4.生物运动学

生物运动学－运动动作的分类
固定动作 不固定动作 单一动作 静力性动作 动力性动作 周期性组合动作 非周期性组合动作 混合性组合动作 平移动作 转动动作 复杂动作
动作
组合动作
静力性动作 身体处于静止状态时的动作，如起跑准备、体操落地 对静力性动作分析的重点是研究其重心、平衡和稳定性 平衡分稳定的平衡、不稳定的平衡和临界平衡三个状态 周期性组合动作的特点 动作的反复性和连贯性 动作的节奏性 动作的交叉性 周期性动作，如跑步、游泳、 速度滑冰等
生物运动学－运动动作分析
运动动作的结构分析
对动作结构的分析就是分析在各个力的相互作用下，该动作的形式、外貌、 性质以及它与前后动作之间的关联。通常包括：
运动学分析：对动作的时间和空间演变规律的分析
a. 矢状面上的轨迹
b. 水平面上的轨迹
人体坐标系
人在跑步时总重心移动轨迹
生物运动学－运动动作分析
运动动作的生理学分析
各种运动是按主观意志进行的，主观意志包括现实的考虑以及过去长期积 累在大脑记忆系统中形成的程序 在力所能及的情况下，动作的客观效果一般可以满足主观意志的要求 由于骨骼肌是在神经系统的控制下完成动作的，所以神经系统对动作的完 成和质量都起着决定性的作用
随意运动是以各种各样的刺激所引起的感觉为开始，以脑的活动为中继，以 肌运动为终结的一种反射活动。随意运动是后天获得的条件反射，而且可以 通过不断的训练得以提高。
生物运动学－爬行运动分析
爬行运动的形态学
蛇爬行运动的三种主要身体形态：
以三角波和弧形 波（复合曲线） 运动时，肌的收 缩和松弛运动的 变化率不连续 以正弦波模式运 动时，需要相当 复杂的肌收缩运 动
(a)滑动时身体运动曲线 (b)沿身体轴的肌收缩情况
生物运动学－小结
通过对生物体运动学的系统分析，为我们设计、再 现仿生系统的运动功能提供了理论依据。
生物运动学
运动动作分析
运动动作的分类
人体动力学分析
跳跃运动分析
步行运动分析
爬行运动分析
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生物运动学－概述
研究对象：生物体（主要指动物）的宏观运动 研究方法： 把解剖学、生理学和力学结合起来，研究生物运动的空间 特征和时间特征，分析这些特征与生物体的内力、外力、 能量和功率之间的关系。 生物运动学是一门古老而年轻的学科 高速摄影技术和计算机技术的发展和普遍使用，有力地推 动了生物运动学的研究 使生物运动分析从定性转向定量成为可能 研究目的：通过对生物体运动学的分析，从中得到启发，继 而为创造仿生系统以及肌和神经系统的康复治疗奠定基础。
动力学分析：动物体各部分运动时，力与速度、加速度之间的关系 功率分析：动物体在运动过程中会消耗大量的功率，以跑步为，其 功率消耗包括如下几个方面：克服地面摩擦和克服空气阻力要消耗 的功率；加速时克服惯性力的作用要消耗的功率；骨、肌、韧带之 间的摩擦也要消耗功率。
直接测定一个动物所发出的功率值 的确非常因难。不过人们知道，动 物的能量来自其自身化学能的消耗， 不管它吃什么样的食物，每产生单 位数量的化学能都要消耗大体上数 量相当的氧气。动物消耗的氧气来 源：吸入的氧和体内储存的氧。因 此，可以通过动物消耗氧气的总质 量来确定动物在长时间运动下的能 量消耗。按照耗氧情况可以推算出 动物功率—速度之间的关系。
生物运动学－步行运动分析
稳定性研究
不仅需要研究步态的时间特性，也需要研究步态的空间特性 研究发现：
