[讲义]第三章人体运动学

页码：1 第三章 人体运动学 人体运动学是从几何学的角度来观察人体的运动规律与特征， 即通过位置、速度、加速度等物理 量描述和研究人体位置随时间变化的规律，而不考虑导致人体或器械位置和运动状态改变的原因 人体运动模型可分为质点模型、刚体模型和多刚体模型三类 质点模型：即把人体看成一个具有一定质量，而忽略其大小形态的几何点。 刚体模型：即把人体看作一个不可变形的直杆刚体结构 多刚体模型：根据人体的自然环节的组合，把人体看作各环节不可变形的多刚体系统 一、人体运动学的基本概念与理论 （一）定标 1.参考系与坐标系 参考系：描述物体运动时选作为参考的物体或物体群 坐标系：在参考系上标定的尺度，可分为一维、二维、三维坐标系 2. 时间参考系：以时间为单位的一维数轴 瞬时(t)：某个特定的时刻，为时间参考系上的一个点 时间间隔(∆t)：两个瞬时之间的一段时间，为时间参考系上的一个区间 （二）点运动的描述——质点运动学 1.矢量法描述点的位置 2.点的运动的直角坐标法 O r M （1）点的运动方 程 （2）点的速度 O r M M r ∆r （3）点的加速度 O M M （1）点的运动方程    tzz tyy txx    i,j,k 分别为沿三个坐标 轴单位常矢量 页码：2 3.点做匀变速运动的基本运动方程 4. 点的特殊运动形式 （1）自由落体运动：如悬崖跳水运动 （2）竖直下抛 （3）竖直上抛 （4）抛射体运动 用一定的初速度使物体与水平方向成一角度斜向上方或下方抛出的运动叫做斜抛物体的运动，又称 抛射体运动 （2）点的速度 （3）点的加速度 页码：3 （5）点的圆周运动 （二）体运动的描述——刚体运动学 1.刚体的定义：相互间距离始终保持不变的许多质点组成的连续体（运动过程中，刚体内任意两点距 离始终保持不变） 2.刚体的运动（平动、转动、复合运动） 3.基本力学参量 （1）角位移：力学计算中常用弧度（rad）作为角位移单位 1 弧度角=长度与半径相等的圆弧所对的圆心角（57 ° 18 ） 1 周（360°）对应的弧度为 2π（ 2π R/R= 2π ） （2）角速度和线速度 线速度：质点绕一点转动或一物体绕某轴转动时，质点或物体上各点的速度 （3）角加速度 二、人体运动的描述 1.人体的多刚体模型及人体棍图的绘制 ᵆ 1 ᵆ 2 θ ᵆ 1 ᵆ 2 ∆ᵆ 角速度：物体在单位时间内转过的角度 角速度的单位：弧度/秒 角加速度 切向加速度 向心加速度与角速度之间的关系 页码：4 2.人体关节中心的确定 名称 定位 肩关节中心 将上臂上端（包括肩峰）按轮廓视为一球形几何体，其球心可近似的定义为肩关节转动中心 肘关节中心 正面：肘横纹中点 侧面：肱骨下端内/外上髁 后面：尺骨鹰嘴隆起高度中心 腕关节中心 尺骨茎突高度水平线中点或腕横纹中点 手的中心 伸开：掌心 握拳：拳心 髋关节中心 正面：腹股沟中点附近 侧面：大转子顶点 膝关节中心 正面：髌骨高度中点 侧面：股骨内/外上髁 踝关节中心 正/后面：腓骨外髁隆起至胫骨内髁下缘连线中点 侧面：腓骨外髁隆起或内髁下缘 第二跖关节中心 侧面观经常根据屈曲的跖趾关节来定位 头的中心 左右耳道连线的中点 3.人体重心运动描述：参照人体平衡章节中人体重心定位部分 4.人体运动的运动学特征 空间特征：仅反映运动在空间上面的一些特点，与时间的具体数值没有直接关系 时间特征：仅反映运动同时间的关系，并不涉及空间的概念 时空特征：人体（包括人体的某一部分）在空间位置随时间变化的快慢 三、人体运动实验测量方法 （一）直接测定技术 1.