模擬不同重力水平下多種步態中下肢關節運動特征研究

羅詩瑤，楊洪瑞，尚 坤

(中國航天員科研訓練中心人因工程國防重點實驗室，北京100094)

1 引言

未來載人航天任務將向著月球及深空方向發展，人類不僅要重返月球并長期駐守月球基地，還要登陸火星和進行更遠的深空探測，將面臨更為嚴苛的空間環境，其中必不可少的是航天員的個體防護裝備—星際航天服。 星面的出艙活動將更加頻繁、任務類型更加復雜，這對星際航天服的環境防護、工效和生命保障等能力提出了更高的要求[1]。

用于星面探索活動的星際航天服和用于空間軌道出艙的艙外航天服存在很大差異。 一是使用環境不同：近地軌道為失重環境，月球和火星表面為低重力環境，月球表面重力加速度為1/6g，火星表面為1/3g，著服航天員在星面出艙時需能夠站立并實現步態行走[2]；此外，月球/火星的地形崎嶇并具有較大的坡度，裸露著大量的巖石碎塊[3]，著服航天員需在崎嶇地形上行走。 二是任務模式不同：月面/火星的出艙活動將開展大量的科學試驗和地質考查，還有建立月球/火星基地的可能。 當前軌道出艙活動主要依靠上肢和手套開展作業，對艙外航天服下肢活動性要求不高[2，4]。航天員在執行星際探索任務，如低重力環境中的徒步行走、使用各種工具進行月面樣本收集以及在月球表面長距離駕駛月球車等，均需要下肢活動能力支持，這就對星際航天服下肢的活動性提出了更高的要求[5]。 從某種意義上說，星際航天服下肢的活動性將決定航天員的活動范圍和任務完成能力[6]。

為了合理配置服裝關節以滿足未來星際探索任務下肢活動性需求，首先要將人自身的能力和局限性作為設計過程的關鍵要素，明確人的運動能力，尤其是在不同重力環境下，典型步態的運動特征將會發生怎樣的變化。 Ackermann 等[7-8]采用骨骼肌模型進行了一系列的步態預言仿真模擬，研究發現在低重力條件下(如月球或火星表面)，采用行走與蹦跳相結合的步態策略更高效且不易疲勞。 Minetti 等[9-10]用skipping 描述了阿波羅登月計劃中航天員所采用的一種特殊步行方式，這是基于在低重力環境下能量消耗較小的目標而選用的一種方式。 然而，目前相關的實驗研究報道較少。 本文針對星際探索任務中的典型步態動作，開展常規重力、模擬月球和火星重力條件下人體下肢運動測量實驗，探索不同重力環境下平地與坡地行走和慢跑時關節活動范圍等運動特征變化，為提出滿足載人登月(火星)活動性需求的星際航天服下肢關節配置方案提供依據，為開展星際航天服下肢關節設計提供基礎實驗數據。

2 實驗方法

2.1 測試樣本

共選取9 名成年男性受試者，年齡26.33 ±3.67 歲，身高174.33±5.67 cm，體重72.78±5.98 kg。身體健康，無任何關節、肌肉病變。

2.2 測試設備

實驗中采用美國Noraxon MYO Motion 的慣性運動捕捉分析系統，分別在受試者腰部、大腿、小腿和足部安裝慣性傳感器，采樣頻率100 Hz，如圖1 所示，受試者在跑步機上進行不同速度和坡度的行走和跑步活動。

圖1 受試者慣性傳感器測點分布Fig.1 Distribution of inertia sensor measurement locations in the test subject

本研究設計了一種懸吊式低重力模擬裝置，如圖2 所示，通過垂直懸吊的方法實現低重力模擬，利用配重或彈力繩的方式進行重力補償，根據不同重力水平模擬需求以及受試者自身體重，選擇相應的配重或改變彈力繩的彈力。 受試者著懸吊背帶實現步態運動中持續向上的拉力，以抵消部分重力作用。 配重或彈力繩力加載范圍為0～85 kg。

2.3 測試流程

圖2 懸吊式低重力模擬裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of the suspension type low gravity simulation device

