軀干不同負(fù)重方式對人體步行的生物力學(xué)影響

趙功赫+曲峰+楊辰+萬祥林+李秋捷

摘 要：研究軀干采用不同負(fù)重方式時人體行走的步態(tài)特征，探討軀干不同負(fù)重方式對步態(tài)的影響，為日常行走的負(fù)重方式的選擇或仿生機(jī)器人的設(shè)計(jì)提供參考。選用10名普通男性大學(xué)生為受試者，佩戴特制負(fù)重架，分別進(jìn)行軀干基礎(chǔ)負(fù)重、軀干前負(fù)重和軀干后負(fù)重3種狀態(tài)下的行走，采用Kistler三維測力臺、Motion紅外高速運(yùn)動捕捉系統(tǒng)同步采集運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)數(shù)據(jù)。結(jié)果顯示，在行走過程中與后負(fù)重相比，前負(fù)重顯著增加了步寬、重心的水平擺動幅度、踝最大背屈角度、最大伸髖角度、最大伸髖力矩、髖正功、最大伸膝力矩、膝負(fù)功，顯著減小了步長、軀干前后傾幅度、踝最大跖屈力矩。結(jié)論認(rèn)為，人體前負(fù)重行走時，具有更小的步長和更大的步寬，會造成更多的能量消耗；軀干的向后傾斜，腰背部肌肉更容易疲勞，長此以往，更容易造成下腰痛的發(fā)生；同時，大腿肌肉用力增大，消耗更多的能量，長時間行走，大腿肌肉會更快疲勞；在設(shè)計(jì)前負(fù)重兩足步行機(jī)器人時也應(yīng)適當(dāng)調(diào)整相應(yīng)參數(shù)，增大驅(qū)動力，滿足更多能量消耗。

關(guān) 鍵 詞：運(yùn)動生物力學(xué)；負(fù)重方式；步行；軀干

中圖分類號：G804.6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1006-7116（2017）02-0128-07

Biomechanical effects of different ways of trunk load bearing on human walking

ZHAO Gong-he，QU Feng，YANG Chen，WAN Xiang-lin，LI Qiu-jie

（Department of Sports Biomechanics，Beijing Sport University，Beijing 100084，China）

Abstract： In order to study the characteristics of the gait of human walking when the trunk is loaded in different ways， and to probe into the effects of different ways of trunk load bearing on the gait， the authors selected 10 ordinary university students as the testees， who wore a specially made load rack and walked respectively under such 3 conditions as trunk basic load bearing， trunk front load bearing and trunk back load bearing， used a Kistler 3D force measuring platform and an infrared high speed motion capture system to synchronously collect kinematic and dynamic data. The authors revealed the following findings： during walking， as compared with back load bearing， front load bearing significantly increased step width， horizontal swinging amplitude of center of gravity， maximum ankle dorsiflexion angle， maximum hip extension angle， maximum hip extension moment， hip positive work， maximum knee extension moment and knee negative work， and significantly decreased step length， trunk back and forth leaning amplitude， and maximum ankle plantar flexion moment. The authors drew the following conclusions： when walking with front load bearing， the human body has a smaller step length and a bigger step width， which will cause more energy consumption； the leaning backward of the trunk makes lower back muscles fatigue more easily， and tends to cause the occurrence of lower back pain and if it keeps happening； in the mean time， thigh muscles increase power exertion， consume more energy， fatigue faster when walking for a long time； when designing a biped walking robot with front load bearing， the designer should appropriately adjust corresponding parameters and increase driving power， so as to meet more energy consumption.

