軀干負重對步態的影響及相應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

軀干負重對步態的影響及相應補償策略的試驗研究

趙功赫，曲 峰，楊 辰，萬祥林，劉 歡

目的：研究軀干負重時的步態特征及相應補償策略，探討軀干不同負重重量對步態的影響，為負重方式的選擇、負重裝備的改進或仿人機器人的設計提供參考。方法：選用10名普通男性大學生為受試者，佩戴特制的可控制負重物重心位置的負重架，將負重物前后均勻安放，進行3種負重狀態（負重物重量分別為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同步采集運動學、動力學數據。結果：行走中軀干負重重量的增加，顯著增加了步寬、支撐相百分比、膝關節屈曲角度、踝關節和膝關節力矩、下肢各關節功率和功（P＜0.05），顯著減小了步長、重心的上下擺動幅度、軀干的旋轉幅度（P＜0.05）。結論：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、膝關節力矩及膝關節屈曲角度來補償軀干負重增加對人體步行中平衡控制的影響；軀干前后均勻負重，限制軀干的旋轉，影響人體邁步的平衡；在仿人機器人的步態規劃的設計中，當軀干負重增加時，應適當調整相應參數，增大驅動力，滿足更多能耗。

負重；步態參數；軀干；補償策略

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

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

在這種軀干前后均勻負重的方式下步行，步態勢必會做出相應的調整，來保持行走的平衡和穩定。為此，本研究特制了負重架，一方面實現對負重物重心的控制，另一方面模擬飛行器相對于機器人的質量分布，以此更有針對性地進行負重研究。本研究旨在對軀干負重下的步態特征進行生物力學分析，用可靠地運動學、動力學參數來分析軀干和下肢的關節力學行為，一方面對優化機器人的步態規劃、完善仿人機器人的設計和控制提供依據，另一方面對日常負重方式的選擇以及負重裝備的改進等具有重要意義。

1 研究對象與方法

1.1 受試者

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

1.2 試驗儀器

本研究設計特殊的負重架（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，并實現將負重物平均分配于軀干前后，該負重裝置可以控制負重物的重心僅在前后橫桿的連線上移動，當負重物平均分配于軀干前后時，則負重物的重心就在前后橫桿連線的中點。該負重架同時也模擬出了飛行器相對于機器人的質量分布。

采用8鏡頭紅外高速運動捕捉系統（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、動力學數據。通過便攜式測速系統（NewtestPowertimer，Finland）監控步行速度，兩個測速儀紅外發射裝置置于測力臺一側，二者間距3 m。

圖1 負重架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，穿統一運動鞋，身上共貼29個反光點（頭頂點，頭前/后點，右側肩胛骨偏移點，第四、五腰椎之間，兩側肩峰點，兩側肱骨外上髁，兩側尺骨莖突和橈骨莖突中點，兩側大腿前側，兩側股骨外上髁，兩側股骨內上髁，兩側脛骨粗隆，兩側內踝，兩側外踝，兩側足尖和足跟）。

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

圖2 負重行走測試示意圖Figure2 Walking with weight-bearing

1.4 數據處理

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

數據用Cortex2.1.0.1103以及Microsoft Office Excel 2007、MATLAB R2009a等軟件進行計算處理。

1.5 統計分析

采用重復測量單因素方差分析比較軀干負重重量對步態參數的影響，后續采用LSD檢驗方法進行兩兩比較，以P＜0.05作為差異顯著性水平，所有數據應用SPSS17.0軟件分析。

2 研究結果

2.1 時空參數

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

2.2 重心運動特征

不同負重重量行走，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 不同負重重量行走時步態時空參數比較（n=10）Table1 Gait parameters during walking under different loading conditions（n=10）

表2 不同負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負重行走時，該指標較0 kg負重行走顯著增大（P＜0.05）。而對軀干旋轉卻影響顯著（P＜0.05），軀干內旋最大值、最小值、旋轉幅度在不同負重重量間均有顯著差異（P＜0.05），均隨著負重重量的增加而減?。ㄒ姳?）。

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

2.4 下肢運動學、動力學參數

不同負重重量行走時踝關節在矢狀面的運動學、動力學參數結果（見表4）表明，40 kg、20 kg負重行走時，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負重（P＜0.05），40 kg負重與20 kg負重行走相比，上述各指標均顯著增大（P＜0.05），但不同負重重量下踝關節的角度最小值（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）。

