北京體育大學(xué)，北京 100084

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限制手臂擺動(dòng)對(duì)人體步行影響的生物力學(xué)研究

The Effects of Arm Swing Restraint on Human Walking

北京體育大學(xué)，北京 100084

李秋捷，曲峰，萬祥林

LI Qiujie，QU Feng，WAN Xianglin

摘要：目的：探討手臂擺動(dòng)對(duì)人體行走步態(tài)特征的影響，從而為無臂的仿人機(jī)器人以及假肢的設(shè)計(jì)提供理論支持。方法：選用10名青年男性大學(xué)生為受試者，以1.5±0.3m/s的速度完成手臂自然擺動(dòng)和限制雙臂擺動(dòng)的行走運(yùn)動(dòng)，研究采用Kistler三維測(cè)力臺(tái)、Motion紅外高速運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)同步采集受試者行走時(shí)動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)。結(jié)果：(1)限制擺臂會(huì)顯著降低步行頻率；(2)限制擺臂會(huì)顯著增大步行時(shí)重心的上下擺動(dòng)、減少骨盆的旋轉(zhuǎn)角度；(3)踝關(guān)節(jié)的生物力學(xué)參數(shù)在兩種不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下表現(xiàn)出顯著性差異，不擺臂時(shí)踝關(guān)節(jié)屈伸角度增大、屈伸力矩增大、關(guān)節(jié)做功增大；同時(shí)，不擺臂會(huì)造成膝伸力矩顯著性增大，做功增多；針對(duì)髖關(guān)節(jié)，不擺臂會(huì)造成髖關(guān)節(jié)的屈伸角度增大；(4)下肢各參數(shù)在兩種走路模式上表現(xiàn)出高度的相關(guān)性。結(jié)論：步行中手臂自然擺動(dòng)可以降低腿部的能量消耗，是節(jié)省能量的一種行走模式；擺臂與不擺臂兩種行走狀態(tài)下肢的運(yùn)動(dòng)模式在不同水平上高度一致。

關(guān)鍵詞：步行；限制手臂擺動(dòng)；生物力學(xué)分析；能量消耗

步行在人體日常生活中扮演了非常重要的角色，而人體的步行需要身體各個(gè)部分的相互配合，其中擺臂的作用不容忽視。正常的人體步行過程中，相關(guān)肢體和關(guān)節(jié)需要一個(gè)很高程度的穩(wěn)定性和協(xié)調(diào)性，其中手臂的行為不是像鐘擺一樣自由擺動(dòng)的，其擺動(dòng)也是由多個(gè)肌群參與相互作用的結(jié)果[1-2]。但對(duì)于上肢病變的患者以及安裝假肢的康復(fù)病人，他們的步行協(xié)調(diào)性受到了破壞，從而可能會(huì)增大跌倒、損傷的可能性。這就使步行中擺臂的研究在骨科疾病的診斷，臨床療效的評(píng)估，以及康復(fù)指導(dǎo)中發(fā)揮越來越重要的作用。

在人類步態(tài)的研究中，已做過一些關(guān)于手臂擺動(dòng)和步態(tài)關(guān)系的研究。有研究表明，手臂擺動(dòng)產(chǎn)生扭矩是軀干上段軸向旋轉(zhuǎn)的主要貢獻(xiàn)者，手臂擺動(dòng)抑制胸廓軸向旋轉(zhuǎn)，從而使身體彈簧樣活動(dòng)產(chǎn)生的勢(shì)能驅(qū)動(dòng)骨盆在水平方向上做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)[3]。Murray等[4]研究發(fā)現(xiàn)隨著速度的增加手臂擺動(dòng)的幅度也逐漸增加，他們認(rèn)為正常的手臂擺動(dòng)有調(diào)節(jié)步行中身體重心垂直方向上移動(dòng)的作用。Wannier[5]等人的研究也發(fā)現(xiàn)，作為人類行走中的一個(gè)附屬功能，上肢的擺動(dòng)頻率、幅度的變化都會(huì)明顯影響下肢肌肉的肌電反應(yīng)。也有學(xué)者從能量消耗方面分析步行中手臂擺動(dòng)的作用，但不同的學(xué)者實(shí)驗(yàn)結(jié)果差異較大，且采用的實(shí)驗(yàn)方法大多從氣體代謝方面進(jìn)行分析，針對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)、動(dòng)力學(xué)參數(shù)以及關(guān)節(jié)做功的研究的較少，對(duì)于骨盆的旋轉(zhuǎn)、軀干的旋轉(zhuǎn)、步幅、步頻等參數(shù)的分析結(jié)果各有不同。

