躯干不同负重方式对人体步行的生物力学影响

第24卷第2期2017年3月体育学刊JournalofPhysicalEducationVol.24No.2Mar.2017躯干不同负重方式对人体步行的生物力学影响赵功赫，曲峰，杨辰，万祥林，李秋捷23（北京体育大学运动生物力学教研室，北京100084）摘要：研究躯干采用不同负重方式时人体行走的步态特征，探讨躯干不同负重方式对步态的影响，为日常行走的负重方式的选择或仿生机器人的设计提供参考。选用10名普通男性大学生为受试者，佩戴特制负重架，分别进行躯干基础负重、躯干前负重和躯干后负重3种状态下的行走，采用Kistler三维测力台、Motion红外高速运动捕捉系统同步采集运动学、动力学数据。结果显示，在行走过程中与后负重相比，前负重显著增加了步宽、重心的水平摆动幅度、踝最大背屈角度、最大伸髋角度、最大伸髋力矩、髋正功、最大伸膝力矩、膝负功，显著减小了步长、躯干前后倾幅度、踝最大跖屈力矩。结论认为，人体前负重行走时，具有更小的步长和更大的步宽，会造成更多的能量消耗；躯干的向后倾斜，腰背部肌肉更容易疲劳，长此以往，更容易造成下腰痛的发生；同时，大腿肌肉用力增大，消耗更多的能量，长时间行走，大腿肌肉会更快疲劳；在设计前负重两足步行机器人时也应适当调整相应参数，增大驱动力，满足更多能量消耗。关键词：运动生物力学；负重方式；步行；躯干中图分类号：G804.6文献标志码：A文章编号：1006-7116(2017)02-0128-07BiomechanicaleffectsofdifferentwaysoftrunkloadbearingonhumanwalkingZHAOGong-he，QUFeng，YANGChen，WANXiang-lin，LIQiu-jie（DepartmentofSportsBiomechanics，BeijingSportUniversity，Beijing100084，China)Abstract:Inordertostudythecharacteristicsofthegaitofhumanwalkingwhenthetrunkisloadedindifferentways,andtoprobeintotheeffectsofdifferentwaysoftrunkloadbearingonthegait,theauthorsselected10ordinaryuniversitystu-dentsasthetestees,whoworeaspeciallymadeloadrackandwalkedrespectivelyundersuch3conditionsastrunkbasicloadbearing,trunkfrontloadbearingandtrunkbackloadbearing,usedaKistler3Dforcemeasuringplatformandanin-fraredhighspeedmotioncapturesystemtosynchronouslycollectkinematicanddynamicdata.Theauthorsrevealedthefollowingfindings:duringwalking,ascomparedwithbackloadbearing,frontloadbearingsignificantlyincreasedstepwidth,horizontalswingingamplitudeofcenterofgravity,maximumankledorsiflexionangle,maximumhipextensionan-gle,maximumhipextensionmoment,hippositivework,maximumkneeextensionmomentandkneenegativework,andsignificantlydecreasedsteplength,trunkbackandforthleaningamplitude,andmaximumankleplantarflexionmoment.Theauthorsdrewthefollowingconclusions:whenwalkingwithfrontloadbearing,thehumanbodyhasasmallersteplengthandabiggerstepwidth,whichwillcausemoreenergyconsumption;theleaningbackwardofthetrunkmakeslowerbackmusclesfatiguemoreeasily,andtendstocausetheoccurrenceoflowerbackpainandifitkeepshappening;inthemeantime,thighmusclesincreasepowerexertion,consumemoreenergy,fatiguefasterwhenwalkingforalongtime;whendesigningabipedwalkingrobotwithfrontloadbearing,thedesignershouldappropriatelyadjustcorrespondingpa-rametersandincreasedrivingpower,soastomeetmoreenergyconsumption.Keywords:sportsbiomechanics；wayofloadbearing；walking；trunk收稿日期：2016-06-16基金项目：国家高技术研究发展计划(863计划)。作者简介：赵功赫(1993-)，男，硕士，研究方向：运动生物力学。E-mail：[e-mail]第2期赵功赫等：躯干不同负重方式对人体步行的生物力学影响129负重行走往往发生在人们的日常生活中，如上班、上学、登山、野外拓展、物品搬运、军人行军等。