羅詩瑤，楊洪瑞，尚 坤

(中國航天員科研訓(xùn)練中心人因工程國防重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100094)

1 引言

未來載人航天任務(wù)將向著月球及深空方向發(fā)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(jìn)行更遠(yuǎn)的深空探測，將面臨更為嚴(yán)苛的空間環(huán)境，其中必不可少的是航天員的個(gè)體防護(hù)裝備—星際航天服。 星面的出艙活動(dòng)將更加頻繁、任務(wù)類型更加復(fù)雜，這對(duì)星際航天服的環(huán)境防護(hù)、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(dòng)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(huán)境不同：近地軌道為失重環(huán)境，月球和火星表面為低重力環(huán)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(shí)需能夠站立并實(shí)現(xiàn)步態(tài)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(wù)模式不同：月面/火星的出艙活動(dòng)將開展大量的科學(xué)試驗(yàn)和地質(zhì)考查，還有建立月球/火星基地的可能。 當(dāng)前軌道出艙活動(dòng)主要依靠上肢和手套開展作業(yè)，對(duì)艙外航天服下肢活動(dòng)性要求不高[2，4]。航天員在執(zhí)行星際探索任務(wù)，如低重力環(huán)境中的徒步行走、使用各種工具進(jìn)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(dòng)能力支持，這就對(duì)星際航天服下肢的活動(dòng)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(dòng)性將決定航天員的活動(dòng)范圍和任務(wù)完成能力[6]。

為了合理配置服裝關(guān)節(jié)以滿足未來星際探索任務(wù)下肢活動(dòng)性需求，首先要將人自身的能力和局限性作為設(shè)計(jì)過程的關(guān)鍵要素，明確人的運(yùn)動(dòng)能力，尤其是在不同重力環(huán)境下，典型步態(tài)的運(yùn)動(dòng)特征將會(huì)發(fā)生怎樣的變化。 Ackermann 等[7-8]采用骨骼肌模型進(jìn)行了一系列的步態(tài)預(yù)言仿真模擬，研究發(fā)現(xiàn)在低重力條件下(如月球或火星表面)，采用行走與蹦跳相結(jié)合的步態(tài)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(jì)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(huán)境下能量消耗較小的目標(biāo)而選用的一種方式。 然而，目前相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究報(bào)道較少。 本文針對(duì)星際探索任務(wù)中的典型步態(tài)動(dòng)作，開展常規(guī)重力、模擬月球和火星重力條件下人體下肢運(yùn)動(dòng)測量實(shí)驗(yàn)，探索不同重力環(huán)境下平地與坡地行走和慢跑時(shí)關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍等運(yùn)動(dòng)特征變化，為提出滿足載人登月(火星)活動(dòng)性需求的星際航天服下肢關(guān)節(jié)配置方案提供依據(jù)，為開展星際航天服下肢關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)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(guān)節(jié)、肌肉病變。

2.2 測試設(shè)備

實(shí)驗(yàn)中采用美國Noraxon MYO Motion 的慣性運(yùn)動(dòng)捕捉分析系統(tǒng)，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(jī)上進(jìn)行不同速度和坡度的行走和跑步活動(dòng)。

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

本研究設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)低重力模擬，利用配重或彈力繩的方式進(jìn)行重力補(bǔ)償，根據(jù)不同重力水平模擬需求以及受試者自身體重，選擇相應(yīng)的配重或改變彈力繩的彈力。 受試者著懸吊背帶實(shí)現(xiàn)步態(tài)運(yùn)動(dòng)中持續(xù)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(jìn)行常規(guī)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(huán)境下的行走和跑步測試。 每種重力環(huán)境下跑步機(jī)均設(shè)置3 種速度等級(jí)，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(shù)據(jù)正式采集前所有受試者均進(jìn)行10 min 的熱身，熟悉實(shí)驗(yàn)條件，以采取適應(yīng)后最舒適的姿勢進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。 當(dāng)受試者達(dá)到每個(gè)要求的運(yùn)動(dòng)等級(jí)平穩(wěn)至勻速，并持續(xù)1 min 后進(jìn)行相應(yīng)信號(hào)的采集，連續(xù)記錄15～20 個(gè)完整的步態(tài)周期。

2.4 數(shù)據(jù)處理

采用Noraxon MR3 3.10.2 軟件建立圖3 所示的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，對(duì)慣性傳感器測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到下肢關(guān)節(jié)活動(dòng)角度。

圖3 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析模型Fig.3 The kinematic analysis model