近年，涌現(xiàn)出大量的無臂仿真機(jī)器人，它們只有頭、軀干和下肢，為了模仿人類對(duì)于平衡的穩(wěn)定性控制，機(jī)器人在完成行走、站立及各種動(dòng)作時(shí)都需要身體各部分復(fù)雜的配合，以代償沒有雙臂擺動(dòng)維持的平衡。在正常的雙足步行過程中，矢狀面的運(yùn)動(dòng)起主導(dǎo)作用，額狀面和水平面的運(yùn)動(dòng)幅度相對(duì)較小，所以很多關(guān)于人體步態(tài)的研究集中在矢狀面的屈伸活動(dòng)上。

綜上所述，人類步行中，手臂自然擺動(dòng)在身體的姿勢(shì)控制中扮演一個(gè)重要角色，那么步行中刻意改變手臂的運(yùn)動(dòng)將有可能影響基本的步態(tài)參數(shù)，并因此改變步態(tài)效率。本實(shí)驗(yàn)的目的旨在探討限制手臂擺動(dòng)對(duì)人體行走步態(tài)特征的影響，從而為無臂的仿真機(jī)器人以及假肢的設(shè)計(jì)提供理論支持。

1研究對(duì)象和方法

1.1研究對(duì)象

10名青年男性大學(xué)生(年齡23.8±1.9歲；身高175.7±2.4cm；體重64.7±6.4kg)，且受試者身體健康狀況良好，無運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)疾病及其它嚴(yán)重疾患史或異常步態(tài)。實(shí)驗(yàn)前24h內(nèi)未從事劇烈運(yùn)動(dòng)，無肌肉疲勞癥狀。

1.2數(shù)據(jù)采集與處理

受試者著泳褲，在身上貼上29個(gè)反光標(biāo)志點(diǎn)(頭頂點(diǎn)，頭正中矢狀面前/后點(diǎn)，左/右肩峰點(diǎn)，左/右肱骨外側(cè)髁，左/右尺骨莖突與橈骨莖突連線中點(diǎn)，右側(cè)肩胛骨偏移點(diǎn)，左/右髂前上棘，第四、五腰椎棘突中點(diǎn)，左/右大腿前側(cè)，左/右股骨外側(cè)髁，左/右股骨內(nèi)側(cè)髁，左/右脛骨粗隆，左/右腓骨外踝，左/右脛骨內(nèi)踝，左/右足尖，左/右足跟、與足尖同高點(diǎn))。通過三維測(cè)力臺(tái)(Kistler 9281CA，Switzerland，1000Hz)、8鏡頭紅外高速運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)(Motion Analysis Raptor-4，USA，200Hz)同步采集動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)。受試者以限制手臂擺動(dòng)和自由擺臂兩種模式進(jìn)行行走(如圖1、2)，開始時(shí)受試者距離測(cè)力臺(tái)直線距離10m，使用便攜式測(cè)速系統(tǒng)(Newtest Powertimer)將通過測(cè)力臺(tái)的速度控制在1.5±0.3m/s，兩個(gè)測(cè)速儀紅外發(fā)射裝置位于測(cè)力臺(tái)一側(cè)，間距3m。在規(guī)定速度下，受試者以正常步態(tài)、無任何步伐調(diào)整并以右腳著在臺(tái)面上視為一次有效測(cè)試。經(jīng)過三維測(cè)力臺(tái)后兩個(gè)步態(tài)周期，步行停止，每人每種步行模式記錄3次有效數(shù)據(jù)，3次數(shù)據(jù)均用于最后的計(jì)算。

