jié)果（見表5）表明，隨著負(fù)重重量的增加，支撐相角度最大值（支撐相膝最大屈角）、擺動相角度最大值（擺動相膝最大屈角）、力矩最大值（最大伸膝力矩）、功率最大值、功率最小值、正功、負(fù)功均顯著增大（P＜0.05）。但隨著負(fù)重重量的增加，膝關(guān)節(jié)的活動幅度無顯著變化（P＞0.05）。

表4 不同負(fù)重重量行走時踝關(guān)節(jié)矢狀面各參數(shù)（n=10）Table4 Sagittal plane parameters for the ankle during walking under different loading conditions（n=10）

圖3 不同負(fù)重重量行走的步態(tài)周期中踝關(guān)節(jié)矢狀面角度、力矩、功率（n=10）Figure3 Sagittal plane angles，moments and powers for the ankle during walking under different loading conditions（TO=toe off，ST= foot strike）（n=10）注：TO為腳離地，ST為腳著地（下同）。

不同負(fù)重重量行走時膝關(guān)節(jié)在一個步態(tài)周期內(nèi)的矢狀面角度、力矩、功率變化曲線見圖4。

不同負(fù)重重量行走時髖關(guān)節(jié)在矢狀面的運動學(xué)、動力學(xué)參數(shù)結(jié)果（見表6）表明，40 kg負(fù)重行走時，角度最大值（最大屈髖角度）顯著大于0 kg、20 kg負(fù)重行走（P＜0.05），而0 kg與20 kg負(fù)重行走之間沒有顯著差異（P＞0.05）。40 kg、20 kg負(fù)重行走時，功率最大值、功率最小值、正功、負(fù)功顯著大于0 kg負(fù)重（P＜0.05），而40 kg與20 kg負(fù)重行走之間沒有差異。不同負(fù)重重量下髖關(guān)節(jié)力矩沒有差異（P＞0.05）。

表5 不同負(fù)重重量行走時膝關(guān)節(jié)矢狀面各參數(shù)（n=10）Table5 Sagittal plane parameters for the ankle during walking under different loading conditions（n=10）

圖4 不同負(fù)重重量行走的步態(tài)周期中膝關(guān)節(jié)矢狀面角度、力矩、功率（n=10）Figure4 Sagittal plane angles，moments and powers for the knee during walking under different loading conditions（TO=toe off，ST= foot strike）（n=10）

不同負(fù)重重量行走時髖關(guān)節(jié)在一個步態(tài)周期內(nèi)的矢狀面角度、力矩、功率變化曲線見圖5。

3 討論

3.1 時空參數(shù)

在本實驗中，軀干隨著負(fù)重重量的增加，步長顯著減小，步寬顯著增大。這種步長和步寬的顯著性變化，主要是為了增加行走過程中的穩(wěn)定性。由于軀干負(fù)重重量的增大，支撐腿需要更大的工作能力以推動整個身體質(zhì)量運動（自身重量和負(fù)重重量之和），這就增加了肌肉的工作負(fù)荷，身體的穩(wěn)定性也降低，而擺動腿此時沒有負(fù)重，因此擺動腿前擺比較容易，所以受試者為了保持固定的行走速度，擺動腿迅速前擺著地，這就導(dǎo)致了步長相應(yīng)地縮短。這與MARTIN等[17]的研究結(jié)果基本一致，即負(fù)重重量的增加會造成步長的減小，ATTWELLS等[18]通過實驗證實，較高的載荷會使步長減小，這與本研究結(jié)果基本相同。而這與武明等[9]的研究結(jié)果的并不一致，原因是由于其實驗中并未對受試者的步速進(jìn)行控制。20 kg、40 kg與0 kg負(fù)重相比，步寬分別增加了13.21%、23.15%，有文獻(xiàn)指出，步寬會隨著負(fù)重的增加而增加，因為步寬增大，支撐面積增大，行走的穩(wěn)定性隨之增大，這與本實驗的研究結(jié)果相同。DONELAN等[19]認(rèn)為，步寬變化率的增大會增加每一步之間轉(zhuǎn)換所需要的能量，而積極的穩(wěn)定需要適度的代謝成本，更大的步寬意味著有更大的能量消耗?？梢?，步長和步寬的這種變化，是受試者保持行走穩(wěn)定性的一種措施。

表6 不同負(fù)重重量行走時髖關(guān)節(jié)矢狀面各參數(shù)（n=10）Table6 Sagittal plane parameters for the ankle during walking under different loading conditions（n=10）

圖5 不同負(fù)重重量行走的步態(tài)周期中髖關(guān)節(jié)矢狀面角度、力矩、功率（n=10）Figure5 Sagittal plane angles，moments and powers for the hip during walking under different loading conditions（TO=toe off，ST= foot strike）（n=10）

