36 现代机器人学 产生的,所以肌力是内力的主导。动物体上的外力有重力、惯性 力、摩擦力、支反力、介质力(空气和水等)的阻力,被投掷或踢出物 体的反力,其他人员所施加的力等。 6.动力和创动力动力是和运动方向一致的力,它能使人体 产生正向加速度;制动力是和运动方向相反的力,它减少了人体的 速度。动力多数由肌产生,如跑步时的后蹬力、游泳时划水及蹬水 的力等。制动力有的是周围环境所产生,如跳高时的重力、跑步时 的空气阻力,它们不易被减少。也有的制动力是出于动作的需要, 如跑步时前腿落地后的地面阻力、蛙泳伸臂和曲腿时水的阻力,它 们是动力的前驱,是不可避免的,但可以通过姿态调整适当减小 7.功率分析对于长时间的运动(包括重体力劳动),常常会 出现体力下降的情况,这是因为人或动物在此过程中为完成运动 动作所需的功率超出了他在正常情况下身体所能提供的功率,所 以为了保证人能够高质量地完成常时间的运动,应对运动功率进 行分析。以跑步为例,其功率消耗包括如下几个方面:克服地面摩 擦和克服空气阻力要消耗的功率;加速时克服惯性力的作用要消 耗的功率;骨、肌、韧带之间的摩擦也要消耗功率。 研究动物运动时所发出的功率及其功率分布情况十分重要。 但直接测定一个动物所发出的功率值的确非常困难。不过人们知 道,动物的能量来自其自身化学能的消耗,对于在运动状态下(如 长距离的跑、飞、游等)的动物来说,不管它吃什么样的食物,每产 生单位数量的化学能都要消耗大体上数量相同的氧气。动物消耗 的氧气不外乎是吸入的氧和体内储存的氧两个部分。对于时间很 短的运动来说,所消耗的氧气很大一部分来自体内,而长距离的运 动则相反,主要的氧气来源于呼吸。因此,可以通过动物消耗氧气 的总质量来确定动物在长时间迳动下的能量消耗。按照耗氧情况 所推出的动物功率-速度曲线如图2-3所示。由(a)可见到,人 在较低的行进速度下,走比较节省功率,而在较高的行进速度下,跑 比较节省功率。大袋鼠在低速下由四条腿及尾同时支撑前进较节
第二章生物运动学 37 省功率,而在高速下则跳跃节省功率,而且随着行进速度的增高,功 率反稍有下降。由(b)可以见到大动物消耗的功率比小动物要大 为了更合理地比较,引入动物的移动净耗(或称运动的能耗系数) Er- f T n 式中:Ex为动物运动时单位时间的能耗量;E为动物休息时单位 时间的能耗量;m为动物质量;t为动物运动速度 取Er和E。的单位为焦耳,就得出EM与动物体重的关系如 图2-4所示,可以见到小动物的移动净能较大。综合图2-3和 图2-4可以看到,水中游动动物的EM最小,因为水的阻力小,又 不必克服重力的作用。空气中飞行动物的EM稍大,因为尽管空 功率 人 --袋 1000 500 走 (a)遠度/(s") 功率 功率 310克的寓 0.1 30克的大麻哈鱼 35克长尾小鹦0.0 0 b)這度/s){c)速度/ms 图2-3动物运动的功率-速度曲线 (a)陆上动物(b)空中动物(e)水下动物
38 现代机器人学 气阻力很小,但为了克服地心移动净耗E/ 引力必须付出一部分能量以 抵销诱导阻力的功。陆上动 昆虫 物的Ew最大,因为移动时要 小鹦鹉 克服较大的地面阻力和支持 自身重量,所以许多鸟类和鱼 类可以做很长时间的移徙与 回游,但陆上动物则极少能这 么做。 量/g 图2-4不同动物运动的移动 2.1.2运动动作的解剖学分析 净耗EM与重量的关系 动物运动动作的主动力来源于肌。各种运动都是通过肌协同 动作实现的。对于肌能力的发挥,除了神经调节因素外,肌本身的 形态和结构肌与骨之间的相对位置等都起很大的作用。因此,所 谓运动动作的解剖学分析,就是用解剖学的知识来分析骨骼肌的 工作。从解剖学可以知道,肌的两端通过腱和骨相连,当肌收缩 时,它所产生的拉力即通过腿传到骨上,使骨发生运动并在运动过 程中做功。图1-18给出了运动单元(包括骨、骨骼肌、腱和关节 模型。