圖1　自由擺臂行走測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

采集的所有標(biāo)志點(diǎn)三維坐標(biāo)采用Butterworth低通濾波進(jìn)行平滑，截?cái)囝l率為10Hz。根據(jù)標(biāo)志點(diǎn)坐標(biāo)建立肩部坐標(biāo)系、骨盆坐標(biāo)系、大腿坐標(biāo)系、小腿坐標(biāo)系、足坐標(biāo)系，其中，髖關(guān)節(jié)中心根據(jù)Bell[7]的研究計(jì)算，膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)中心為股骨內(nèi)外側(cè)髁中點(diǎn)，踝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)中心為內(nèi)外踝中點(diǎn)；采用歐拉角的方法計(jì)算髖、膝、踝關(guān)節(jié)的三維角度；采用逆動(dòng)力學(xué)[8]的方法計(jì)算三維凈力矩。關(guān)節(jié)功率定義為關(guān)節(jié)凈力矩與關(guān)節(jié)角速度的乘積。

圖2　限制手臂擺動(dòng)行走測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

數(shù)據(jù)通過Motion Analysis自帶軟件Cortex 2.1.0.1103以及Microsoft Office Excel 2007、 MATLAB R2009a等軟件進(jìn)行處理。

1.3統(tǒng)計(jì)分析

兩種步行模式下采集的參數(shù)用配對(duì)T檢驗(yàn)分析方法進(jìn)行比較，以P<0.05作為差異顯著性水平，P<0.01作為非常顯著性水平，所有統(tǒng)計(jì)分析應(yīng)用SPSS17.0軟件完成。

2結(jié)果與分析討論

2.1研究結(jié)果

2.1.1步頻與步幅如表1所示，擺臂與不擺臂對(duì)步頻的影響有顯著性差異，且擺臂的平均步頻要大于不擺臂的平均步頻。在一個(gè)步態(tài)周期中，擺臂和不擺臂對(duì)步行的第一、二步在P<0.05水平上均沒有差異，但步幅顯示出增大的趨勢(shì)。

表1受試者在兩種行走模式下步頻和步幅一覽

Table 1The step length and frequency during walking with and without arm swing

注：*P<0.05代表擺臂與不擺臂相比有顯著性差異。

2.1.2骨盆、軀干旋轉(zhuǎn)如表2所示，擺臂與不擺臂對(duì)骨盆沿Z軸旋轉(zhuǎn)的影響有顯著性差異，且不擺臂比擺臂，骨盆旋轉(zhuǎn)有減小的趨勢(shì)。但對(duì)比兩條件下軀干旋轉(zhuǎn)，并沒有顯著性差異。

2.1.3重心的擺動(dòng)如表3所示，擺臂與不擺臂對(duì)重心在水平面擺動(dòng)幅度沒有顯著性影響。但是，擺臂與不擺臂對(duì)重心上下擺動(dòng)的影響呈現(xiàn)非常顯著的差異，且不擺臂會(huì)造成重心在垂直面上的更大擺動(dòng)。

表2本實(shí)驗(yàn)受試者在兩種行走模式下骨盆、軀干旋轉(zhuǎn)一覽

Table 2The rotation angles of pelvis and trunk during walking with and without arm swing

運(yùn)動(dòng)形式骨盆旋轉(zhuǎn)(°)軀干旋轉(zhuǎn)(°)擺臂17.1±4.910.1±3.2不擺臂11.8±4.011.3±5.9P值P<0.001**0.243

