身背负重对士兵行军步态影响试验研究

杨洋， 王亚平， 徐诚， 张伟

(1.安徽农业大学 工学院， 安徽 合肥 230036; 2.南京理工大学 机械工程学院， 江苏 南京 210094)



身背负重对士兵行军步态影响试验研究

杨洋1,2， 王亚平2， 徐诚2， 张伟2

(1.安徽农业大学 工学院， 安徽 合肥 230036; 2.南京理工大学 机械工程学院， 江苏 南京 210094)

为了研究负重大小和负重位置对士兵行军步态的影响，采用三维运动捕捉测试技术获取士兵负重行走下肢步态，采用足底压力测试系统得到足底步态。试验结果表明：负重大小对士兵的步态有显著的影响，当负重大于20 kg时表现出显著变化。虽然较小质量的负重布置位置对士兵的主观感受未产生影响，但试验结果却表明较小质量的负重改变了士兵行军的步态，其中前后左右均匀布置重物对士兵行军步态影响最小。该研究结果为单兵综合作战系统的负重布局和士兵负重标准的制定提供定量参考。

兵器科学与技术； 负重大小； 负重位置； 下肢； 足底； 步态

0 引言

士兵在执行作战与训练任务时，通常依据作战任务需求、作战地区环境和气候等情况携带一定质量的行军作战装备。士兵穿戴装备后，装备改变了身体的重心，为了对抗外部负重，保持身体平衡稳定，士兵行军步态需要作出相应的调整。

关于负重对人体步态的影响，西方国家开展了大量的基础研究[1-2]。Attwells等[3]和Birrell等[4]研究了士兵负重大小对躯干、下肢运动的影响，研究结果表明身背负重增加了躯干前倾，同时减小了步长。Yen等[5]研究了躯干运动与下肢运动之间的关系，揭示了其对士兵行走平衡特性的影响。Birrell等[6]和Rugelj等[7]研究了士兵3种负重位置对士兵下肢步态和平衡功能的影响，研究表明负重位置影响士兵行军步态和平衡功能，同时较大的负重增加了士兵受伤概率。Birrell等[8]通过步态试验研究了携带重4.4 kg步枪对士兵行军步态的影响，结果表明步枪改变了士兵的重心位置，对士兵行军步态产生显著性影响，从而增加了士兵行军受伤概率。

上述的研究主要是针对西方国家的军人及其军事装备开展的基础研究，是基于西方士兵行军为试验前提。鉴于人体尺寸和行军装备的差异，印度军方针对本国士兵和装备开展了相关基础研究[9-11]。国内对此也展开了少量研究，邹晓峰[12]在其博士论文中研究了士兵负重大小对士兵行军过程下肢运动学影响，但其研究未涉及到负重位置对士兵下肢运动学影响，同时也未涉及到负重对士兵足底受力特征影响。由于不同国家的士兵身体基本尺寸以及身体条件具有显著差别，针对中国士兵负重的研究还不多。同时，随着单兵综合作战系统的发展，士兵需要穿戴大量单兵装备，目前单兵装备的布局对士兵行军的影响还不充分。本文以中国士兵为研究对象，以单兵综合作战系统负重大小和布局为研究载体，采用三维运动捕捉系统和足底压力测试系统研究负重大小和负重位置对士兵行军下肢步态和足底步态的影响，为单兵综合作战系统人机工效评价研究及预防下肢损伤提供依据。

1 试验方法

1.1 试验对象与负重工况

选择10名现役男性士兵，身高(175±5)cm、年龄(24±3)岁、体重(78±7)kg，所选受试者没有任何神经与肌肉系统疾病，同时受试者休息充分。

试验分为7种工况，如表1所示，工况1到工况4用于研究负重大小对士兵步态影响。受试者穿戴单兵携行具后，采用07式单兵携行包分别负重10 kg、20 kg、30 kg铅块，代表了轻负重、中等负重和大负重，工况1为受试者无负重状态，作为对照试验。工况5、工况6和工况7用于研究单兵装备布置位置对士兵步态影响，其中工况5和工况6分别在位置1和位置4布置4 kg砝码，工况7在位置1～位置4分别布置1 kg砝码，总负载质量都是8 kg，如图1所示。

