人體下肢行走運動特征及肌肉肌腱參數研究

秦戈郁，秦現生，張順琦，2?，白 晶，王戰璽

（1.西北工業大學機電學院，西安 710072；2.上海大學機電工程與自動化學院，上海 200444）

人體下肢行走運動特征及肌肉肌腱參數研究

秦戈郁1，秦現生1，張順琦1，2?，白 晶1，王戰璽1

（1.西北工業大學機電學院，西安 710072；2.上海大學機電工程與自動化學院，上海 200444）

為了提高艙外航天服運動性能，保證航天員艙外活動的靈活性與舒適性，從生物學出發，以人體行走為例，研究了下肢膝關節運動特征及肌肉肌腱參數。首先從解剖學角度對人體下肢肌骨模型進行分析，其次對人體下肢關節的運動學、肌肉肌腱參數與動力學特征等進行研究，最后分析下肢膝關節力矩、角加速度與關節慣量的關系。結果表明：人體下肢膝關節處于最大屈曲位時，關節角加速度幾乎同時達到最大；內外側腓腸肌與股直肌分別在支撐期與擺動期提供重要力量；行走運動中的人體膝關節力矩與角加速度未呈現較好線性關系，但關節慣量與周期（時間）序列可完成較好線性擬合。該結果可為太空環境下的相關研究及艙外航天服的設計提供一定參考。

航天服；人體膝關節；運動模擬；肌肉肌腱；動力學

1 引言

隨著載人航天計劃對外太空探索的不斷深入，未來航天事業對航天員艙外活動的作業需求越來越高。艙外航天服作為保證航天員生命安全與出艙活動的基本裝備，其運動性能直接影響了航天員作業的舒適性與輕便性。現有航天服質量與體積較大，組件眾多［1］，通過氣密軸承和一個自由度的關節連接保證四肢各關節活動［2］，關節靈活度不足且穿戴不便，這給航天員的出艙作業帶來了極大的難度［3］。為克服現有航天服笨重、不靈活等局限，設計一種與人體關節貼合緊密、輕便且具有運動跟隨性能的航天服，首先必須對人體關節，特別是下肢關節的骨骼系統、行走模擬、肌肉形態及運動規律等人體基礎理論進行深入研究。

下肢關節行走運動是航天員進行艙外活動最基本的運動之一。國外對人體下肢關節行走研究起步較早，如Kerriga等［4］對步態過程中下肢關節運動學參數的性別差異進行了研究；Umberger［5］發現正常步速下參與腿擺動的肌肉消耗能量占總能量的29%；Hamner［6］指出跑步支撐初期，股四頭肌為主要制動肌；支撐后期，小腿后群肌肉（比目魚肌、腓腸肌）為支撐和推進的主要肌肉。與國外相比，我國對人體下肢關節行走研究起步較晚，但也開展了較多研究，效果顯著。耿艷麗［7］在2014年建立了人體下肢三維模型，并進行了運動學和動力學分析；張愛光等［8］研究了不同足部軌跡對人體下肢主要肌肉疲勞程度的影響；單大卯［9］分析了人體運動相關肌肉功能參數及肌肉功能變化。

總之，國內外相繼研究了人體下肢關節運動的形態特征，但大部分屬純運動學研究或解剖結構分析，且在下肢肌肉形態及骨骼系統等方面研究不足。本文以下肢膝關節為研究對象，利用Opensim軟件模擬人體下肢行走運動，研究下肢關節肌骨模型中不同肌肉肌腱的變化，分析下肢關節力矩、角加速度與關節慣量之間的關系，以期為航天服的設計及改善提供理論支撐。

2 人體下肢關節模型

航天員典型作業中涉及較多下肢動作，如行走、下蹲、站立等［3］，而下肢關節中膝關節活動次數最多［10］，其運動靈活性十分重要。本文針對人體下肢膝關節，開展相關研究工作。