注：**P<0.01代表擺臂與不擺臂相比有非常顯著性差異。

2.1.4下肢運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)參數(shù)擺臂和不擺臂兩種步行模式踝關(guān)節(jié)參數(shù)在矢狀面變化如表4所示，其中大部分指標(biāo)表現(xiàn)出顯著性差異。兩種步行模式對(duì)角度最大值有非常顯著性差異，且不擺臂會(huì)造成背屈顯著性增大，而對(duì)角度最小值(趾屈)影響不大(P=0.052)。對(duì)力矩的最大值、最小值在P<0.05水平上均有顯著性差異，且不擺臂會(huì)造成力矩的顯著性增大。對(duì)功率最大值、最小值均有非常顯著性差異，且不擺臂會(huì)造成功率顯著性增加。踝關(guān)節(jié)做功表現(xiàn)出顯著性差異，且不擺臂會(huì)造成踝關(guān)節(jié)做功增加。

表3本實(shí)驗(yàn)受試者在兩種行走模式下標(biāo)準(zhǔn)化重心擺動(dòng)幅度一覽

Table 3The amplitude of swing of COM during walking with and without arm swing

運(yùn)動(dòng)形式水平擺動(dòng)(BH)上下擺動(dòng)(BH)擺臂0.02±0.010.031±0.003不擺臂0.02±0.010.036±0.002P值0.393P<0.001**

注：**P<0.01代表擺臂與不擺臂相比有非常顯著性差異。

表4　擺臂與不擺臂行走時(shí)踝關(guān)節(jié)矢狀面參數(shù)比較

注：*P<0.05代表擺臂與不擺臂相比有顯著性差異。

圖3　擺臂與不擺臂行走時(shí)踝關(guān)節(jié)矢狀面

注：TO為腳離地，ST為腳著地。

Fig 3Sagittal plane angles, moments and powers for the ankle during walking with and without arm swing (TO = toe off, ST = foot strike)

擺臂和不擺臂兩種步行模式膝關(guān)節(jié)參數(shù)在矢狀面變化如表5所示。兩種步行模式對(duì)膝關(guān)節(jié)屈角度最大值、最小值均沒有顯著性差異。對(duì)力矩的最大值有顯著性差異(P<0.05)，且不擺臂會(huì)造成力矩最大值(膝關(guān)節(jié)伸)的顯著性增大，而對(duì)力矩最小值(膝關(guān)節(jié)屈)沒有顯著性影響。對(duì)功率最大值沒有顯著性影響，但不擺臂會(huì)造成功率最小值顯著性增加。膝關(guān)節(jié)做功表現(xiàn)出顯著性差異(P<0.05)，且不擺臂會(huì)造成膝關(guān)節(jié)做功增加。

擺臂和不擺臂兩種步行模式髖關(guān)節(jié)參數(shù)如表6所示。兩種步行模式對(duì)角度最大值、最小值均有顯著性差異(P<0.05)，且不擺臂后角度最大值(髖關(guān)節(jié)伸)顯著性增大，角度最小值(髖關(guān)節(jié)屈)減小。對(duì)膝關(guān)節(jié)力矩、功率、做功均沒有顯著性差異。

擺臂與不擺臂行走時(shí)下肢關(guān)節(jié)角度、力矩相關(guān)性系數(shù)如表7所示，大部分r值大于0.99，表現(xiàn)出高度的相關(guān)性。

表5　擺臂與不擺臂行走時(shí)膝關(guān)節(jié)矢狀面參數(shù)比較

注：*P<0.05代表擺臂與不擺臂相比有顯著性差異。

圖4　擺臂與不擺臂行走時(shí)膝關(guān)節(jié)矢狀面

注：TO為腳離地，ST為腳著地。

Fig 4Sagittal plane angles、moments and powers for the knee during walking with and without arm swing(TO = toe off, ST = foot strike)

