第四章运动控制与步态
四足运动控制课程设计
四足运动控制课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能够理解四足动物的运动原理，掌握四足机器人的基本结构及其功能。
2. 学生能够描述四足运动控制的基本算法，并了解其在实际应用中的优势。
3. 学生能够解释步态生成与调节的基本方法，并分析不同步态对运动性能的影响。
技能目标：1. 学生能够设计并搭建简单的四足机器人模型，进行基本的运动控制实验。
2. 学生通过编程实践，掌握四足运动控制的基本技巧，实现对四足机器人的速度、方向和步态的有效控制。
3. 学生能够运用所学知识，针对特定场景提出四足机器人的优化方案，解决实际问题。
情感态度价值观目标：1. 学生通过课程学习，培养对机器人科技的兴趣和好奇心，激发创新意识。
2. 学生在团队协作中学会沟通与交流，培养合作精神和集体荣誉感。
3. 学生能够认识到四足运动控制在灾害救援、环境监测等领域的应用价值，增强社会责任感。
课程性质：本课程为实践性较强的综合课程，结合了机械、电子、计算机等多学科知识。
学生特点：六年级学生具备一定的逻辑思维能力和动手能力，对新鲜事物充满好奇心。
教学要求：注重理论与实践相结合，关注学生个体差异，提高学生的动手实践能力和创新能力。
通过课程目标的分解与实现，使学生在知识、技能和情感态度价值观方面得到全面提升。
二、教学内容1. 四足动物运动原理：介绍四足动物的运动特点、步态分类及运动学参数。
- 教材章节：第二章“四足动物运动学基础”2. 四足机器人结构与功能：讲解四足机器人的基本结构、驱动方式和传感器应用。
- 教材章节：第三章“四足机器人结构与设计”3. 四足运动控制算法：学习四足运动控制的基本算法，如PID控制、模糊控制等。
- 教材章节：第四章“四足运动控制算法与应用”4. 步态生成与调节：分析四足机器人步态生成与调节的方法，以及不同步态对运动性能的影响。
- 教材章节：第五章“步态生成与优化”5. 编程实践：利用Arduino、Python等编程语言，实现四足机器人的运动控制。
步态分析
步态分析步态分析一、概述行走是人体躯干、骨盆、下肢以及上肢各关节和肌群的一种周期性规律运动，步态是指行走时人体的姿态，是人体结构与功能、运动调节系统、行为以及心理活动在行走时的外在表现。
正常的步态有赖于中枢神经系统以及骨骼肌肉系统的正常、协调工作，当中枢神经系统或/和骨骼肌肉系统因疾病或损伤而受到损害时，就有可能出现步态的异常。
步态分析是利用力学的概念和人体解剖、生理学知识对人体行走功能状态进行对比分析的一种生物力学研究方法。
（一）步态分析步骤1、描述研究对象的步态模式和步态参数，并与正常步态进行比较找出其差异；2、分析出现差异的原因，研究产生异常步态的机制；3、确定改善步态的治疗方案，包括步态训练的方法、假肢或矫形器的装配、助行器的选择。
（二）步态分析方法1．运动性步态分析对步行的运动模式或步行时身体节段间的相关进行描述，此类分析既可定性也可定量，临床上应用简单，易于开展，后面将详细介heel off，HO terminal stance足尖离地支撑腿仅剩足尖着地摆动前期从对侧下肢开始着地到支撑腿足趾即将离地的阶段toe off，TOPre-swing摆动相加速期从支撑腿足尖离开地面摆动到身体下方的一瞬间摆动初期由足尖离地以后到摆动腿膝关节屈曲到最大限度为止acceleration，ACCinitial swing摆动中期摆动腿刚好在身体的正下方摆动中期由膝关节屈曲到最大限度继续向前摆动到胫骨与地面垂直mid-swing，MSWmid-swing减速期摆动腿继续向前摆动，减速准备足跟着地的瞬间摆动末期由胫骨与地面垂直开始直到再次开始着地之前deceleration，DEC terminal swing（三）步态参数1、步长从一侧足跟着地处至另一足足跟着地处之间的线性距离，以cm为单位，正常人约为50~80cm。
2、跨步长同一腿足跟着地处至再次足跟着地处之间的线性距离，以cm为单位，正常人跨步长是步长的两倍，约为100~160cm。
康复治疗步态训练
效果
定义
强制性运动疗法是一种通过限制或强制使用患肢来刺激神经和肌肉，促进运动功能恢复的康复石膏或绷带来限制患肢的活动，同时进行其他运动练习和肌力训练。
效果
强制性运动疗法可以有效促进患肢的运动功能恢复，提高生活质量。
适应症
强制性运动疗法适用于因神经系统疾病导致肢体瘫痪或运动障碍的患者。
辅助步态训练
辅助步态训练是一种借助辅助器具或康复设备进行的步态训练方法。
定义
辅助步态训练适用于因疾病、创伤或神经系统疾病导致步态障碍的患者，特别是那些需要额外支持或矫正的患者。
适应症
辅助步态训练通常使用助行器、矫形器或其他康复设备来帮助患者进行步行练习。
方法
辅助步态训练可以有效改善患者的步行能力和自信心。
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跨学科团队
多学科合作与跨领域交流
组织定期的交流研讨会，让不同领域的专家分享最新的研究成果和实践经验，促进跨领域合作与交流。
定期交流与研讨会
与相关机构和组织建立合作关系，共同开展步态训练的相关研究和实践活动，推动康复治疗领域的发展。
建立合作机制
06
相关文献和进一步阅读建议
经典文献1
该文献对步态训练的方法和技巧进行了详细阐述，并强调了康复治疗师在步态训练中的重要作用。
2023
康复治疗步态训练
contents
目录
步态训练简介步态训练的生理学基础步态训练的技术和方法步态训练的应用和实践步态训练的挑战和未来发展相关文献和进一步阅读建议
01
步态训练简介
步态训练是一种康复治疗方法，旨在改善患者的步行能力、平衡和姿势控制。
定义
通过训练患者的肌肉、关节和神经系统，提高其步行效率和安全性，同时减少与步行相关的疼痛和不适。
运动技能学习与控制（作业）解析
第一章1.简述运动技能的四个特征（1）指向目标，即动作技能都有操作目标；（2）动作技能的操作具有随意性；（3）动作技能需要身体、头、和/或肢体的运动来实现任务目标；（4）为了实现技能的操作目标，需要对动作技能进行学习或再学习；2.在金泰尔的分类法中，动作技能分类的两个纬度分别是什么？（1）操作的环境背景特征：①调节条件②尝试间变化（2）表征技能的动作功能：①身体定向②操纵3.在金泰尔的分类系统中调节条件是指什么？调节条件是指技能操作中必然存在并影响操作者运动特征的环境背景。