2.1 下肢關節模型

本文基于斯坦福大學開發的軟件Opensim1.5.5，采用人體下肢關節模型“Gait_2392”完成模擬，由Delp［10］定義該模型的人體下肢關節特征。如圖1所示，下肢關節模型中膝關節屈曲位主要由八組肌肉組成，分別是股二頭肌長頭肌、股二頭肌短頭肌、股薄肌、外側腓腸肌、內側腓腸肌、縫匠肌、半膜肌與半腱肌；伸展位主要由股四頭肌控制，由股直肌、股中肌、股外肌與股內肌組成。屈曲位8條肌肉與伸展位4條肌肉分別對相應運動位起主要控制作用，其肌肉作用線與骨骼結構呈空間三維相對位置，且下肢膝關節肌骨模型模擬與人體運動具有同等運動效果，各個肌肉間相互協調伸縮，牽拉骨骼彎曲或伸展形成不同角度，達到骨骼系統與肌肉形態的匹配，同時完成復雜的下肢運動。

2.2 膝關節解剖結構

膝關節是人體最為復雜的屈戌關節，由股骨、脛骨、腓骨等組成（圖2），主要進行矢狀面內的屈伸運動。其與半月板，前、后十字韌帶，內、外側副韌帶以及附著于關節周圍的肌腱等一起維系膝關節運動。同時由于脛股骨關節表面為變曲率接觸面，形狀不規則，不同的屈伸運動會產生不同方向的相對滾滑動，造成了人體膝關節的變瞬心運動模式。這表明膝關節骨骼與肌肉系統等共同作用，實現了膝關節復雜的運動規律，完成運動狀態下膝關節的屈伸形態。

2.3 半月板結構和生物力學特性

膝關節主要解剖結構中，半月板可協調、潤滑、緩沖與分散膝關節股骨脛骨關節面間的沖擊振動，與肌肉肌腱共同傳導分擔運動狀態下膝關節的負荷，是協助膝關節靈活平穩運動的重要結構。半月板由兩個纖維軟骨構成，其中內側半月板較大，呈“C”形；外側半月板較小，呈“O”形，二者位于股骨脛骨相對關節面間，周圍附有多條韌帶與肌腱（圖3）。膝關節屈曲時，半月板由于擠壓與腘肌腱的牽拉移向后方；膝關節伸直時，半月板由于推擠被動向前，脛骨相對前移，半月板被前拉［12］。由此，半月板幫助完成人體膝關節的屈伸運動。半月板結構及生物力學特性的研究肯定了人體膝關節部分重要結構（如半月板）對下肢運動的重要貢獻，在解剖學基礎上描述人體下肢膝關節內部重要結構的宏觀運動，從而形成后文中人體下肢的行走模擬。

3 實驗數據分析

3.1 實驗條件

目前國際上基于人體行走特征及Opensim軟件設置的人體行走形態的系統實驗研究甚少，無法實現較為系統的成人研究。故采用斯坦福大學已進行論文發表并完成佐證的青少年行走實驗數據作為基本數據。受試者為未發生過下肢關節疾病的健康青少年，且完全符合倫理規定要求。

實驗以7～18周歲的8位青少年為研究對象。在受試者身上分別粘貼運動標記點，標記點位置與個體特征相關，不斷調整后達到反映人體行走特征的目的。實驗通過采用具有12個攝像頭的Vicon MX系統（Vicon，Oxford，UK）收集數據，系統感應標記點的坐標變化實時捕獲人體的運動位置，得到一段時間內人體的運動形態，關于步態標記集和模型的Vicon插件用于生成運動學和動力學數據。同時使用四個測力板（AMTI，Watertown，MA）以1080 Hz采樣，記錄地面反作用力數據［13］。

通過向Opensim軟件的開發方斯坦福大學獲取受試者個體特征（表1）、行走步態的時間序列、運動學捕獲數據及軟件模型設置文件等，結合Opensim軟件為下肢關節模型設計與受試者相同的運動位置，進行每位受試者與肌骨模型的運動匹配，為模擬與分析做好準備工作。

表1 受試者的個體特征與行走速度Table 1 Individual characteristics and walking speed of the subjects

3.2 人體下肢運動模擬

人體下肢運動模擬是通過Opensim軟件縮放工具得到針對8位受試者個體的肌骨模型，經由逆運動學、逆動力學等工具，達到部分行走周期內（約4%～85%）的人體運動形態的模擬與連續性重現。

