第一章生物体运动系 向运动时,就会把附着在它上面的细肌丝拉向M膜的方向。产 生此运动所需的能量由三磷酸腺苷(ATP)供给,但是肌球蛋白分 子头上所结合的ATP只有在被ATP酶分解后才能释放能量, 存在于肌球蛋白分子头上的ATP酶只有与肌动蛋白结合才具有 分解ATP的活性。松弛状态的肌纤维在肌球蛋白分子头与细肌 丝的肌动蛋白之间隔有原肌球蛋白,它阻碍着肌动蛋白与肌球蛋 白分子头接触。当肌纤维要收缩时,肌质网释放出钙,肌浆中钙浓 度增高。钙与细肌丝的肌原蛋白结合,肌原蛋白的构型与位置因 之发生变化,原肌球蛋白的位置也随之发生变化,使肌动蛋白与肌 球蛋白分子头接触。在接触的瞬间,ATP酶被激活。它分解ATP 并使储存于ATP内的化学能变为机械能,造成肌球蛋白分子头的 运动。将细肌丝拉向M膜。当肌浆中的钙被肌质网收回,并有 另一个ATP分子结合在肌球蛋白分子头上时,肌球蛋白分子头才 能脱离细肌丝。两种肌丝又回到原来的梋对位置,肌纤维松弛。 若细胞内缺乏ATP时,肌球蛋白分子头便不能脱离细肌丝以转动 退回到原来的位置,细肌丝也不能返回原来的位置。这样,肌纤维 就一直处于收缩状态下。在生理学上称这种情况为肌强直。 骨骼肌的收缩机理作为一个仿生学问题引起人们的兴趣。在 工程上是使化学能先转化为热能才能变为机械能。如在蒸汽机中 是由煤的燃烧使水加热成蒸汽而做功,内燃机中是由燃油的燃烧 气化而做功。这种方式的最大峡点是热的散失问题极其严重,如 蒸汽机车能量损失达80%以上。内燃机车情况稍好,但可利用的 能量也不到1/3。肌肉的能量转换不经过热能阶段,所以效率很 高。这是目前任何一种工程机械远不能达到的,肌肉由化学能直 接转化为机械能的事实给人们以启发。图1-30就是一个直接转 化的模型。它是在活塞桶内装有聚丙烯酸和聚乙烯薄膜,通过转 换开关可以交替地输人氢氧化钠和盐酸。在输人氢氧化钠时薄膜 膨胀,而输入盐酸时蕩膜收缩。这样就可以由化学能直接转变为 机械能
32 现代机器人学 输入 输入 旋转控制闯 收缩元 并联弹性 串联弹性元 图-29骨骼肌的三单元模型 由化学能直接转变 为机械能的装置简图
第二章生物送动学 生物运动学主要研究生物(一般是指动物)体的宏观运动。它 将解剖学、生理学和力学结合起来,分析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。从对生物体的运动分析中人们可以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。 生物运动学是一门古老而年轻的学科。继高速摄影之后,各 种各样的电子仪器和近代科学理论相继投入到生物运动的测量与 分析中来。录像技术和数字计算机的普遍使用,更加有利地推动 了生物运动学的研究。由于对生物运动研究的电子化和微观化, 也就为生物运动研究的数字化创造了条件,从而使生物运动由定 性分析向定量分析发展。 本章中不失一般性以人体为例对运动动作作一般的分析,然 后研究一些人、四足动物以及爬行动物的特定运动。 2.1运动动作分析 动物的运动动作由一系列的运动动作构成,通过对运动动作 的分析可以了解各种运动动作的规律,比较它们的优劣;说明各种 运动的差别;研究各种运动的发展规律及其运动的稳定性和适应 性,据此设计仿生系统的运动动作。在这一节里,我们要探讨运动 动作的机理,并对某些典型运动动作进行分析。 为了有效地分析动物的某个动作,要搞清该动作产生的原因, 动作的过程和动作的后果(对下一个动作的影响)。这些需要对动
34 现代机器人学 作机理进行研究。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下列三个方面的内容,即 动作的结构分析,动作的解剖分析和动作的生理分析。 2.1.1运动动作的结构分析 每一个完整的运动动作,其各个组成部分之间必定存在着某 些内在联系,由这些联系结合起来的动作各部分的总体,称为动作 结构。动作结构把一种动作和其他动作区别开来,由于动作结构 的不同,就使得运动的种类千差万别。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 后动作之间的关连。通常可以从三个方面对动作结构进行分析。 1.运动学分析对动作的时间和空间规律进行的分析称为 运动学分析。它主要研究运动的轨迹速度(或角速度)和加速度 (或角加速度)。研究时首先要建立人体的坐标系统(图2-1)。 通常以垂直地面的轴为垂直轴,以人体前后方向为矢状轴,以人体 侧向为冠状轴,这三个轴的方向是:垂直轴以向上为正,矢状轴以 向前为正,冠状轴以指向人的左侧为正。由垂直轴与矢状轴组成 的平面称为天状面,由垂直轴与冠状轴组成的面称为冠状面,由冠 状轴与矢状轴组成的平面称为水平面。在某些特殊情况下,轴的 形式稍有变化,如有时将垂直轴称为纵轴,这对人体上部不垂直与 地面的动作更确切一些。 2.运动轨迹的分析包括对动物总重心运动轨迹的分析和 各部分(主要是四肢)相对于总重心运动的分析两部分。例如人在 跑步时,其总重心的位移包括三个分量,即前进方向的移动,上下 的起伏以及向落地脚的一侧所做的侧向移动,因此它是一条空间 螺旋线。图2-2给出了人体总重心在两个平面上的移动轨迹。 此外如以人体总重心为原点构成一个相对坐标系统,则人的各部
第二章生物运动学 分(主要指四肢)相对于这个坐标系的运动轨迹大致为同一形状的 封闭曲线,即随着时间作周期性变化。 垂直轴 y右支撑左支撑右支撑 膺空11腾空 薏状面 矢状面 额状面) (a) 右支排左支右支撑 冠状轴 t空汁空 矢状轴 水平面 图2-1人体坐标系 图2-2人在跑步时总重心移动轨迹 矢状面上的孰迹b.水平面上的轨迹 3.加速度和角加速度分析即使当身体总重心做匀速运动 时,各部分也不可避免地做加速度或角加速度运动。研究加速度 和角加速度的一个重要目的在于把动物体的运动参数(位移、速度 等)与力、能量联系起来。 4.动力学分析其任务是分析动物体各部分在动作时各个 力之间,力与加速度、速度之间的关系。作用在物体上的力按作用 性质分类可分为内力和外力,也可分为动力和制动力。 5.内力和外力如以动物体为对象,在分析运动动作中的各 力相互作用时,把动物内部产生的力称为内力;把动物体与环境之 间产生的力称为外力。由于内力仅发生在动物体的内部,所以它 仅能引起身体的一部分与另一部分之间的相对运动,而不能改变 整个身体的重心在空间的运动状态。如果将动物悬挂起来,则悬 挂反力和重力相平衡,绳索通过动物重心,此时尽管动物的四肢不 断运动,它的重心却不能发生运动。动物体中的内力是由肌收缩