身背負重對士兵行軍步態(tài)影響試驗研究

楊洋， 王亞平， 徐誠， 張偉

(1.安徽農(nóng)業(yè)大學 工學院， 安徽 合肥 230036; 2.南京理工大學 機械工程學院， 江蘇 南京 210094)

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身背負重對士兵行軍步態(tài)影響試驗研究

楊洋1,2， 王亞平2， 徐誠2， 張偉2

(1.安徽農(nóng)業(yè)大學 工學院， 安徽 合肥 230036; 2.南京理工大學 機械工程學院， 江蘇 南京 210094)

為了研究負重大小和負重位置對士兵行軍步態(tài)的影響，采用三維運動捕捉測試技術(shù)獲取士兵負重行走下肢步態(tài)，采用足底壓力測試系統(tǒng)得到足底步態(tài)。試驗結(jié)果表明：負重大小對士兵的步態(tài)有顯著的影響，當負重大于20 kg時表現(xiàn)出顯著變化。雖然較小質(zhì)量的負重布置位置對士兵的主觀感受未產(chǎn)生影響，但試驗結(jié)果卻表明較小質(zhì)量的負重改變了士兵行軍的步態(tài)，其中前后左右均勻布置重物對士兵行軍步態(tài)影響最小。該研究結(jié)果為單兵綜合作戰(zhàn)系統(tǒng)的負重布局和士兵負重標準的制定提供定量參考。

兵器科學與技術(shù)； 負重大小； 負重位置； 下肢； 足底； 步態(tài)

0 引言

士兵在執(zhí)行作戰(zhàn)與訓練任務(wù)時，通常依據(jù)作戰(zhàn)任務(wù)需求、作戰(zhàn)地區(qū)環(huán)境和氣候等情況攜帶一定質(zhì)量的行軍作戰(zhàn)裝備。士兵穿戴裝備后，裝備改變了身體的重心，為了對抗外部負重，保持身體平衡穩(wěn)定，士兵行軍步態(tài)需要作出相應(yīng)的調(diào)整。

關(guān)于負重對人體步態(tài)的影響，西方國家開展了大量的基礎(chǔ)研究[1-2]。Attwells等[3]和Birrell等[4]研究了士兵負重大小對軀干、下肢運動的影響，研究結(jié)果表明身背負重增加了軀干前傾，同時減小了步長。Yen等[5]研究了軀干運動與下肢運動之間的關(guān)系，揭示了其對士兵行走平衡特性的影響。Birrell等[6]和Rugelj等[7]研究了士兵3種負重位置對士兵下肢步態(tài)和平衡功能的影響，研究表明負重位置影響士兵行軍步態(tài)和平衡功能，同時較大的負重增加了士兵受傷概率。Birrell等[8]通過步態(tài)試驗研究了攜帶重4.4 kg步槍對士兵行軍步態(tài)的影響，結(jié)果表明步槍改變了士兵的重心位置，對士兵行軍步態(tài)產(chǎn)生顯著性影響，從而增加了士兵行軍受傷概率。

上述的研究主要是針對西方國家的軍人及其軍事裝備開展的基礎(chǔ)研究，是基于西方士兵行軍為試驗前提。鑒于人體尺寸和行軍裝備的差異，印度軍方針對本國士兵和裝備開展了相關(guān)基礎(chǔ)研究[9-11]。國內(nèi)對此也展開了少量研究，鄒曉峰[12]在其博士論文中研究了士兵負重大小對士兵行軍過程下肢運動學影響，但其研究未涉及到負重位置對士兵下肢運動學影響，同時也未涉及到負重對士兵足底受力特征影響。由于不同國家的士兵身體基本尺寸以及身體條件具有顯著差別，針對中國士兵負重的研究還不多。同時，隨著單兵綜合作戰(zhàn)系統(tǒng)的發(fā)展，士兵需要穿戴大量單兵裝備，目前單兵裝備的布局對士兵行軍的影響還不充分。本文以中國士兵為研究對象，以單兵綜合作戰(zhàn)系統(tǒng)負重大小和布局為研究載體，采用三維運動捕捉系統(tǒng)和足底壓力測試系統(tǒng)研究負重大小和負重位置對士兵行軍下肢步態(tài)和足底步態(tài)的影響，為單兵綜合作戰(zhàn)系統(tǒng)人機工效評價研究及預防下肢損傷提供依據(jù)。