多足低等动物在爬行移动过程中大部分足经常着地，借此保持其静态 稳定性 把足增大并在步行中适当地重叠足的着地时问，可保证四足或两足步 行仿生系统的稳定性（在走动玩具中常采用这种方式增加稳定性） 在自然界的行走动物中，其足往往小到可近似为一点。为了保证其低 速时的稳定性，其重心的垂直线经常落在由着地的足所确定的支撑面 内。 在高速运动时，无论是研究两足还是四足系统的稳定性问题，必须建 立步行系统的数学模型，考虑采用静态稳定性以外的机构（如：人在 跑步时手需要按一定规律摆动；动物奔跑时，尾巴需要采用一定的姿 态与奔跑运动协调）。
生物运动学－人体动力学分类
运动分析的目的 建立链式系统的运动控制方程，求解运动方程，解决如下问题： 已知力场，求出系统的运动规律（各点的位移、速度、加速度） 已知运动规律，求各部分的应力 已知一部分力（或应力）与运动规律，求另一部分力与运动规律 由于每个关节均被肌肉所约束，所以每个关节既能传递拉力和压力，也能传 递剪力和弯矩。 运动分析方法－拉格朗日(Lagrange)法 建立链式系统运动方程比较简单有效的方法是拉格朗日(Lagrange)法 对于15个运动单元构成的系统，可以得到48个方程所构成的拉格朗日方程 组：
Fj Fj* 0
j 1, , 48
广义惯性力
生物运动学－跳跃运动分析
人的四种跳跃运动姿态 仅有腿部动作的跳跃（姿态1） 前腿、臂同时动作下的跳跃（姿态2） 由腿、臂和上体三者同时动作下的跳跃（姿态3） 腿、臀、上体和脚都参加动作下的跳跃（姿态4）
生物运动学－跳跃运动分析
脚与地面间的相互作用力 在起跳过程中，脚与地面 间的相互作用力F是变化的 当此力为零时，意味着该 瞬间脚离开了地面 髋部力矩变化 在起跳过程中，在髋部因肌肉 猛烈收缩导致力矩的突然变化 姿态1的髋部力矩不需要考虑， 姿态2的髋部力矩很小
生物运动学－运动动作分析
运动动作分析的目的 探讨运动动作的机理（即动作产生的原因、动作过程和动 作的后果） 了解各种运动动作的规律 比较各种运动的差异和优劣 研究各种运动的发展规律及其运动的稳定性和适应性 为设计仿生系统的运动动作提供指导 运动动作的根本机理是：骨骼肌根据大脑指令产生收缩，在 收缩力和外力的共同作用下使动物产生特定的静止姿态或运 动状态，从而实现了在时间和空间上具有一定特点的运动动 作。 一个完整的运动动作分析包括三个方面的内容：即动作的结 构分析，动作的解剖分析和动作的生理分析。
生物运动学－跳跃运动分析
膝部力矩变化 在起跳时，由于膝部肌肉的猛烈收缩而在该部分也出现了力 矩的变化 此处力矩之所以有方向性的变化，是因为惯性力作用的结果
生物运动学－步行运动分析
目的：研究动物的步行姿态及其运动稳定性
步行姿态的研究方法：步行姿态的研究通常要借助高速摄像机， 通过连续记录的照片来分析、研究行进时足的起落顺序和步行 姿态
生物运动学－运动动作分析
运动动作的解剖学分析
各种运动都是通过肌协同动作实现的 对于肌能力的发挥，除了神经调节因素外，肌本身的形态和结构，肌与骨 之间的相对位置等都起很大的作用 肌的两端通过腱和骨相连，当肌收缩时，它所产生的拉力即通过腱传到骨 上，使骨发生运动并在运动过程中做功 骨相当于连杆，腱相当于接头，关节相当于绞链
d L L Fj j 1, , 48 dt x j x j
广义坐标
拉格朗日函数：系统动能与势能之差
广义力
方程中所有量均是相对全局 坐标系描述的
生物运动学－人体动力学分类