Key words： sports biomechanics；way of load bearing；walking；trunk

負(fù)重行走往往發(fā)生在人們的日常生活中，如上班、上學(xué)、登山、野外拓展、物品搬運(yùn)、軍人行軍等。而負(fù)重行走時有負(fù)重物作用于人體，身體和重物的總質(zhì)心必然會發(fā)生改變，從而人體會做出一系列的身體姿勢調(diào)整，來保持身體的平衡及穩(wěn)定[1]。長期負(fù)重行走，易導(dǎo)致足底損傷、應(yīng)力性骨折、下肢關(guān)節(jié)疼痛和腰背肌肉損傷等[2-4]。對不同負(fù)重方式步態(tài)變化研究，可以更深入認(rèn)識脊柱的穩(wěn)定控制機(jī)理以及下肢關(guān)節(jié)的力學(xué)行為，進(jìn)而減少損傷[4-7]。

現(xiàn)在，很多搭地鐵、公交車的人，為了安全，會把雙肩背包反過來背，放在胸前，相當(dāng)于軀干前負(fù)重，而長期胸前負(fù)重是否會對身體有所影響呢？近年，兩足步行機(jī)器人大量涌現(xiàn)，模仿人類對平衡穩(wěn)定性的控制，機(jī)器人完成行走、站立等各種動作，均需要身體各部分的復(fù)雜配合；機(jī)器人在完成負(fù)重行走時，軀干和下肢的驅(qū)動模式也是不同的，比如胸前搬運(yùn)重物行走、背負(fù)飛行器行走，而對人體負(fù)重行走的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)分析，對于兩足步行機(jī)器人的設(shè)計(jì)具有重要意義。

目前，國內(nèi)外關(guān)于人體負(fù)重行走的生物力學(xué)研究還多集中于背部負(fù)重行走，有關(guān)軀干前負(fù)重行走步態(tài)的研究較少。軀干前負(fù)重步行方式，為保持行走的平衡和穩(wěn)定，其步態(tài)必然會做出相應(yīng)調(diào)整。本研究旨在對軀干前、后負(fù)重方式下的步態(tài)特征進(jìn)行生物力學(xué)分析，用可靠的運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)參數(shù)來評價兩種負(fù)重方式，一方面可以為仿生機(jī)器人的設(shè)計(jì)和控制提供依據(jù)，另一方面也對日常背包方式的選擇、登山拓展負(fù)重方式以及軍隊(duì)負(fù)重行軍等方面具有重要意義。

1 研究方法

1.1 受試者

10名普通男性大學(xué)生年齡：（22.8±1.9）歲；身高：（174.1±3.1）cm；體質(zhì)量：（67.1±6.2）kg，均習(xí)慣穿歐碼42的鞋，實(shí)驗(yàn)前24 h內(nèi)未進(jìn)行劇烈活動，且無神經(jīng)系統(tǒng)和運(yùn)動系統(tǒng)疾病。

1.2 數(shù)據(jù)采集與處理

本研究通過特制的負(fù)重架來改變負(fù)重方式（見圖1）。負(fù)重架自重9.5 kg，前部扶手部位可固定受試者上臂運(yùn)動，前后可固定杠鈴片以制造負(fù)重效果同時改變前、后負(fù)重方式。受試者分別完成基礎(chǔ)負(fù)重（僅佩戴負(fù)重架）、前負(fù)重（在負(fù)重架前方固定10 kg杠鈴片）和后負(fù)重（在負(fù)重架后方固定10 kg杠鈴片）3種方式行走。

采用8鏡頭紅外高速運(yùn)動捕捉系統(tǒng)（Motion Analysis Raptor-4，USA，200 Hz）與三維測力臺（Kistler 9281CA，Switzerland，1 000 Hz）同步采集步行中的運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)數(shù)據(jù)。受試者身上共貼29個反光標(biāo)志點(diǎn)（頭頂點(diǎn)、頭前和后點(diǎn)、右側(cè)肩胛下角、第4、5腰椎之間、兩側(cè)肩峰、兩側(cè)肱骨外上髁、兩側(cè)尺骨莖突和橈骨莖突中點(diǎn)、兩側(cè)大腿前側(cè)中部、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，距離測力臺約10 m，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），通過便攜式測速系統(tǒng)（Newtest Powertimer，F(xiàn)inland）監(jiān)控速度，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。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，按隨機(jī)順序完成3種負(fù)重方式下的測試，每種方式下采集3次有效數(shù)據(jù)。

