4.生物运动学解析

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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-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:
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
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
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。
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)
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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
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-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
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-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
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