通過Opensim軟件實現同一速度下8位受試者右膝關節的動態模擬，圖4為GIL01-GIL12共8位受試者的膝關節角度曲線，對其進行橫坐標百分比換算與峰值同步化后，對所有曲線上的點值離散化并進行曲線擬合得圖5，其中圓圈標記為角度離散值，黑色光滑曲線為數據擬合結果。同時利用GetData軟件獲取Liu［14］的相應數據（如圖6中虛線），與圖5擬合角度（如圖6中實線）進行比較，其總體趨于一致，在行走周期75%處達到關節角度最大誤差，約為4%，可認為數據處理結果基本正確。因此取四階傅里葉曲線為單個關節角度擬合值，擬合方程如式（1）所示：

式中：x表示周期百分值；f（x）表示關節角度；ai（i＝0，1，2，3，4）、bi（i＝1，2，3，4）分別表示擬合方程的各項系數；w表示擬合方程中變量x的系數。其值分別為：a0＝-16.93；a1＝-8.516；b1＝17.87；a2＝9.28；b2＝8.817；a3＝4.909；b3＝-3.253；a4＝-1.004；b4＝-1.331；w＝0.066 97。

由人體行走模擬可進行實驗條件下人體下肢行走特征分析。圖7為人體下肢肌骨模型運動分析，人體模型完成行走模擬過程與人體運動狀態一致，主要分為支撐期和擺動期兩個階段，支撐期從支撐足著地到支撐足趾離地，約占整個行走周期的60%；擺動期從支撐足趾離地到支撐足再次著地，約占行走周期的40%。同時，分別對關節角度擬合方程進行一階、二階微分，可得到八位受試者行走周期內（約0%～85%）的膝關節運動角速度與角加速度擬合結果（圖8）：膝關節角度峰值為-56.77°，約在整個步態周期的75%，即擺動中期處，而膝關節角加速度最大值為6665°／s2，同時在步態周期的75%處達到。因此，膝關節在擺動中期達到運動角度峰值，此時關節角加速度幾乎同時達到最大，關節運動趨勢最為迫切。

3.3 人體下肢肌肉肌腱規律研究

人體下肢行走運動模擬整體上表達了肌骨模型的運動情況，而通過肌肉肌腱長度及受力情況研究，可將人體膝關節運動形態與內部受力分解至肌骨模型中的不同肌肉作用線，得到二者之間的相互關系，掌握行走運動中人體膝關節肌肉的形態特征與受力狀態。

肌肉肌腱規律研究必須針對具體模型數據完成，而由于人體模型的唯一性，8位受試者的下肢肌骨模型各不相同，故需選擇一位受試者運動參數進行具體分析。前文8位受試者是通過同樣的實驗方式進行個體運動數據的采集以及人體模型縮放設置，唯一不同的便是實驗數據本身，個體所得結果之間的差異是由于實驗數據（包括受試者運動數據、個體質量、腿長、Mark點位置等），這些皆為受試者固有屬性數據，皆已成型或無法更改。而8名受試者中GIL01的實驗數據從運動前期曲線特征與后期峰值兩方面考慮最為接近文獻［14］，這表明GIL01受試者的運動數據整體上更符合文獻論證數據，故采用準確性與符合度最高的GIL01個體實驗數據，便可得到針對此實驗數據的個體結果。由于其實驗數據正確性較高，故GIL01個體的研究成果可代表普遍性規律。因此，采用GIL01個體數據進行人體下肢肌肉肌腱規律研究。根據人體運動模擬，得到人體下肢膝關節屈曲位及伸展位下，部分行走周期內（約4%～85%）的肌肉肌腱長度、肌纖維力及其總體變化。