采集的所有標(biāo)志點(diǎn)三維坐標(biāo)采用Butterworth低通濾波法進(jìn)行平滑，截?cái)囝l率10 Hz。數(shù)據(jù)用Cortex2.1.0.1103以及Microsoft Office Excel 2007、MATLAB R2009a等軟件進(jìn)行計(jì)算處理。根據(jù)標(biāo)志點(diǎn)坐標(biāo)建立人體環(huán)節(jié)坐標(biāo)系[8]，其中膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動中心為股骨內(nèi)外上髁中點(diǎn)，踝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動中心為內(nèi)外踝的中點(diǎn)，髖關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動中心根據(jù)Bell等[9]的研究計(jì)算獲得。采用歐拉角的方法計(jì)算髖、膝、踝的三維角度，采用逆動力學(xué)的方法[10]計(jì)算關(guān)節(jié)的三維凈力矩，其中人體慣性參數(shù)采用DeLeva[11]修正后的Zatsiorsky-Seluyanovs人體慣性參數(shù)。關(guān)節(jié)功率為關(guān)節(jié)凈力矩與關(guān)節(jié)角速度的乘積，采用梯形法計(jì)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(yùn)動學(xué)、動力學(xué)參數(shù)，本研究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。

組間參數(shù)采用單因素重復(fù)測量方差分析進(jìn)行比較，后續(xù)采用LSD檢驗(yàn)方法，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)

前負(fù)重行走步長顯著小于后負(fù)重行走（P<0.05），步寬顯著大于后負(fù)重行走（P<0.05），約增加了41.76%，前負(fù)重和后負(fù)重行走時擺動相百分比顯著小于基礎(chǔ)負(fù)重行走（P<0.05），而前負(fù)重和后負(fù)重行走之間的擺動相百分比和支撐相百分比差異無顯著性（P>0.05）（見表1）。

2.2 重心運(yùn)動特征

前負(fù)重行走時重心水平擺動幅度顯著大于后負(fù)重行走（P<0.05），前負(fù)重行走時重心左右擺動幅度顯著大于基礎(chǔ)負(fù)重行走（P<0.05），后負(fù)重行走時重心的上下擺動幅度顯著小于基礎(chǔ)負(fù)重行走（P<0.05），而3種狀態(tài)下行走，重心上下擺動幅度無顯著性差異（P>0.05）（見表2）。

2.3 軀干運(yùn)動特征

前負(fù)重行走時軀干前后傾幅度顯著小于后負(fù)重行走（P<0.05），與基礎(chǔ)負(fù)重行走相比無顯著性差異（P>0.05），后負(fù)重行走時軀干的前后傾幅度顯著大于基礎(chǔ)負(fù)重行走（P<0.05），軀干旋轉(zhuǎn)幅度顯著小于基礎(chǔ)負(fù)重行走（P<0.05）（見表3）。

2.4 下肢運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)參數(shù)

1）前負(fù)重、后負(fù)重與基礎(chǔ)負(fù)重行走時踝關(guān)節(jié)在矢狀面的運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)參數(shù)檢測結(jié)果（見表4）表明，與后負(fù)重相比，前負(fù)重行走時，角度最小值（踝最大跖屈角度）顯著減?。≒<0.05），角度最大值（最大背屈角度）顯著增大（P<0.05），力矩最大值（最大跖屈力矩）顯著減小（P<0.05）；前負(fù)重、后負(fù)重行走與基礎(chǔ)負(fù)重行走相比，大部分指標(biāo)表現(xiàn)出顯著性差異（P<0.05），但3種負(fù)重狀態(tài)下踝關(guān)節(jié)在矢狀面的活動幅度和力矩最小值（最大背屈力矩） 差異無顯著性 （P>0.05）。

不同負(fù)重狀態(tài)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。

力矩、功率（n=10人） 2）前負(fù)重、后負(fù)重與基礎(chǔ)負(fù)重行走時膝關(guān)節(jié)在矢狀面的運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)參數(shù)結(jié)果（見表5）表明，與后負(fù)重相比，前負(fù)重行走時，角度最大值（膝最大屈角）顯著增大（P<0.05），力矩最大值（最大伸膝力矩）顯著增大（P<0.05），膝關(guān)節(jié)功率最小值顯著增大（P<0.05），膝關(guān)節(jié)負(fù)功顯著增大（P<0.05）；前負(fù)重、后負(fù)重行走與基礎(chǔ)負(fù)重相比，大部分指標(biāo)表現(xiàn)出顯著性差異（P<0.05），但3種負(fù)重狀態(tài)下膝關(guān)節(jié)力矩最小值（最大屈膝力矩） 差異無顯著性（P>0.05）。