每名受試者分別進行常規重力(1g)、模擬火星重力(1/3g)和模擬月球重力(l/6g)3 種重力環境下的行走和跑步測試。 每種重力環境下跑步機均設置3 種速度等級，其中，平地行走速度4 km/h，平地慢跑速度7 km/h，坡地行走速度3.6 km/h、坡度15°。 在測試數據正式采集前所有受試者均進行10 min 的熱身，熟悉實驗條件，以采取適應后最舒適的姿勢進行實驗。 當受試者達到每個要求的運動等級平穩至勻速，并持續1 min 后進行相應信號的采集，連續記錄15～20 個完整的步態周期。

2.4 數據處理

采用Noraxon MR3 3.10.2 軟件建立圖3 所示的運動學模型，對慣性傳感器測量數據進行分析，得到下肢關節活動角度。

圖3 運動學分析模型Fig.3 The kinematic analysis model

實驗數據采用均值±標準差的方式表示。 采用單因素重估測量方差分析確定不同重力水平對不同動作各種指標的影響，Post Hoc 檢驗采用LSD 法，顯著性水平定為一類誤差概率不大于0.05，所有統計分析應用SPSS 19.0 完成。

3 結果與討論

3.1 關節活動范圍

根據人體肢體運動定義，髖關節的運動可分解為矢狀面上的屈曲/伸展、冠狀面上的內收/外展以及橫截面上的內旋/外旋；膝關節主要考慮小腿繞膝關節的冠狀軸所做的屈伸運動，當小腿屈曲時，膝關節可繞垂直軸作微小的旋轉運動，但活動幅度不大，忽略不計；踝關節同髖關節類似，分解為矢狀面上的背屈/跖曲、冠狀面上的內翻/外翻以及橫截面上的內旋/外旋運動[11]。

3.1.1 平地行走

3 種重力水平下，平地行走(4 km/h)時人體下肢髖、膝和踝關節的關節活動范圍如圖4 所示。從圖中可以看出，平地行走時，下肢各關節在矢狀面上的屈曲/伸展活動范圍遠大于冠狀面的內收/外展和橫截面上的內旋/外旋活動。 其中，膝關節屈伸活動范圍最大，達到67°以上。

平地行走時，重力水平對髖關節、膝關節的活動范圍有顯著影響。 模擬低重力條件下，髖關節屈曲/伸展(P ＜0.001)、內收/外展(P ＜0.001)、內/外旋(P＜0.05)的活動范圍均明顯減小，膝關節屈曲/伸展活動范圍也顯著減小(P ＜0.001)。重力水平對踝關節活動范圍有較大影響，與髖、膝關節不同的是，重力水平降低后，踝關節背屈/跖屈、內/外旋活動范圍有所增大，內/外翻活動范圍減小，但未達到統計學顯著性差異水平(P ＞0.05)。

圖4 平地行走(4 km/h)時髖、膝、踝關節活動范圍Fig.4 The range of motion in hip， knee and ankle joints during ground walking (v=4 km/h)

3.1.2 平地慢跑

3 種重力水平下，平地慢跑(7 km/h)時人體下肢髖、膝和踝關節的關節活動范圍如圖5 所示。與行走相比，平地慢跑時表現出相似的運動規律，下肢各關節在矢狀面上的屈曲/伸展活動遠大于冠狀面的內收/外展和橫截面上的內旋/外旋活動，在髖關節中表現得最為明顯。 各關節中以膝關節屈伸活動范圍最大，平均值達67°。 此外，平地慢跑時各重力水平下踝關節背屈/跖屈活動范圍均大于行走時的相應值。 平地慢跑時，重力水平對髖關節的活動范圍有顯著影響，模擬低重力條件下，髖關節在各個平面上的活動范圍均明顯減小(屈曲/伸展P＜0.001、內收/外展P＜0.005、內/外旋P＜0.05)。 重力水平對膝關節和踝關節的活動范圍有較大影響，重力水平降低后膝關節活動范圍減小，踝關節背屈/跖屈和內/外旋活動范圍有所增大，內/外翻活動范圍減小，但變化程度均未達到統計學顯著性差異水平(P＞0.05)。

圖5 平地慢跑(7 km/h)時髖、膝、踝關節活動范圍Fig.5 The range of motion in hip， knee and ankle joints during ground jogging (v=7 km/h)