第二章1.什么是操作结果测量、操作过程测量？两者的差异？根据两者测量的方法举出三至四个运动教学中运动技能测量的例子。
（1）操作结果测量：指为了说明动作技能操作结果而进行测量。
（2）操作过程测量：为了说明在动作操作过程中运动控制系统某些方面的操作状态而进行的一种动作技能操作测量。
差异：①操作结果测量没有提供产生操作结果前肢体或身体行为的任何信息；②没有关于运动过程中参与工作的肌肉系统的活动信息；举例：操作结果测量：①一英里跑或打一个字所用的时间；②从发令枪响到起跑动作开始的时间；③垂直纵跳的高度；操作过程测量：①动作过程中肢体经过的高度；②动作过程中肢体运动速度；③运动中加速或减速的模式；2.简述简单反应时、选择反应时和辨别反应时及区别。
（1）简单反应时：指测试情景中只包含单一刺激并要求被试者做出单一反应动作，这时所测的反应时称为简单反应时。
（2）选择反应时：指测试情景中包含两个或两个以上的信号，每个信号需要特定的反应形式，这时测得的反应时为选择反应时。
（3）辨别反应时：指测试情景中包含两个或两个以上的信号，但被试者只需对其中的一个做出反应，对其他信号不做反应，这时测得的反应时为辨别反应时。
区别：①从刺激信号的数量来判断是不是简单反应时；②从做出的反应的信号数量来判断是不是辨别反应时。
3.将反应时分段的含义是什么？（1）在刺激信号发出和肌肉活动开始之间存在一个时间间隔，这个间隔便是反应时的第一部分，称为前动作时（pre-motor time）；（2）第二部分是从肌肉活动增加到外显肢体动作真正开始之间的时距，称为动作时（motor time）。
落足特征的基本步态
落足特征的基本步态1.引言1.1 概述概述：步态是人类行走时的姿势和运动方式。
落足特征作为基本步态的重要组成部分，对人类行走的稳定性和效率起着重要的作用。
本文将重点讨论落足特征的基本步态，并探讨其在人类行走中的功能和重要性。
在人类行走中，每一步的开始和结束都是落足特征的显著表现。
通过观察和分析步态的落足特征，我们可以了解行走者的平衡和协调性，进而揭示人体在行走过程中的动力学原理和生理机制。
特征一是步态中的重要组成部分之一。
它描述了行走者每一步的身体姿态和动作。
通过对特征一的详细描述，我们可以了解步态中的关节角度、身体重心和步幅等方面的变化。
特征一的作用主要体现在改善行走者的稳定性和适应性上。
通过合理的身体姿态和动作调整，行走者可以更好地应对地面的不平整和外界的干扰，从而实现稳定的行走。
特征二是另一个关键的步态特征。
它描述了行走者每一步的着地方式和脚部动作。
通过对特征二的详细描述，我们可以了解行走者的步距、步频和着地方式等信息。
特征二的作用主要体现在提高行走者的行走效率和运动性能上。
通过合理的着地方式和脚部动作调整，行走者可以减少能量消耗和肌肉负荷，提高行走的速度和舒适性。
综上所述，落足特征作为基本步态的重要组成部分，对人类行走具有重要的意义。
通过研究和了解落足特征的基本步态，我们可以更好地理解人类行走的原理和机制，并为相关领域的疾病诊断和康复提供有益的参考。
在接下来的文章中，我们将详细描述和探讨特征一和特征二的具体内容，并总结它们在人类行走中的重要意义。
1.2文章结构1.2 文章结构本文将从以下几个方面来探讨落足特征的基本步态。
首先，我们将概述整篇文章的内容，为读者提供整体的认知。
其次，我们将详细描述特征一，并探讨其在基本步态中的作用。
然后，我们将转向特征二，对其进行详细描述，并讨论其在步态中的作用。
最后，我们将在结论部分对特征一和特征二进行总结，同时对这些特征的重要性进行归纳。
通过这样的结构安排，读者将能够系统地了解落足特征的基本步态，并深入理解这些特征的作用和重要性。
步态分析
剪刀步态：
膝关节始终屈曲 体前倾，足前部着地行走并呈剪刀步
或交叉步 支撑相延长，摆动相缩短 不稳定的疲劳步态
帕金森病步态：
表现为双侧性运动控制障碍和功能障碍
以面部、躯干、四肢肌肉运动缺乏、僵硬为 特征；
双支撑期时间延长；行走时体前倾、髋膝关 节轻度屈曲、关节ROM减小，踝关节摆动相 时无跖屈，足擦地，步伐细小、快速；上肢 几乎无摆动；
髋关节：支撑相时：躯干向患侧过度倾斜； 摆动相：患处轻度屈曲、外展、外旋；患肢 尽量避免足跟着地。
膝关节：在整个行走周期中以轻度屈曲膝关 节为特征；避免足跟着地而以足尖着地。
踝关节：患侧跨步长↓，正常的足跟-足尖 运动模式消失。
2、肌无力：
对步态的影响主要见于步行周期不同 阶段中肌肉的等张性收缩活动中；
和摆动相（swing phase）两个阶段。
支撑相约占步行周期的60%，摆动相约 占40%；
支撑相与摆动相的时间比例与步行速 度有关。
双支撑相：步行中双足落地的时相； 每个步行周期包含两个双支撑相，
各占10%； 双支撑相的长短与步行速度有关。
单支撑相：一条腿与地面接触，即对 侧的摆动相；
同一标记物被两台以上的检测仪同时获取时， 即可进行三维图象重建和分析。
输出结果包括：数字化重建的三维步态、各 关节三维角度变化、速率和时相。关节标记 物一般置放于需要观察的关节或重力中心。
常见病理步态的原因及表现
1、疼痛：
患者会尽量减少活动→关节活动能力 下降、关节固定→疼痛进一步加剧；
疼痛步态的特征：跨步长↓、步速↓、 支撑相时间↓。
背面：臀中肌步态 侧面：脊柱伸屈运动，髋、膝、踝的伸
步态及步态分析
步态分析
Gait analysis
GCG 2019-11
目录
CONTENTS
1 步态和步态分析 2 步态测量参数 3 常用分析仪器
第一部分
步态和步态分析
步态（gait）和步态分析（gait analysis）
步态（gait）是指人体步行时的姿态和行为特征，人体 通过髋、膝、踝、足趾的一系列连续活动，使身体沿着 一定方向移动的过程。
7.适应面广，适合从儿童到成年人的步行、快跑及跳
跃等的测量。
8.要求足够的测量量程及灵敏度，良好的线性、较少
滞后效应、较高的采样率、空间分辨率、压力分辨率
及信噪比等，此外还要求重复性好,性能稳定。