表1 试验工况

图1 砝码的布置位置Fig.1 Arrangement of weights

1.2 试验设备与试验控制

受试者步态运动学数据通过Codamotion三维运动捕捉系统捕捉设置在下肢标记点的空间坐标位置，其中标记点布置位置参考国际生物力学学会制定的标准[13-14]，如图2所示。标记点A、B、C和D分别布置在骨盆四周(左、右髂前上棘，左、右髂后上棘)，用于记录人体盆骨位置；标记点E和F布置在大转子位置，标记点H和G布置在膝关节外侧，其中标记点E和G(或F和H)连接成整体，用于研究大腿相对于盆骨的运动。同理，标记点I和J布置在踝关节外侧，标记点I和G(或H和J)连接成整体，用于研究小腿相对于大腿的运动。以足底压力测试板边角为原点设立空间坐标OXYZ，其中在OYZ面表示髋关节在矢状面内的运动，OXZ面表示髋关节在冠状面内的运动。受试者足底步态数据采用Footscan足底压力测试系统获取，三维运动捕捉和足底压力测试系统采样频率都设置为100 Hz，二者之间采用外同步的方式进行数据同步采集。

试验在室内进行，温度保持24 ℃，试验前，安排受试者进行一定量的适应性活动。试验过程中，受试者从距离足底压力板5 m的位置以个人习惯步速走过测试区，规定每次试验足底要全部踩在测力板上，并且三维运动捕捉数据无明显丢点视为一次有效测试。对于每种工况试验，要求至少各有3次数据均完整有效时才结束测试。为了避免疲劳产生，每一位受试者在完成一种工况试验后休息2 min.

图2 试验基本设置Fig.2 Setting of test

1.3 试验分析指标

1.3.1 下肢步态运动学分析指标

对于负重对下肢步态运动学影响分析，本文主要研究髋关节在矢状面和冠状面内的变化特征。

1.3.2 足底步态分析指标

1)距下关节角。距下关节是保持足部稳定的枢轴，承受并传导人体的体重，转换下肢的旋转应力，是后足的力学中心[15]，因此本文选择距下关节角作为试验测试指标，该指标由足底压力测试系统获取。

2)步态时空参数。步态周期可以根据步态中足在空间的位置分为支撑相和摆动相。支撑相是指足部与地面接触的时间，根据足着地瞬间、跖骨着地瞬间、趾骨着地瞬间、足跟离地瞬间、趾骨离地瞬间5个关键时刻，支撑相可以分为开始着地阶段、前足接触阶段、整足接触阶段、离地阶段[16]。

3)足部与地面接触稳定性。如图3所示，负重行走过程中，脚掌受到地面的反作用力并非左右侧对称，造成足底着地过程脚掌左侧、右侧受力不平衡，本文将足底着地过程足底受力不平衡现象称为足底接触稳定性。为了有效评价负重对脚掌着地稳定性特征，将足底分为：第l趾骨(T1)、第2～5趾骨(T2～T5)、第1跖骨(M1)、第2跖骨(M2)、第3跖骨(M3)、第4跖骨(M4)、第5跖骨(M5)、足中部(MF)、足跟内侧(HM)和足跟外侧(HL)，采用(1)式计算足底着地过程的稳定性：

Fb=(FM1+FM2+FHM)-

(FM3+FM4+FM5+FHL)，

(1)

式中：FM1、FM2、FHM、FM3、FM4、FM5、FHL分别为足底各分区的受力。

图3 基于解剖学的足底分区Fig.3 Plantar partition based on anatomy

2 试验结果与分析

2.1 下肢运动学分析

如图4(a)所示，在矢状面内，髋关节活动范围随着负重的增加而减小，当负重大于20 kg时表现出显著减小，由于负重增加，行走的步长减小，从而导致髋关节活动范围在矢状面内变小。如图4(b)所示，在冠状面内，髋关节活动范围随着负重的增加而增加，当负重大于30 kg表现出显著增加。上肢负重增加后，身体的重心随着负重的增加而上移，并且靠近后背，加剧了平衡控制的难度，增加了下肢的侧向摆动，因此冠状面内髋关节活动范围表现出增加。由于标记点布置位置，产生了关节的初始角度，因此本文主要研究关节角度变化趋势，图4中的“*”号表示相对于无负重工况具有显著性变化，下文图中出现“*”不再做解释。