不同負(fù)重狀態(tài)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、功率變化曲線如圖4所示。

力矩、功率（n=10人） 3）前負(fù)重、后負(fù)重與基礎(chǔ)負(fù)重行走時髖關(guān)節(jié)在矢狀面的運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)參數(shù)結(jié)果（表6）表明，與后負(fù)重相比，前負(fù)重行走時，角度最大值（最大屈髖角度）顯著減小（P<0.05），角度最小值（最大伸髖角度）顯著增大（P<0.05），力矩最大值（最大伸髖力矩）顯著增大（P<0.05），髖關(guān)節(jié)正功顯著增大（P<0.05）。與基礎(chǔ)負(fù)重行走相比，前負(fù)重和后負(fù)重行走的角度最大值（最大屈髖角度）、髖關(guān)節(jié)活動幅度、功率最大值均顯著增大（P<0.05）；與基礎(chǔ)負(fù)重行走相比，前負(fù)重行走的角度最小值（最大伸髖角度）顯著增大（P<0.05），而后負(fù)重行走的角度最小值（最大伸髖角度）無顯著性變化（P>0.05）。

不同負(fù)重狀態(tài)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、功率變化曲線如圖5所示。

3 討論

1）在本實(shí)驗(yàn)中，前負(fù)重行走時，步長顯著減小，步寬顯著增大，步寬相比后負(fù)重行走與基礎(chǔ)負(fù)重行走分別增加了28.69%、32.50%，因?yàn)楸狙芯靠刂屏瞬剿伲茉囌邽榱吮３止潭ǖ男凶咚俣?，通過步長的減小和步寬的增大來提高行走的穩(wěn)定性，而后負(fù)重行走與基礎(chǔ)負(fù)重行走在步長和步寬上差異沒有顯著性，說明后負(fù)重行走所帶來的人體失穩(wěn)的效應(yīng)不如前負(fù)重強(qiáng)。

Donelan[12]認(rèn)為，更大步態(tài)參數(shù)的變化會導(dǎo)致更多的能量消耗，例如減小32%步寬變化率，將會減小5.7%的能量消耗，分析其原因，步寬變化率的增大會增大每一步之間的轉(zhuǎn)換所需要的能量，而積極的穩(wěn)定需要適度的代謝成本。因此本實(shí)驗(yàn)中，前負(fù)重行走時，更大的步寬意味著有更大的能量消耗。有文獻(xiàn)指出，步寬會隨著負(fù)重的增加而增加，以加強(qiáng)行走的穩(wěn)定性，這與本實(shí)驗(yàn)的研究結(jié)果相同。Menz[13]認(rèn)為增大步寬可以避免將身體的線性動量轉(zhuǎn)化為角動量影響軀干的穩(wěn)定性，保持平衡。因此在設(shè)計(jì)前負(fù)重機(jī)器人的時候，適當(dāng)減小步長，增大步寬，可以提高步態(tài)的穩(wěn)定性，同時應(yīng)加大驅(qū)動力，滿足更多的能量消耗。Attwells等[14]通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)，較高的載荷會使步長減小，這與本研究結(jié)果基本相同，前負(fù)重行走時步長顯著小于基礎(chǔ)負(fù)重行走，后負(fù)重行走步長小于基礎(chǔ)負(fù)重行走，但不顯著，推測當(dāng)后負(fù)重重量增加，差異就會更加明顯。也有學(xué)者認(rèn)為負(fù)重對于步長的影響較小[15-16]，這可能與本實(shí)驗(yàn)對步速進(jìn)行了控制有關(guān)。