圖5　擺臂與不擺臂行走時(shí)髖關(guān)節(jié)矢狀面

注：TO為腳離地，ST為腳著地。

Fig 5Sagittal plane joint angles、moments and powers for the hip during walking with and without arm swing(TO = toe off, ST = foot strike)

表6　擺臂與不擺臂行走時(shí)髖關(guān)節(jié)矢狀面參數(shù)比較

注：*P<0.05代表擺臂與不擺臂相比有顯著性差異。

3分析討論

(1)擺臂對(duì)步幅和步頻的影響。在本實(shí)驗(yàn)中，手臂束縛后，步頻顯著性減小，可見手臂擺動(dòng)對(duì)步頻有顯著性影響，通過降低步頻來維持身體的穩(wěn)定性，步幅顯現(xiàn)出增大的趨勢(shì)，以維持特定的速度。Chapman[9]研究發(fā)現(xiàn)，限制手臂擺動(dòng)后步行速度、步幅降低，步頻增加，這與本實(shí)驗(yàn)的研究結(jié)果有所不同，分析其原因，可能是由于實(shí)驗(yàn)控制的條件不同，本實(shí)驗(yàn)控制受試者步行速度在1.5±0.3 m/s。步行速度的不同，必然會(huì)導(dǎo)致步幅和步頻的差異。也有文獻(xiàn)研究[10]，在正常步態(tài)中手臂自然擺動(dòng)，為了維持特定的速度，軀干附近的肌肉緊張，肌電放電增多，而本實(shí)驗(yàn)不擺臂的行走模式選用雙手抱于胸前，所以，肌肉緊張導(dǎo)致的代償也可能是致使步頻、步幅發(fā)生變化的原因，但仍需通過研究進(jìn)一步探討。

表7擺臂與不擺臂行走時(shí)下肢關(guān)節(jié)角度、力矩相關(guān)性系數(shù)

Table 7The correlation of angles and moments forlower limbs between walking with and without arm swing

指標(biāo)r踝關(guān)節(jié)角度0.994膝關(guān)節(jié)角度0.999髖關(guān)節(jié)角度0.998踝關(guān)節(jié)力矩0.997膝關(guān)節(jié)力矩0.994髖關(guān)節(jié)力矩0.989

(2)擺臂對(duì)骨盆、軀干旋轉(zhuǎn)的影響。手臂束縛后，骨盆繞垂直軸旋轉(zhuǎn)幅度減少，可見手臂擺動(dòng)對(duì)骨盆旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)具有明顯的影響。Cappozzo等[11]學(xué)者認(rèn)為，上肢是身體上半部分角動(dòng)量的主要貢獻(xiàn)者，下肢是身體下半部分角動(dòng)量的主要貢獻(xiàn)者，身體上下兩部分的角動(dòng)量需要相互平衡以維持身體水平方向上旋轉(zhuǎn)的平衡。由此推斷，當(dāng)手臂束縛后，身體上半部分的角動(dòng)量隨之明顯減小，而下肢可能通過減少骨盆水平旋轉(zhuǎn)幅度來減少身體下半部分角動(dòng)量，與身體上半部分平衡。另外，手臂擺動(dòng)抑制了胸廓的軸向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使得軀干彈簧樣活動(dòng)產(chǎn)生的勢(shì)能只能驅(qū)動(dòng)骨盆水平面上的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。手臂束縛后，減少了對(duì)胸廓的抑制，從而減小了軀干產(chǎn)生的勢(shì)能，降低了骨盆在水平面的旋轉(zhuǎn)。有研究[12]表明，骨盆水平旋轉(zhuǎn)幅度減小可能還與骨盆周圍肌肉緊張度增加有關(guān)。

林曉聰[13]認(rèn)為，手臂擺動(dòng)帶動(dòng)了脊柱整體的旋轉(zhuǎn)。本實(shí)驗(yàn)中，軀干角是肩關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)時(shí)序與骨盆運(yùn)動(dòng)時(shí)序的差值，研究結(jié)果表明，兩種步行對(duì)軀干旋轉(zhuǎn)角度沒有顯著性差異，這可能是雙手抱臂后，上肢及軀干肌肉緊張度增加導(dǎo)致的。