3.1.3 坡地行走

3 種重力水平下，坡地行走(15°， 3.6 km/h)時人體下肢髖、膝和踝關節的關節活動范圍如圖6 所示。 同樣地，坡地行走時，下肢各關節在矢狀面上的屈曲/伸展活動范圍遠大于冠狀面的內收/外展和橫截面上的內旋/外旋活動。 各關節中膝關節的屈曲/伸展活動范圍仍是最大的，平均值約為64°。 相比于平地行走，坡地行走時髖關節的屈曲/伸展運動范圍顯著增加，常規重力下達到50°以上。 同時，各重力水平下踝關節背屈/跖屈活動范圍均大于平地行走時的相應值。 因此，坡地行走對踝關節的屈伸活動性要求更高。

圖6 坡地行走(3.6 km/h)時髖、膝、踝關節活動范圍Fig.6 The range of motion in hip， knee and ankle joints during 15° slope walking(v=3.6 km/h)

坡地行走時，重力水平對髖關節和膝關節的活動范圍有顯著影響，模擬低重力條件下，髖關節在各個平面上的活動范圍均明顯減小(屈曲/伸展P＜0.001、內收/外展P＜0.005、內旋/外旋P＜0.05)，膝關節屈曲/伸展活動范圍減小(P ＜0.005)。 重力水平對踝關節關節活動范圍有較大影響，模擬低重力條件下，踝關節背屈/跖屈和內/外旋活動范圍有所增大，內/外翻活動范圍略有減小。

3.2 矢狀面關節角度變化

3 種步態運動的步態周期均定義為從足跟著地到同側腿足跟再次著地的過程，一個步態周期可劃分為2 個相位：支撐時相和擺動時相，從足跟著地時刻到足尖離地時刻稱為支撐時相，從足尖離地到足跟再次著地稱為擺動時相[12]。

3.2.1 平地行走

3 種重力水平下，平地行走時髖、膝、踝關節在矢狀面上的活動角度變化如圖7 所示，圖中橫坐標代表1 個步態周期，縱坐標正方向代表髖關節和膝關節屈曲、踝關節背屈。 實線表示各重力水平的測量樣本均值，陰影區域表示其標準差。

圖7 中重力水平1g 下各關節角度變化曲線，步態周期之初，髖關節屈曲約30°，膝關節屈曲約5°，同時踝關節處于稍微跖屈的位置。 足跟著地后，踝關節通過小幅跖屈運動將參考足平放至地面。 膝關節在支撐相初期表現出10°～15°的額外屈曲，起到震蕩吸收和體重被轉移到該側下肢時承受重量的作用[12]，之后開始伸展。 隨著身體在該側支撐足向前移動時，髖關節不斷伸展，踝關節持續背屈。 在參考足尖離地前，膝關節在幾乎完全伸展后已開始屈曲，同時髖關節伸展至最大角度，踝關節開始跖屈。 進入擺動相后，膝關節進一步屈曲，有助于小腿向前擺動，屈曲至最大角度后再次接近完全伸展。 髖關節開始屈曲，恰好在足跟著地前達到最大屈曲角度，之后開始伸展，為足跟著地和承重做準備。 而踝關節在擺動相階段再次背屈至中性位，使足尖離地。

圖7 3 種重力水平下平地行走(4 km/h)時矢狀面上髖、膝、踝關節角度變化曲線(箭頭指示支撐相與擺動相分界點)Fig.7 Hip， knee and ankle joint angles at the sagittal plane during ground walking (v=4 km/h)under different gravity(The arrows indicate the boundaries of stance phase and swing phase)

3.2.2 平地慢跑

3 種重力水平下，平地慢跑時髖、膝、踝關節在矢狀面上的活動角度變化如圖8 所示。 與平地行走相比，平地慢跑呈現出的特點主要有：

1)在1g、1/3g、1/6g 各重力水平下，平地慢跑時髖關節和膝關節的最大屈曲角度、踝關節的最大背屈和跖屈角度均明顯大于該重力水平下平地行走時的相應值；

2)支撐時相變短，擺動時相變長。 平地慢跑時步態周期內腳尖離地的時刻大大提前；

3)1g 水平下，支撐相初期，膝關節額外的屈曲角度明顯增大，曲線呈現“雙峰”，這是由于慢跑中重心震蕩加劇，腳跟著地后，膝關節需要以更大程度的屈曲來緩沖震蕩、平穩重心。