4 kg砝码布置在身体不同部位，受试者在行走过程中并未感受到差异。但是，试验结果却显示不同负重位置影响士兵的髋关节角活动范围，其中左前布置方式(位置1)与无负重差异最大，前后左右均匀布置方式(位置1～位置4)与无负重差异最小，如图5所示。本文认为无负重受试者行走最自然，不同的负重步态与无负重的步态差异越大，越不利行走。

图4 负重对髋关节活动角度影响Fig.4 Effect of load carriage on moving range of hip

图5 负重位置对髋关节活动范围影响Fig.5 The effect of load location on moving range of hip

2.2 足底步态特征分析

2.2.1 距下关节角分析

图6 负重大小对距下关节活动范围影响Fig.6 Effect of load magnitude on subtalar joint

负重大小对距下关节活动范围影响如图6所示，距下关节活动范围随着负重增加而增加，当负重大于20 kg时表现显著增加。负重位置对距下关节活动影响如图7所示，受试者在负重4 kg工况时，右后4 kg(位置4)负重距下关节活动范围增加最大，从足落地时足的内外翻角度来说，前后左右各1 kg负重(位置1～位置4)最有利于行走过程距下关节的稳定性。

图7 负重位置对距下关节活动范围影响Fig.7 Effect of load location on subtalar joint

2.2.2 步态支撑相分析

图8 负重大小对步态支撑相影响Fig.8 Effect of load magnitude on support phase

负重大小对受试者步态支撑相影响如图8所示，随着负重增加，开始着地阶段、前足接触阶段和离地阶段占整个支撑相的时间下降，整足接触阶段时间增加，其中整足接触阶段时间表现出显著增加。随着负重增加，开始着地阶段和前足接触阶段占步态支撑期缩短，表明受试者体重迅速从足跟部前移，使整个足底与地面更快接触，有利于降低足跟的损伤。同时人体调节整足与地面的接触时间，是由于人体负重增加损害了人体行走的稳定性，人体需要增加与地面接触时间维持行走平衡，同时整足与地面接触时间增加能够减缓地面对足底的冲击，减轻前足损伤。

图9 负重位置步态支撑相影响Fig.9 The effect of load location on support phase

负重位置对受试者步态支撑相影响如图9所示，在开始着地阶段，左前4 kg(位置1)布置方式与无负重差异最小；在前足接触阶段，右后4 kg(位置4)布置方式与无负重差异最小；在整足接触阶段和离地阶段，前后左右各1 kg布置(位置1～4)方式与无负重差异最小。通过对比不同负重位置与无负重之间的差异，可以知道负重位置对整足接触阶段和离地阶段影响较大，从整足接触阶段和离地阶段的试验结果能够认为前后左右各1 kg布置方式要适当优于另外2种布置方式。

2.2.3 步态支撑期足底受力分析

受力峰值是指受试者行走过程中地面对足底反坐用力的最大值，受力峰值能够直接评价负重对足底的损伤，负重大小对足底受力峰值的影响如图10所示，随着负重增加，足底受力峰值呈增加趋势，同时士兵通过增加足底与地面的接触时间维持身体行走平衡，如图11所示. 随着负重增加，足底受力峰值呈增加趋势，但其增加的趋势呈减小的趋势，由于负重的增加，足底与地面的接触时间增加，根据冲量定理，其接触峰值增加呈减小趋势。

负重位置对足底受力影响如图12和图13所示，相对于无负重工况，左前、右后、均匀布置3种位置负重工况足底与地面的接触时间和受力峰值都表现出增加趋势。其中前后左右各1 kg负重工况与无负重相比差异最小，说明该工况对受试者行走影响最小。