不同負重重量行走時踝關節在一個步態周期內的矢狀面角度、力矩、功率變化曲線如圖3所示。

不同負重重量行走時膝關節在矢狀面的運動學、動力學參數結果（見表5）表明，隨著負重重量的增加，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、負功均顯著增大（P＜0.05）。但隨著負重重量的增加，膝關節的活動幅度無顯著變化（P＞0.05）。

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

圖3 不同負重重量行走的步態周期中踝關節矢狀面角度、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）。

不同負重重量行走時膝關節在一個步態周期內的矢狀面角度、力矩、功率變化曲線見圖4。

不同負重重量行走時髖關節在矢狀面的運動學、動力學參數結果（見表6）表明，40 kg負重行走時，角度最大值（最大屈髖角度）顯著大于0 kg、20 kg負重行走（P＜0.05），而0 kg與20 kg負重行走之間沒有顯著差異（P＞0.05）。40 kg、20 kg負重行走時，功率最大值、功率最小值、正功、負功顯著大于0 kg負重（P＜0.05），而40 kg與20 kg負重行走之間沒有差異。不同負重重量下髖關節力矩沒有差異（P＞0.05）。

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

圖4 不同負重重量行走的步態周期中膝關節矢狀面角度、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）

不同負重重量行走時髖關節在一個步態周期內的矢狀面角度、力矩、功率變化曲線見圖5。

3 討論

3.1 時空參數

在本實驗中，軀干隨著負重重量的增加，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定性。由于軀干負重重量的增大，支撐腿需要更大的工作能力以推動整個身體質量運動（自身重量和負重重量之和），這就增加了肌肉的工作負荷，身體的穩定性也降低，而擺動腿此時沒有負重，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，這就導致了步長相應地縮短。這與MARTIN等[17]的研究結果基本一致，即負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，這與本研究結果基本相同。而這與武明等[9]的研究結果的并不一致，原因是由于其實驗中并未對受試者的步速進行控制。20 kg、40 kg與0 kg負重相比，步寬分別增加了13.21%、23.15%，有文獻指出，步寬會隨著負重的增加而增加，因為步寬增大，支撐面積增大，行走的穩定性隨之增大，這與本實驗的研究結果相同。DONELAN等[19]認為，步寬變化率的增大會增加每一步之間轉換所需要的能量，而積極的穩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定性的一種措施。

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

圖5 不同負重重量行走的步態周期中髖關節矢狀面角度、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省。本實驗中，大負重重量（40 kg負重）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，這對于節省能量消耗時非常不利的，負重的增加會破壞正常的步頻。本研究中，受試者在負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定性，從而補償軀干負重對人體平衡控制的影響。提示在進行機器人的步態規劃時，隨著軀干負重重量的增加，應適當增加步寬、減小步長，步頻應該盡量保持已達到能量的節省化，同時加大驅動力，滿足更多的能量消耗。

擺動相百分比隨著軀干負重重量的增加而顯著減小，支撐相百分比隨著軀干負重重量的增加而顯著增大，20 kg、40 kg與0 kg負重相比，支撐相百分比分別增加了2.22%和3.29%。這與CHARTERIS[20]的研究結果相同。這是因為擺動相的穩定性不如支撐相，故隨著負重重量的增加人體勢必會利用更多的支撐相來維持穩定，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的平衡體系。因此在機器人仿真研發中，隨著軀干負重的增加，支撐相百分比應該相應增加而擺動相百分比相應減小。

3.2 重心運動特征

在本實驗中，隨著軀干負重重量的增加，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，說明負重增加，并未造成重心在左右方向的過度擺動，但是負重增加，會減少步行中重心在上下方向的擺動幅度，有助于增加步態的穩定性。

3.3 軀干運動特征

隨著負重的增加，軀干的前后傾和左右傾均沒有明顯變化，這一結果與鄒曉峰[21]的研究結果不一致，原因是鄒曉峰[21]實驗中對受試者進行的是背部負重，而背部負重，身體和重物的總質心會向后上方偏移，因此軀干通過前傾調整總質心的位置，負重重量越大，軀干前傾角度越大，而本實驗采用了特制的負重架，將負重物均勻分配在軀干前后，負重物的質心就在前后橫桿連線的中點處，即負重物的總質心的位置在軀干內，而不是在軀干外，軀干負重后，身體和重物的總質心會向上方偏移，而不會向后方偏移，從而使軀干的前傾不會隨著負重重量的增加而增大。KINOSHITA[22]就不同負重方式對行走步態的影響的研究發現，背部背包造成軀干更大的前傾，而軀干前后均勻負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重時的肌電活動發現，外部負重物的位置對軀干穩定性影響較大，尤其當負重物在軀干前時，身體處于后伸位，腰部閃動次數會增多，更容易造成下腰痛的發生。

