第一章生物体运动系「 1.1概述 自然界的一切生物都处于运动变化之中,生物的全部生命过 程是一个没有完歇的运动过程,而这所有的运动都与力及其控制 有关。这里的力主要指生物体自身所产生的主动力—肌力。各 种生物在不同的运动、正常生活或病态之下会产生不同形式的主 动力,这些主动力与环境力的联合作用影响着生物的状况,决定着 生物的运动。研究生物体运动系的结构、特点,并研究力与生物体 运动和生理等之间的复杂关系能够使我们了解、学习、利用保护 及创造有生命特征的系统或延伸生物体的某些功能。通过现代科 技手段模仿实现生物(包括人类自身)的优点,延伸生物的某些功 能,以为人所利用,这就是仿生学的目的。 生物体运动系包括骨、骨连结和骨骼肌三部分。它们在神经 系的支配下对身体起着运动如上/前、下/后肢骨)支持(如脊椎 骨、下/后肢骨)和保护(如颅骨、肋骨)的作用。 骨组织中包括细胞、纡维和基质三种成分。骨与骨之间的连 结装置,称骨连结。全身各骨通过骨连结构成骨胳。附于骨骼上 的肌称骨骼肌。肌收缩时,牵引骨移动位置,产生运动。此外,骨 骼还是动物体的支架,它与肌共同赋予动物体以基本外形,并构成 体腔的壁,以保护其脑和内脏等器官
现代机器人学 12骨及其力学性能 I,2.1骨 以人体为例,成人的骨为206块。可分为颅骨、躯干骨、上肢 骨和下肢骨四部分。骨的形态和功能相互制约,由于功能的不同 骨有不同的形态,基本可分为四类:即长骨、短骨、扁骨和不规则骨 (图1-1)。长骨分布于四肢,在运动中起杠杆作用。短骨多成群 地连结存在,如腕骨和跗骨。扁骨主要构成骨性腔的壁,对壁内器 官有保护作月,如颅盖骨、胸骨和肋骨等。 关节面 短骨 骨干 不规则骨 上颌窦 干骺端 扁肯 含气骨 长骨 图1-1骨的形态 每个骨块都由骨质(即骨基质)、骨膜和骨髓以及关节软骨构 成,并有神经和血管分布(图1-2,3)。骨质是骨的主要成分,表 现为密质和松质两种形式。密质构成长骨干以及其他类型骨和长 骨骺的外层。松质存在于长骨骺及其它类型骨的内部。骨髓为柔 软而富有血液的组织,充填于长骨骨髓腔及松质腔隙内,分为红骨 髓和黄骨髓。红骨髓冇造血功能,黄骨髓含大量脂肪组织。骨膜
第一章生物体运动系 是由致密结蒂组织构成的膜,包裹除关节以外的整个骨面。骨膜 内有一些细胞可分化为破骨细胞和成骨细胞,分别具有破坏旧骨 质和产生新骨质的功能,在骨的发生、生长、改造和修复时,它们的 功能最为活跃。关节软骨紧贴在骨的关节表面上,多为透明软骨, 参与构成关节,并具有减少摩擦的作用。长骨的骨干由柱状骨板 层层地叠合构成。每层骨板厚约5~7μm。松质骨由无数针状 和片状骨小梁组成,肉眼下骨小梁相互连结呈海绵状,但骨小梁的 走向大体沿骨所受应力方向,如图1-4所示,其间的腔、隙彼此沟 通,内含骨髓。 关节软晋 关节软骨 骨小梁 骨密质 骨松质 软骨 骨松质 短骨 骺软骨 骨密质 外板障 骨髓腔 滋养管 内板扁骨 滋养孔 骨髓 骨松质 A哥 骨膜 不规则骨 长骨 图12骨的构造 图1-3长骨的构造 成年人的骨,由1/3的有机质(主要是胶原蛋白)和2/3的无 机质(主要是磷酸钙和碳酸钙等)组成。有机质和无机质的结合, 使骨既有弹性又很坚硬。小儿的骨无机质含量少,有机质较多,因 此弹性大而硬度小,容易发生变形;老年人的骨则与此相反,含有 机质较少而无机质相对较多,因此较易发生骨折
现代机器人学 关节 轮匝带 关节陀 关书 股骨头 韧带 髋臼横韧带 图1-4长骨端部骨小梁排列 12.2骨的力学性能 从形态学或力学的观点来看,骨是非常复杂的。这种复杂性 由其功能适应性所决定。所谓骨的功能适应性,是指骨对所负担 工作的适应能力。决定骨的功能适应性的因素有:轴线形状、截面 形状、材料沿各方向的分布规律和内部构造情况等。 骨是最理想的等强度优化结构。它不仅在某些不变的外力环 境下能显示出其承力的优越性,而且在外力环境发生变化时,能通 过内部调整,以有利的新结构形式来适应外力环境。 为了对骨进行受力分析,首先要了解其基本力学性能。这些 性能主要是在拉仲、压缩和剪切状态下的极限强度、极限应变和本 构关系。统计表明,这些数据和函数关系随试件的不同而有很大 差异。不仅人和其他脊椎动物的骨性能差别很大,而且就人来说, 年龄、性别、职业、生活经历和生活方式、遗传情况及营养状况等因
第一章生物体运动系 5 素都在很大程度上影响着骨的力学性能。骨的极限强度很高。如 果引人比强度(极限强度除以比重)和比刚度(弹性模量除以比重) 两个概念,则可见骨的比强度接近于工程上常用的低碳钢比强度, 骨的比刚度约为低碳钢的1/3。 另外,同一块骨的不同部分的力学性能是有差别的。如各种 长骨在其管状部分的强度最高。即便是在骨的某一点上,各个方 向上的力学性能也不相同,即具有明显的各向异性。骨中主要受 力成分为无机盐和骨胶原纤维。骨的弹性模量介于它们两者的弹 性模量之间。但是骨的抗拉和抗压强度既高于骨胶原,又高于磷 酸盐。因为用来取得极限应力数据的磷酸盐试件是块状脆性休, 其内部具有很大的初应力,所以在较低的外力下会发生破坏。但 是骨骼中的磷酸盐是较细的针状结晶体,其内应力大大降低。就 好像工程上釆用的玻璃钢材料,其玻璃纤维的强度远高于块状玻 璃那样。以针状无机盐结晶为核心,与骨胶原共同组成的复合材 料结构是一种高强度承载物体。这种复合材料要求无机盐和骨胶 原之间具有合适的比例。通常是7:3。 骨的受力分析是固体力学研究的内容之一。分析时将骨看成 弹性固体(有时还要考虑其粘弹性影响)。根据骨的几何特性,通 常将长骨简化为柱(或梁柱)以研究其压缩、弯曲和稳定性。将锁 骨看成受弯曲的梁,将颅骨看成壳体,将髋骨看成浅壳(或粗略地 看成板),至于块状骨如跟骨、脊椎骨等则应按三维固体处理。由 于骨在应力下变形较小,所以在许多情况下允许用柯西( Cauchy) 应变公式来描述。 (1-1) 式中,x:和x(i,j=1,2,3)为三个方向的坐标分量,u4和u为 x;和x;方向的位移。 骨作为运动器官的一部分,在动物运动和维持姿态时都要承 受外力。分析表明,骨以其合理的截面和外形而成为一个优良的