有研究表明，采用自選頻率或適宜頻率進(jìn)行運動可使運動能耗最小化，這將有利于周期性運動的能量節(jié)省。本實驗中，大負(fù)重重量（40 kg負(fù)重）使得受試者步頻明顯改變，說明在此情況下受試者的步頻保持能力較差，這對于節(jié)省能量消耗時非常不利的，負(fù)重的增加會破壞正常的步頻。本研究中，受試者在負(fù)重逐漸增加的情況下，為了保持固定的行走速度，通過步長的減小和步寬的增加來提高行走的穩(wěn)定性，從而補償軀干負(fù)重對人體平衡控制的影響。提示在進(jìn)行機器人的步態(tài)規(guī)劃時，隨著軀干負(fù)重重量的增加，應(yīng)適當(dāng)增加步寬、減小步長，步頻應(yīng)該盡量保持已達(dá)到能量的節(jié)省化，同時加大驅(qū)動力，滿足更多的能量消耗。

擺動相百分比隨著軀干負(fù)重重量的增加而顯著減小，支撐相百分比隨著軀干負(fù)重重量的增加而顯著增大，20 kg、40 kg與0 kg負(fù)重相比，支撐相百分比分別增加了2.22%和3.29%。這與CHARTERIS[20]的研究結(jié)果相同。這是因為擺動相的穩(wěn)定性不如支撐相，故隨著負(fù)重重量的增加人體勢必會利用更多的支撐相來維持穩(wěn)定，而在擺動期，擺動腿加速擺動著地，減小擺動相，使人體加快形成一個動態(tài)的平衡體系。因此在機器人仿真研發(fā)中，隨著軀干負(fù)重的增加，支撐相百分比應(yīng)該相應(yīng)增加而擺動相百分比相應(yīng)減小。

3.2 重心運動特征

在本實驗中，隨著軀干負(fù)重重量的增加，重心上下擺動的幅度顯著減小，但對重心的左右擺動幅度沒有顯著影響，說明負(fù)重增加，并未造成重心在左右方向的過度擺動，但是負(fù)重增加，會減少步行中重心在上下方向的擺動幅度，有助于增加步態(tài)的穩(wěn)定性。

3.3 軀干運動特征

隨著負(fù)重的增加，軀干的前后傾和左右傾均沒有明顯變化，這一結(jié)果與鄒曉峰[21]的研究結(jié)果不一致，原因是鄒曉峰[21]實驗中對受試者進(jìn)行的是背部負(fù)重，而背部負(fù)重，身體和重物的總質(zhì)心會向后上方偏移，因此軀干通過前傾調(diào)整總質(zhì)心的位置，負(fù)重重量越大，軀干前傾角度越大，而本實驗采用了特制的負(fù)重架，將負(fù)重物均勻分配在軀干前后，負(fù)重物的質(zhì)心就在前后橫桿連線的中點處，即負(fù)重物的總質(zhì)心的位置在軀干內(nèi)，而不是在軀干外，軀干負(fù)重后，身體和重物的總質(zhì)心會向上方偏移，而不會向后方偏移，從而使軀干的前傾不會隨著負(fù)重重量的增加而增大。KINOSHITA[22]就不同負(fù)重方式對行走步態(tài)的影響的研究發(fā)現(xiàn)，背部背包造成軀干更大的前傾，而軀干前后均勻負(fù)重可以大大減少不必要的前傾，并且更接近于正常行走。黃強民等[2]研究軀干在不同位置下負(fù)重時的肌電活動發(fā)現(xiàn)，外部負(fù)重物的位置對軀干穩(wěn)定性影響較大，尤其當(dāng)負(fù)重物在軀干前時，身體處于后伸位，腰部閃動次數(shù)會增多，更容易造成下腰痛的發(fā)生。