軀干不同負重重量對軀干運動特征影響最為明顯的是軀干的旋轉，軀干負重的增加，會明顯限制軀干的旋轉。20 kg、40 kg與0 kg負重相比，軀干內旋最大值分別減小了41.25%、74.40%，軀干內旋最小值分別減小了41.24%、52.87%，軀干旋轉幅度分別減小了58.80%、62.82%。KUBO等[23]、BRUIJN等[24]研究認為，上肢是身體上半部分角動量和扭矩的主要貢獻來源，下肢是身體下半部分角動量和扭矩的主要貢獻來源，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的平衡。而本研究中，因為將手臂約束在了負重架的前部扶手上，限制了手臂的擺動，因此軀干的旋轉成為身體上半部分角動量和扭矩的主要貢獻來源，來平衡下肢擺動產生的角動量和扭矩。當軀干負重增加時，軀干的旋轉幅度明顯減少，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。故軀干的旋轉主要是配合下肢的擺動進入下一個支撐面，也正是軀干的旋轉和下肢的配合，為身體平滑地向前行進提供了一種平衡的作用，如果限制了軀干的旋轉，勢必會限制下肢的邁步，從而影響到整體邁步的平衡。

軀干負重重量的增加，減小了軀干旋轉幅度，同時身體和重物的總質心會也向上方偏移，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，在進行軀干負重兩足步行擬人機器人的步態規劃時，應當對軀干的運動特征進行相應調整。

3.4 下肢運動學、動力學參數

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

關節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的機械能，當關節凈力矩與關節角速度方向相同時關節功率為正值，肌肉向心收縮做正功，意味著能量被肌肉產生出來并向肢體傳遞；當關節凈力矩與關節角速度方向相反時關節功率為負值，肌肉離心收縮做負功，這時外力對肌肉所做的功為總功，意味著能量由肢體環節流向肌肉，被肌肉吸收。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。軀干負重的增加，雖然對踝關節的角度影響不大，但是踝關節跖屈力矩和正功均明顯增大，在支撐相后期離地蹬伸時，踝關節跖屈肌群更加用力，產生更多的能量推進運動。

膝關節的屈曲角度的第一個峰值位于支撐相的足著地緩沖期（20%步態周期附近），隨著負重的增加，屈曲角度顯著增大，這是因為在著地緩沖期，膝關節更加屈曲，以便更好的進行下肢緩沖，防止著地時刻過大的沖擊力對下肢造成損傷。而此時，外部力矩要讓膝關節屈曲的時候，膝關節內部產生一個很大的伸膝力矩，與關節角速度方向相反，膝關節周圍肌肉做負功吸收能量，膝關節的最大伸膝力矩也是隨著負重的增加而顯著增大，20 kg、40 kg與0 kg負重相比，分別增加了35.43%、77.95%，膝功率在此時期為負值，伸膝肌群離心收縮做的負功也顯著增大。在整個步態周期中，膝關節的負功也明顯大于正功，因此，膝關節在軀干的負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，膝關節在平地行走中功率為負值，主要起被動作用?？梢娷|干負重的增加對膝關節產生了明顯的影響，這也是膝關節對軀干負重增加的一種適應性反應。這就提醒在負重機器人的研發中，當負重重量增加時，應注意膝關節處的緩沖設計，加大膝關節的屈曲角度，使其能夠充分緩沖。

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

4 結語

（1）為了有效補償軀干負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、膝關節力矩來進行補償，從而保持行走的穩定性。為了減少由于軀干負重的增加所造成的沖擊力對關節的損傷，人體在支撐相，主要通過增大膝關節的屈曲角度，來有效地吸收沖擊。

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

（3）在進行軀干前后均勻負重機器人的步態規劃中，比如佩戴飛行器的機器人，當軀干負重增加，應減小步長，增加步寬，延長支撐相，減小軀干的旋轉，從而增加穩定性，同時應加大下肢的驅動力，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

國家高技術研究發展計劃（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；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。

北京體育大學運動人體科學學院，北京100084。