[科普中国]-人体动力学

人体动力学是研究人体活动科学的领域。是通过位置、速度、加速度等物理量描述和研究人体和器械的位置随时间变化的规律或在运动过程中所经过的轨迹，而不考虑人体和器械运动状态改变的原因。以人体为对象研究其建模方法，对其进行运动学和动力学分析的人体动力学，是仿人机构研究的基础理论学科之一，已在航空、汽车等领域得到了广泛应用。在研究仿人机构和仿人机器人的研究过程中，国内外各研究机构都以人体为对象，对其进行建模，并从各种步态入手进行仿真实验。因此，对人体进行动力学分析是仿人机器人的关键和基础，对它的研究的深入程度直接关系到仿人机器人设计的效果。并且研究人体动力学的建模与仿真，获取有关运动、力学数据，对指导机电产品设计、运动康复器械设计等具有重要意义，而且人体动力学的建模与仿真研究是虚拟现实发展的一个重要内容。

人体运动中的力（1）从产生的结果区分：作用于人体的力与运动方向一致，且产生正加速度运动，此时的力称为人体运动的动力。作用于人体的力与运动方向相反，且产生负加速度运动，此时的力称为人体运动的阻力。

（2）以人体作为研究对象区分：人体内部互相作用的力为内力。外部加于人体的力为外力。人体内力与外力无相互作用时，内力只能决定身体各环节的运动状态，但不能改变整个身体的运动状态。外力作用于人体，一定要引起身体内相应内力的出现，这时内力的作用为抵消、克服或利用外力对内力的作用。人体的内力作为运动的源动力，是内力与周围环境互相作用时产生的。人体的运动既取决于内力也取决于外力，取决于它们如何统一在整个运动所构成的动力结构之中。

人体或人体局部质心运动变化机制质点运动机制

（1）牛顿第一定律（惯性定律）

任何物体，在不受外力作用或所受外力为零时，都保持静止状态或均速直线运动状态，这就是牛顿第一定律，也称为惯性定律。

（2）牛顿第二定律

质点受力作用时所获得的加速度的大小与作用力的大小成正比，与质点的质量成反比 F=ma

可见，在相同的外力作用下，质量越大，产生的加速度越小，越不易改变运动状态，反正亦然；

(3)牛顿第三定律（作用力与反作用力定律）

对应每个作用力必有一个与其大小相等、方向相反且在同一直线上的反作用力。作用力与反作用力分别作用在不同的物体上，分别产生各自的效应。作用力和反作用力互为存在条件。它们总是同时产生、同时存在、同时消失。作用力和反作用力是同种性质的力。作用力与反作用力等值反向，沿同一直线，这一规律不受相互作用的两物体的运动状态的影响。

(4)动量和动量定律

①动量定律

物体在某段时间内所受合外力与其作用时间的乘积称为冲量。物体质量与运动速度的乘积称为动量。动量定理指物体在某段时间内所受合外力的冲量等于它在这段时间内动量的变化量。在运动中，要使人或器械获得较大的速度，就必须增加对其作用力的冲量。在人或器械的缓冲动作中，要延长其力的作用时间，以减少其冲击力。若要给人或器械以强大的冲力，就要尽量缩短其作用时间。对于各种技巧性强的球类运动，可根据技战术的要求，来调整这些动作的击球时间，方向和打击力的大小。

②动量守恒定律

系统在不受外力作用或所受外力之和为零时，其总动量保持不变，称为动量守恒定律。人体是由多环节组成的生物力学系统，各个环节的动量的矢量和等于人体的总动量。人体内部在未受到外力作用时，人体内部只能改变各环节的相对位置，改变各环节的动量值，是某环节动量的该变量传递到其它环节，而不能改变人体的总动量。

质点系、质点系质心的概念，质心运动定律质点系、质点系质心的概念

质点系：选一个质点组作为我们考虑的系统，该质点组就是质点系。

质点系质心：质点系质量的分布中心。

质点运动定理：质点系的质量与质心加速度乘积等于质点所受合外力的矢量和。

质点系的运动，除了与作用力有关外，还与质点系的全部质量以及质量的分布有关。质心与重心是两个不同的概念，质心与质点系各质点质量的分布情况有关，而与作用于其上的力无关。重心则应理解为作用在各质点上的平行力系合力中心。

质点系的动量定理、动量守恒定律及其在人体运动中的应用

人体是由多个环节组成的生物学系统，各个环节的动量的矢量等于人体的总动量。 人体内部在未受外力外力作用时，人体内力只能各改变环节的相对位置，改变各环节的动量值，且只能是某环节动量的改变传递到其他环节。