图中肌相当于能收编的单向活塞致动筒,骨相当于连杆,踺 相当于接头,关节相当于绞链。 从受力分析来看,肌收缩的效果与运动过程中骨肌之间的相 对位置有关。另外,骨的运动需要肌提供主动力,而且骨的静止 (如人的站坐甚至卧)状态也要肌的张紧来维持。对于下支撑情 况(如站立),肌以张紧力来防止骨的弯曲和倾倒。人体重力主要 由骨承受。对于上支撑情况则重力主要由肌的拉伸来承受。这种 情况下人更容易感到疲劳。对于上下均无支撑的情况,肌的作用 仅能使身体各部分相互接近或远离。 动物体中的肌总是以肌群的形式来工作。肌群包括原动肌、 协同肌、对抗肌和固定肌四种群体。原动肌群数量不多但在肌群
第二章生物运动学 中起主导作用。肌产生的力即来源于原动肌群。因此,原动肌群 拉力的合力就等于肌群拉力的总合力。协同肌群在一些情况下可 协同原动肌群工作,在另一些情况下可能由功能完全不同的肌群 相互配合来完成协同动作。例如拉力方向完全相反的两块肌在 个环节上可以协同起来完成力偶的动作。对抗肌是与协同肌的功 能完全相反的肌群。它以本身的拉力来阻挠运动,完成退让。固 定肌的作用是以本身的张紧为其他肌的工作建立支撑条件。 总之,肌群是通过各种肌的协调和对抗来保证各种动作的实 现。在运动过程中各种肌的地位也会发生变化,如有的肌在某个 动作下是以协同肌的身份参加作用,而另一个动作下它又可能变 为对抗肌。 2.1.3运动动作的生理学分析 动物的动作要通过骨骼肌来实现。骨骼肌是随意肌,它在很 大程度上受大脑的指挥,因此骨骼肌所完成的运动动作在一般情 况下是随意运动,它所具有的特点是: 第一,运动是按主观意志进行的,此处的主观意志包括现实的 考虑以及过去长期考虑在大脑记忆系统中所形成的程序。 第二,在力所能及的情况下,动作的客观效果一般可以满足主 观意志的要求。 第三,由于骨骼肌是在神经系统的控制下完成动作的,所以神 经系统对动作的完成和质量都起着决定性的作用。 总的来说,随意运动是以各种各样的刺激所引起的感觉为开 始,以脑的活动为中继,以肌运动为终结的一种反射活动,它一般 是由第一信号系统和第二信号系统协同完成的,是一种复杂的熟 练而协调的适应性运动。随意运动是后天获得的条件反射,而且 可以通过不断的训练得以提高。人的体育技巧运动就是一个典型 的例子。由于多次反复训练的结果,在人脑中形成了固定的程序 当指令一发出,就可以按程序自动执行,大脑也可以在某些点上加
现代机器人学 以监控。在实践中这个程序还会不断修改,从而使人对自已的某 些动作加以纠正或是补充某些新动作。从生理学观点来看,彰响 动作质量的因素很多,对于速度快频率高的运动有时并不是肌的 力量不够,而是神经系统不能及时响应和控制,使肌间不能协调 致地工作。 2.2运动动作的分类 由于人的运动通常是复杂而有规律的,前且经过长期的分析 总结已经了解的比较透彻,因此可以作为分析运动动作的典型代 表。以人的体育运动为例,每个项目都是由一系列的运动动作所 组成许多项目中都有类似的动作,各个类似动作又有不同程度的 差别,所以严格说来对运动动作进行分类是十分困难的。但是为 了很好地进行运动分析,对动作进行科学的分类是十分必要的。 这样才能找出运动动作的一般规律,为运动研究打下基础。 通常的分类情况如下所示:一般地,我们将动作分为固定动作 和不固定动作;固定动作分为单一动作和组合动作;单一动作分 为静力性动作和动力性动作;组合动作分为周期性组合动作、非周 期性组合动作和混合性组合动作;动力性动作分为平移动作、移动 动作和复杂动作。 2.2.1单一性动作 单一动作有时可以构成一个独立的运动动作,但大多数情况 下它是构成整套运动动作的一个组成部分,是各种运动的重要基 础,所以人们对它进行了比较充分的研究。 1.静力性动作做此项动作时,身体应处于静止状态。如起 跑准备、体操落地等。同时,许多动力性动作在某一瞬闾的情况也 可以当作静力性动作来分析。对静力性动作分析的关键是研究其 重心、平衡和稳定性