具體地，圖9（a）、（b）分別表示現有行走周期內GIL01受試者膝關節屈曲位8條肌肉中，單個肌肉肌腱長度與肌纖維力變化規律，其中除縫匠肌外，其余7條肌肉皆于行走周期的56%（擺動前期）處達到肌肉肌腱長度與肌纖維力的最大值，（到達峰值點的周期序列誤差小于1%），但只有股二頭肌短頭肌與股薄肌在行走周期75%（擺動中期）處達到肌肉肌腱長度（圖9（a））及肌纖維力（圖9（b））最小值（到達峰值點的周期序列誤差小于2%）。此時膝關節角加速度最大，且角加速度在整個擺動中期持續減小，而肌肉肌腱長度與肌纖維力達到峰值后卻保持增長，這表明擺動中期股二頭肌短頭肌、股薄肌形態及受力皆達到臨界值，其肌肉肌腱長度與肌纖維力的增長為擺動中期關節角加速度的減小提供了主要助力。

同時，內側腓腸肌在行走周期5%（承重反應期）處達到肌肉肌腱長度與肌纖維力最大值后，在15%～50%（支撐中期至支撐末期）處持續下降，變化范圍最大，而外側腓腸肌與內側腓腸肌關于肌肉肌腱長度與肌纖維力的變化趨勢均一致，說明二者在膝關節屈曲位承擔一致的運動作用，因此內側腓腸肌與外側腓腸肌為支撐期最主要的支撐肌肉，且在支撐期內受力逐漸減小。

伸展位與屈曲位肌肉整體運動趨勢差別較大，且伸展位運動主要影響的肌肉較少，只有四條，但其肌肉肌腱長度變化與肌纖維力變化曲線層次明晰。如圖10（a）、（b），股中肌、股外肌、股內肌約在行走周期的56%與75%達到肌肉肌腱長度及肌纖維力的最小值與最大值，且三者在行走周期56%～84%呈上升至峰值后持續下降狀，而股直肌的肌肉肌腱長度及肌纖維力變化趨勢與股中肌等接近一致，且一直保持最大。這表明擺動初期與擺動中期屈曲位肌肉形態及受力變化顯著，且股直肌為最主要的力量與形態變化肌肉，股外肌、股中肌、股內肌依次次之，并且擺動中期時，屈曲位四組肌肉肌腱長度與肌纖維力的減小也為關節角加速度的減小做出了重要貢獻。

單個肌肉參數的研究表達了部分肌肉肌腱作用線在人體下肢行走中的作用。單個肌肉肌腱長度變化宏觀體現于下肢運動形態的改變，單個肌肉肌纖維力則表示附著于骨骼的不同肌肉致動力的變化，其相互協調一致，共同配合，達到人體膝關節不同的運動位。

同時，為掌握關節肌肉運動受力整體情況，將屈曲位與伸展位單個肌肉肌纖維力分別求和得到屈曲位與伸展位總纖維力變化如圖11（a）、（b）所示。總纖維力最大最小峰值分別出現在行走周期的56%與75%（到達峰值點的周期序列誤差小于3%）處，可得人體下肢關節行走時擺動前期與擺動中期為下肢膝關節肌肉受力轉折期，且屈曲位肌肉總纖維力在達到最大最小峰值時，伸展位肌纖維力幾乎同時達到最小最大峰值，而屈曲位與伸展位肌肉總纖維力峰值變化與角加速度峰值變化幾乎同時發生。這表明，人體膝關節肌肉形態及受力的變化與行走動態之間相互影響，共同促進人體運動。

3.4 人體膝關節動力學分析

人體下肢肌肉肌腱規律研究從關節構造及肌肉形態等內部結構上分析了下肢膝關節不同肌肉的變化及其完成運動狀態的致動力。而宏觀上來說，關節力矩是幫助人體膝關節完成屈伸運動的主要力量，利用其與角加速度的關系可獲得膝關節的慣量特征，為貼合人體關節的航天服設計提供幫助。

由運動學分析方法同理可得GIL01膝關節角加速度曲線如圖12（a）所示，設置Opensim軟件逆動力學工具，得到逆運動學（Inverse Dynamics）分析結果，其中關節力矩曲線如圖12（b）所示，由于運動捕獲是以時間序列為記錄點，具有間斷性，故所得結果也具有不連續性，但從曲線上看，膝關節力矩與角加速度變化趨勢接近一致，但擬合后突出點較多，未呈現較好線性關系。

