Page 36 - 《摩擦学学报》2020年第4期

446 摩 擦 学 学 报 第 40 卷

由图5(b)、(c))可以看出，坡度为0°各个地板试样 负变正，表明此时的人体行走姿态发生明显变化. 这
在行走方向摩擦力的峰值大小没有明显差异，在脚跟 是由于在上坡行走时，人体重力在坡面上产生向后的

着地时出现的第一个峰值为负数表明摩擦力与行走 分量，而向后分量大于脚跟着地的向前冲量，从而使
方向相反，脚尖离地时出现的第二个峰值为正数表明 得制动期的地面反作用力与行走方向一致. 并且，脚
摩擦力与行走方向相同，脚尖离地的启动期所需要的 尖离地时出现的第二个峰值均大于脚跟着地时的第
摩擦力峰值略高于脚跟着地的制动期，制动期为 一个峰值，也证明了在上坡行走时脚尖离地的启动期
−80~−100 N、而启动期为90~120 N，表明水平行走时 所需要的摩擦力高于脚跟着地的制动期，从而更加容
启动期的行走滑摔风险略高于制动期. 当坡度增加到 易发生滑摔.
20°时，宽梯形地板的摩擦力约为340 N，高于其他地 图5(d)所示圆弧地板试样在不同坡度下行走方向
板的约280 N，这可能是在相同轮廓算数平均偏差和 的摩擦力差异较大，随着坡度的增大地板摩擦力也逐
表面粗糙度下，宽梯形地板在行走表面上的加工纹理 渐增大，且坡度为0°和5°时第一个峰值为负数，坡度
更多、接触面积更大，起到的横向阻隔和“钉扎”作用 增大到10°、15°和20°时第一个峰值变为正数，表明当
更大，因此有效摩擦系数也更高. 此外，当坡度增大到 坡度超过10°时人体的行走姿态已经发生改变，此时
20°时，各个地板在脚跟着地时的第一个峰值全部由 脚跟着地制动期的摩擦力与行走方向一致.

(a) 0° (b) 5° (c) 10° (d) 15° (e) 20°

Fig. 6 Pressure distribution of toe off during uphill:
图 6 上坡启动时脚底压力分布图
表 1 上坡启动期脚底压力分布值及步态参数 2
大，且近似相等，分别为57、54和51 cm ，但0°时的最大
Table 1 Foot pressures and gait parameters of toe off
2
压强仅有1 420 gr/cm ，明显低于5°和10°时的1 835和
during uphill
1 880 gr/cm . 当坡度增加到15°和20°时，脚掌与地面的
2
Gradient/ Area/ Pressure max / Step length/
Cadence/s –1 2
2
(°) cm 2 (gr/cm ) cm 接触面积急剧减小，分别只有44和40 cm ，最大压强明
0 57 1 420 67 1.54 2 [16]
显增大，分别达到1 990和2 015 gr/cm . McIntosh等
5 54 1 835 67 1.55
指出，在上下坡时人体会调整下肢动作以升高或降低
10 51 1 880 66 1.57
15 44 1 990 64 1.61 重心，使得地面反作用力的峰值位置和大小都发生改
20 40 2 015 64 1.52 [23]
变，变化幅度与坡度角度密切相关. 贾丽晓 也指出，
人体在上下坡时的行走姿态会随着坡度角的改变而
图6所示为上坡启动时的脚底压力分布，由于此
改变，倾斜角度较小时，行走姿态与平地接近，随着坡
时正处于脚尖即将离地的瞬间，此时只有前脚掌与地 度的增大，身体前倾程度变大，从而改变了重心与支
面接触，而后脚跟已处于空中，因此实际上只有前脚 撑脚的相对位置，使得压力分布随之变化. 因此，当倾
掌的压力分布，颜色越深表示压力越大，面积越大表 斜角度较大时，人体的行走姿态发生明显变化，坡度
示接触区域越大. 上坡启动时的压力分布面积和最大 越大，人体重心前移越多，脚尖离地时的压力越大，安
压强列于表1中. 全行走所需的必要摩擦系数越大，越容易引起滑摔.
由图6及表1可知，随着坡度的增大，上坡启动期 从表1显示的上坡启动期步态参数还可以看出，
脚掌与地板的有效接触面积逐渐减小，接触区域逐渐 随着倾斜角度的增大，人体会缩短步长并减小步频，
集中，并往脚尖位置转移，最大压强增大. 坡度为0°、 由坡度为0°和5°时的67 cm步长，缩短到坡度10°时的
5°和10°时，上坡启动期的前脚掌与地面接触面积较 66 cm，坡度15°时进一步缩短到64 cm，而步频也由