9.对受试者行动障碍较少，接近自然运动状态。
A 研究目标
关键词
能量消 耗
同 步
自然状态 下行走
步态
身体活动 状态
髂腰肌
◼支撑相中期开始至足趾离地前离心性收缩对抗 伸髋 ◼第二次收缩始于摆动相初期
小腿三头肌 ◼踝关节负重并固定时使膝关节被动伸直 ◼足离地蹬地达高峰
臀大肌
◼收缩活动始于摆动相末期 ◼负重期即足底与地面接触时达高峰 ◼稳定骨盆，防止躯干前倾，负重期髋处于伸展位
胫前肌
◼足跟着地时胫前肌离心性收缩以控制踝关节曲度 •足放平时足前部拍击地面 ◼足趾离地时控制或减少踝关节曲度 •足趾离地时使足廓清地面顺利完成
步态：运动学和动力学参数
在自由环境中、自由 活动状态下连续测试
室内环境
室外生活环境
常用步态参数, 如： 步长、跨步长、步频、速度、踢地次数、稳定性、
流畅性、对称性、协调功能、上下楼功能、脚离地 角度、大腿摆动功、大腿抽动加速度(G)、地面冲击 力(G)、落脚强度、单脚支撑时间/双脚支撑时间、 单步时间、跨步时间等。
四足机器人步态及运动控制
发展阶段
随着科技的进步，尤其是计算机技 术和机械设计的发展，四足机器人 在20世纪90年代进入快速发展阶 段。
创新阶段
近年来，随着人工智能和深度学习 技术的突破，四足机器人的智能化 程度越来越高，性能和应用领域也 得到了极大的拓展。
四足机器人的分类及特点
根据驱动方式
四足机器人可以分为液压驱动、气压驱动和电动驱动等类型。液压驱动具有负载能力强、精度高的优点，但易受 环境温度影响。气压驱动具有速度快、响应灵敏的优点，但易受气压波动影响。电动驱动具有节能环保、维护方 便的优点，但需要良好的电源管理系统。
步态选择的原则与影响因素
选择四足机器人的步态应根据具 体的应用场景和需求进行考虑。
原则上，应考虑机器人的运动效 率、稳定性、灵活性和适应性等
方面的需求。
影响因素包括机器人的重量、负 载、能源供应、环境条件等。
03
四足机器人的运动控制方 法基于模型ຫໍສະໝຸດ 控制方法模型预测控制（MPC）
利用机器人的动力学模型进行预测和控制，考虑了机器人运动的各种约束条件 ，如速度、加速度、关节角度等，以达到最优的控制效果。
基于学习的控制方法
深度学习控制
利用深度学习算法，通过对大量数据进行学习，让机器人能够自适应各种复杂的 未知环境。
强化学习控制
通过强化学习算法，让机器人在实际环境中通过自我试错进行学习，从而找到最 优的控制策略。
04
四足机器人的步态及运动 控制实验
四足机器人实验平台介绍
实验平台组成
四足机器人实验平台主要由机械系统、控制系统、感知系 统三部分组成。
混合步态则结合了静态和动态步态的 特点，以实现机器人的特定运动需求 。
智慧树知到《人体运动学》章节测试答案
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双足机器人平衡控制及步态规划研究
摘要摘要驱动技术，人工智能，高性能计算机等最新技术已经使双足机器人有了粗略模拟人体运动的灵巧性，能够进行舞蹈展示，乐器演奏，与人交谈等。
然而这与投入实际应用所需求的能力还有不小差距。
主要体现在缺乏与人类相近的平衡能力和步伐协调能力，对工作环境要求高，在非结构化环境中适应能力差。
因此，本文以自主研制的双足机器人为研究对象，重点研究了双足机器人的平衡控制，阻抗控制以及步态规划等内容。
本文首先简要介绍了自主研制的双足机器人的软硬件构架，建立了ADAMS 和Gazebo仿真来协助对控制算法性能预测和优化并减少对物理机器人的危险操作。
接着分析了双足机器人的正逆运动学并引入运动学库KDL来简化运动学运算。
稳定的平衡控制对于双足机器人而言在目前还是个不小的挑战。
本文就此研究了两种处理平衡的阻抗调节方案。
一种是基于LQR的固定阻抗模型，这种方案简单有效，但存在易产生振动的问题，本文结合滤波改善了平衡控制效果。
另一种是基于增强学习的自适应阻抗模型。
该方法可以在不知道系统内部动态信息的情况下利用迭代策略在线得到最优解，是对前述LQR方法的进一步优化。
随后本文通过仿真和实验进行了验证并分析了优缺点。
步态规划是机器人运动控制中最基础的一环。
本文从五连杆平面机器人入手对其运动控制进行了研究。
首先采用基于ZMP的多项式拟合法实现了机器人平地行走的步态规划。
然后分析其动力学模型并利用PD控制器进行运动仿真，就仿真中出现双腿支撑阶段跟踪误差较大的问题提出了PD与径向基神经网络混合控制的新策略。
再次通过仿真证实该方案能够减小跟踪误差。
最后，本文利用前述多项式拟合法对实验平台的物理机器人进行静态行走和上楼梯的步态规划。
针对上楼梯的步态规划的特殊性，本文提出了分段拟合来实现各关节的协同规划，并引入了躯干前倾角来辅助身体平衡。
由于时间所限，本文实现了双足机器人的稳定步行实验，上楼梯实验还尚缺稳健性，这将作为下一步的工作。
关键词：双足机器人，平衡控制，步态规划，ADAMS仿真，增强学习IABSTRACTDriving technology, artificial intelligence, high-performance computers and other latest technology has enable bipedal robots to roughly emulate the motor dexterity of humans, able to dance show, musical instruments, and talking. However, this ability still have big gap between putting into practical application. Mainly reflected in the lack of the ability of balance, and the coordination of walking. High demands on the working environment, poor adaptability in unstructured environments. In this paper, the self-developed bipedal humanoid robot is researched, and