1 試驗方法

1.1 試驗對象與負重工況

選擇10名現(xiàn)役男性士兵，身高(175±5)cm、年齡(24±3)歲、體重(78±7)kg，所選受試者沒有任何神經(jīng)與肌肉系統(tǒng)疾病，同時受試者休息充分。

試驗分為7種工況，如表1所示，工況1到工況4用于研究負重大小對士兵步態(tài)影響。受試者穿戴單兵攜行具后，采用07式單兵攜行包分別負重10 kg、20 kg、30 kg鉛塊，代表了輕負重、中等負重和大負重，工況1為受試者無負重狀態(tài)，作為對照試驗。工況5、工況6和工況7用于研究單兵裝備布置位置對士兵步態(tài)影響，其中工況5和工況6分別在位置1和位置4布置4 kg砝碼，工況7在位置1～位置4分別布置1 kg砝碼，總負載質(zhì)量都是8 kg，如圖1所示。

表1 試驗工況

圖1 砝碼的布置位置Fig.1 Arrangement of weights

1.2 試驗設(shè)備與試驗控制

受試者步態(tài)運動學數(shù)據(jù)通過Codamotion三維運動捕捉系統(tǒng)捕捉設(shè)置在下肢標記點的空間坐標位置，其中標記點布置位置參考國際生物力學學會制定的標準[13-14]，如圖2所示。標記點A、B、C和D分別布置在骨盆四周(左、右髂前上棘，左、右髂后上棘)，用于記錄人體盆骨位置；標記點E和F布置在大轉(zhuǎn)子位置，標記點H和G布置在膝關(guān)節(jié)外側(cè)，其中標記點E和G(或F和H)連接成整體，用于研究大腿相對于盆骨的運動。同理，標記點I和J布置在踝關(guān)節(jié)外側(cè)，標記點I和G(或H和J)連接成整體，用于研究小腿相對于大腿的運動。以足底壓力測試板邊角為原點設(shè)立空間坐標OXYZ，其中在OYZ面表示髖關(guān)節(jié)在矢狀面內(nèi)的運動，OXZ面表示髖關(guān)節(jié)在冠狀面內(nèi)的運動。受試者足底步態(tài)數(shù)據(jù)采用Footscan足底壓力測試系統(tǒng)獲取，三維運動捕捉和足底壓力測試系統(tǒng)采樣頻率都設(shè)置為100 Hz，二者之間采用外同步的方式進行數(shù)據(jù)同步采集。

試驗在室內(nèi)進行，溫度保持24 ℃，試驗前，安排受試者進行一定量的適應(yīng)性活動。試驗過程中，受試者從距離足底壓力板5 m的位置以個人習慣步速走過測試區(qū)，規(guī)定每次試驗足底要全部踩在測力板上，并且三維運動捕捉數(shù)據(jù)無明顯丟點視為一次有效測試。對于每種工況試驗，要求至少各有3次數(shù)據(jù)均完整有效時才結(jié)束測試。為了避免疲勞產(chǎn)生，每一位受試者在完成一種工況試驗后休息2 min.

