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(duì)上肢擺動(dòng)的關(guān)注很少。上肢在步態(tài)研究中沒有受到重視的一個(gè)原因是，人們對(duì)上肢擺動(dòng)存在錯(cuò)誤的認(rèn)識(shí):步態(tài)運(yùn)動(dòng)靠下肢支撐軀體并且提供推動(dòng)力，人體在行進(jìn)的過程中，上肢可以同時(shí)進(jìn)行擺動(dòng)以外的許多其它行為動(dòng)作（如提包、揮手等），擺臂似乎不是正常步態(tài)運(yùn)動(dòng)的必需組成部分，它看起來是一個(gè)“成本昂貴”的習(xí)慣。而上肢擺動(dòng)是人類進(jìn)化的產(chǎn)物，其存在對(duì)步態(tài)運(yùn)動(dòng)必然起重要作用，鑒于此，本文研究與上肢擺動(dòng)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(gè)方面:
　　第一，研究擺臂對(duì)步態(tài)模式的影響。采集12位實(shí)驗(yàn)對(duì)象約束（雙臂交叉于胸前）和正常擺臂步態(tài)的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，步態(tài)包括定速和變速兩部分。計(jì)算定速步態(tài)的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)和時(shí)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(jì)分析發(fā)現(xiàn)，約束擺臂導(dǎo)致步長(zhǎng)、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(dòng)幅度、擺動(dòng)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(dòng)對(duì)步長(zhǎng)、步寬、軀干轉(zhuǎn)動(dòng)幅度和前傾角、頭部轉(zhuǎn)動(dòng)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(duì)步態(tài)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的影響。用標(biāo)準(zhǔn)嵌入法對(duì)軀干位移時(shí)間序列（數(shù)據(jù)來源于第一部分實(shí)驗(yàn)）作空間重構(gòu)，分別用最大Lyapunov指數(shù)和最大Floquet乘子評(píng)價(jià)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(dòng)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(duì)質(zhì)心振幅和步態(tài)對(duì)稱性的影響。測(cè)量10位年輕人約束和正常擺臂步態(tài)的地面反力，由此計(jì)算質(zhì)心軌跡，并作諧波分析、計(jì)算質(zhì)心振蕩幅度和步態(tài)對(duì)稱指數(shù)。t檢驗(yàn)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(duì)稱指數(shù)顯著減小。由此得出結(jié)論:上肢擺動(dòng)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(duì)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(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。計(jì)算

5、上臂-上臂、上臂-前臂、前臂-前臂的連續(xù)相對(duì)相位變異，通過雙因素方差和t檢驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn):行走過程中上肢連續(xù)相對(duì)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(dòng)物理模型和數(shù)值計(jì)算模型，用于預(yù)測(cè)優(yōu)選步頻。上肢擺動(dòng)的物理模型為復(fù)擺和理想雙擺，數(shù)

6、值計(jì)算模型為人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。測(cè)量39位年輕人的步態(tài)優(yōu)選速度和步頻。理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，理想雙擺模型預(yù)測(cè)優(yōu)選步頻不可行。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過修正后的復(fù)擺模型預(yù)測(cè)精度高于數(shù)值計(jì)算模型。由此得出結(jié)論:修正后的復(fù)擺模型是預(yù)測(cè)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(jì)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(cè)肌肉力;第二，用第一步的預(yù)測(cè)結(jié)果構(gòu)造約束，進(jìn)一步優(yōu)化肌肉力。應(yīng)用