the balance control, impedance control and gait planning are mainly studied.This paper first introduces the hardware and software architecture of the biped robot, and establishes the ADAMS and Gazebo simulation to assist in the prediction and optimization of the performance of the control algorithm, so as to reduce the risk operation of the physical robot and avoiding the potential risks. Then the forward kinematics and inverse kinematics of the biped robot are analyzed and the kinematic library KDL is introduced to simplify the kinematic operation.Stable balance control is still a challenge for biped robots. In this paper, we present two schemes for impedance adjustment when dealing with the balance. One is the fixed impedance model, which is simple and effective, but there is a problem of vibration, a filter is combined in this paper to improve the balance control effect. The other is an adaptive impedance model based on integral reinforcement learning. This method can obtain the optimal solution online by using the policy iteration without knowing the dynamic information of the system. It is a further optimization of the LQR method. Then the scheme is simulated and experimented, and the advantages and disadvantages are analyzed.Gait planning is the most basic part of robot motion control. First, a simplified five-link planar robot model is established to facilitate the study. Then, the ZMP-based polynomial fitting method is used to realize the gait planning of the robot's horizontal walking. Then the dynamic model is analyzed and the PD controller is used to simulate the motion. A new strategy of PD and RBF neural network hybrid control is proposed to reduce the tracking error during DSP. Again, the simulation results show that the scheme can reduce the tracking error.IIFinally, this paper applies the polynomial fitting method to carry on the static walking and the stairway gait planning of the physical robot of the experimental platform. In view of the particularity of the gait planning of the stairs, this paper proposes a partition fitting to realize the cooperative planning of each joint and introduces the trunk leaning forward to assist the body balance. Due to time constraints, this paper has achieved a stable walking experiment of bipedal robots, and the stair experiment is still lacking in robustness, which will be the next step of the work.Keywords: biped robot, balance control, gait planning, ADAMS simulation, reinforcement learningIII目录第一章绪论 (1)1.1 研究工作的背景与意义 (1)1.2 国内外研究历史和发展态势 (2)1.2.1双足机器人的发展现状 (2)1.2.2双足机器人平衡控制概况 (6)1.2.3机器人阻抗控制概况 (7)1.2.4双足机器人步态规划及运动控制概况 (8)1.3 本文的主要工作 (9)1.4 本论文的结构安排 (10)第二章双足机器人控制系统架构与仿真平台设计 (11)2.1 双足机器人机体结构 (11)2.2 双足机器人控制系统框架设计 (13)2.2.1硬件系统设计 (13)2.2.2控制软件设计 (15)2.3 双足机器人仿真平台的设计 (16)2.3.1机器人系统常用仿真软件 (16)2.3.2ADAMS虚拟样机建模 (17)2.3.3G AZEBO模型建立 (18)2.4 本章小结 (19)第三章双足机器人运动学建模分析 (20)3.1 双足机器人位姿的描述 (20)3.2 正向运动学求解 (21)3.3 逆运动学求解 (22)3.4 五连杆平面机器人的运动仿真 (26)3.4.1开源运动学和动力学库KDL (26)3.4.2基于KDL的双足机器人运动学仿真 (26)3.5 本章小结 (27)第四章双足机器人站姿下的平衡控制 (28)4.1 双足机器人的平衡控制策略 (28)4.2 双足机器人的踝关节平衡策略 (30)IV4.2.1基于倒立摆的固定阻抗模型 (31)4.2.2基于增强学习的自适应阻抗模型 (33)4.3 仿真结果 (38)4.3.1固定阻抗与自适应阻抗仿真结果及对比 (38)4.3.2仿真算法的进一步优化 (41)4.4 实验结果 (43)4.4.1实验设计 (43)4.4.2实验结果与分析 (44)4.5 本章小结 (47)第五章五连杆双足机器人行走步态规划及控制 (48)5.1 步态规划依据和方法 (48)5.1.1步态规划的依据 (48)5.1.2离线步态规划的方法 (49)5.2 五连杆平面机器人模型的建立 (49)5.2.1五连杆模型简介 (50)5.2.2五连杆的运动学与动力学模型 (51)5.3 五连杆机器人的步态规划 (53)5.3.1摆动腿的轨迹规划 (53)5.3.2髋关节的轨迹规划 (55)5.3.3轨迹规划展示 (56)5.4 基于PD控制器的五连杆运动控制 (57)5.4.1PD控制器设计 (58)5.4.2仿真实验结果及分析 (59)5.5 基于RBFNN的五连杆运动控制 (61)5.5.1基于动力学模型的控制分析 (61)5.5.2RBF神经网络控制器设计 (62)5.5.3仿真实验结果及分析 (64)5.6 本章小结 (65)第六章双足机器人步态规划与实验 (66)6.1 双足机器人步态规划的约束 (66)6.2 双足机器人静态行走的步态规划 (66)6.2.1步行准备阶段运动规划 (67)6.2.2周期步行阶段运动规划 (69)V6.2.3步态仿真验证 (71)6.2.4双足机器人步行实验 (73)6.3 双足机器人上楼梯的步态规划 (73)6.3.1起步阶段运动规划 (73)6.3.2上楼梯双腿支撑阶段运动规划 (74)6.3.3跨两层台阶运动规划 (75)6.3.4双足机器人上楼梯仿真及实验 (76)6.4 本章小结 (78)第七章全文总结与展望 (79)7.1 全文总结 (79)7.2 后续工作展望 (80)致谢 (81)参考文献 (82)攻读硕士学位期间取得的成果 (87)VI第一章绪论第一章绪论1.1 研究工作的背景与意义上世纪60年代初，工业机器人和自主移动机器人成为现实，为实现大规模自动化生产，降低制造成本提升产品质量做出了巨大贡献。
运动技能学习与控制
第一章1.简述运动技能的四个特征（1）指向目标，即动作技能都有操作目标；（2）动作技能的操作具有随意性；（3）动作技能需要身体、头、和/或肢体的运动来实现任务目标；（4）为了实现技能的操作目标，需要对动作技能进行学习或再学习；2.在金泰尔的分类法中，动作技能分类的两个纬度分别是什么（1）操作的环境背景特征：①调节条件②尝试间变化（2）表征技能的动作功能：①身体定向②操纵3.在金泰尔的分类系统中调节条件是指什么调节条件是指技能操作中必然存在并影响操作者运动特征的环境背景。
第二章1.什么是操作结果测量、操作过程测量两者的差异根据两者测量的方法举出三至四个运动教学中运动技能测量的例子。
（1）操作结果测量：指为了说明动作技能操作结果而进行测量。
（2）操作过程测量：为了说明在动作操作过程中运动控制系统某些方面的操作状态而进行的一种动作技能操作测量。
差异：①操作结果测量没有提供产生操作结果前肢体或身体行为的任何信息；②没有关于运动过程中参与工作的肌肉系统的活动信息；举例：操作结果测量：①一英里跑或打一个字所用的时间；②从发令枪响到起跑动作开始的时间；③垂直纵跳的高度；操作过程测量：①动作过程中肢体经过的高度；②动作过程中肢体运动速度；③运动中加速或减速的模式；2.简述简单反应时、选择反应时和辨别反应时及区别。
（1）简单反应时：指测试情景中只包含单一刺激并要求被试者做出单一反应动作，这时所测的反应时称为简单反应时。
（2）选择反应时：指测试情景中包含两个或两个以上的信号，每个信号需要特定的反应形式，这时测得的反应时为选择反应时。
（3）辨别反应时：指测试情景中包含两个或两个以上的信号，但被试者只需对其中的一个做出反应，对其他信号不做反应，这时测得的反应时为辨别反应时。
区别：①从刺激信号的数量来判断是不是简单反应时；②从做出的反应的信号数量来判断是不是辨别反应时。
3.将反应时分段的含义是什么（1）在刺激信号发出和肌肉活动开始之间存在一个时间间隔，这个间隔便是反应时的第一部分，称为前动作时（pre-motor time）；（2）第二部分是从肌肉活动增加到外显肢体动作真正开始之间的时距，称为动作时（motor time）。
《人体运动学》教学大纲
《人体发育学》教学大纲一、课程说明（一）课程性质、地位与任务运动学（kinesiology）是理论力学的一个分支学科，它是运用几何学的方法来研究物体的运动，主要研究质点和刚体的运动规律。
运动学为动力学、机械原理（机械学）提供理论基础，也包含自然科学和工程技术等多个学科所必需的基本知识，包括物体的运动在空间和时间等方面的差异。
人体运动学是研究人体活动科学的领域。
是通过位置、速度、加速度等物理量描述和研究人体和器械的位置随时间变化的规律或在运动过程中所经过的轨迹，而不考虑人体和器械运动状态改变的原因。
在研究人体运动时，是以牛顿力学理论为基础的。
在运动生物力学中，把人体简化为质点、质点系、刚体和多刚体系等力学模型，而使研究的问题大大简化。
