人體上肢在步態(tài)中的作用與協(xié)調(diào)規(guī)律研究.pdf

1、以往的步態(tài)研究主要集中在下肢部分，對上肢擺動的關(guān)注很少。上肢在步態(tài)研究中沒有受到重視的一個原因是，人們對上肢擺動存在錯誤的認識:步態(tài)運動靠下肢支撐軀體并且提供推動力，人體在行進的過程中，上肢可以同時進行擺動以外的許多其它行為動作（如提包、揮手等），擺臂似乎不是正常步態(tài)運動的必需組成部分，它看起來是一個“成本昂貴”的習慣。而上肢擺動是人類進化的產(chǎn)物，其存在對步態(tài)運動必然起重要作用，鑒于此，本文研究與上肢擺動作用和協(xié)調(diào)規(guī)律相關(guān)的若干問題，主

2、要包括如下幾個方面:
　　第一，研究擺臂對步態(tài)模式的影響。采集12位實驗對象約束（雙臂交叉于胸前）和正常擺臂步態(tài)的運動數(shù)據(jù)，步態(tài)包括定速和變速兩部分。計算定速步態(tài)的關(guān)節(jié)運動學(xué)和時空參數(shù)，以及變速步態(tài)的模式優(yōu)選轉(zhuǎn)換速度。統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，約束擺臂導(dǎo)致步長、軀干前傾角、步態(tài)模式優(yōu)選轉(zhuǎn)換速度顯著減小，而步寬、頭部和軀干轉(zhuǎn)動幅度、擺動相踝關(guān)節(jié)背屈角加速度顯著增大。由此得出結(jié)論:上肢擺動對步長、步寬、軀干轉(zhuǎn)動幅度和前傾角、頭部轉(zhuǎn)動幅度、步態(tài)模式

3、優(yōu)選轉(zhuǎn)換速度有影響。
　　第二，研究擺臂對步態(tài)動態(tài)穩(wěn)定性的影響。用標準嵌入法對軀干位移時間序列（數(shù)據(jù)來源于第一部分實驗）作空間重構(gòu)，分別用最大Lyapunov指數(shù)和最大Floquet乘子評價步態(tài)的局部和軌道穩(wěn)定性。比較兩種步態(tài)在前后、內(nèi)外側(cè)和豎直向的最大Lyapunov指數(shù)和最大Floquet乘子，發(fā)現(xiàn)約束擺臂導(dǎo)致兩參數(shù)在前后、內(nèi)外側(cè)向顯著增大，而豎直向沒有顯著變化。由此得出結(jié)論:上肢擺動具有保持步態(tài)局部和軌道穩(wěn)定性的作用。

4、>　　第三，研究擺臂對質(zhì)心振幅和步態(tài)對稱性的影響。測量10位年輕人約束和正常擺臂步態(tài)的地面反力，由此計算質(zhì)心軌跡，并作諧波分析、計算質(zhì)心振蕩幅度和步態(tài)對稱指數(shù)。t檢驗發(fā)現(xiàn)，約束擺臂導(dǎo)致質(zhì)心在內(nèi)外側(cè)、豎直方向的振幅顯著增大，而在此兩方向的對稱指數(shù)顯著減小。由此得出結(jié)論:上肢擺動具有減小質(zhì)心內(nèi)外側(cè)和豎直向振蕩幅度、保持步態(tài)對稱性的作用。
　　第四，研究上肢協(xié)調(diào)模式變異與步態(tài)速度的關(guān)系。采集30位年輕人和20位老年人的步態(tài)運動數(shù)據(jù)。計算

5、上臂-上臂、上臂-前臂、前臂-前臂的連續(xù)相對相位變異，通過雙因素方差和t檢驗分析發(fā)現(xiàn):行走過程中上肢連續(xù)相對相位變異在行走優(yōu)選速度周邊最小，跑的上肢協(xié)調(diào)變異大于走，上肢協(xié)調(diào)變異在步態(tài)模式轉(zhuǎn)換之前和之后幾乎沒有顯著變化。由此得出結(jié)論:上肢協(xié)調(diào)模式在行走優(yōu)選速度具有最小的行為變異性特征，HKB模型不適用于步態(tài)中上肢協(xié)調(diào)模式變異建模。
　　第五，建立上肢擺動物理模型和數(shù)值計算模型，用于預(yù)測優(yōu)選步頻。上肢擺動的物理模型為復(fù)擺和理想雙擺，數(shù)

6、值計算模型為人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。測量39位年輕人的步態(tài)優(yōu)選速度和步頻。理論分析和實驗驗證發(fā)現(xiàn)，理想雙擺模型預(yù)測優(yōu)選步頻不可行。實驗驗證發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過修正后的復(fù)擺模型預(yù)測精度高于數(shù)值計算模型。由此得出結(jié)論:修正后的復(fù)擺模型是預(yù)測行走優(yōu)選步頻的最佳模型。
　　第六，提出一種基于肌肉力學(xué)、生理模型和優(yōu)化協(xié)調(diào)規(guī)律的肌肉力計算方法。方法包括兩步優(yōu)化:第一，優(yōu)化肌電-力模型系數(shù)，并由此預(yù)測肌肉力;第二，用第一步的預(yù)測結(jié)果構(gòu)造約束，進一步優(yōu)化肌肉力。應(yīng)用