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用均值±標(biāo)準(zhǔn)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(duì)不同動(dòng)作各種指標(biāo)的影響，Post Hoc 檢驗(yàn)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(tǒng)計(jì)分析應(yīng)用SPSS 19.0 完成。

3 結(jié)果與討論

3.1 關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍

根據(jù)人體肢體運(yùn)動(dòng)定義，髖關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)可分解為矢狀面上的屈曲/伸展、冠狀面上的內(nèi)收/外展以及橫截面上的內(nèi)旋/外旋；膝關(guān)節(jié)主要考慮小腿繞膝關(guān)節(jié)的冠狀軸所做的屈伸運(yùn)動(dòng)，當(dāng)小腿屈曲時(shí)，膝關(guān)節(jié)可繞垂直軸作微小的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，但活動(dòng)幅度不大，忽略不計(jì)；踝關(guān)節(jié)同髖關(guān)節(jié)類似，分解為矢狀面上的背屈/跖曲、冠狀面上的內(nèi)翻/外翻以及橫截面上的內(nèi)旋/外旋運(yùn)動(dòng)[11]。

3.1.1 平地行走

3 種重力水平下，平地行走(4 km/h)時(shí)人體下肢髖、膝和踝關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍如圖4 所示。從圖中可以看出，平地行走時(shí)，下肢各關(guān)節(jié)在矢狀面上的屈曲/伸展活動(dòng)范圍遠(yuǎn)大于冠狀面的內(nèi)收/外展和橫截面上的內(nèi)旋/外旋活動(dòng)。 其中，膝關(guān)節(jié)屈伸活動(dòng)范圍最大，達(dá)到67°以上。

平地行走時(shí)，重力水平對(duì)髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)的活動(dòng)范圍有顯著影響。 模擬低重力條件下，髖關(guān)節(jié)屈曲/伸展(P ＜0.001)、內(nèi)收/外展(P ＜0.001)、內(nèi)/外旋(P＜0.05)的活動(dòng)范圍均明顯減小，膝關(guān)節(jié)屈曲/伸展活動(dòng)范圍也顯著減小(P ＜0.001)。重力水平對(duì)踝關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍有較大影響，與髖、膝關(guān)節(jié)不同的是，重力水平降低后，踝關(guān)節(jié)背屈/跖屈、內(nèi)/外旋活動(dòng)范圍有所增大，內(nèi)/外翻活動(dòng)范圍減小，但未達(dá)到統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著性差異水平(P ＞0.05)。

圖4 平地行走(4 km/h)時(shí)髖、膝、踝關(guān)節(jié)活動(dòng)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(shí)人體下肢髖、膝和踝關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍如圖5 所示。與行走相比，平地慢跑時(shí)表現(xiàn)出相似的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，下肢各關(guān)節(jié)在矢狀面上的屈曲/伸展活動(dòng)遠(yuǎn)大于冠狀面的內(nèi)收/外展和橫截面上的內(nèi)旋/外旋活動(dòng)，在髖關(guān)節(jié)中表現(xiàn)得最為明顯。 各關(guān)節(jié)中以膝關(guān)節(jié)屈伸活動(dòng)范圍最大，平均值達(dá)67°。 此外，平地慢跑時(shí)各重力水平下踝關(guān)節(jié)背屈/跖屈活動(dòng)范圍均大于行走時(shí)的相應(yīng)值。 平地慢跑時(shí)，重力水平對(duì)髖關(guān)節(jié)的活動(dòng)范圍有顯著影響，模擬低重力條件下，髖關(guān)節(jié)在各個(gè)平面上的活動(dòng)范圍均明顯減小(屈曲/伸展P＜0.001、內(nèi)收/外展P＜0.005、內(nèi)/外旋P＜0.05)。 重力水平對(duì)膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的活動(dòng)范圍有較大影響，重力水平降低后膝關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍減小，踝關(guān)節(jié)背屈/跖屈和內(nèi)/外旋活動(dòng)范圍有所增大，內(nèi)/外翻活動(dòng)范圍減小，但變化程度均未達(dá)到統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著性差異水平(P＞0.05)。