前負(fù)重和后負(fù)重行走時支撐相百分比均大于基礎(chǔ)負(fù)重行走，表明負(fù)重這一干擾因素會造成支撐期的增長和擺動期降低，這與Charteris[17]的研究結(jié)果相同。這是因?yàn)槿梭w在負(fù)重過程中隨著負(fù)重的增加，勢必會利用更多的支撐相來維持穩(wěn)定，而減小擺動期，由于擺動期的比例降低，擺動腿加速擺動著地，勢必會造成步長的減小，這些變化使人體加快形成一個動態(tài)平衡體系。前負(fù)重和后負(fù)重的支撐相百分比沒有差異，說明這兩種負(fù)重狀態(tài)并不會造成支撐相和擺動相的改變。提示在機(jī)器人仿真研發(fā)中，負(fù)重增加時，應(yīng)該相應(yīng)延長支撐相，而前負(fù)重和后負(fù)重時，不用改變機(jī)器人的支撐相和擺動相。

2）在本實(shí)驗(yàn)中，前負(fù)重行走會增大重心在水平面內(nèi)左右方向的偏移，而后負(fù)重行走減小重心在水平面內(nèi)左右方向的偏移，表明前負(fù)重行走時身體重心更趨于不穩(wěn)，而在后負(fù)重行走時具有更強(qiáng)的穩(wěn)定控制能力。分析其原因，可能是由于前負(fù)重行走時，軀干的旋轉(zhuǎn)幅度增大，從而造成了重心左右擺動增大，也可能是由于下肢各關(guān)節(jié)的角度、力矩發(fā)生改變，致使重心產(chǎn)生波動，還可能與下肢各關(guān)節(jié)額狀面和冠狀面的運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)參數(shù)的改變有關(guān)。

3）在本實(shí)驗(yàn)中，軀干的不同負(fù)重方式造成了完全不同的軀干運(yùn)動特征，前負(fù)重時，身體和負(fù)重物的總質(zhì)心會向前方偏移，因此軀干通過后傾調(diào)整總質(zhì)心位置，保持穩(wěn)定，在本實(shí)驗(yàn)中，前負(fù)重時軀干始終處于后伸位；而后負(fù)重相反。前負(fù)重行走時軀干的前后傾幅度顯著小于后負(fù)重，與基礎(chǔ)負(fù)重行走相比沒有差異，而后負(fù)重行走時軀干前后傾幅度顯著大于基礎(chǔ)負(fù)重行走。

Kinoshita[15]就不同負(fù)重方式對行走步態(tài)的影響研究發(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)重可以大大減小不必要的前傾，并且更接近于正常行走，而本研究中前負(fù)重行走時軀干的前后傾幅度顯著小于后負(fù)重，更接近于基礎(chǔ)負(fù)重的行走，而后負(fù)重行走時軀干的前后傾幅度顯著大于基礎(chǔ)負(fù)重行走，這一結(jié)果，與Kinoshita就不同負(fù)重方式對行走步態(tài)的影響的研究結(jié)果一致。從解剖學(xué)的角度來分析，軀干后伸的能力本身就小于軀干前屈的能力，而前負(fù)重軀干又處于后伸位，因此相比后負(fù)重，軀干前后傾幅度會減??；另一方面，前負(fù)重時，軀干處于后伸位，此時軀干周圍肌肉收縮力更強(qiáng)，放電更多，具有更好地穩(wěn)定控制能力，但長時間的話，軀干的肌肉更容易疲勞。

Zetterberg等[18]研究證明，軀干試圖前屈時主要是腹側(cè)肌活動較強(qiáng)，背側(cè)肌活動較弱；試圖后伸時背側(cè)豎脊肌活動最大，腹側(cè)肌也表現(xiàn)出一定的活動。范帥等[19]研究發(fā)現(xiàn)外部負(fù)荷大小、位置不同時，軀干的神經(jīng)肌肉控制也會不同，負(fù)荷在身體前方時，腰背肌為主要做功肌，而負(fù)荷在身體后方時，腰背肌和腹肌的貢獻(xiàn)比率接近相等。因此，在前負(fù)重時，腰背肌為主要做功肌，更容易疲勞。本研究在前負(fù)重時，身體是處于后伸位的，黃強(qiáng)民等[4]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，尤其在身體后伸位時，負(fù)重增加，腰部閃動次數(shù)增多，更容易造成下腰痛的發(fā)生。