軀干不同負(fù)重重量對軀干運動特征影響最為明顯的是軀干的旋轉(zhuǎn)，軀干負(fù)重的增加，會明顯限制軀干的旋轉(zhuǎn)。20 kg、40 kg與0 kg負(fù)重相比，軀干內(nèi)旋最大值分別減小了41.25%、74.40%，軀干內(nèi)旋最小值分別減小了41.24%、52.87%，軀干旋轉(zhuǎn)幅度分別減小了58.80%、62.82%。KUBO等[23]、BRUIJN等[24]研究認(rèn)為，上肢是身體上半部分角動量和扭矩的主要貢獻(xiàn)來源，下肢是身體下半部分角動量和扭矩的主要貢獻(xiàn)來源，身體上下兩部分的角動量和扭矩需要相互平衡以維持身體水平方向上旋轉(zhuǎn)的平衡。而本研究中，因為將手臂約束在了負(fù)重架的前部扶手上，限制了手臂的擺動，因此軀干的旋轉(zhuǎn)成為身體上半部分角動量和扭矩的主要貢獻(xiàn)來源，來平衡下肢擺動產(chǎn)生的角動量和扭矩。當(dāng)軀干負(fù)重增加時，軀干的旋轉(zhuǎn)幅度明顯減少，這時身體上半部分的角動量和扭矩隨之明顯變小，而下肢則通過減小擺動幅度，步幅也隨之減小，從而減少角動量和扭矩來與身體上半部分平衡。故軀干的旋轉(zhuǎn)主要是配合下肢的擺動進(jìn)入下一個支撐面，也正是軀干的旋轉(zhuǎn)和下肢的配合，為身體平滑地向前行進(jìn)提供了一種平衡的作用，如果限制了軀干的旋轉(zhuǎn)，勢必會限制下肢的邁步，從而影響到整體邁步的平衡。

軀干負(fù)重重量的增加，減小了軀干旋轉(zhuǎn)幅度，同時身體和重物的總質(zhì)心會也向上方偏移，這均加劇了平衡控制的難度，人體必然會增加軀干周圍肌肉的能量消耗來保持步行中的平衡。這也提醒我們，在進(jìn)行軀干負(fù)重兩足步行擬人機器人的步態(tài)規(guī)劃時，應(yīng)當(dāng)對軀干的運動特征進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

3.4 下肢運動學(xué)、動力學(xué)參數(shù)

在本實驗中，隨著軀干負(fù)重重量的增加，踝關(guān)節(jié)的角度變化較小，膝關(guān)節(jié)的屈曲角度的兩個峰值均增大，髖關(guān)節(jié)的最大屈曲角度增大，這與武明等[9]的研究結(jié)果基本一致，說明軀干負(fù)重重量增加后，人體主要通過調(diào)整髖、膝關(guān)節(jié)角度來適應(yīng)變化，而踝關(guān)節(jié)的貢獻(xiàn)相對較小。下肢關(guān)節(jié)角度隨著軀干負(fù)重增加所進(jìn)行的這些調(diào)整，主要是為了保持身體的質(zhì)心不受較大負(fù)荷的影響，從而保持人體行走過程中的平衡和穩(wěn)定。

關(guān)節(jié)凈力矩是肌肉作用效果的等效，肌力矩所做的功將影響系統(tǒng)的機械能，當(dāng)關(guān)節(jié)凈力矩與關(guān)節(jié)角速度方向相同時關(guān)節(jié)功率為正值，肌肉向心收縮做正功，意味著能量被肌肉產(chǎn)生出來并向肢體傳遞；當(dāng)關(guān)節(jié)凈力矩與關(guān)節(jié)角速度方向相反時關(guān)節(jié)功率為負(fù)值，肌肉離心收縮做負(fù)功，這時外力對肌肉所做的功為總功，意味著能量由肢體環(huán)節(jié)流向肌肉，被肌肉吸收。行走時負(fù)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(fù)功，肌肉收縮都要消耗能量。軀干負(fù)重的增加，雖然對踝關(guān)節(jié)的角度影響不大，但是踝關(guān)節(jié)跖屈力矩和正功均明顯增大，在支撐相后期離地蹬伸時，踝關(guān)節(jié)跖屈肌群更加用力，產(chǎn)生更多的能量推進(jìn)運動。

膝關(guān)節(jié)的屈曲角度的第一個峰值位于支撐相的足著地緩沖期（20%步態(tài)周期附近），隨著負(fù)重的增加，屈曲角度顯著增大，這是因為在著地緩沖期，膝關(guān)節(jié)更加屈曲，以便更好的進(jìn)行下肢緩沖，防止著地時刻過大的沖擊力對下肢造成損傷。而此時，外部力矩要讓膝關(guān)節(jié)屈曲的時候，膝關(guān)節(jié)內(nèi)部產(chǎn)生一個很大的伸膝力矩，與關(guān)節(jié)角速度方向相反，膝關(guān)節(jié)周圍肌肉做負(fù)功吸收能量，膝關(guān)節(jié)的最大伸膝力矩也是隨著負(fù)重的增加而顯著增大，20 kg、40 kg與0 kg負(fù)重相比，分別增加了35.43%、77.95%，膝功率在此時期為負(fù)值，伸膝肌群離心收縮做的負(fù)功也顯著增大。在整個步態(tài)周期中，膝關(guān)節(jié)的負(fù)功也明顯大于正功，因此，膝關(guān)節(jié)在軀干的負(fù)重行走中主要起緩沖和控制的作用。韓亞麗等[25]的研究表明，膝關(guān)節(jié)在平地行走中功率為負(fù)值，主要起被動作用?？梢娷|干負(fù)重的增加對膝關(guān)節(jié)產(chǎn)生了明顯的影響，這也是膝關(guān)節(jié)對軀干負(fù)重增加的一種適應(yīng)性反應(yīng)。這就提醒在負(fù)重機器人的研發(fā)中，當(dāng)負(fù)重重量增加時，應(yīng)注意膝關(guān)節(jié)處的緩沖設(shè)計，加大膝關(guān)節(jié)的屈曲角度，使其能夠充分緩沖。

