着陆动作的运动学

6.1.2.1 参数定义和分析

本研究对着陆反跳动作的第一次主动着陆过程和被动着陆动作的着陆过程进行比较，将着陆过程分为触地瞬间和缓冲期。其中，髋关节中心下降到最低点定义为缓冲期完成。运动学数据采用巴特沃斯二阶双向低通滤波器滤波，截止频率为7Hz，并通过V3D软件中的模型数据进行计算。选取指标包括刚触地时髋、膝、踝关节的角度（θ0）以及三关节角速度（ω0）。缓冲期，下肢三关节最小角度（θmin）、下肢三关节最小角速度（ωmin）、三关节角度变化量（Δθ）、下肢垂直长度变化量（ΔL）和下肢刚度（kleg）。其中，下肢刚度表达式为Fzmax/ΔL，其中Fzmax为垂直地面反作用力最大值。其中下肢关节角度定义如下（图6-1）。采用双因素（着陆×高度）重复测量方差分析观察两种下落动作的运动学参数，其中显著性水平α设为0.05。

图6-1 着陆时髋（θh）、膝（θk）、踝（θa）关节的角度定义

6.1.2.2 比较结果

如图6-2所示，为一名典型受试者从45cm高度主动着陆和被动着陆时下肢三关节角度、角速度和下肢垂直长度变化趋势图。如表6-1所示，三种高度条件下落的触地瞬间，主动着陆相比于被动着陆，髋关节和膝关节的关节角显著度减小，角速度明显增大。缓冲期时，主动着陆时的髋关节和膝关节的最小角度更小（P＜0.05），三种高度条件下，主动着陆时AL的膝关节的最小角速度更大，而膝关节在30cm和45cm高度着陆时最小角速度较大，呈现显著性差异。同时，缓冲期，主动着陆时的髋关节和膝关节的关节角度变化量显著大于被动着陆时，踝关节仅在30cm主动着陆时明显大于被动着陆时。同样在主动着陆反跳情况下的下肢垂直长度变化量也显著增加。主动着陆时下肢刚度均显著小于被动着陆时（P＜0.05）。

图6-2 从45cm高度主动着陆和被动着陆时下肢三关节角度、角速度和下肢垂直长度变化

6.1.2.3 不同着陆模式的运动学差异

在触地瞬间，主动着陆时的髋关节和膝关节的角度明显小于被动着陆时相应数值，而其角速度显著大于被动着陆时的数值，下肢髋关节和膝关节在主动着陆时表现出更大的屈曲动作。在缓冲期，主动着陆也表现出了三关节角度变化量、下肢垂直长度变化量更多，且表现出更小的下肢刚度。

主动着陆的主要任务是在触地瞬间通过主动屈膝屈髋进行缓冲，从而降低下肢各关节受到的冲击力。在此过程中，膝关节和髋关节相对应肌肉的做功增加，即表现为吸收更多的能量。由于更大角度的屈膝屈髋，使得缓冲阶段需运动更长的距离，使得起跳获得更大的能量。Shultz等人[6]的主动着陆反跳实验结果也证实了如上观点，并认为主动着陆反跳吸收的能量可能是为随后的起跳做准备。被动着陆的主要任务是通过调节身体姿势，进而维持姿势稳定性。由于人体姿势控制的不足，可能无法像主动着陆反跳时迅速主动的屈膝屈髋，因此表现为更小的屈曲角度和角速度。从运动控制角度出发，人们在被动运动的情况下感觉输入信号会进行重新组织，从而影响运动技能的表现。Santello等人[7]对比研究睁眼主动着陆和闭眼被动着陆动作中发现，主动着陆时下肢三关节的最大转动角度显著大于闭眼着陆。这与我们的发现也十分相似，即主动着陆时缓冲期三关节角度变化量显著性大于被动着陆时。人体在下落过程中通过视觉可以判断下落高度和下落时间，为触地后控制关节运动做准备。而这种预判，来源于生活中重复的下落运动[7]。尽管这种重复的动作可以弥补被动触地情况下的控制，但是本体感觉和前庭功能并不能完全替代视觉采集的信息，这也就使得在被动着陆情况下，运动模式发生了重组。因此本实验中由于受试者在被动着陆时，感觉系统输入信号的改变，包括部分反馈时间的缺失，使得下肢通过主动或被动地调整相应的运动学来维持受冲击后的稳定。

另一方面，被动着陆时较小的髋、膝关节屈曲角度和角速度，可以使得人体肌肉系统吸收的动能减少，但也因此增加了作用于身体其他组织的冲击应力。可见冲击力的衰减和吸收，与运动学数据有很大的关系。这说明在主动着陆时，人体有意识的调整下肢着陆角度，及下肢三关节的角度变化量，尤其是起主要作用的髋关节和膝关节，为了更好的缓冲因着陆而产生并传递至人体的冲击力。此外，主动着陆组的下肢刚度明显小于被动着陆组。根据腿刚度的计算方法，其刚度大小与最大垂直力和小腿长度的垂直变化相关。在上述结果中，主动着陆时下肢垂直长度的变化显著性大于被动着陆时，且主动着陆时的冲击力峰值也显著小于被动着陆时，这种差异与上文提到的运动学的变化相类似。然而，下肢刚度的增加会导致负载率的增加，进而会使下肢承受的冲击更大，这些变量的增加会加大骨骼受损的风险，如膝骨关节炎和骨裂等损伤。