但是人体是生命体，因此在研究人体运动学时，还要尽可能地考虑人的生命特征，才能正确地研究人体的运动。
本书所讲的人体运动学，主要指人体的功能解剖学、生物力学和部分运动生物力学的内容。
（二）课程教学的基本要求1.要有教学大纲、教学日历、基本教材和主要参考书。
2.教学中应以全面、整体的观点、理论联系实际的观点来指导教学的全过程。
3.要理论联系实际，结合课程内容适当联系人体运动的具体情况，培养学生自主学习的兴趣和创新能力。
（三）课程教学改革优化整合教学内容，教学在内容的选择上，注重学科之间的相互联系，强化知识的整体性。
传统讲授法仍然是人体发育学教学特别是课堂教学最基本的教学方法。
在传统的讲授基础上，根据课堂实际需要，合理适当改革教学方法如：任务驱动式、启发式、讨论式教学。
二、教学内容与学时分配（一）课程理论教学第一章总论10学时第一节人体运动学基础与概念1学时知识点：人体运动的基本形式、规律及其生理意义，制动与卧床对机体的影响，心理活动对人体生理运动的影响第二节运动学基础1学时知识点：运动学基本概念，运动学描写的基本知识第三节动力学基础2学时知识点：经典力学基础，转动力学第四节静力学平衡2学时知识点：系统与结构平衡，重心的定义及确定方法，压力平衡第五节生物力学基础2学时知识点：材料力学相关概念，运动生物力学第六节人体运动的能量代谢1学时知识点：能量代谢的生物学意义，能量代谢测量，运动能量代谢与人体健康第七节人体运动的效果评价 1学时本章小结重点：人体运动的基本形式、规律及其生理意义，运动学基本概念，动力学基础，静力学平衡，生物力学基础，能量代谢的生物学意义，能量代谢测量难点：动力学基础，静力学平衡，生物力学基础思考题：1.运动学的概念2.动力学基础、静力学平衡、生物力学基础三者的联系与区别3.如何进行能量代谢的测量？教学方法：多媒体教学，课堂讲授第二章骨骼肌肉系统运动学4学时第一节骨运动学 1学时知识点：骨的运动学基础，骨的运动适应性第二节肌肉运动学1学时知识点：肌肉的运动学基础，肌肉的运动适应性第三节关节运动学2学时知识点：肩、肘、腕、手、脊柱、髋与骨盆、膝、踝、足和足弓本章小结重点：骨运动学，肌肉运动学，关节运动学难点：关节运动学思考题：1.人体四大关节的系统运动学教学方法：多媒体教学，课堂讲授，案例讨论第三章运动与心肺功能6学时第一节运动对心肺功能的影响2学时知识点：心血管系统对运动的反应和适应，呼吸系统对运动的反应和适应，有氧、无氧运动，耐力运动处方第二节心肺功能评定基础2学时知识点：运动试验，肺通气功能评定，最大摄氧量评定，乳酸阈评定第三节心肺功能异常与运动2学时知识点：高血压与运动，冠心病与运动，慢性阻塞性肺疾病与运动本章小结重点：运动对心肺功能的影响，心肺功能评定基础，心肺功能异常与运动难点：耐力运动处方，乳酸阈评定，高血压与运动，慢性阻塞性肺疾病与运动思考题：1.心肺功能评定基础包括哪几个方面？2.高血压病人运动后可能出现的症状教学方法：多媒体教学，课堂讲授，案例讨论第四章运动控制与步态4学时第一节与运动相关的神经系统结构与反射2学时知识点：大脑皮质的主要运动区，运动传导通路，反射第二节运动控制的调节1学时知识点：运动控制的调节，影响运动控制的因素第三节运动控制1学时知识点：姿势控制，上肢控制，行走运动控制本章小结重点：与运动相关的神经系统结构与反射，运动控制的调节，运动控制的分类难点：大脑皮质的主要运动区，运动传导通路思考题：1.运动传导通路有哪几部分组成？2.影响运动控制的因素教学方法：多媒体教学，课堂讲授三、考核方式及成绩评定平时成绩：考勤作业讨论提问；1.占平时成绩权重：考勤25%、作业25%、讨论25%、提问25%。
机器人双足步态控制方法的研究与实现
机器人双足步态控制方法的研究与实现第一章绪论在过去几年中，机器人技术得到了长足的发展，已经越来越多地应用于制造业、医疗、军事、物流等领域。
与此同时，双足机器人也在逐渐增加相关应用领域。
随着科技的发展，双足机器人已经成为人类研究和开发的核心领域之一。
在人机交互方面，双足机器人可以更好地模仿人类步态，同样双足机器人也可以在危险的环境中或已经不适用于人类的环境中工作，如铁路维护、搜救行动和灾难应对等。
在双足机器人应用领域中，步态控制是一个非常重要的研究方向。
如何建立双足机器人的步态并对其控制，就是该领域的重要研究内容之一，是该领域研究的重点。
本文旨在对双足机器人步态控制方法的研究和实现进行分析和探讨。
第二章双足机器人步态控制的相关研究现状步态控制是双足机器人研究领域的重点，其研究现状主要包括以下方面：2.1 基本控制方法双足机器人的步态控制主要有两种基本方法：一种是基于动力学模型的控制方法，一种是基于模糊理论的控制方法。
基于动力学模型的控制方法，可以通过建立系统的动力学模型、控制器模型和仿真系统模型来实现。
基于模糊理论的控制方法，其主要特点是可以提高系统的自适应性和鲁棒性，从而提高系统的运动稳定性。
这种方法主要应用于模糊控制算法中，可以较好地解决系统中的死区和不确定性问题。
2.2 步态规划方法双足机器人的步态规划方法主要有基于参数曲线、基于较多来源等多种方法。
基于参数曲线的步态规划方法可以将双足机器人的运动轨迹细分为不同的部分并进行分析，从而得到实现步态控制的参数和条件。
基于多方面来源的步态规划方法则可以充分利用不同信息来源，如IMU、视觉甚至声音等，从而达到更为精确的运动控制效果。
2.3 双足机器人的步态仿真和实验研究在步态仿真和实验研究中，通常使用一些经典的运动过程和PID控制，通过建立双足机器人的运动模型，使用MATLAB、Simulink等工具进行建模和仿真，实现对双足机器人的控制和仿真操作。
步行的运动机能学及步态分析
胫前肌
胫前肌
• 踝关节背屈 • 首次触地至承重反应结束：足跟着地时，胫前肌离心性收 缩，以控制踝关节跖屈角度，防止在足放平时出现足前部 拍击地面的情况 • 足离地至再次触地：足趾离地时，胫前肌再次收缩，控制 或减少踝关节的跖屈角度，使足廓清动作能够顺利完成
小腿三头肌
小腿三头肌
• 踝关节跖屈 • 踝关节负重并固定时，腓肠肌收缩可以牵拉股骨下端和胫
步态分析
• 定性分析
– 通过目测观察病人行走过程，按照一定的观察项目，逐
项评价得出结果，做出步态分析的结论
• 定量分析
