最新4.生物运动学解析课件ppt.ppt

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1、4.生物运动学解析生物运动学－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－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

2、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－运动动作的分类动作固定动作不固定动作单一动作组合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

3、动动作复杂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

4、序行事生物运动学－人体动力学分类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人体作为生物系统的典型代表，研究人体动力学具有

5、普遍的指导意义。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

6、)、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－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1

7、5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：拉格朗日函数：系统动能与势能之差广义坐标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：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

8、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－跳跃运动分析膝部力矩变化在起跳时，由于膝部肌肉