圖5 平地慢跑(7 km/h)時(shí)髖、膝、踝關(guān)節(jié)活動(dòng)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(shí)人體下肢髖、膝和踝關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍如圖6 所示。 同樣地，坡地行走時(shí)，下肢各關(guān)節(jié)在矢狀面上的屈曲/伸展活動(dòng)范圍遠(yuǎn)大于冠狀面的內(nèi)收/外展和橫截面上的內(nèi)旋/外旋活動(dòng)。 各關(guān)節(jié)中膝關(guān)節(jié)的屈曲/伸展活動(dòng)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(shí)髖關(guān)節(jié)的屈曲/伸展運(yùn)動(dòng)范圍顯著增加，常規(guī)重力下達(dá)到50°以上。 同時(shí)，各重力水平下踝關(guān)節(jié)背屈/跖屈活動(dòng)范圍均大于平地行走時(shí)的相應(yīng)值。 因此，坡地行走對(duì)踝關(guān)節(jié)的屈伸活動(dòng)性要求更高。

圖6 坡地行走(3.6 km/h)時(shí)髖、膝、踝關(guān)節(jié)活動(dòng)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(shí)，重力水平對(duì)髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的活動(dòng)范圍有顯著影響，模擬低重力條件下，髖關(guān)節(jié)在各個(gè)平面上的活動(dòng)范圍均明顯減小(屈曲/伸展P＜0.001、內(nèi)收/外展P＜0.005、內(nèi)旋/外旋P＜0.05)，膝關(guān)節(jié)屈曲/伸展活動(dòng)范圍減小(P ＜0.005)。 重力水平對(duì)踝關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍有較大影響，模擬低重力條件下，踝關(guān)節(jié)背屈/跖屈和內(nèi)/外旋活動(dòng)范圍有所增大，內(nèi)/外翻活動(dòng)范圍略有減小。

3.2 矢狀面關(guān)節(jié)角度變化

3 種步態(tài)運(yùn)動(dòng)的步態(tài)周期均定義為從足跟著地到同側(cè)腿足跟再次著地的過程，一個(gè)步態(tài)周期可劃分為2 個(gè)相位：支撐時(shí)相和擺動(dòng)時(shí)相，從足跟著地時(shí)刻到足尖離地時(shí)刻稱為支撐時(shí)相，從足尖離地到足跟再次著地稱為擺動(dòng)時(shí)相[12]。

3.2.1 平地行走

3 種重力水平下，平地行走時(shí)髖、膝、踝關(guān)節(jié)在矢狀面上的活動(dòng)角度變化如圖7 所示，圖中橫坐標(biāo)代表1 個(gè)步態(tài)周期，縱坐標(biāo)正方向代表髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)屈曲、踝關(guān)節(jié)背屈。 實(shí)線表示各重力水平的測量樣本均值，陰影區(qū)域表示其標(biāo)準(zhǔn)差。

圖7 中重力水平1g 下各關(guān)節(jié)角度變化曲線，步態(tài)周期之初，髖關(guān)節(jié)屈曲約30°，膝關(guān)節(jié)屈曲約5°，同時(shí)踝關(guān)節(jié)處于稍微跖屈的位置。 足跟著地后，踝關(guān)節(jié)通過小幅跖屈運(yùn)動(dòng)將參考足平放至地面。 膝關(guān)節(jié)在支撐相初期表現(xiàn)出10°～15°的額外屈曲，起到震蕩吸收和體重被轉(zhuǎn)移到該側(cè)下肢時(shí)承受重量的作用[12]，之后開始伸展。 隨著身體在該側(cè)支撐足向前移動(dòng)時(shí)，髖關(guān)節(jié)不斷伸展，踝關(guān)節(jié)持續(xù)背屈。 在參考足尖離地前，膝關(guān)節(jié)在幾乎完全伸展后已開始屈曲，同時(shí)髖關(guān)節(jié)伸展至最大角度，踝關(guān)節(jié)開始跖屈。 進(jìn)入擺動(dòng)相后，膝關(guān)節(jié)進(jìn)一步屈曲，有助于小腿向前擺動(dòng)，屈曲至最大角度后再次接近完全伸展。 髖關(guān)節(jié)開始屈曲，恰好在足跟著地前達(dá)到最大屈曲角度，之后開始伸展，為足跟著地和承重做準(zhǔn)備。 而踝關(guān)節(jié)在擺動(dòng)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(shí)矢狀面上髖、膝、踝關(guān)節(jié)角度變化曲線(箭頭指示支撐相與擺動(dòng)相分界點(diǎn))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(shí)髖、膝、踝關(guān)節(jié)在矢狀面上的活動(dòng)角度變化如圖8 所示。 與平地行走相比，平地慢跑呈現(xiàn)出的特點(diǎn)主要有：

1)在1g、1/3g、1/6g 各重力水平下，平地慢跑時(shí)髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的最大屈曲角度、踝關(guān)節(jié)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(shí)的相應(yīng)值；