– 通过器械或专门的设备获得的客观数据，对步态进行分
析的方法
– 包括：运动学分析、动力学分析、表面肌电图等
步态的定性分析
分析内容
• 病史：判断步态障碍的前提
– 既往手术、损伤、神经病变等
自然步态的生物力学因素
• 具备控制肢体前向运动的肌力或机械能
– 控制身体的前向进程 – 在足触地时有效地吸收机械能，以减小撞击
• 支撑相
– 合理的肌力及髋膝踝角度(重力方向) – 充分的支撑面(足的位臵)
• 摆动相
– 足够的推进力 – 充分的下肢地面廓清
– 合理的足触地姿势控制
步行中的肌群活动
• 肌肉活动是步行动力的基础因素
• 步行中，重心沿一条正弦曲线上下、左右移动，在单腿支
撑期达到最高点、双腿支撑期达到最低点 • 减少行走过程中身体重心的位移可降低能耗
骨盆的活动
• 为减少重心的上下及侧向移动，使运动更平稳，降低能耗 ，骨盆也配合步行周期做左右旋转、左右倾斜及侧向移动
– 最大前旋：同侧足跟着地时，幅度约8°
– 最大后旋：同侧支撑中期，幅度约8°
运动控制与运动再学习 ppt课件
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40
大脑皮质在运动控制中的调节
•大脑的反射与调控-平衡反射（见前表）
•大脑对下位中枢的调节
抑制区：皮层运动区、纹状体、小脑前叶蚓部
易化区：前庭核、小脑前叶两侧部
高水平（随意 运动控制） 大脑
脊髓 指令 效应器 运动控制器 输出
小脑 中等水平 基底节 脑干
低水平（反射 肌肉骨骼系统
运动控制）
控制结果的行 为表现
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运动
32
神经-运动等级调控
高级中枢实现对反射的逐级控制
脊髓水平
（more、屈肌退缩反射）
延髓水平 （粗大运动） 中脑、桥脑水平
（姿势、调整反射）
调节脊髓前角运动神经元和中间神经元的兴 奋性，易化或抑制由其它途径引起的活动， 特别是在快速随意控制肌肉的精细、协调运 动中起基本作用。 组成：它是由皮质运动区锥细胞发出的神经， 经内囊处汇聚成束下行，止于脑干神经核运 动神经元（皮质脑干束）和脊髓运动神经元 及中间神经元（皮质脊髓束），在锥体束下 行过程中一部分交叉至对侧。
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16
反射模型
核心思想： 反射是运动的基本单位; 人体运动是各种反射的总和或整合的结果;
人体复杂运动:简单反射(腱反射)+复杂反射(Moro 反 射等)
运动反应的中枢控制依赖外周感觉输入(反射弧完整); 感觉输入能够控制运动的输出—神经促进技术理论基础 （破坏平衡诱发平衡运动反应）。
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27
（3）优势现象
在中枢神经系统内，当某一中枢受 到较强刺激，其兴奋水平不断提高， 这个提高兴奋水平的中枢，称兴奋优 势灶，它能综合其他中枢扩散而来的 兴奋，提高其自身的兴奋水平，对其 临近中枢却发生抑制作用。
运动技能学习与控制90983
baseball and table tennis)
视觉信息在手臂动作控制中的作用
本体感觉
本体感觉和动作控制 本体感觉（proprioception） 传入神经阻滞（deafferentation）
三、通过练习绩效来评估学习
绩效曲线
△RMSE
4
单任务外显学习组
双重任务外显学习组
单任务内隐学习组
双重任务内隐学习组
3
2
1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12 低应激 高应激
-1
-2
练习阶段
图4 4组被试在练习阶段和测试阶段的学习效果
测试阶段
绩效曲线的四种趋势
练习绩效与学习的不一致
– 夸大或低估学习 – 练习的高原现象
Xi-M -6.2 +3.8 -0.2 +5.8 -3.2
(Xi-M)2 38.44 14.44 0.04 33.64 10.24 96.80 19.36 4.40
(Xi-T)2 49 9 1 25 16 100 20 4.47
|Xi-T | 7 3 1 5 4 20 4
2、二维动作目标的误差
y
x
运动技能学习与控制 Motor Learning & Control
任杰
第一章 运动技能概述
一、 运动技能的定义
1、概念:
技能（skill）：经过练习而获得的完成某种任务 的动作方式或心智活动方式。
步态分析 沈杰
（使小腿向前摆动减速），足跟着地时 达高峰（稳定骨盆，防止躯干前倾）， 并持续到负重期。
一零五医院康复医学科
胫前肌：踝背伸肌，足跟着地至足底着地
时（离心收缩，防止足前部拍击地面）；
足趾离地时（向心收缩，减少踝跖屈）。
一零五医院康复医学科
小腿三头肌：踝跖屈肌，在
足跟离地的蹬离动作中，向心 收缩达高峰。
至支撑相负重期达最大值（离心收缩，防止 膝塌陷）；第二次收缩始于足跟离地后，足 趾离地后达高峰（屈髋，提拉下肢进入摆动 相；伸膝）。
一零五医院康复医学科
膝塌陷 小腿三头肌（比目鱼肌为主）无
力时，胫骨在支撑相中期和后期前向行进
过分，导致踝关节不稳或膝塌陷步态。
一零五医院康复医学科
腘绳肌：伸髋屈膝，始于摆动相末期
步行越稳定。
一零五医院康复医学科
步行周期
到跑步时双支撑相消失，表现为双足腾空。 患者步行障碍时往往首先出现的异常就是双 支撑相时间延长，步行速度减慢，以增加步 行的稳定性。
一零五医院康复医学科
单支撑
行走中仅一侧下肢与地面接触的时期。
以秒为计时单位，或以步行周期百分比表示。 行走时，一侧下肢单支撑期所占时间实际上 完全等于对侧下肢的迈步相时间。
摆动相
(1)早期动作参与的肌肉为胫前肌、髂腰肌、 股四头肌。如果廓清地面障碍(如足下垂)， 或加速障碍(髂腰肌和股四头肌肌力不足)， 将影响下肢前向摆动，导致步态异常。
一零五医院康复医学科
摆动相
(2)中期：足廓清仍然是主要任务，占步行
周期的10%。参与的肌肉主要为胫前肌，保
持踝关节背屈。
一零五医院康复医学科
屈曲、关节ROM减小，踝关节摆动相时无跖屈，足擦 地，步伐细小、快速；上肢几乎无摆动；