而负重行走时有负重物作用于人体，身体和重物的总质心必然会发生改变，从而人体会做出一系列的身体姿势调整，来保持身体的平衡及稳定[1]。长期负重行走，易导致足底损伤、应力性骨折、下肢关节疼痛和腰背肌肉损伤等[2-4]。对不同负重方式步态变化研究，可以更深入认识脊柱的稳定控制机理以及下肢关节的力学行为，进而减少损伤[4-7]。现在，很多搭地铁、公交车的人，为了安全，会把双肩背包反过来背，放在胸前，相当于躯干前负重，而长期胸前负重是否会对身体有所影响呢？近年，两足步行机器人大量涌现，模仿人类对平衡稳定性的控制，机器人完成行走、站立等各种动作，均需要身体各部分的复杂配合；机器人在完成负重行走时，躯干和下肢的驱动模式也是不同的，比如胸前搬运重物行走、背负飞行器行走，而对人体负重行走的运动学和动力学分析，对于两足步行机器人的设计具有重要意义。目前，国内外关于人体负重行走的生物力学研究还多集中于背部负重行走，有关躯干前负重行走步态的研究较少。躯干前负重步行方式，为保持行走的平衡和稳定，其步态必然会做出相应调整。本研究旨在对躯干前、后负重方式下的步态特征进行生物力学分析，用可靠的运动学、动力学参数来评价两种负重方式，一方面可以为仿生机器人的设计和控制提供依据，另一方面也对日常背包方式的选择、登山拓展负重方式以及军队负重行军等方面具有重要意义。1研究方法1.1受试者10名普通男性大学生年龄：(22.8±1.9)岁；身高：(174.1±3.1)cm；体质量：(67.1±6.2)kg，均习惯穿欧码42的鞋，实验前24h内未进行剧烈活动，且无神经系统和运动系统疾病。1.2数据采集与处理本研究通过特制的负重架来改变负重方式(见图1)。负重架自重9.5kg，前部扶手部位可固定受试者上臂运动，前后可固定杠铃片以制造负重效果同时改变前、后负重方式。受试者分别完成基础负重(仅佩戴负重架)、前负重(在负重架前方固定10kg杠铃片)和后负重(在负重架后方固定10kg杠铃片)3种方式行走。采用8镜头红外高速运动捕捉系统(MotionAnalysisRaptor-4，USA，200Hz)与三维测力台(Kistler9281CA，Switzerland，1000Hz)同步采集步行中的运动学、动力学数据。受试者身上共贴29个反光标志点(头顶点、头前和后点、右侧肩胛下角、第4、5腰椎之间、两侧肩峰、两侧肱骨外上髁、两侧尺骨茎突和桡骨茎突中点、两侧大腿前侧中部、两侧股骨外上髁、两侧股骨内上髁、两侧胫骨粗隆、两侧内踝、两侧外踝、两侧足尖和足跟)。图1负重架及佩戴方式测试时，受试者佩戴负重架，双手约束在前部扶手上，距离测力台约10m，听到口令后受试者在规定速度下((1.5±0.2)m/s)自然走过测试区域(见图2)，通过便携式测速系统(NewtestPowertimer，Finland)监控速度，两个测速仪红外发射装置置于测力台一侧，二者间距3m。在规定速度下，受试者以正常步态、无任何步伐调整并以左脚着在台面上视为一次有效测试，按随机顺序完成3种负重方式下的测试，每种方式下采集3次有效数据。图2负重行走测试示意图采集的所有标志点三维坐标采用Butterworth低通滤波法进行平滑，截断频率10Hz。数据用Cortex2.1.0.1103以及MicrosoftOfficeExcel2007、MATLABR2009a等软件进行计算处理。根据标志点坐标建立人体环节坐标系[8]，其中膝关节转动中心为股骨130体育学刊第24卷内外上髁中点，踝关节转动中心为内外踝的中点，髋关节转动中心根据Bell等[9]的研究计算获得。采用欧拉角的方法计算髋、膝、踝的三维角度，采用逆动力学的方法[10]计算关节的三维净力矩，其中人体惯性参数采用DeLeva[11]修正后的Zatsiorsky-Seluyanovs人体惯性参数。关节功率为关节净力矩与关节角速度的乘积，采用梯形法计算关节功率对时间积分获得关节功。对于下肢关节运动学、动力学参数，本研究仅分析人体矢状面数据，对下肢动力学参数除以体重进行标准化处理，并对各指标按一个步态周期(左足跟着地到左足跟再次着地)进行标准化处理。组间参数采用单因素重复测量方差分析进行比较，后续采用LSD检验方法，以P0.05作为差异显著性水平，所有数据应用SPSS17.0软件分析。2研究结果2.1时空参数前负重行走步长显著小于后负重行走(P0.05)，步宽显著大于后负重行走(P0.05)，约增加了41.76%，前负重和后负重行走时摆动相百分比显著小于基础负重行走(P0.05)，而前负重和后负重行走之间的摆动相百分比和支撑相百分比差异无显著性(P0.05)(见表1)。表1不同负重状态行走时步态时空参数(x±s)负重方式n/人步长/cm步宽/cm步频/(步•s-1)摆动相百分比/%支撑相百分比/%基础负重1074.96±2.882)6.77±3.182)2.02±0.140.385±0.0131)2)0.620±0.0141)2)后负重1074.92±3.303)6.97±3.453)2.00±0.140.366±0.0081)0.638±0.0081)前负重1072.89±4.372)3)8.97±3.442)3)2.03±0.130.367±0.0122)0.638±0.0122)1)基础负重与后负重相比，P0.05；2)基础负重与前负重相比，P0.05；3)后负重与前负重相比，P0.052.2重心运动特征前负重行走时重心水平摆动幅度显著大于后负重行走(P0.05)，前负重行走时重心左右摆动幅度显著大于基础负重行走(P0.05)，后负重行走时重心的上下摆动幅度显著小于基础负重行走(P0.05)，而3种状态下行走，重心上下摆动幅度无显著性差异(P0.05)(见表2)。表2不同负重状态行走时重心摆动幅度(x±s)负重方式n/人左右摆动(BH)上下摆动(BH)基础负重100.019±0.0091)2)0.