2)支撐時(shí)相變短，擺動(dòng)時(shí)相變長。 平地慢跑時(shí)步態(tài)周期內(nèi)腳尖離地的時(shí)刻大大提前；

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

圖8 3 種重力水平下平地慢跑(7 km/h)時(shí)矢狀面上髖、膝、踝關(guān)節(jié)角度變化曲線(箭頭指示支撐相與擺動(dòng)相分界點(diǎn))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(xiàn)中關(guān)于行走和慢跑步態(tài)的研究報(bào)道與本實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，Novacheck[13]曾報(bào)道正常行走時(shí)膝關(guān)節(jié)最大屈曲約為60°，而跑步時(shí)增大至90°左右。 唐剛[14]對(duì)40 位志愿者的運(yùn)動(dòng)測量發(fā)現(xiàn)，行走時(shí)支撐相在1 個(gè)完整步態(tài)周期中占據(jù)比例大于50%，而跑步時(shí)支撐相一般小于50%，即趾尖離地發(fā)生在整個(gè)周期的50%之前，與行走不同，整個(gè)周期中不存在雙足著地期，而在1 個(gè)周期中將有2 次雙足騰空的階段。 王勁松等[15]通過對(duì)不同步速下人體步態(tài)規(guī)律的測量與研究，得到了人體在跑步機(jī)上不同步速行走時(shí)下肢關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)軌跡和關(guān)節(jié)角度，結(jié)果表明支撐相在步態(tài)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(shí)下肢髖、膝、踝關(guān)節(jié)在矢狀面上的活動(dòng)角度變化如圖9 所示。 與平地行走相比，坡地行走呈現(xiàn)出的特點(diǎn)主要有：

1)在1g、1/3g、1/6g 各重力水平下，坡地行走時(shí)髖關(guān)節(jié)最大屈曲角度、踝關(guān)節(jié)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(shí)的相應(yīng)值，膝關(guān)節(jié)的最大屈曲/伸展角度變化不大；

2)支撐時(shí)相變短，擺動(dòng)時(shí)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(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)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(dòng)相末期，髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的最終伸展角度也明顯增大，但低重力水平會(huì)使得2 種運(yùn)動(dòng)間的差異減??；

4)足跟著地后，踝關(guān)節(jié)直接開始背屈，支撐相初期踝關(guān)節(jié)小幅跖屈運(yùn)動(dòng)消失了，這是由于參考足不需踝關(guān)節(jié)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(shí)矢狀面上髖、膝、踝關(guān)節(jié)角度變化曲線(箭頭指示支撐相與擺動(dòng)相分界點(diǎn))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(jié)論與文獻(xiàn)中關(guān)于坡地行走的研究結(jié)果相吻合。 張瑞紅等[16]對(duì)不同路況下正常步態(tài)特征進(jìn)行了研究，相比與平地行走和上樓梯，上坡行走時(shí)的支撐期在步態(tài)周期中所占的比例最小(58%)。 唐剛等[17]發(fā)現(xiàn)路面坡度對(duì)髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)矢狀面上關(guān)節(jié)角度均產(chǎn)生較大影響，髖關(guān)節(jié)的屈曲角和伸展角均隨路面坡度的增大而增大，膝關(guān)節(jié)的初始屈曲角隨路面坡度的增大而明顯增大，但在步態(tài)周期50%～100% 階段，膝關(guān)節(jié)在矢狀面的關(guān)節(jié)角度變化受路面坡度的影響不大，踝關(guān)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(duì)平地與坡地行走和慢跑時(shí)下肢關(guān)節(jié)在矢狀面上活動(dòng)角度的影響如圖4～9 所示，模擬低重力條件下的步態(tài)運(yùn)動(dòng)特征主要表現(xiàn)在：

1)髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)最大屈曲/伸展角度均顯著減小，對(duì)應(yīng)各角度曲線的峰值減小或增大，踝關(guān)節(jié)活動(dòng)角度隨重力水平的降低無顯著變化規(guī)律；

2)步態(tài)時(shí)序發(fā)生變化，支撐時(shí)相變短，擺動(dòng)時(shí)相變長。 以髖關(guān)節(jié)為例，在足尖離地之前達(dá)到最大的伸展角度，隨著重力水平降低，髖關(guān)節(jié)達(dá)到最大伸展角度的時(shí)刻發(fā)生前移，提前進(jìn)入擺動(dòng)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(guān)節(jié)在屈伸到最大角度后將作短暫停留，也可以說，關(guān)節(jié)活動(dòng)由屈曲變?yōu)樯煺沟膭?dòng)作在步態(tài)周期內(nèi)所占據(jù)的時(shí)間比例被拉長了，步態(tài)動(dòng)作更加緩慢。 值得注意的是，坡地行走中，足尖離地后踝關(guān)節(jié)達(dá)到最大跖屈角度后持續(xù)了更長的時(shí)間，在步態(tài)周期內(nèi)所占的時(shí)間比例明顯增大；