圖2 試驗基本設(shè)置Fig.2 Setting of test

1.3 試驗分析指標

1.3.1 下肢步態(tài)運動學分析指標

對于負重對下肢步態(tài)運動學影響分析，本文主要研究髖關(guān)節(jié)在矢狀面和冠狀面內(nèi)的變化特征。

1.3.2 足底步態(tài)分析指標

1)距下關(guān)節(jié)角。距下關(guān)節(jié)是保持足部穩(wěn)定的樞軸，承受并傳導人體的體重，轉(zhuǎn)換下肢的旋轉(zhuǎn)應(yīng)力，是后足的力學中心[15]，因此本文選擇距下關(guān)節(jié)角作為試驗測試指標，該指標由足底壓力測試系統(tǒng)獲取。

2)步態(tài)時空參數(shù)。步態(tài)周期可以根據(jù)步態(tài)中足在空間的位置分為支撐相和擺動相。支撐相是指足部與地面接觸的時間，根據(jù)足著地瞬間、跖骨著地瞬間、趾骨著地瞬間、足跟離地瞬間、趾骨離地瞬間5個關(guān)鍵時刻，支撐相可以分為開始著地階段、前足接觸階段、整足接觸階段、離地階段[16]。

3)足部與地面接觸穩(wěn)定性。如圖3所示，負重行走過程中，腳掌受到地面的反作用力并非左右側(cè)對稱，造成足底著地過程腳掌左側(cè)、右側(cè)受力不平衡，本文將足底著地過程足底受力不平衡現(xiàn)象稱為足底接觸穩(wěn)定性。為了有效評價負重對腳掌著地穩(wěn)定性特征，將足底分為：第l趾骨(T1)、第2～5趾骨(T2～T5)、第1跖骨(M1)、第2跖骨(M2)、第3跖骨(M3)、第4跖骨(M4)、第5跖骨(M5)、足中部(MF)、足跟內(nèi)側(cè)(HM)和足跟外側(cè)(HL)，采用(1)式計算足底著地過程的穩(wěn)定性：

Fb=(FM1+FM2+FHM)-

(FM3+FM4+FM5+FHL)，

(1)

式中：FM1、FM2、FHM、FM3、FM4、FM5、FHL分別為足底各分區(qū)的受力。

圖3 基于解剖學的足底分區(qū)Fig.3 Plantar partition based on anatomy

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 下肢運動學分析

如圖4(a)所示，在矢狀面內(nèi)，髖關(guān)節(jié)活動范圍隨著負重的增加而減小，當負重大于20 kg時表現(xiàn)出顯著減小，由于負重增加，行走的步長減小，從而導致髖關(guān)節(jié)活動范圍在矢狀面內(nèi)變小。如圖4(b)所示，在冠狀面內(nèi)，髖關(guān)節(jié)活動范圍隨著負重的增加而增加，當負重大于30 kg表現(xiàn)出顯著增加。上肢負重增加后，身體的重心隨著負重的增加而上移，并且靠近后背，加劇了平衡控制的難度，增加了下肢的側(cè)向擺動，因此冠狀面內(nèi)髖關(guān)節(jié)活動范圍表現(xiàn)出增加。由于標記點布置位置，產(chǎn)生了關(guān)節(jié)的初始角度，因此本文主要研究關(guān)節(jié)角度變化趨勢，圖4中的“*”號表示相對于無負重工況具有顯著性變化，下文圖中出現(xiàn)“*”不再做解釋。

4 kg砝碼布置在身體不同部位，受試者在行走過程中并未感受到差異。但是，試驗結(jié)果卻顯示不同負重位置影響士兵的髖關(guān)節(jié)角活動范圍，其中左前布置方式(位置1)與無負重差異最大，前后左右均勻布置方式(位置1～位置4)與無負重差異最小，如圖5所示。本文認為無負重受試者行走最自然，不同的負重步態(tài)與無負重的步態(tài)差異越大，越不利行走。

圖4 負重對髖關(guān)節(jié)活動角度影響Fig.4 Effect of load carriage on moving range of hip

圖5 負重位置對髖關(guān)節(jié)活動范圍影響Fig.5 The effect of load location on moving range of hip

2.2 足底步態(tài)特征分析

2.2.1 距下關(guān)節(jié)角分析

圖6 負重大小對距下關(guān)節(jié)活動范圍影響Fig.6 Effect of load magnitude on subtalar joint

負重大小對距下關(guān)節(jié)活動范圍影響如圖6所示，距下關(guān)節(jié)活動范圍隨著負重增加而增加，當負重大于20 kg時表現(xiàn)顯著增加。負重位置對距下關(guān)節(jié)活動影響如圖7所示，受試者在負重4 kg工況時，右后4 kg(位置4)負重距下關(guān)節(jié)活動范圍增加最大，從足落地時足的內(nèi)外翻角度來說，前后左右各1 kg負重(位置1～位置4)最有利于行走過程距下關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性。