运动分析方法－凯恩(Kane)方法 凯恩(Kane)方法：可以避免拉格朗日法求导的困难 根据凯恩法，可以得到48个方程所构成的方程组：
生物运动学－爬行运动分析
爬行运动模式分类（以蛇为例）
螺旋状运动 直线运动 腹部运动 侧向运动
生物运动学－爬行运动分析
爬行运动模式的特点
一种几乎所有的蛇 都有的滑行运功模 式，其特征是在滑 动的过程中，身体 的每一部分都有相 似的运动轨迹。 一种大蛇(如 蝰蛇等)接近 猎物或滑过 光滑的表面 时所采用的 特殊滑行方 式 蛇在通过狭窄的直线通道或 放在极光滑的表面上时采用 的模式。在非常光滑的环境 中，用这种滑动模式需要很 大的推进力，因为此时推进 力的效率非常低。 生活在沙漠中的响尾蛇在滑行和像 螺线管似的抬起并推进身体时所采 取的滑动方式。在身体与滑过的表 面之间不产生滑行运动，它的动力 学特征是身体通常从上部接触地面， 因而它在诸如沙地的环境下运动时 的滑动摩擦阻力小，运动效率高。 这是一种能够适应沙漠环境的运动 模式。
人体作为生物系统的典型代表，研究人体动力学具有普遍的指导 意义。 计算模型
由于人骨十分坚硬，故在运动中可以不考虑它的变形而作为 刚体看待，关节则可看成铰链 人体可以简化为一个刚体－铰链系统 解剖学研究表明人体中可作为刚体看待的骨有81块： 头部(1）、颈椎(7)、胸椎—肋骨构架(1)、腰椎(5)、骶 椎—尾锥—骨盆构架(1)、肱骨(2)、尺骨(2)、挠骨(2)、 腕骨构架(2)、掌指骨(30)、股骨(2)、胫骨(2)、腓骨 (2)、跗骨构架(2)、跖趾骨(20) 这些骨通过关节连结起来成为一个链式结构，即一个具有有 限个自由度的系统
生物运动学－人体动力学分类
几何模型
根据汉纳番(Hanavan)的人体简化模型， 人体被分为15个(刚体)单元，通过14个铰 链连结起来
B1：椭圆形截面的柱体，代表上躯干 B2：椭圆形截面的柱体，代表下躯干 B3和B5：椭圆形截面的截锥体，代表上臂 B4和B6：椭圆形截面的截锥体，代表前臂 B7和B9：圆形截面的截锥体，代表大腿 B8和B10：圆形截面的截锥体，代表小腿 B11：椭球体，代表头部 B12和B13：椭球体，代表手 B14和B15：椭球体，代表脚 腰关节(A1)、肩关节(A2A3)、肘关节(A4和A5)、 髋关节(A6和A7)、膝关节(A8和A9)、颈关节(A10)、 腕关节(A11和A12)以及踝关节(A13和A14)
生物运动学－爬行运动分析
运动机构
日本学者Hirose把蛇看成是一种主动索状机构（Active Cord Mechanism） ACM借助自身的致动器完成弯曲运动 从运动学的角度，ACM与多关节操作系统相似 它的几何形状可以借助于向量分析或齐次变换来确定 它的运动学可以用诸如牛顿—欧拉方程来分析
爬行运动的形态学
动物针对所处的环境及不同的生理需要等会采用不同的标准运动模式，进 行有规则的运动 动物的运动形态是人类工程学(Ergonomics)中运动分析要研究的主要内容， 在设计仿生系统的运动规则时也需要重点研究 蛇体由彼此相连的200～400个椎骨组成，通过附着在关节上的致动肌使其 肌－骨架链产生左右弯曲运动
生物运动学－运动动作的分类
非周期性组合动作的特点 动作具有相对独立性 动作具有复杂性和稳定性 在各单一动作之间要有严密的人为联系
不固定动作的特点
它是各种复杂动作的任意组合 这种组合不是固定的，而是随时需要改变的
在整个运动过程中要求根据客观形式随时变化动作，而不能 按照预定的程序行事
生物运动学－人体动力学分类