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共同运动（synergy movement）
共同运动是脊髓水平的运动形式，它的启动可由 意志支配，但其运动形式是固定的多关节同时运 动的模式，不能依主观意志支配单个关节的运动
因此，共同运动包括了随意性和不随意性两个方 面，其形成机制与脊髓的节间反射有关。
脑桥、延脑水平的反射
脊髓损伤，属锥体系损害，在损伤平面以下失去 随意运动。
Parkinson’s disease ，病变部位在黑质（属于锥 体外系），由于肌紧张增强，关节活动僵硬，其 随意运动也不能正常地完成。
3. 反射
脊髓水平的反射 脑桥、延脑水平的反射 中脑水平的反射 大脑水平的反射
脊髓水平的反射
主要作用： 抵抗重力、支持身体、维持姿势、逃避伤害
联合反应（associated reaction）
偏瘫患者， 健侧肢体用力做随意的抗阻收缩时 患侧肢体产生不随意的紧张性活动 （其关节运动多为共同运动形式）
原因
失去高位中枢对运动的随意控制所释放的反应 是较为原始的异常张力性反射。
共同运动（synergy movement）
偏瘫患者， 一侧肢体做随意运动时,不能做单 个关节的分离运动，只能做多个 关节的同时运动。
（1）牵张反射
腱反射（位相性牵张反射）
临床常见的腱反射
肌紧张（紧张性牵张反射）
由次级感觉末梢传入的反射通路为多突触性的。 肌受牵拉时，反射可在同侧或对侧。冲动的传导
速度缓慢持久，可扩布到不同脊髓节段的前根。 次级感觉末梢引起的牵张反射，属静态紧张性的
(肌紧张)。
肌紧张（紧张性牵张反射）
外侧面
内侧面
2）运动辅助区
额上回，扣带回及额 叶内侧面的运动辅助
区。
大脑皮质的主要运动区功能特点
大脑皮质的主要运动区功能特点
2. 运动传导通路
锥体系
锥体外系 （皮质-脑桥-小脑系）
控制随意运动
控制不随意运动
正常情况下，机体必须在两个系统（锥体系、锥 体外系）完整、且彼此配合下，才能完成任务复 杂而有目的的随意运动。
第四章 运动控制与步态
潘燕霞 医学技术与工程学院康复治疗学系
内容
第一节 与运动相关的神经系统结构与反射 第二节 运动控制的调节 第三节 运动控制
第一节 与运动相关的神经系统结构与反射
1 大脑皮质的主要运动区
2
运动传导通路
3
反射
首先来认识一下我们身体进行的运动？
随意运动：受意识控制的、有目的运动。意识可以控 制运动的方向、速度、轨迹和时相。
刺激一侧下肢，则该侧下 肢屈曲，为屈肌反射。屈 肌反射有避免伤害刺激的 保护作用。
当刺激达到一定强度，可 引出对侧伸肌反射，称为 交叉伸展反射，它属于姿 势反射中的一种，在行走、 跑步时具有支撑体重的作 用。
屈肌反射（flexor withdrawal）
脑卒中的患者，巴宾斯基征阳性就是屈肌反射 的表现。
阳性支持反射
是足趾的末端及其内侧， 拇趾、小趾的皮肤等部位 受到刺激时所引发下肢抗 重力肌的的强直性收缩。 刺激足跖部皮肤及牵拉骨 间肌可引起该种反应。脑 瘫、偏瘫患者常可见到阳 性支持反应，表现为下肢 伸肌群活跃。
抓握反射（grasp reflex）
通过压迫刺激手掌或手指腹侧（本体感受器和触觉 感受器），引起手指屈曲内收活动，称为抓握反射。
紧张性迷路反射
指内耳椭圆囊和球囊的传入 冲动对躯体伸肌紧张性的调 节反射。即仰卧位时全身伸 肌紧张，俯卧位时四肢屈肌 紧张。因此，为了防止诱发 和强化脑卒中患者的下肢伸 肌痉挛，在脑卒中早期，摆 放患者体位的时候，应尽量 避免仰卧位。
Bobath、Brunnstrom等人 主张利用姿势反射调整肌张 力，改善动作或姿势，其方 法的机制与脑干等水平的反 射密切相关。
婴儿随意抓握出现后，该反射逐渐消失。脑瘫、偏 瘫患者可出现该反射。如在患侧手掌放置东西时， 可出现腕关节及手指屈曲倾向，有的患者在主动伸 展手指时，经常伴发较强的抓握反射，导致手中物 体无法松开。
性刺激性。 类型：
（1）牵张反射（stretch reflex）： 腱反射、肌紧张
（2）屈肌反射（flexor withdrawal） （3）交互抑制（reciprocal inhibition） （4）联合反应（associated reaction） （5）共同运动（synergy movement）
巴彬斯基征（-） 巴彬斯基征（+）
交互抑制（reciprocal inhibition）
如果某一肌的伸展反射(伸肌兴奋)，而引发其拮抗的肌 (屈 肌)松弛，称交互抑制。
其原因是Ⅰa 类传入纤维的传入冲动可以通过Ⅰa 纤维的侧 支与中间神经元连接，与其他协同肌、拮抗肌运动神经元形 成联系，以兴奋协同肌、抑制拮抗肌，表现为交互抑制。
紧张性颈反射（tonic neck reflex, TNR） ①对称性紧张性颈反射 ②非对称性紧张性颈反射
紧张性迷路反射（tonic labyrinth reflex, TLR） 阳性支持反射（positive supporting reaction） 抓握反射（grasp reflex）
对称性紧张性颈反射
颈部前屈，引发双上肢屈曲，双下肢伸ຫໍສະໝຸດ ，颈 阴部后伸，则引发双上肢
性 表
伸展，双下肢屈曲。可 现
在婴儿期和成人脑损伤
时出现，如站立位低头
可诱发下肢伸肌张力增
高。
阳
性
表
现
非对称性紧张性颈反射
将头部转向一侧，则 头转向侧上下肢伸展， 背向侧上下肢屈曲， 该反射称为非对称性 紧张性颈反射。其上 肢和头部的朝向类似 体育比赛中的“击剑” 姿势。
不随意运动：不受意识控制的“自发”动作。 例如：走路时上肢交替摆动，骑自行车时下 肢交替运动。
随意运动与不随意运动的差别 源于中枢神经系统对运动的控制
的结构和机制不同。
1.大脑皮质的主要运动区
按照Brodmann分区，大脑皮质的主要运动区为 中央前回4、6区，此外还有8区、额上回、扣带回， 及额叶内侧面的运动补充区和补充前区。
肌紧张是由于骨骼肌受重力作用，使肌肉受到持 续而缓慢的牵拉、刺激肌梭而发生的牵张反射。
因此，它在抗重力肌比较明显，只要重力作用的 牵引力量存在，反射性肌收缩将持续进行。
上肢抗重力肌：屈肌 下肢抗重力肌：伸肌
脑卒中出现的异常姿势与脊髓对运动控制的关系
屈肌反射（flexor withdrawal）