图10 负重大小对足底受力影响Fig.10 Effect of load magnitude on foot reaction force

2.2.4 步态支撑期足底稳定分析

采用(1)式计算得到士兵负重行军足底与地面过程的稳定性，图14为负重大小对足底与地面接触平衡的影响，其中横坐标为足底与地面接触时间占整个支撑相的比例(%)。在足底与地面接触过程中，足底受力稳定性表现出2个波峰的变化规律，其中，第1个波峰是由足跟与地面冲击造成的，第2个波峰是由足前掌蹬地造成的。随着负重增加，波峰/波谷值呈增加趋势，足底与地面接触的不稳定时间也有所增加。足跟与地面刚刚接触时，足底都表现出外翻现象，其外翻程度随着负重的增加而增加。前脚掌蹬地过程中，随着负重的增加其足底不平衡程度也更加显著。当负重小于20 kg时，负重对足底不稳定特性的影响没有表现出显著性影响，但是当负重为30 kg铅块时，负重对足底不稳定特性表现出显著性影响。

不同负重位置对足底不稳定特性的影响如图15所示，负重4 kg增加了足底与地面接触过程 中的不稳定程度及其接触时间。其中，左前4 kg布置和右后4 kg布置方式下，足底不稳定特性与无负重相比差异较大。主要表现在，左前和右后4 kg布置足底着地过程的稳定性曲线变化形状没有表现出显著的双峰(与无负重相比)，同时，在足底离地阶段的不稳定程度较无负重显著增加。前后左右均匀布置方式下，足底不稳定特性与无负重相比差异较小，二者都表现出明显的双峰规律。在足底离地过程中，前后左右均匀布置方式的足底不稳定程度有所增加，这主要是由于负重4 kg微小的改变了受试者的下肢行走步态。

图11 负重大小对足底与地面接触时间影响Fig.11 Effect of load magnitude on foot-to-ground contact time

图12 负重位置对足底受力影响Fig.12 Effect of load location on foot reaction force

图13 负重位置对足底与地面接触时间影响Fig.13 Effect of load location on foot-to-ground contact time

图14 负重大小对足底平衡特征的影响Fig.14 Effect of load magnitude on foot-to-ground contact balance

图15 负重位置对足底平衡特征的影响Fig.15 Effect of load location on foot-to-ground contact balance

3 结论

本文采用三维运动捕捉和足底压力测试系统得到了负重大小和负重位置对士兵步态影响，研究结果表明，负重大小和负重位置对受试者髋关节活动范围、距下关节活动范围、足底与地面支撑相、地面对足底的反作用力以及支撑相足底平衡特性具有影响。其中，髋关节冠状面内活动范围、距下关节活动范围、地面对足底的反作用力变化最显著，能够较好的用于评价负重对士兵行军的影响。对于负重大小对士兵行军步态的影响，建议士兵在穿戴单兵携行具后负重不大于20 kg，该结果与中国人民解放军单兵负荷量标准中规定的负荷量较为一致。对于单兵装备的布局，建议前后左右均匀布置。

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Experimental Investigation on the Effect of Load Carriage on Soldiers’ Gaits during Marching

YANG Yang1,2, WANG Ya-ping2, XU Cheng2, ZHANG Wei2

(1.School of Engineering, Anhui Agricultural University, Hefei 230036, Anhui, China； 2.School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, Jiangsu, China)

The effects of load carriage and its location on soldiers’ gaits during marching are investigated. Walking gait of lower limb is measured by 3D motion analysis system, and the plantar pressure is obtained by plantar pressure measurement system. The measured results show that the gait of soldier is affected by load carriage, especially when the load is heavier than 20 kg. Although light load has no influence on soldiers’ subjective feeling, the tests in the present paper show that lighter loads change soldier marching gait, in which uniform weight distribution benefits kinematics of gait.

ordnance science and technology; load magnitude; load position; lower limb; planta; gait

2016-06-15

国家自然科学基金项目(51575279)；国家国防科技工业局基础科研项目(A1020133013)

杨洋(1988—)，男，讲师，博士研究生。E-mail: yangyang82512@163.com; 王亚平( 1975—)，女，副研究员，硕士生导师。E-mail: zykdou@ 163.com

E919

A

1000-1093(2016)11-2050-08

10.3969/j.issn.1000-1093.2016.11.013