軀干大負(fù)重重量（40 kg負(fù)重）時，髖關(guān)節(jié)最大屈曲角度顯著增大，髖關(guān)節(jié)最大屈曲角度出現(xiàn)在擺動后期（90%步態(tài)周期附近）。在支撐相初期，髖關(guān)節(jié)力矩為伸髖力矩，伸髖肌群向心收縮做正功，推動腿部前進(jìn)進(jìn)入擺動相，而在支撐相后期變?yōu)榍y力矩，屈髖肌群離心收縮做負(fù)功，是為了使腿部減速并完成足離地，但本研究中，軀干負(fù)重重量的增加對于髖關(guān)節(jié)的力矩沒有顯著影響，但是造成髖關(guān)節(jié)功率、正功和負(fù)功均增大，意味著髖關(guān)節(jié)周圍肌群更大收縮，消耗更多的能量。因此我們在負(fù)重機器人的設(shè)計中，隨著負(fù)重的增加，需要適度增大機器人下肢在擺動期髖關(guān)節(jié)屈曲角度，以保持平衡，同時應(yīng)加大下肢的驅(qū)動力，滿足更多的能量消耗。

4 結(jié)語

（1）為了有效補償軀干負(fù)重增加對人體步行中平衡控制的影響，人體通過減小步長，增加步寬，同時增加支撐相百分比，降低重心在上下方向的擺動幅度，增加踝、膝關(guān)節(jié)力矩來進(jìn)行補償，從而保持行走的穩(wěn)定性。為了減少由于軀干負(fù)重的增加所造成的沖擊力對關(guān)節(jié)的損傷，人體在支撐相，主要通過增大膝關(guān)節(jié)的屈曲角度，來有效地吸收沖擊。

（2）軀干的前后均勻負(fù)重，雖然對軀干前后傾影響不大，但隨著負(fù)重重量的增加，會顯著抑制軀干的旋轉(zhuǎn)，從而影響到人體邁步的平衡。

（3）在進(jìn)行軀干前后均勻負(fù)重機器人的步態(tài)規(guī)劃中，比如佩戴飛行器的機器人，當(dāng)軀干負(fù)重增加，應(yīng)減小步長，增加步寬，延長支撐相，減小軀干的旋轉(zhuǎn)，從而增加穩(wěn)定性，同時應(yīng)加大下肢的驅(qū)動力，滿足更多能耗。

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The Effects of Increasing Loading upon the Trunk on the Gait and Corresponding Compensatory Strategy

ZHAO Gonghe，QU Feng，YANG Chen，WAN Xianglin，LIU Huan
（Dept.of Sports Biomechanics，Beijing Sport University，Beijing 100084，China）

Objective：The purpose of this study was to insight into the effects of increasing loading on human walking and to provide the basis for the choice of loading conditions，the improvement of loading equipment and the design of robots.Methods：A special loading device was made for the experiment to control the COM of the loading on the human posture.Ten male college students completed walking with 0kg，20kg，and 40kg respectively.Results：The increasing loading significantly increased step width，the stance phase proportion，knee flexion angle，ankle and knee moment and the ankle，knee and hip power，and work（P＜0.05），and decreased significantly step length，the vertical range of COM and the range of trunk rotation（P＜0.05）.Conclusions：With the increasing loading on the trunk，the human body increase step width，stance phase proportion，knee flexion angle，ankle and knee moment，and decrease step width，the vertical range of the COM to keep balance.During the design of the gait planning of humanoid robot，the gait parameters need readjusting and lower limb driving force needs increasing.

loading；gait characteristic；trunk；compensatory strategy

G 804.6

A

1005-0000（2016）06-524-06

10.13297/j.cnki.issn1005-0000.2016.06.012

2016-09-30；

2016-11-14；錄用日期：2016-11-15

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（項目編號：2014AA8093024E）

趙功赫（1993-），男，河南濟源人，在讀碩士研究生，研究方向為運動生物力學(xué)；通信作者：曲 峰（1962-），女，山東萊州人，教授，研究方向為運動生物力學(xué)。

北京體育大學(xué)運動人體科學(xué)學(xué)院，北京100084。