行之患：直立行走的耦合共振工作原理

“通过耦合共振实现低能耗”是地球上动物界乃至生物界物种演化及进化时必须遵守的基本规律。耦合共振系统是一个储能低耗的运动系统。在运动过程中，能量进行动势能形式转换实现运动，这个过程能耗较低。现在，各国积极研发的各种仿生机器人只要满足此工作原理，就可以携带小容量电池长时间工作，具有更大实用价值，尤其可运用在复杂的军事领域，这也是其研制的先进性及难点所在。直立行走条件下的耦合共振方式不同于树林间双臂振浪飞摆双臂的方式，双臂振浪飞摆是人体与树枝间形成耦合共振，而直立行走是人体不同部位间形成耦合共振，当然，如果人体走在弹性木板或地板上，则是人体各个部位间与木板间实现耦合共振。

人体是通过韧带肌肉将骨骼连接起来，形成垂直罗列，由骨骼提供支撑，各个相邻骨骼间为可运动的关节结构，附着不同骨骼间的肌肉提供运动动力，关节连接机构为铰链结构，控制相连骨之间空间相对活动轨迹。这些结构为人体实现复摆创造了硬件基础。另外，神经系统通过控制肌肉运动及紧张度，为复摆运动提供软件基础。因此，可以构想出人体结构多个单摆串联及并联的组合，这些单摆我们一一道出：以髋关节为上级支点及膝关节下级支点的二级下肢串联单摆，以足底为支点的倒立的单级下肢单摆，以一侧髋关节为支点的骨盆单摆，以骶椎一维支点的脊柱十二级串联单摆组成的弹簧棒，以脊柱为支点的肩胸部单摆，以肩关节为支点的、肘关节为铰链的二级上肢单摆，以头颅为支点的颈椎多级串联摆。

直立行走中的耦合共振工作原理具体如下：

（一）起步阶段分为系统蓄能阶段及系统能量转换阶段

1.系统释能或蓄能阶段

将单摆置于势能释放状态或者成为最大状态。具体形态：相应的肌肉链收缩屈髋致小腿自然下垂，足离地，同时由于支撑侧的股骨颈前倾角，摆动侧骨盆自然向前旋转，并呈现前下倾斜趋势，产生势能释放趋势；骨盆以支撑侧为支点，向摆动侧倾斜，整体脊柱向支撑侧轻度弯曲变形，重心维持在支撑侧支撑足面上，使肩部没有倾斜或者支撑侧倾斜，双侧上肢没有高度差或者摆动侧低，头部重心不变，头颈部向支撑相侧方倾斜。

如果行走的跨步长度加大，髋关节屈曲度加大，足离地高度增加，骨盆向支撑侧倾斜，增加骨盆向摆动侧前下倾斜的势能。脊柱向支撑侧倾斜，同时，摆动侧上肢也相应降低。倾斜可能使头部重心不变，而颈部具有柔韧性，故产生以头部为相对性支点，颈部向支撑侧摆动。

2.系统势能向动能转换及继续系统蓄能阶段

身体重心前移下落，势能向动能转换。具体形态：（1）以支撑侧髋关节为支点，摆动侧骨盆向前内下摆动，产生摆动速度，如果支撑侧阔筋膜张肌收缩，则加速骨盆摆动角速度。（2）骨盆摆动带动摆动侧下肢向前内下摆动，产生摆动速度，如果屈髋部肌群收缩，则加速下肢向前摆动速度，而股前肌群收缩加速小腿向前摆动，进一步提高下肢向前摆动速度。（3）同时，以支撑侧踝关节为支点，支撑侧伸直位下肢倒立单摆向前下摆动，产生摆动速度，支撑侧小腿后肌群收缩时足蹬地，加速支撑侧下肢及骨盆躯干向前摆动。（4）同时，带动躯干向前移动，侧弯凸向支撑侧脊柱复位，产生复位速度，并以头为支点向支撑侧扭转，产生扭转速度，如果支撑侧腹内斜肌收缩，则加速扭转加速度。（5）脊柱扭转导致支撑侧肩部后移，抵销躯干前移速度，而支撑侧上肢因躯干带动继续前移，故产生以支撑侧肩关节为支点向前自由摆动，如果支撑侧上臂前屈肌肉收缩，加速上臂前摆角速度，同时曲肘肌肉收缩，加速前臂屈曲，加速上臂前摆速度。（6）摆动侧肩部叠加躯干前移速度，导致摆动侧肩部前移速度大于摆动侧上肢因躯干前移带动的速度，故产生摆动侧上臂以肩关节为支点后摆，产生相对后摆速度，如果摆动侧上肢后伸肌肉收缩加速后摆角速度，同时上臂后侧肌肉收缩导致前臂加速伸直，也进一步导致上臂后摆速度加速。（7）向支撑侧摆动颈部以头部为支点向摆动侧摆动复位，并有摆动速度。

（二）步行阶段为系统能量方式转换阶段(www.xing528.com)

