基于3D運動捕捉技術的人類步態分析

苑婷婷++何斌

摘要：當今社會，滑倒和摔倒是導致髖關節損傷的重要原因，而摔倒的一個重要影響因素就是地面情況的影響。了解人體行走在不同摩擦地面上時對姿態的影響對于理解人體的行走穩定性和預防人體摔倒具有重要的意義。本文主要是研究人體行走在不同摩擦地面上時的步態變化。

關鍵詞：步態；3D 運動捕捉；摩擦因數；行走穩定性

中圖分類號：R318.01 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）02-0232-02

行走活動是人們日常生活中最基本的一種整體性的活動[1]。在日常生活中，人體受傷大多是由于摔倒導致的。摔倒會導致人體功能衰退、獨立生活能力下降，甚至在骨折后的前3個月有較嚴重的死亡危險[2]。導致人體摔倒的原因包括外部原因和人為因素兩個方面。外部原因包括地面的傾斜角度、鞋子的類型、障礙物以及不同的地面摩擦程度等。人為因素包括感知敏感度和自我反饋能力。行走的環境往往是復雜和多變的，直接影響著人體的穩定性。目前全球范圍內的老齡化日益加重，而摔倒幾乎成了老年人生命的“殺手”。

所以對于人體在不同摩擦程度地面上行走時如何保持自身穩定性的研究迫在眉睫。本文主要研究了不同摩擦程度的地面對人體行走姿態的影響，通過對人體行走過程中姿態的分析來研究不同摩擦程度地面對人體行走穩定性的影響。

1 步態分析

人體行走時的穩定性除了受到神經系統等內部因素的影響，還會受到外部因素的影響。外部影響因素主要包括路面狀況（地面材質、地面摩擦程度、地面坡度等）和其它客觀外界擾動的影響。本文針對地面摩擦程度對人體行走步態的影響提出了一種基于步長的步態穩定性判定指標。

其中，a，b為步長影響因子。為正常行走時人體能夠行走的最大步長。

2 實驗設備和方法

2.1 受試者

本文研究分析的數據來自于12名健康的成年志愿者（6名男性、6名女性）。所有的志愿者均未有骨骼肌肉疾病、神經系統疾病或步態異常等相關疾病。所有的受試者均明白本次研究的目的，且均在參與實驗之前提供了書面知情同意書。

2.2 實驗設備

本文使用英國光學式三維運動捕捉設備Vicon系統對人體在不同摩擦地面上的行走信息進行運動信息的采集，它因為具有捕捉精度高、穿戴安全、快速、方便等諸多優點而被廣泛應用于科學研究領域。Vicon是一套具有12個基于視頻的紅外攝像機組成的運動捕捉系統，采樣頻率是120幀/秒。

2.3 實驗設計

為了研究不同摩擦地面對人體行走穩定性的影響，實驗設計了4組不同摩擦地面，分別為：塑料地毯 （5m×1.2m×11mm），塑膠地板（5m×1.2m×4mm），木地板（4.88m×1.22m×9mm）和灑水的白色PP板 （4.88m×1.22m×9mm）。這四種地面的靜摩擦因數分別為：0.592（FPC），0.502（PF），0.494（TF）和0.345（PP）。

所有受試者均被要求在試驗之前做5分鐘的熱身運動，并且所有的受試者均穿同款鞋子。在試驗過程中，每個受試者都采用Vicon系統53點模型來粘貼反光標記點。實驗中分別將53個反光標記點按照骨骼模型粘貼在相應的骨骼關節點。

實驗過程中，每個受試者均按照隨機的順序分別走在4種地面材料上，并將隨機順序記錄，以減小固定行走順序對實驗結果造成的影響。

3 數據處理

將Vicon運動捕捉到的數據庫導入到Blade1.7進行三維重建，導出人體運動過程中標記點的三維空間坐標。使用MATLAB計算步態參數和數據分析。此處定義步長是人體行走過程中同側腳跟（或者腳尖）兩個相鄰落地姿態之間的距離。步高被定義為在擺動期腳離開地面最高的距離。步態周期被定義為同側足跟兩次著地之間所用的時間。下肢關節運動角度根據以下十三關節人體模型進行計算，如圖1所示。由于人體的運動主要體現在矢狀面內，所以本文對人體行走過程中姿態的分析主要是在矢狀面內進行的。本文對下肢關節運動的研究均只研究了一個行走周期。