圖8 3 種重力水平下平地慢跑(7 km/h)時矢狀面上髖、膝、踝關節角度變化曲線(箭頭指示支撐相與擺動相分界點)Fig.8 Hip， knee and ankle joint angles at the sagittal plane during ground jogging (v=7 km/h)under different gravity(The arrows indicate the boundaries of stance phase and swing phase)

文獻中關于行走和慢跑步態的研究報道與本實驗結果一致，Novacheck[13]曾報道正常行走時膝關節最大屈曲約為60°，而跑步時增大至90°左右。 唐剛[14]對40 位志愿者的運動測量發現，行走時支撐相在1 個完整步態周期中占據比例大于50%，而跑步時支撐相一般小于50%，即趾尖離地發生在整個周期的50%之前，與行走不同，整個周期中不存在雙足著地期，而在1 個周期中將有2 次雙足騰空的階段。 王勁松等[15]通過對不同步速下人體步態規律的測量與研究，得到了人體在跑步機上不同步速行走時下肢關節運動軌跡和關節角度，結果表明支撐相在步態周期中所占的比例隨著步速的提高而減小。

3.2.3 坡地行走

3 種重力水平下，坡地行走時下肢髖、膝、踝關節在矢狀面上的活動角度變化如圖9 所示。 與平地行走相比，坡地行走呈現出的特點主要有：

1)在1g、1/3g、1/6g 各重力水平下，坡地行走時髖關節最大屈曲角度、踝關節的最大背屈、最大跖屈角度均明顯大于該重力水平下平地行走時的相應值，膝關節的最大屈曲/伸展角度變化不大；

2)支撐時相變短，擺動時相變長，但變化程度小于平地慢跑；

3)1g 水平下，支撐相之初，髖關節和膝關節的初始屈曲角度增大，而后兩者逐漸伸展，并依次伸展至其最大角度，但伸展程度小于平地行走。同樣地，擺動相末期，髖關節和膝關節的最終伸展角度也明顯增大，但低重力水平會使得2 種運動間的差異減小；

4)足跟著地后，踝關節直接開始背屈，支撐相初期踝關節小幅跖屈運動消失了，這是由于參考足不需踝關節跖屈便可接觸帶有坡度的地面。

圖9 3 種重力水平下坡地行走(3.6 km/h)時矢狀面上髖、膝、踝關節角度變化曲線(箭頭指示支撐相與擺動相分界點)Fig.9 Hip， knee and ankle joint angles at the sagittal plane during 15° slope walking (v =3.6 km/h)under different gravity(The arrows indicate the boundaries of stance phase and swing phase)

本研究得出的結論與文獻中關于坡地行走的研究結果相吻合。 張瑞紅等[16]對不同路況下正常步態特征進行了研究，相比與平地行走和上樓梯，上坡行走時的支撐期在步態周期中所占的比例最小(58%)。 唐剛等[17]發現路面坡度對髖關節、膝關節和踝關節矢狀面上關節角度均產生較大影響，髖關節的屈曲角和伸展角均隨路面坡度的增大而增大，膝關節的初始屈曲角隨路面坡度的增大而明顯增大，但在步態周期50%～100% 階段，膝關節在矢狀面的關節角度變化受路面坡度的影響不大，踝關背屈角度隨路面坡度的增大而明顯增大。

3.2.4 重力水平

重力水平對平地與坡地行走和慢跑時下肢關節在矢狀面上活動角度的影響如圖4～9 所示，模擬低重力條件下的步態運動特征主要表現在：

1)髖關節和膝關節最大屈曲/伸展角度均顯著減小，對應各角度曲線的峰值減小或增大，踝關節活動角度隨重力水平的降低無顯著變化規律；

2)步態時序發生變化，支撐時相變短，擺動時相變長。 以髖關節為例，在足尖離地之前達到最大的伸展角度，隨著重力水平降低，髖關節達到最大伸展角度的時刻發生前移，提前進入擺動相；

