16 现代机器人学 密结蒂组织构成,附着于关节面周围的骨面上,并与骨膜相连。滑 膜层居內层,薄而光滑,由疏松结缔组织组成,紧贴纤维层的内面, 并附着于关节软骨的周缘。滑膜层内有丰富的血管网,能产生滑 液,以减少关节运动时关节软骨的摩擦。关节腔为关节囊滑膜层 与关节软骨之间所围成的窄隙,内含有少量滑液。关节腔密闭呈 负压,对维持关节的稳固性有一定作用。关节的辅助结构包括韧 带、关节内软骨和关节唇。韧带呈束状或膜状,连于相邻软骨之 间,由致密纤维结蒂组织束构成,可加强关节的稳固性。关节内软 骨由纤维软骨构成,位于两骨关节面之间,有关节盘和关节半月板 两种,能增加关节的弹性,减少对骨面的冲击,并可使两骨关节面 互相适应,更有利于关节的运动。关节唇是附着于关节窝周缘的 纤维软骨环,有加深关节窝,增加关节稳固性的作用。 4.2.2关节的运动 关节的运动与关节面的形态有密切关系,其运动的形式基本 上可按照关节的三种轴而分为三组拮抗性的动作。曲与伸指关节 沿冠状轴进行的运动。运动时两骨互相靠拢,角度缩小的称曲;相 反,角度加大的则称伸。内收和外展通常是指关节沿矢状轴的运 动。运动时骨向正中面靠拢者,称为内收(或收);反之,离开正中 面者称外展(或展)。骨环绕垂直轴进行的运动,称旋转。骨的前 面转向内侧的运动称为旋内;反之,旋向外侧的运动称为旋外。在 前臂,桡骨是围绕通过桡骨头和尺骨头的轴线旋转的,其“旋内”即 将手掌向内侧转,手背转向前方的运动,又称为旋前;其“旋外”即 将手掌恢复到向前,手背转向后方的运动,又称为旋后。凡二轴或 三轴关节可作环转运动,即关节头原位转动,骨的远端可作圆周运 动,运动时全骨描绘成圆锥形的轨迹。环转运动实为屈、展、伸、 收的依次连续运动。 143关节软骨的力学性能 软骨在脊榨动物体内分布很广。胚胎早期,绝大多数骨都是
渠一尊生物体运动系 17 软骨,以后逐渐由无机盐沉积而变成骨。成年人的软骨主要存在于 关节、胸肋、呼吸道、耳廓、锥间盘及其它许多地方。其功能主要为 润滑、受力与减震。从力学性质来看,它基本上属于软组织范畴。 软骨是一种多孔的粘弹性材料,其组织间隙中充满着液体。 在受拉仲应力下间隙扩大,液体流入,压缩时则液体被挤出。软骨 中没有血管,它正是靠这种应力下液体的流动来保正营养的供应。 由于软骨的应力影响着它当中的流体含量,而流体含量又影响着 软骨的力学性质,因此问题的分析变的复杂化了。 关节软骨实验表明,它拉格朗日应力Pa 具有明显的滞后环,并且应 力峰值随应变率的增大而略 有增长。关节软骨对应变率 的敏感程度大致是中等水 平。软骨一般在经过预调后 其性能会趋于稳定,如图1 1l所示,经过9~10次预调 之后,应力-时间曲线的形 状不再有明显的变化 026810时间/ 些软骨的受压试验 表明,它具有明显的应力松 图1-11牛股骨的构造软骨对周期 弛现象,并且能在短时间内 性拉伸(=1.071.10)的应力反应 迅速松弛,这是因为在压力下液体被迅速挤出而造成的。图112 反映了压缩过程中在出现位移的情况下,软骨内流体流动情况和 应力松弛情况。其中图(a)表示了位移的变化过程,OAB段是 压缩阶段,BCDE段是保持位移阶段。图(b)是对应于0A……E 的各个阶段下液体的流动情况。图(c)是相应的应力变化过程。 软背中的应力松弛与变形量的大小有关,例如在伸长比入= 1.05时,应力在15分钟内已基本完成松弛过程,但当入-1.6 1.29时,应力松弛过程延续到00分钟仍未结束,此松弛函数
18 现代机器人学 流出抖再分布平衡 b位移/mm 关节 A C D F 应力/ t(时间) 图1-12软骨压缩应力松弛图 (a)位移随时间变化曲线(b)组织内液体流动示意图(c)应力松弛曲线 应该同时与时间、应变E的大小有关。 根据准线性理论可以写出松弛函数式 e(4),t]=G(t)se)[e(t)](1-18 式中s(n[∈(t)]是弹性响应,G(t)是归一化松弛函数。对于t时 刻的应力由积分得到 a(t)= G(t-r)s()(r)dr E(t aG(t-t).(e odr at (1-19) 只要模型中力学性能函数G(t)和s(?)[e(t)]被确定,则应力 函数a(t)可以得到。图1-13给出了软骨G(t)变化的试验数 据。G(t)值还可以由公式 G()=[l+c{E:(t/r2)-E1(t/r1)]/i1+clog(z2/r1)] 求得。式中E1为指数积分函数,e,r1,z2为材料常数,由最小二 乘法得到软骨的c=2.02、z;=0.006s、z2=8,38s 对于弹性响应S(,可假设它为一幂级数
第一章生物体运动系 将它与前面得到的G(t)值共同代入(1-19)式即得到一个线性 方程组。可以解得系数a;,例如取两项时(n=2),得到a1=3000 N/cm2,a2=5600N/cm2。在图1-14中对理论结果和实验数据 进行了比较。 松熟数G(t)=(t)/a(t0) 克希夫应力/a 实验数据 1.0 拟合曲线 0.8 实验数据 2.0 0.6 拟合曲线 八 0.2 0.5 0.01r 25 0.o51.01.520z.5303 物间/ 图1-13由准线性理论拟合的图1-14在加载一卸载的前三个循环 构造软骨实验数据 中理论数据与实验数据结果的比较 1.5肌及其力学性能 根据肌组织构造和功能的不同,可将人体的肌分为平滑肌、心 肌和骨骼肌三种。平滑肌主要构成内脏和血管的壁,心肌构成心 壁,两者都不随人的意志收编,故称为不随意肌。骨骼肌分布于 头、颈、躯干和四肢,通常附着于骨,随人的意志收缩,又称随意肌。 这里主要讨论骨骼肌(图1-15,16)。 1.5.1肌的形态和构造 肌的形态多种多样,可概括地分为长肌短肌、阔肌和轮匝肌 四种(图1-17)。长肌多见于四肢,收缩时肌显著缩短而引起大 幅度的运动有的长肌有两个以上的起始头,依其头数被称为二
现代机器人学 肱桡肌 肌 表情肌 斜方肌 量三头肌 三角 助肌冈下肌 大圆肌 胸人 背阔肌 前锯肌 桡倒魔 腹外斜肌 级胸腰筋膜 伸肌 浅层 酸白线 伸肌支持带 大肌 长收肌 股四头到 殷薄肌 股二头肌 股薄肌 半颹肌 半膜肌 胫骨前肌 趾长伸肌 图1-15全身肌的分布(前面 图1-16全身肌的分布(后面) 趴肌腹 短肌 腱膜 轮匝肌 长肌 图1-17肌的形态