(3)擺臂對(duì)重心擺動(dòng)的影響。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果得知，不擺臂會(huì)增大身體重心的上下擺動(dòng)，但對(duì)重心的左右擺動(dòng)并沒有顯著性影響。分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從下肢的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)參數(shù)上得知，不擺臂會(huì)造成踝關(guān)節(jié)屈伸活動(dòng)范圍增大，踝關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的力矩增大，這可能是致使重心上下產(chǎn)生波動(dòng)的原因。另外，有研究發(fā)現(xiàn)，骨盆在水平面上的旋轉(zhuǎn)是行走步態(tài)的首要決定因素，可以減少行走中身體重心在垂直面上的擺動(dòng)幅度，使重心更趨于穩(wěn)定。所以不擺臂后，骨盆旋轉(zhuǎn)幅度減小也可能是重心上下擺動(dòng)增多的原因。

(4)擺臂對(duì)下肢運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)參數(shù)的影響。從圖3-5中以及表7得知，擺臂組和不擺臂組在下肢運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)參數(shù)上表現(xiàn)出高度的相關(guān)性，大部分r值超過0.90，曲線高度吻合，這說明兩種行走狀態(tài)，在不同水平上下肢運(yùn)動(dòng)模式高度一致。

在本研究結(jié)果中，兩種走路模式對(duì)踝關(guān)節(jié)的影響最為顯著，膝關(guān)節(jié)除力矩和功外均沒有顯著性差異，對(duì)髖關(guān)節(jié)各項(xiàng)參數(shù)并沒有顯著性影響。這與前人的研究結(jié)果有所不同，Brain[14]研究發(fā)現(xiàn)，兩種步行模式對(duì)踝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)并沒有顯著性差異。但不擺臂后膝關(guān)節(jié)屈伸力矩顯著性增大，這與本研究結(jié)果一致。本實(shí)驗(yàn)得出不擺臂造成膝關(guān)節(jié)力矩、踝關(guān)節(jié)屈伸角度、踝力矩、踝關(guān)節(jié)做功及功率均增大。這說明擺臂會(huì)減少踝關(guān)節(jié)用力，減少踝關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)做功，維持身體平衡。

本實(shí)驗(yàn)的某些研究結(jié)果與前人的研究結(jié)果不同，可能的原因主要有以下兩個(gè)方面：1.手臂束縛的方式不同，本研究采用的是雙臂抱于胸前，而前人研究則選用繃帶，使雙臂被動(dòng)束縛在軀干左右；2.實(shí)驗(yàn)中控制的步行速度不同，這可能導(dǎo)致步幅和步頻的研究結(jié)果有所差異。

(5)擺臂對(duì)下肢能量消耗的影響。功被定義為功率對(duì)時(shí)間的積分，并用焦耳每千克體重來表示。當(dāng)功為正值時(shí)，關(guān)節(jié)內(nèi)部力矩和關(guān)節(jié)角速度的方向相同，表示肌肉的向心運(yùn)動(dòng)，能量被產(chǎn)生出來。當(dāng)功為負(fù)值時(shí)，內(nèi)部力矩與角速度相反，表示肌肉的離心運(yùn)動(dòng)，能量被吸收[15]。行走時(shí)負(fù)功主要使肢體在抵抗重力時(shí)吸收能量，正功使人體向前運(yùn)動(dòng)。不管是正功還是負(fù)功，肌肉收縮都要消耗能量，不擺臂行走時(shí)，踝關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的正功和負(fù)功均大于擺臂行走，表明不擺臂行走時(shí)踝關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)附近的肌群需要消耗更多的能量。