理論中，慣量與力矩、加速度是具有一定關系的，因而將膝關節力矩M與角加速度a相除（角加速度不為零時），得到膝關節慣量I隨周期序列t變化的曲線如圖12（c）所示，其橫坐標表示步態周期序列t，縱坐標表示膝關節慣量I＝M／a（a≠0），將圖中y軸正負方向突變值（a＝0時）剔除，關節慣量可較為接近地進行線性擬合，擬合方程為I＝-0.0053×t-0.35，可得關節慣量與步行周期（時間）近似成線性關系。

根據分析，人體膝關節力矩與角加速度雖未呈現較好線性關系，而行走狀態下人體膝關節慣量并非常量，其（a≠0時）與周期（時間）序列可完成較好線性擬合，隨著行走周期（時間）序列的變化而變化。這對于行走狀態下，人體下肢本體與航天服下肢關節的動態特征研究具有重要意義。

4 結論

本文針對著艙外服條件下航天員下肢運動靈活性不足的問題，進行了人體下肢行走運動特征及肌肉肌腱參數研究，得到以下結論：

1）人體膝關節處于最大屈曲位時，關節角加速度達到最大，膝關節運動趨勢最為迫切；

2）行走時，內側與外側腓腸肌為支撐期主要支撐肌肉；股直肌為擺動期最主要肌肉，股外肌、股中肌、股內肌依次次之；

3）行走周期中，擺動前期與中期為人體膝關節肌肉受力轉折期，且屈曲位與伸展位下肌肉總纖維力峰值點接近相反，屈曲位的越大，伸展位的就越小；

4）行走狀態下，人體膝關節慣量并非常量，其（a≠0時）與周期（時間）序列可完成較好線性擬合，隨著周期（時間）序列的變化而變化。

基于此地面環境下人體下肢行走運動特征及肌肉肌腱參數研究方法與內容，未來通過配備太空實驗設備，采集失重環境下的實驗數據，完成Opensim軟件環境模擬的二次開發工作，可得到太空環境下真實的人體下肢運動形態。最后針對人體不同關節進行此項研究，將結果選擇性地融合，以此為理論基礎進行艙外航天服設計，有助于提升航天員艙外活動的靈活性。

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Analysis of Movement Characteristics and Tendon Parameters of Lower Limbs in Human Body

QIN Geyu1，QIN Xiansheng1，ZHANG Shunqi1，2?，BAI Jing1，WANG Zhanxi1
（1.Electromechanical College，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710072，China；2.School of Mechatronics Engineering and Automation，Shanghai University，Shanghai 200444，China）

To improve the performance of EVA spacesuit and to ensure the flexibility and comfort of astronauts during EVA，the movement characteristics and tendon parameters of the lower extremity and knee joints were studied from the biological perspective with the human walking as the example.Firstly，anatomical analysis was conducted for the human lower limb musculoskeletal model.Then，the kinematics，the tendon parameters and the dynamic characteristics of the lower limb joints of the human body were studied.In the end，the relationships among the knee joint torque，the angular acceleration and the joint inertia were analyzed.The results indicated that when the knee joint of the human lower limb was in the maximum flexion position，the joint angular acceleration was almost the same at maximum；Medial gastrocnemius and lateral gastrocnemius in the support period and rectus females in the swing period were providing an important force；During the process of human walking，the moment and the angular acceleration of the knee joint did not show a good linear relationship，but the joint inertia and the period（time）sequence could be better linearly fitted.The results of this study may provide some reference for the related researches in space environment and the design of EVA spacesuit.

spacesuit；the knee joint of the human lower limb；kinematics simulation；muscle tendon；kinetic

G804.66

A

1674-5825（2017）06-0811-08

2017-06-21；

2017-09-25

載人航天預先研究項目（020301）

秦戈郁，女，碩士研究生，研究方向為人體肌肉骨骼系統運動特征研究。E-mail：geyu_qin＠mail.nwpu.edu.cn

?通訊作者：張順琦，男，博士，副教授，研究方向為智能結構、柔性結構主動控制、數字化特種制造裝備。E-mail：zhangsq＠shu.edu.cn

（責任編輯：康金蘭）