為了研究摩擦地面對人體穩定性的影響，本文使用單因素方差分析的統計學方法對數據進行分析，統計顯著性在P<0.05的時候可以接受。

4 結果和討論

人體在行走過程中步態參數受地面摩擦程度的影響變化情況如表1所示。由于每個人的形體測量學數據有所不同，會對數據的分析造成影響，本文研究步長時對于腳長做了歸一化處理。由表1可以發現，隨著摩擦因數的減小，為了降低摔倒的風險人體會通過減小步長來維持自身的穩定性（P<0.01），這與Alexandra等人[3]和Voloshina等人的結果保持一致。尤其是受試者走在灑滿水的光滑PP板上時，相比較于在塑料地毯上行走的平均步長減少了9.48%。Gordon等人發現受試者會通過減小行走步長來消耗代謝能量，這說明人們在以能量為代價來維持身體的平衡。并且隨著地面摩擦因數的減小（P<0.01），人體行走的步態周期也會有所增加，在地面比較光滑時，人體姿態調節需要的時間會有所加長，以彌補地形的不利影響。由表1可以清楚地看出步高會隨著地面摩擦因數的減小而降低（P<0.01），即使在摩擦因數相近的塑料地毯和塑膠地面兩種地面上行走時也可以看出微小的步高差距。在最光滑的地面上行走時步高相比較于木板面上行走時降低了2.2%。

在不同摩擦程度的地面上行走時，人們必須做出合適的調整以適應地面狀況，以保證自身身體平衡和穩定。經過實驗擬合出人體行走步長與地面摩擦因數的關系如圖3所示。在地面摩擦因數為0的時候，由于腳與地面之間沒有摩擦力使得無法邁開腳步，此時步長為0。當地面越來越粗糙時，人體敢于邁開越來越大的步子走路，自身的穩定性也比較好調節，但是當摩擦因數增大到超過一定閾值時，人體依靠腳掌與地面間的摩擦力已經足夠維持自身穩定，受自身身體構造限制不能再增加步長，因此當摩擦系數增大到一定程度時，人體步長趨向于一個常數不再改變。

Hanson等人的研究表明鞋與地面之間的摩擦因數比較低時會引起在行走過程中的牽引損失導致摔倒。當受試者走在不同摩擦程度地面上時下肢關節的運動情況也有所變化。從圖4可以看出，當受試者行走在最粗糙的地面上時，髖關節的活動范圍最大，擺動期較長，行走在最光滑的路面（PP）時支撐期較長，且活動范圍也最小，說明人們為了安全行走，降低自己摔倒的風險邁開步伐也比較謹慎，腿部動作有所減小。Bertram等人的研究表明人們在行走過程中通過保持一個最佳的步態模式來減小下肢關節做功。

5 結語

人體在行走過程中姿態會受到地面摩擦程度的影響，隨著地面摩擦因數的降低，人體會通過減小步長、增加步態周期以及減少步高、合理調節下肢關節的活動角度等措施來增強自身的穩定性。人體行走時的步長隨著地面摩擦程度的增大而增大，當步長超過肢體能夠承受的最大值時就會導致步態失穩現象。

參考文獻

[1]喬曉曉.人體行走運動與行走姿態的影響[J].產業與科技論壇，2016，15（5）：63-64.

[2]TINET TI M E ， WILLIAM S C S .The effect of falls and fall injuries on functioning in community-dwelling older persons[J].J Gerontol A Biol Sci Med Sci，1998，53（2）：112-119.

[3]Alexandra S， Voloshina， Arthur D. Kuo， Monica A. Daley and Daniel P. Ferris. Biomechanics and energetics of walking on uneven terrain. The Journal of experimental biology. 2013，3963-3970.