前負(fù)重時，軀干會有更大的后傾角度，而后負(fù)重時軀干會有更大的前傾角度，軀干角度的相應(yīng)調(diào)整的目的，均是使其重心更加靠近支撐面中心，提高步態(tài)穩(wěn)定性，同時也可減小外部負(fù)重物的偏心力矩的作用。這也說明軀干的前傾和后傾對于保持步態(tài)穩(wěn)定性具有重要意義。這也提醒我們，當(dāng)機(jī)器人在進(jìn)行前負(fù)重或者后負(fù)重的行走時，需要軀干的運(yùn)動特征進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。

4）在本實(shí)驗(yàn)中，前負(fù)重和后負(fù)重兩種行走模式之間比較下肢各個關(guān)節(jié)角度、力矩后發(fā)現(xiàn)，在支撐末期，外部力矩使踝關(guān)節(jié)背屈逐漸增大，因此踝關(guān)節(jié)內(nèi)部產(chǎn)生逐漸增大的跖屈力矩與之對抗，此時踝關(guān)節(jié)的跖屈力矩與踝關(guān)節(jié)的跖屈肌結(jié)構(gòu)的被動拉長有關(guān)，而前負(fù)重行走時，踝關(guān)節(jié)最大背屈角度顯著增大，最大跖屈力矩均顯著減小，說明踝關(guān)節(jié)周圍肌群收縮減弱。髖關(guān)節(jié)最大屈曲角度發(fā)生在擺動末期，隨后腳跟著地，髖關(guān)節(jié)產(chǎn)生伸肌力矩拉動身體質(zhì)心向前，此時髖關(guān)節(jié)的伸肌力矩與髖關(guān)節(jié)伸肌的向心收縮有關(guān)，而前負(fù)重行走造成髖關(guān)節(jié)最大屈曲角度顯著減小、最大伸髖力矩顯著增大，說明伸髖肌群收縮加強(qiáng)。

關(guān)節(jié)凈力矩是與肌肉作用效果等效，肌力矩所做的功將影響系統(tǒng)的機(jī)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(yùn)動，不管是正功還是負(fù)功，肌肉收縮都要消耗能量。在支撐相的初期即足觸地的緩沖階段，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，前負(fù)重行走時的伸膝力矩最大值以及膝關(guān)節(jié)負(fù)功顯著大于后負(fù)重行走，這可能造成膝關(guān)節(jié)承受更大的沖擊力，膝關(guān)節(jié)損傷風(fēng)險(xiǎn)增大，同時伸膝肌群離心收縮更大，吸收更多能量，更容易疲勞。而在離地蹬伸階段，力是通過下肢各關(guān)節(jié)肌肉收縮釋放，肌肉做正功，其中髖關(guān)節(jié)做正功最多，釋放能量最多，貢獻(xiàn)最大。而前負(fù)重造成髖關(guān)節(jié)做正功顯著大于后負(fù)重行走，伸髖肌群收縮更大、用力更多，可能造成髖關(guān)節(jié)蹬伸肌群更容易疲勞。因此在設(shè)計(jì)前負(fù)重機(jī)器人的時候，應(yīng)加大下肢的驅(qū)動力，滿足更多的能耗。

在設(shè)計(jì)前負(fù)重的機(jī)器人或者進(jìn)行機(jī)器人前負(fù)重的時候，應(yīng)該適當(dāng)減小步長，增加步寬，軀干適當(dāng)向后傾斜，從而增加穩(wěn)定性，同時應(yīng)加大下肢的驅(qū)動力，滿足更多的能量消耗。對比軀干前、后負(fù)重的步態(tài)，人體前負(fù)重行走時，具有更大的步寬，會造成更多的能量消耗；而軀干的向后傾斜，長時間下去，腰背部肌肉更容易疲勞，更容易造成下腰痛的發(fā)生；同時，大腿肌肉用力增大，消耗更多的能量，長時間行走，大腿肌肉會更快疲勞。因此，建議日常生活中負(fù)重盡量選擇在背部。

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