角度计 2.加速度计 （二）图像测量技术 1.光学基本原理 2.摄影测量(录像) 1882 年，布里奇（MuyBridge）使用按顺序排列的 24 台照相机拍摄了马奔跑状态的连续照片， 开创了用摄影法测量运动学数据的新方法。20 世纪 80 年代采用高速电影摄影机进行实地拍摄，然后 对影片进行数字化处理后，进一步作出分析，需要使用大量的胶片、器材消耗也比较大，从现场拍摄 到结果分析整个过程时间较长。二十世纪 90 年代以后，录像解析应用到人体生物力学中，并逐渐取 代高速摄影，大量应用于运动学数据的采集。 3.二维摄像方法 平面定点定机摄影方法: 将摄影机固定在三角架上，在摄影机的空间位置、摄距、机高、取景范 围、焦距、光圈等按规定选用合适并固定不变的条件下，拍摄人体和物体的平面运动的测量方法。 页码：5 平面跟踪摄像方法：把摄像机架在三角架或滑轨上，采用非固定连接方法，摄像机可在三角架或 滑轨上左右、上下转动。拍摄时，摄像机的主光轴始终对准受测体，跟踪受测体的运动而活动。 4.三维摄像 是采用两台或多台摄像机， 从不同角度对同一研究对象进行同步拍摄， 然后把两台或多台摄像机 所拍摄的平面录像进行数字化， 并把二维像坐标转换成实际空间的三维坐标， 计算有关的运动学参数。 （需注意立体定标框架、同步问题） 5.摄像测量方法的注意事项 镜头与焦距、取景范围、拍摄距离、机高、放机位置、比例尺、坐标系与参考系、拍摄频率、影记 （三）数字转换技术 1.模数转换：把模拟信号转换为数字信号的过程称为模数转换 2.影像数字化技术 四、运动学原始数据处理 （一）数据平滑 人体生物力学研究中实验获得的原始数据， 由于受设备的精确程度和环境因素的影响， 原始数据中必 然会掺杂着噪声信号—误差。 误差通过可以采用平滑处理的数学方法消除； 平滑方法：低通数字滤波器（原理：让低频信号不衰减而通过滤波器，同时衰减高频噪声） 。 截止频率，对于二阶低通滤波器而言，通常选择5Hz～10Hz 的截止频率。 （二）数据分析 对平滑后的原始数据进行数学运算，得到一些不能直接测定的变量。 人体运动分析系统可产生的人体运动学序列参量有： 人体各关节点的坐标、位移、速度； 人体各环节纵轴与垂直轴或水平轴的夹角、角速度； 人体各关节的角度、角速度； 人体重心的坐标、位移、速度； 其它派生的各种运动学数据。 五、步态分析 步行：通过双脚的交互动作移行人体的活动 步态：人类不行的行为特征 步态分析： 研究步行规律的检查方法， 只在通过生物力学手段， 揭示步态一场的关键环节和影响因素， 从而知道康复评估和治疗，也有助于临床诊断、疗效评估、机制研究等 页码：6 步态分析的重要意义： 1.取得正常人或病态人行走的各种生理和几何数据 2.这些数据是分析人体各个部位特别是各关节受力状态的基本要素 3.它是人工关节和假肢设计时不可缺少的依据 4.是分析人体诸关节特别是髋、膝、踝关节病例机制的基础 5.在人类学、体育运动学、宇航学的研究中也有一定参考价值 6.可借以指导安装假肢者或下肢病康复期患者进行行走训练 7.各种步态曲线图是对关节疾患的严重程度和治疗效果评定的较精确的客观指标 8.促使有关步态研究工作、测试仪器、记录手段和数据处理系统的发展、可推广应用到人体、动物的 其他活动的研究工作中去 （一）基础概念 1. 步行周期（gait cycle） ：一侧下肢完成从足落地到再次落地的时间过程，根据下肢在步行的位置分 为支撑相和摆动相。 1) 支撑相（stan