圖7 負重位置對距下關(guān)節(jié)活動范圍影響Fig.7 Effect of load location on subtalar joint

2.2.2 步態(tài)支撐相分析

圖8 負重大小對步態(tài)支撐相影響Fig.8 Effect of load magnitude on support phase

負重大小對受試者步態(tài)支撐相影響如圖8所示，隨著負重增加，開始著地階段、前足接觸階段和離地階段占整個支撐相的時間下降，整足接觸階段時間增加，其中整足接觸階段時間表現(xiàn)出顯著增加。隨著負重增加，開始著地階段和前足接觸階段占步態(tài)支撐期縮短，表明受試者體重迅速從足跟部前移，使整個足底與地面更快接觸，有利于降低足跟的損傷。同時人體調(diào)節(jié)整足與地面的接觸時間，是由于人體負重增加損害了人體行走的穩(wěn)定性，人體需要增加與地面接觸時間維持行走平衡，同時整足與地面接觸時間增加能夠減緩地面對足底的沖擊，減輕前足損傷。

圖9 負重位置步態(tài)支撐相影響Fig.9 The effect of load location on support phase

負重位置對受試者步態(tài)支撐相影響如圖9所示，在開始著地階段，左前4 kg(位置1)布置方式與無負重差異最小；在前足接觸階段，右后4 kg(位置4)布置方式與無負重差異最小；在整足接觸階段和離地階段，前后左右各1 kg布置(位置1～4)方式與無負重差異最小。通過對比不同負重位置與無負重之間的差異，可以知道負重位置對整足接觸階段和離地階段影響較大，從整足接觸階段和離地階段的試驗結(jié)果能夠認為前后左右各1 kg布置方式要適當優(yōu)于另外2種布置方式。

2.2.3 步態(tài)支撐期足底受力分析

受力峰值是指受試者行走過程中地面對足底反坐用力的最大值，受力峰值能夠直接評價負重對足底的損傷，負重大小對足底受力峰值的影響如圖10所示，隨著負重增加，足底受力峰值呈增加趨勢，同時士兵通過增加足底與地面的接觸時間維持身體行走平衡，如圖11所示. 隨著負重增加，足底受力峰值呈增加趨勢，但其增加的趨勢呈減小的趨勢，由于負重的增加，足底與地面的接觸時間增加，根據(jù)沖量定理，其接觸峰值增加呈減小趨勢。

負重位置對足底受力影響如圖12和圖13所示，相對于無負重工況，左前、右后、均勻布置3種位置負重工況足底與地面的接觸時間和受力峰值都表現(xiàn)出增加趨勢。其中前后左右各1 kg負重工況與無負重相比差異最小，說明該工況對受試者行走影響最小。

圖10 負重大小對足底受力影響Fig.10 Effect of load magnitude on foot reaction force

2.2.4 步態(tài)支撐期足底穩(wěn)定分析

采用(1)式計算得到士兵負重行軍足底與地面過程的穩(wěn)定性，圖14為負重大小對足底與地面接觸平衡的影響，其中橫坐標為足底與地面接觸時間占整個支撐相的比例(%)。在足底與地面接觸過程中，足底受力穩(wěn)定性表現(xiàn)出2個波峰的變化規(guī)律，其中，第1個波峰是由足跟與地面沖擊造成的，第2個波峰是由足前掌蹬地造成的。隨著負重增加，波峰/波谷值呈增加趨勢，足底與地面接觸的不穩(wěn)定時間也有所增加。足跟與地面剛剛接觸時，足底都表現(xiàn)出外翻現(xiàn)象，其外翻程度隨著負重的增加而增加。前腳掌蹬地過程中，隨著負重的增加其足底不平衡程度也更加顯著。當負重小于20 kg時，負重對足底不穩(wěn)定特性的影響沒有表現(xiàn)出顯著性影響，但是當負重為30 kg鉛塊時，負重對足底不穩(wěn)定特性表現(xiàn)出顯著性影響。