Elftman[2]是首次提出步行中手臂自然擺動(dòng)可以降低能量消耗的人。Ortega和Umberger[10]也通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)，人為限制手臂擺動(dòng)后行走時(shí)的能量消耗增加不到10%。后續(xù)有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，擺臂可以降低人體垂直方向的角動(dòng)量，地面反作用力的力矩隨之減少，由于地面反作用力的力矩需要腿部肌肉產(chǎn)生，所以伴隨著腿部肌肉能量消耗的減少[16]。Collins[17]研究認(rèn)為手臂擺動(dòng)可以抵消腿部的運(yùn)動(dòng)，減少垂直地面反作用力矩和動(dòng)員的肌肉力量，從而減少能量消耗。本研究雖然只計(jì)算了下肢矢狀面的變化，但不擺臂比擺臂踝關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)力矩均增大，伴隨著腿部肌肉用力增多。由此可以說明，步行中擺臂可以降低腿部的能量消耗。

4研究結(jié)論與建議

4.1結(jié)論

(1)步行中手臂自然擺動(dòng)可以降低腿部的能量消耗，是節(jié)省能量的一種行走模式。

(2)對(duì)比擺臂與不擺臂兩種行走狀態(tài)，在不同水平上下肢運(yùn)動(dòng)模式高度一致。

(3)限制手臂擺動(dòng)會(huì)降低步行頻率，增加步行時(shí)重心的上下起伏，同時(shí)會(huì)減小步行時(shí)骨盆的水平旋轉(zhuǎn)角度，但對(duì)重心的左右擺動(dòng)以及軀干的旋轉(zhuǎn)角度影響并不顯著。

4.2建議

擺臂是人體行走節(jié)省能量的重要因素，這就建議無臂的仿真機(jī)器人，在模仿人類行走時(shí)，應(yīng)增大驅(qū)動(dòng)力，滿足步行中沒有擺臂作用帶來的更多能量消耗，同時(shí)應(yīng)減少骨盆的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，增大髖關(guān)節(jié)屈曲驅(qū)動(dòng)和踝關(guān)節(jié)背屈驅(qū)動(dòng)。在診斷上肢活動(dòng)障礙和肩軸關(guān)節(jié)損傷的病人時(shí)，多關(guān)注病人下肢髖、膝、踝關(guān)節(jié)在屈伸角度上是否出現(xiàn)代償，骨盆旋轉(zhuǎn)是否正常，從而針對(duì)不同癥狀給予病人康復(fù)治療。

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Abstract

Objective: This study explores the effects of arm wing restraint on walking patterns so as to provide theoretical support for the design of no-arm human-simulation robots and prosthetic devices. Methods: Choosing ten young male students as subjects and asking them to walk at the speed of 1.5+-0.3m/s while swinging their arms naturally and walking with their arms restrained respectively. Using Kistler’s 3D force platform and the infrared high-speed motion capture system to collect subjects’ kinetic and kinematic data. Results: (1) Arms swing restraint will significantly reduce the walking frequency; (2) arm swing restraint will dramatically increase the vertical range of gravity movement and the rotary angle of pelvis; (3) under the two different motion conditions, biomechanic parameters present significant differentiation; (4) under the two walking patterns, lower limb parameters are highly correlated (r>0,90) . Conclusion: Arm swing during walking will reduce legs’ energy consumption. Therefore it is a kind of energy-saving walking pattern. The motion pattern of lower limbs under the two walking conditions is highly identical.

Key words:Walking; Arm Swing Restraint; Biomechanic Analysis; Energy Consumption

CLC number：G804.6Document code：AArticle ID：1001-9154(2016)01-0103-06

(編輯孫君志)

中圖分類號(hào)：G804.6

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-9154(2016)01-0103-06

收稿日期：2014-12-26

作者簡(jiǎn)介：李秋捷，在讀碩士研究生，研究方向：運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)，E-mail：lqj19921015@sina.com。通訊作者：曲峰。

基金項(xiàng)目：2013年國家高科技研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)。

Beijing Sport University, Beijing 100084