3)曲線變得更加平滑，峰值不再尖銳，這表明低重力水平下，各關節在屈伸到最大角度后將作短暫停留，也可以說，關節活動由屈曲變為伸展的動作在步態周期內所占據的時間比例被拉長了，步態動作更加緩慢。 值得注意的是，坡地行走中，足尖離地后踝關節達到最大跖屈角度后持續了更長的時間，在步態周期內所占的時間比例明顯增大；

4)膝關節和踝關節的緩沖作用減弱，低重力條件下，支撐相初期膝關節額外的屈曲峰幾乎消失，踝關節背屈的時間比例縮短，這是由于重力水平的降低使得重心震蕩帶來的載荷沖擊減小，因此下肢關節的緩沖策略也相應減弱。 這一特性在平地行走和平地慢跑中表現得較為突出；

5)步態周期內足跟離地提前，呈現“跳躍型”步態。 以平地行走為例，如圖7 所示，正常重力水平下，踝關節持續背屈，到支撐相后期，足跟離地之后踝關節開始跖屈，并在足尖離地后達到最大跖屈(15°～20°)，模擬低重力條件下，踝關節在支撐相的背屈時間縮短，足跟過早離地，呈現“跳躍型”步態，這表明低重力水平下更傾向于采用一種行走-蹦跳的步態策略；

6)低重力條件下方差帶變寬，這表明個體差異比較明顯，不同受試者對低重力環境的適應和在低重力環境中采取的步態策略有較大差異。

3.3 航天服下肢關節配置

基于本研究的測試數據，梳理出了滿足平地與坡地行走和慢跑需求的下肢關節活動范圍，為星際航天服下肢活動性指標的確立提供參考，如表1 所示。

測試結果表明，不同重力水平下，行走和慢跑中下肢各關節均以矢狀面的屈伸運動為主，因此，星際航天服關節在配置時必須首要保證髖關節、膝關節、踝關節屈伸的自由度。 髖關節內收/外展、內旋/外旋的活動范圍相比于屈曲/伸展范圍較小，但對于實現步態行走也起到重要作用，內收/外展活動自由度可改善航天員的側向穩定性，內旋/外旋活動自由度可輔助實現行走過程中改變方向的功能，因此，髖關節在實現較大范圍屈伸活動的同時，需在另外2 個方向上配置小角度的活動自由度。 膝關節在下肢各關節中活動范圍最大，需配置可實現大范圍運動的單自由度關節。踝關節在各個方向上的活動范圍均處于中等水平，行走過程中，踝關節可以調整足部位置，對于保持側向平衡來說，甚至很小的踝關節活動角度都非常重要。 在保證屈伸自由度的基礎上，另外2 個自由度的活動對于實現坡地行走必不可少，表1 中踝關節內/外翻和內/外旋活動角度的極值均出現在坡地行走中，內翻/外翻活動自由度能夠使得航天員在斜坡上或者踩在崎嶇的星面上時保持姿態穩定，實現坡地的安全行走；內旋/外旋活動自由度可實現行走時改變方向，躲避障礙物，有利于在不平坦的地形上可以采取最穩定的姿態。因此，星際航天服踝關節在配置和設計時需保證多自由度的活動性。

4 結論

1)不同重力水平下平地行走、平地慢跑和坡地行走時，人體下肢各關節在矢狀面上的屈曲/伸展活動范圍遠大于冠狀面的內收/外展和橫截面上的內旋/外旋活動，其中，膝關節屈伸活動范圍最大，不同步態中均達到60°以上。

2)模擬低重力條件下，髖關節和膝關節在各個平面上的活動范圍均明顯減小，踝關節活動角度無顯著變化規律。

3)重力水平降低后，髖關節和膝關節最大屈曲/伸展角度均顯著減小，膝關節和踝關節的緩沖作用減弱；低重力條件下，步態運動的支撐時相變短，擺動時相變長，傾向于采用一種行走-蹦跳的步態策略。

4)基于模擬低重力水平下的運動學特征，梳理出了滿足平地與坡地多種步態需求的下肢關節活動范圍，為星際航天服下肢活動性指標的確立及關節結構設計提供參考。

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