1.系统动能向势能转换及系统继续蓄能阶段

身体重心前移上升，动能向势能转换。具体形态：（1）以具备最大落地速度支撑足为支点，支撑侧伸直的下肢圆弧形摆动到垂直地面位，身体重心升至最高位时具备最大的势能，如果相应肌肉链收缩加速踝关节跖曲，也加速支撑侧向前摆动角速度。（2）同时，骨盆也以支撑侧髋关节为支点向前水平及支撑侧倾斜摆动，使骨盆及身体重心高度到最高位，身体动能转换为势能。如果相应的肌肉链作用于骨盆，则收缩加速骨盆倾斜角速度，缩短到最高位的时间。（3）以抬高的摆动侧髋关节为支点，大腿向前摆动，膝关节逐渐屈曲至大腿垂直地面，摆动侧小腿以膝关节为支点达到摆动最高位，如果摆动侧小腿后肌群收缩时足蹬地，则加速摆动侧下肢及骨盆躯干向前摆动角速度，缩短达到骨盆倾斜最高位时间。（4）具有前移速度的骨盆倾斜带动脊椎变形为向支撑侧弯曲，同时前移升高的向摆动侧扭转的脊椎向支撑侧反向扭转复位为无扭转，如果脊柱相关肌肉链收缩带动摆动侧扭转的脊柱，则反向支撑侧扭转复位。（5）向支撑侧倾斜的脊柱带动肩部向支撑侧倾斜，使肩部带动颈部以头部为支点向支撑侧摆动，如果肩部倾斜相关肌肉链工作加速肩部倾斜摆动角速度，则缩短达到最大倾斜角的时间。（6）相对脊椎向后转动的支撑侧肩部，同时复合肩部向支撑侧倾斜，导致肩部及上肢下落至最低点，致使自由串联吊摆的支撑侧上肢继续向前摆动，使自由串联吊摆的支撑侧上肢相对躯干产生正速度差，使支撑侧上肢产生以支撑侧肩关节为支点的向前摆动，即支撑侧上肢的势能转换为动能，如果肩部前屈肌肉链收缩，则导致前屈加速度加大。（7）相对脊椎向前转动并向支撑侧倾斜使得扭动的摆动侧肩部及上肢抬高，使前移的自由串联吊摆的摆动侧上肢产生负速度差，使自由串联吊摆的摆动侧上肢产生以摆动侧肩关节为支点的向后摆动，即自由串联吊摆的摆动侧上肢的动能转换为势能，如果肩部后伸肌肉链收缩，则产生后伸加速度。（8）同时，向无倾斜的颈部以头部为支点向支撑侧摆动倾斜。

2.系统势能向动能转换及系统继续蓄能阶段

身体重心前移下落，势能向动能转换。具体形态：（1）以支撑侧髋关节为支点，摆动侧骨盆向前内下摆动，产生摆动速度；如果支撑侧阔筋膜张肌收缩，则加速骨盆摆动角速度。（2）骨盆摆动带动自由串联吊摆的摆动侧下肢向前内下摆动，产生摆动速度；如果屈髋部肌群收缩，加速下肢向前摆动速度，而股前肌群收缩加速小腿向前摆动，进一步提高下肢向前摆动速度。（3）以支撑侧踝关节为支点，支撑侧伸直位下肢倒立单摆向前下摆动，产生摆动速度，支撑侧小腿后肌群收缩时足蹬地，加速支撑侧下肢及骨盆躯干向前摆动。（4）带动躯干向前移动，侧弯凸向支撑侧脊柱复位，产生复位速度，并以头为支点向支撑侧扭转，产生扭转速度；如果支撑侧腹内斜肌收缩，则加速扭转加速度。（5）脊柱扭转导致支撑侧肩部后移抵销躯干前移速度，而支撑侧上肢因躯干带动继续前移，故产生以支撑侧肩关节为支点向前自由摆动；如果支撑侧上臂前屈肌肉收缩，加速上臂前摆角速度，同时曲肘肌肉收缩，加速前臂屈曲，加速上臂前摆速度。（6）摆动侧肩部叠加躯干前移速度，导致摆动侧肩部前移速度大于摆动侧上肢因躯干前移带动的速度，故产生摆动侧上臂以肩关节为支点后摆，产生相对后摆速度；如果摆动侧上肢后伸肌肉收缩加速后摆角速度，同时上臂后侧肌肉收缩导致前臂加速伸直，也进一步导致上臂后摆速度加速。（7）向支撑侧摆动颈部，以头部为支点向摆动侧摆动复位，并有摆动速度。

3.止步阶段分为系统耗能阶段

具体形态：（1）以支撑侧髋关节为支点，摆动侧骨盆向前内下摆动，产生摆动速度，如果支撑侧阔筋膜张肌收缩，加速骨盆摆动角速度。（2）骨盆摆动带动摆动侧下肢向前内下摆动，产生摆动速度，伸髋肌群收缩，降低前摆大腿角速度，屈膝肌群收缩，降低伸膝前摆小腿的角速度。（3）以支撑侧踝关节为支点，支撑侧伸直位下肢倒立单摆向前下摆动，产生摆动速度，支撑侧踝关节背屈肌群收缩时足蹬地减弱，减低支撑侧下肢及骨盆躯干向前摆动角速度。（4）带动躯干向前移动，侧弯凸向支撑侧脊柱复位，产生复位速度，并以头为支点向支撑侧扭转，产生扭转速度。（5）脊柱扭转导致支撑侧肩部后移抵销躯干前移速度，故产生以支撑侧肩关节为支点向前自由摆动角速度减低落下。（6）摆动侧肩部叠加躯干前移速度减低，导致摆动侧肩部前移速度等于摆动侧上肢因躯干前移带动的速度，故产生摆动侧上臂以肩关节为支点，产生相对后摆角速度降低。（7）向支撑侧摆动颈部，以头部为支点向摆动侧摆动复位，并有摆动速度。

（三）直立行走中的稳定原理探讨

1.身体重心维持于支撑侧足底部，静止站立时，保持人体重心位于双足平衡面内；而行走时，维持重心与在支撑足的范围内由前向后移动。

2.通过陀螺原理保持行走稳定时，以支撑侧髋关节为圆心，摆动侧下肢向前摆动，躯干相对向后，形成陀螺稳定机制；同时，躯干以脊椎为中轴的左右摆动以及双臂相对前后摆动，都是形成陀螺原理产生人体向前位移的稳定性。