4)膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的緩沖作用減弱，低重力條件下，支撐相初期膝關(guān)節(jié)額外的屈曲峰幾乎消失，踝關(guān)節(jié)背屈的時(shí)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(guān)節(jié)的緩沖策略也相應(yīng)減弱。 這一特性在平地行走和平地慢跑中表現(xiàn)得較為突出；

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

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

3.3 航天服下肢關(guān)節(jié)配置

基于本研究的測試數(shù)據(jù)，梳理出了滿足平地與坡地行走和慢跑需求的下肢關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍，為星際航天服下肢活動(dòng)性指標(biāo)的確立提供參考，如表1 所示。

測試結(jié)果表明，不同重力水平下，行走和慢跑中下肢各關(guān)節(jié)均以矢狀面的屈伸運(yùn)動(dòng)為主，因此，星際航天服關(guān)節(jié)在配置時(shí)必須首要保證髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)屈伸的自由度。 髖關(guān)節(jié)內(nèi)收/外展、內(nèi)旋/外旋的活動(dòng)范圍相比于屈曲/伸展范圍較小，但對(duì)于實(shí)現(xiàn)步態(tài)行走也起到重要作用，內(nèi)收/外展活動(dòng)自由度可改善航天員的側(cè)向穩(wěn)定性，內(nèi)旋/外旋活動(dòng)自由度可輔助實(shí)現(xiàn)行走過程中改變方向的功能，因此，髖關(guān)節(jié)在實(shí)現(xiàn)較大范圍屈伸活動(dòng)的同時(shí)，需在另外2 個(gè)方向上配置小角度的活動(dòng)自由度。 膝關(guān)節(jié)在下肢各關(guān)節(jié)中活動(dòng)范圍最大，需配置可實(shí)現(xiàn)大范圍運(yùn)動(dòng)的單自由度關(guān)節(jié)。踝關(guān)節(jié)在各個(gè)方向上的活動(dòng)范圍均處于中等水平，行走過程中，踝關(guān)節(jié)可以調(diào)整足部位置，對(duì)于保持側(cè)向平衡來說，甚至很小的踝關(guān)節(jié)活動(dòng)角度都非常重要。 在保證屈伸自由度的基礎(chǔ)上，另外2 個(gè)自由度的活動(dòng)對(duì)于實(shí)現(xiàn)坡地行走必不可少，表1 中踝關(guān)節(jié)內(nèi)/外翻和內(nèi)/外旋活動(dòng)角度的極值均出現(xiàn)在坡地行走中，內(nèi)翻/外翻活動(dòng)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(shí)保持姿態(tài)穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)坡地的安全行走；內(nèi)旋/外旋活動(dòng)自由度可實(shí)現(xiàn)行走時(shí)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(wěn)定的姿態(tài)。因此，星際航天服踝關(guān)節(jié)在配置和設(shè)計(jì)時(shí)需保證多自由度的活動(dòng)性。

4 結(jié)論

1)不同重力水平下平地行走、平地慢跑和坡地行走時(shí)，人體下肢各關(guān)節(jié)在矢狀面上的屈曲/伸展活動(dòng)范圍遠(yuǎn)大于冠狀面的內(nèi)收/外展和橫截面上的內(nèi)旋/外旋活動(dòng)，其中，膝關(guān)節(jié)屈伸活動(dòng)范圍最大，不同步態(tài)中均達(dá)到60°以上。

2)模擬低重力條件下，髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)在各個(gè)平面上的活動(dòng)范圍均明顯減小，踝關(guān)節(jié)活動(dòng)角度無顯著變化規(guī)律。

3)重力水平降低后，髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)最大屈曲/伸展角度均顯著減小，膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的緩沖作用減弱；低重力條件下，步態(tài)運(yùn)動(dòng)的支撐時(shí)相變短，擺動(dòng)時(shí)相變長，傾向于采用一種行走-蹦跳的步態(tài)策略。

4)基于模擬低重力水平下的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征，梳理出了滿足平地與坡地多種步態(tài)需求的下肢關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍，為星際航天服下肢活動(dòng)性指標(biāo)的確立及關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

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