人体的动力学特征按照动力学观点观察的人体具有两个主要特征:

①人体是能划分为有限个分体的质点系。在肌肉变形对各分体质量分布的影响可忽略不计的前提下,各分体可抽象为刚体，联结各分体的关节可简化为球铰。因此人体可看作是由有限个刚体以球铰联结而成的链系统。

②人体的各相邻分体之间存在肌肉的作用力,此作用力对关节中心的力矩能改变此相邻两分体之间的运动状态。一般情况下肌肉作用力不能用简单的弹簧或阻尼器来模拟。它的大小和方向是受脑神经控制的变量,由运动员的主观意识所确定. 运动员根据其长期训练形成的习惯或本能,随时依据其感觉器官接受到的各种信息而调整其肌肉作用力的大小和方向以完成预定的动作。在运动过程中,人体积蓄的内能不断通过肌肉的活动转换成机械能.因此人体的力学模型不是一般的刚体系,而是包含肌肉动力系统的一种特殊的刚体系。

人体运动的转动力学人体各环节的运动都是绕关节轴的转动，人体走、跑、跳等动作是通过环节的转动来实现的。所以，人体各环节的转动是人体运动的基础。在研究人体的转动问题时，人体各个组成部分可以自由移动，形状也可以改变。研究人体转动的规律性是以刚体力学为基础的，为了来研究人体运动的规律性，必须在一定条件下将人体当做刚体处理。

人体运动中人体转动动作的类型

（一）转动轴与转动的类型

刚体转动时，刚体上的各点都做圆周运动，形成大小不等的同心圆，各圆的中心都位于同一直线上，这条直线叫做转动轴。如果转动轴的位置和方向相对于某一参照系是固定的，称固定轴；绕固定轴的转动叫定轴转动。如果转动轴的位置和方向相对某一参照系是变化的，称动轴；绕动轴的转动叫动轴转动。

（二）人体转动的转动轴

人体定轴转动的转动轴可能是局部肢体的关节轴，也可能是身体的基本轴或人体外的器械轴。习惯上把体外的转动轴称为实体轴，把体内的转动轴称为非实体轴。

（三）人体转动动作的基本形式

有支点的实体轴的转动人体整体绕固定在地面上的运动器械的转动，即为有支点有实体轴的转动。如单杠大回环类的动作。人体重心轨迹近似为一个圆或一个圆弧。

有支点无实体轴的转动人体局部肢体或整体绕通过人体内部的非实体轴的转动，即为有支点无实体轴的转动，如花样滑冰者在冰上旋转、篮球运动员的转体动作等。支点又可分为固定或不固定的两种，当支点不固定时，轴可以平移。人体局部肢体的运动也属于这种有支点无实体轴的转动。

无支点无实体轴的空中单轴转动这种情况主要是指人体绕额状轴的前、后空翻动作，绕矢状轴的侧空翻动作，绕垂直轴的转体动作。

无支点无实体轴的空中多轴符合转动人体空中的多轴复合转动时难度大的动作，如空翻加转体的动作（“旋”的动作）等都属于绕多轴的复合转动。

人体动力学模型建立方法人体模型是车辆设计和动力学分析与仿真的基础，为设计用的人体模型属于人体几何学/运动学模型，它还为动力学分析与仿真提供了必要的几何特性；为分析与仿真用的人体模型属于多体系统动力学模型。人体动力学模型是多体系统动力学在生物力学方面的最新研究成果，已在国外车辆动力学分析与仿真领域获得工程应用。

如果从建模的方式来看人体模型种类可以分为以下几种。从仿真角度建模—人体仿真模型（目前主要是指运用计算机仿真软件进行人体多体仿真建模）,从力学角度建模—动力学模型。建立人体机械阻抗模型有两种完全不同的方法。一种方法把整个模型看作是由一些元件组成，这些元件的机械性质是可以知道的。实质上就是一个大的模型看作是一些小的模型的集合。这种方法的难度随着模型的复杂程度而增加，另一种方法是通过实验的方法，将人体作为一个整体（即系统）来研究。这种方法也可以称为“黑箱”方法。过程如图1所示。

图1 人体机械阻抗模型建立过程

输入-输出之间的关系，可以用精确的数学表达式来表示，就是传递函数。这个模型仅仅是数学模型。把数学模型转换成机械阻抗模型，需要穿过“黑箱”，穿过黑箱的过程也就是识别出组成人体机械模型元件的一系列参数，这个过程实质上就是将黑箱“白化”的过程。黑箱理论不仅在人体模型建立中可以用到，在机械设计等方面，这种方法也很有实用价值。