基于3D运动捕捉技术的人类步态分析

摘要：当今社会，滑倒和摔倒是导致髋关节损伤的重要原因，而摔倒的一个重要影响因素就是地面情况的影响。了解人体行走在不同摩擦地面上时对姿态的影响对于理解人体的行走稳定性和预防人体摔倒具有重要的意义。本文主要是研究人体行走在不同摩擦地面上时的步态变化。

关键词：步态；3D 运动捕捉；摩擦因数；行走稳定性

中图分类号：R318.01 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2017）02-0232-02

行走活动是人们日常生活中最基本的一种整体性的活动[1]。在日常生活中，人体受伤大多是由于摔倒导致的。摔倒会导致人体功能衰退、独立生活能力下降，甚至在骨折后的前3个月有较严重的死亡危险[2]。导致人体摔倒的原因包括外部原因和人为因素两个方面。外部原因包括地面的倾斜角度、鞋子的类型、障碍物以及不同的地面摩擦程度等。人为因素包括感知敏感度和自我反馈能力。行走的环境往往是复杂和多变的，直接影响着人体的稳定性。目前全球范围内的老龄化日益加重，而摔倒几乎成了老年人生命的“杀手”。

所以对于人体在不同摩擦程度地面上行走时如何保持自身稳定性的研究迫在眉睫。本文主要研究了不同摩擦程度的地面对人体行走姿态的影响，通过对人体行走过程中姿态的分析来研究不同摩擦程度地面对人体行走稳定性的影响。

1 步态分析

人体行走时的稳定性除了受到神经系统等内部因素的影响，还会受到外部因素的影响。外部影响因素主要包括路面状况（地面材质、地面摩擦程度、地面坡度等）和其它客观外界扰动的影响。本文针对地面摩擦程度对人体行走步态的影响提出了一种基于步长的步态稳定性判定指标。

其中，a，b为步长影响因子。为正常行走时人体能够行走的最大步长。

2 实验设备和方法

2.1 受试者

本文研究分析的数据来自于12名健康的成年志愿者（6名男性、6名女性）。所有的志愿者均未有骨骼肌肉疾病、神经系统疾病或步态异常等相关疾病。所有的受试者均明白本次研究的目的，且均在参与实验之前提供了书面知情同意书。

2.2 实验设备

本文使用英国光学式三维运动捕捉设备Vicon系统对人体在不同摩擦地面上的行走信息进行运动信息的采集，它因为具有捕捉精度高、穿戴安全、快速、方便等诸多优点而被广泛应用于科学研究领域。Vicon是一套具有12个基于视频的红外摄像机组成的运动捕捉系统，采样频率是120帧/秒。

2.3 实验设计

为了研究不同摩擦地面对人体行走稳定性的影响，实验设计了4组不同摩擦地面，分别为：塑料地毯 （5m×1.2m×11mm），塑胶地板（5m×1.2m×4mm），木地板（4.88m×1.22m×9mm）和洒水的白色PP板 （4.88m×1.22m×9mm）。这四种地面的静摩擦因数分别为：0.592（FPC），0.502（PF），0.494（TF）和0.345（PP）。

所有受试者均被要求在试验之前做5分钟的热身运动，并且所有的受试者均穿同款鞋子。在试验过程中，每个受试者都采用Vicon系统53点模型来粘贴反光标记点。实验中分别将53个反光标记点按照骨骼模型粘贴在相应的骨骼关节点。

实验过程中，每个受试者均按照随机的顺序分别走在4种地面材料上，并将随机顺序记录，以减小固定行走顺序对实验结果造成的影响。

3 数据处理

将Vicon运动捕捉到的数据库导入到Blade1.7进行三维重建，导出人体运动过程中标记点的三维空间坐标。使用MATLAB计算步态参数和数据分析。此处定义步长是人体行走过程中同侧脚跟（或者脚尖）两个相邻落地姿态之间的距离。步高被定义为在摆动期脚离开地面最高的距离。步态周期被定义为同侧足跟两次着地之间所用的时间。下肢关节运动角度根据以下十三关节人体模型进行计算，如图1所示。由于人体的运动主要体现在矢状面内，所以本文对人体行走过程中姿态的分析主要是在矢状面内进行的。本文对下肢关节运动的研究均只研究了一个行走周期。

为了研究摩擦地面对人体稳定性的影响，本文使用单因素方差分析的统计学方法对数据进行分析，统计显著性在P

4 结果和讨论

人体在行走过程中步态参数受地面摩擦程度的影响变化情况如表1所示。由于每个人的形体测量学数据有所不同，会对数据的分析造成影响，本文研究步长时对于脚长做了归一化处理。由表1可以发现，随着摩擦因数的减小，为了降低摔倒的风险人体会通过减小步长来维持自身的稳定性（P

在不同摩擦程度的地面上行走时，人们必须做出合适的调整以适应地面状况，以保证自身身体平衡和稳定。经过实验拟合出人体行走步长与地面摩擦因数的关系如图3所示。在地面摩擦因数为0的时候，由于脚c地面之间没有摩擦力使得无法迈开脚步，此时步长为0。当地面越来越粗糙时，人体敢于迈开越来越大的步子走路，自身的稳定性也比较好调节，但是当摩擦因数增大到超过一定阈值时，人体依靠脚掌与地面间的摩擦力已经足够维持自身稳定，受自身身体构造限制不能再增加步长，因此当摩擦系数增大到一定程度时，人体步长趋向于一个常数不再改变。

Hanson等人的研究表明鞋与地面之间的摩擦因数比较低时会引起在行走过程中的牵引损失导致摔倒。当受试者走在不同摩擦程度地面上时下肢关节的运动情况也有所变化。从图4可以看出，当受试者行走在最粗糙的地面上时，髋关节的活动范围最大，摆动期较长，行走在最光滑的路面（PP）时支撑期较长，且活动范围也最小，说明人们为了安全行走，降低自己摔倒的风险迈开步伐也比较谨慎，腿部动作有所减小。Bertram等人的研究表明人们在行走过程中通过保持一个最佳的步态模式来减小下肢关节做功。

5 结语

人体在行走过程中姿态会受到地面摩擦程度的影响，随着地面摩擦因数的降低，人体会通过减小步长、增加步态周期以及减少步高、合理调节下肢关节的活动角度等措施来增强自身的稳定性。人体行走时的步长随着地面摩擦程度的增大而增大，当步长超过肢体能够承受的最大值时就会导致步态失稳现象。

参考文献

[1]乔晓晓.人体行走运动与行走姿态的影响[J].产业与科技论坛，2016，15（5）：63-64.

[2]TINET TI M E ， WILLIAM S C S .The effect of falls and fall injuries on functioning in community-dwelling older persons[J].J Gerontol A Biol Sci Med Sci，1998，53（2）：112-119.

[3]Alexandra S， Voloshina， Arthur D. Kuo， Monica A. Daley and Daniel P. Ferris. Biomechanics and energetics of walking on uneven terrain. The Journal of experimental biology. 2013，3963-3970.