不同負重位置對足底不穩(wěn)定特性的影響如圖15所示，負重4 kg增加了足底與地面接觸過程 中的不穩(wěn)定程度及其接觸時間。其中，左前4 kg布置和右后4 kg布置方式下，足底不穩(wěn)定特性與無負重相比差異較大。主要表現(xiàn)在，左前和右后4 kg布置足底著地過程的穩(wěn)定性曲線變化形狀沒有表現(xiàn)出顯著的雙峰(與無負重相比)，同時，在足底離地階段的不穩(wěn)定程度較無負重顯著增加。前后左右均勻布置方式下，足底不穩(wěn)定特性與無負重相比差異較小，二者都表現(xiàn)出明顯的雙峰規(guī)律。在足底離地過程中，前后左右均勻布置方式的足底不穩(wěn)定程度有所增加，這主要是由于負重4 kg微小的改變了受試者的下肢行走步態(tài)。

圖11 負重大小對足底與地面接觸時間影響Fig.11 Effect of load magnitude on foot-to-ground contact time

圖12 負重位置對足底受力影響Fig.12 Effect of load location on foot reaction force

圖13 負重位置對足底與地面接觸時間影響Fig.13 Effect of load location on foot-to-ground contact time

圖14 負重大小對足底平衡特征的影響Fig.14 Effect of load magnitude on foot-to-ground contact balance

圖15 負重位置對足底平衡特征的影響Fig.15 Effect of load location on foot-to-ground contact balance

3 結(jié)論

本文采用三維運動捕捉和足底壓力測試系統(tǒng)得到了負重大小和負重位置對士兵步態(tài)影響，研究結(jié)果表明，負重大小和負重位置對受試者髖關(guān)節(jié)活動范圍、距下關(guān)節(jié)活動范圍、足底與地面支撐相、地面對足底的反作用力以及支撐相足底平衡特性具有影響。其中，髖關(guān)節(jié)冠狀面內(nèi)活動范圍、距下關(guān)節(jié)活動范圍、地面對足底的反作用力變化最顯著，能夠較好的用于評價負重對士兵行軍的影響。對于負重大小對士兵行軍步態(tài)的影響，建議士兵在穿戴單兵攜行具后負重不大于20 kg，該結(jié)果與中國人民解放軍單兵負荷量標準中規(guī)定的負荷量較為一致。對于單兵裝備的布局，建議前后左右均勻布置。

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Experimental Investigation on the Effect of Load Carriage on Soldiers’ Gaits during Marching

YANG Yang1,2, WANG Ya-ping2, XU Cheng2, ZHANG Wei2

(1.School of Engineering, Anhui Agricultural University, Hefei 230036, Anhui, China； 2.School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, Jiangsu, China)

The effects of load carriage and its location on soldiers’ gaits during marching are investigated. Walking gait of lower limb is measured by 3D motion analysis system, and the plantar pressure is obtained by plantar pressure measurement system. The measured results show that the gait of soldier is affected by load carriage, especially when the load is heavier than 20 kg. Although light load has no influence on soldiers’ subjective feeling, the tests in the present paper show that lighter loads change soldier marching gait, in which uniform weight distribution benefits kinematics of gait.

ordnance science and technology; load magnitude; load position; lower limb; planta; gait

2016-06-15

國家自然科學基金項目(51575279)；國家國防科技工業(yè)局基礎(chǔ)科研項目(A1020133013)

楊洋(1988—)，男，講師，博士研究生。E-mail: yangyang82512@163.com; 王亞平( 1975—)，女，副研究員，碩士生導師。E-mail: zykdou@ 163.com

E919

A

1000-1093(2016)11-2050-08

10.3969/j.issn.1000-1093.2016.11.013