以往的步态研究主要集中在下肢部分，对上肢摆动的关注很少。上肢在步态研究中没有受到重视的一个原因是，人们对上肢摆动存在错误的认识:步态运动靠下肢支撑躯体并且提供推动力，人体在行进的过程中，上肢可以同时进行摆动以外的许多其它行为动作（如提包、挥手等），摆臂似乎不是正常步态运动的必需组成部分，它看起来是一个“成本昂贵”的习惯。而上肢摆动是人类进化的产物，其存在对步态运动必然起重要作用，鉴于此，本文研究与上肢摆动作用和协调规律相关的若干问题，主要包括如下几个方面:　　第一，研究摆臂对步态模式的影响。采集12位实验对象约束（双臂交叉于胸前）和正常摆臂步态的运动数据，步态包括定速和变速两部分。计算定速步态的关节运动学和时空参数，以及变速步态的模式优选转换速度。统计分析发现，约束摆臂导致步长、躯干前倾角、步态模式优选转换速度显著减小，而步宽、头部和躯干转动幅度、摆动相踝关节背屈角加速度显著增大。由此得出结论:上肢摆动对步长、步宽、躯干转动幅度和前倾角、头部转动幅度、步态模式优选转换速度有影响。　　第二，研究摆臂对步态动态稳定性的影响。用标准嵌入法对躯干位移时间序列（数据来源于第一部分实验）作空间重构，分别用最大Lyapunov指数和最大Floquet乘子评价步态的局部和轨道稳定性。比较两种步态在前后、内外侧和竖直向的最大Lyapunov指数和最大Floquet乘子，发现约束摆臂导致两参数在前后、内外侧向显著增大，而竖直向没有显著变化。由此得出结论:上肢摆动具有保持步态局部和轨道稳定性的作用。　　第三，研究摆臂对质心振幅和步态对称性的影响。测量10位年轻人约束和正常摆臂步态的地面反力，由此计算质心轨迹，并作谐波分析、计算质心振荡幅度和步态对称指数。t检验发现，约束摆臂导致质心在内外侧、竖直方向的振幅显著增大，而在此两方向的对称指数显著减小。由此得出结论:上肢摆动具有减小质心内外侧和竖直向振荡幅度、保持步态对称性的作用。　　第四，研究上肢协调模式变异与步态速度的关系。采集30位年轻人和20位老年人的步态运动数据。计算上臂-上臂、上臂-前臂、前臂-前臂的连续相对相位变异，通过双因素方差和t检验分析发现:行走过程中上肢连续相对相位变异在行走优选速度周边最小，跑的上肢协调变异大于走，上肢协调变异在步态模式转换之前和之后几乎没有显著变化。由此得出结论:上肢协调模式在行走优选速度具有最小的行为变异性特征，HKB模型不适用于步态中上肢协调模式变异建模。　　第五，建立上肢摆动物理模型和数值计算模型，用于预测优选步频。上肢摆动的物理模型为复摆和理想双摆，数值计算模型为人工神经网络。测量39位年轻人的步态优选速度和步频。理论分析和实验验证发现，理想双摆模型预测优选步频不可行。实验验证发现，经过修正后的复摆模型预测精度高于数值计算模型。由此得出结论:修正后的复摆模型是预测行走优选步频的最佳模型。　　第六，提出一种基于肌肉力学、生理模型和优化协调规律的肌肉力计算方法。方法包括两步优化:第一，优化肌电-力模型系数，并由此预测肌肉力;第二，用第一步的预测结果构造约束，进一步优化肌肉力。应用此方法计算步态中肘关节肌肉力，并与简化的肌电-力方法和传统的优化方法比较。新方法能够预测对抗肌肌肉力，力学平衡性高于简化的肌电-力方法，而肌电信号相关性高于传统的优化方法。由此得出结论:新方法克服了原有方法的部分缺点，改进了动态运动中的肌肉力计算。　　总的来说，文章从作用与协调规律两个大方面对上肢摆动进行了研究，解决了几个与步态中上肢摆动相关的关键问题，对步态运动特别是上肢摆动有了更进一步的认识。