4期 李愉:二足直立行走的生物力学特征和南方古猿阿法种可能的行走方式·257 a.人体测量学模型 首先,根据露西标本的测量结果,确定模型身高1.07m,体重29.9kg21。肢长的确定不 是根据形态长度,而是据此形态长度推定其功能长。如上臂长被定义为肱骨头中心至桡骨 近端关节中心的距离,并以此类推。 b.静力学模型 给予上述人体测量学模型以服从一定分布规律的质量,即为静力学模型。两套肢段质 量分布数据被用于构造模型。一为现代人,另一为黑猩猩。两套模型各代表人或黑猩 猩的各肢段质量,质心以及转动惯量。为了使腿部关节运动在由摆动到支撑的交替过程中 有一个平滑过渡,关节均装有一个“弹簧”,使其具有弹性(硬度)及阻尼效果 c.运动学数据 三套运动方程被用来驱动前述的静力学模型。每套运动方程包括肩、肘、膝、髋、踝的角 度变化,被分别取自于人的正常行走,人以屈膝屈髖的方式行走,以及黑猩猩的双足行走 实际上上肢的运动对于地面力只有很小的影响,下肢的运动则是决定模型行为的关键。 d.动力学模型—计算机模拟 应用前述的运动方程于静力学模型,使后者的关节按与其对应的运动方程作周期性运 动,并给予相应的环境力学参数(足与地面接触时的摩擦系数及弹性特征等),以计算机作模 拟运算,即可估算出两足与地面的接触力,下肢各关节的转矩和能耗,以及模型的运动速度 加速度等力学特征。两套静力学模型与三套运动方程的组合形成了六个动力学模型。图1 示力学模型的建立过程,图2示“运动”中的模型及其环境。 模拟由 ADAME/ Android软件提供,在 Silicon Graphics Indigo系列机上运行。模拟采用的 步态周期为1.60秒/步,(频率0.625) 为了验证计算机模拟的可靠性,另一个仿真人的模型亦被构造出来,此模型以本文作者 的人体测量数据为基础,具体构造方法与前述南方古猿模型的方法相同。同一被测者(作者 本人)又在力学平台( Forceplate)上测得各种步态时的地面接触力;辅以从录像带上取得的关 节动态位置,计算出各下肢关节的转矩及能量在步行周期中的变化。图3A及3B比较正常 步态的测量与模拟结果。 2结果与分析 计算机模拟显示,在前述的条件下,即以预先设定的运动方程驱动静力模型,肢体的质 量分布对地面力等参数模拟结果影响极小,可以忽略。因此,前述的六个模型可以简化为三 个,以不同的三套关节运动方程为代表,即今人直立行走,今人屈膝屈髖行走和黑猩猩行走。 结果进一步显示,以黑猩猩的运动方程构造的模型不能持续行走,模拟开始后立即“摔 倒”故不再进行进一步的研究 余下的两个模型经过反复调整各关节的力学参数(硬度及阻尼)的组合,均可在模拟的 地面上连续行走,继而给出髖、膝踝三关节的转矩及能量。图45分别显示功率及转矩。 从图4来看,完全直立行走的模型与屈膝屈髋模型有相似的功率输出最大值,均为约每 公斤体重1.5瓦,但具有非常不同的分布。屈膝屈髋模型的髖关节连续输出正功,而另外两 个下肢关节则只作负功(即吸收能量)。而在直立模型,三个关节交替作能量的释放和吸收 o1995-2005 TSinghua Tongfang Optical Disc Co, LId. Al rights resereda1 人体测量学模型 : 首先 ,根据露西标本的测量结果 ,确定模型身高 1107m ,体重 2919kg[2 ] 。肢长的确定不 是根据形态长度 ,而是据此形态长度推定其功能长。如上臂长被定义为肱骨头中心至桡骨 近端关节中心的距离 ,并以此类推。 b1 静力学模型 : 给予上述人体测量学模型以服从一定分布规律的质量 ,即为静力学模型。两套肢段质 量分布数据被用于构造模型。一为现代人[13 ] ,另一为黑猩猩[14 ] 。两套模型各代表人或黑猩 猩的各肢段质量 ,质心以及转动惯量。为了使腿部关节运动在由摆动到支撑的交替过程中 有一个平滑过渡 ,关节均装有一个“弹簧”,使其具有弹性(硬度) 及阻尼效果。 c1 运动学数据 : 三套运动方程被用来驱动前述的静力学模型。每套运动方程包括肩、肘、膝、髋、踝的角 度变化 ,被分别取自于人的正常行走 ,人以屈膝屈髋的方式行走 ,以及黑猩猩的双足行走。 实际上上肢的运动对于地面力只有很小的影响[15 ] ,下肢的运动则是决定模型行为的关键。 d1 动力学模型 ———计算机模拟 : 应用前述的运动方程于静力学模型 ,使后者的关节按与其对应的运动方程作周期性运 动 ,并给予相应的环境力学参数(足与地面接触时的摩擦系数及弹性特征等) ,以计算机作模 拟运算 ,即可估算出两足与地面的接触力 ,下肢各关节的转矩和能耗 ,以及模型的运动速度、 加速度等力学特征。两套静力学模型与三套运动方程的组合形成了六个动力学模型。图 1 示力学模型的建立过程 ,图 2 示“运动”中的模型及其环境。 模拟由 ADAME/ Android 软件提供 ,在 Silicon Graphics Indigo 系列机上运行。模拟采用的 步态周期为 1160 秒/ 步 ,(频率 01625) 。 为了验证计算机模拟的可靠性 ,另一个仿真人的模型亦被构造出来 ,此模型以本文作者 的人体测量数据为基础 ,具体构造方法与前述南方古猿模型的方法相同。同一被测者(作者 本人) 又在力学平台(Forceplate) 上测得各种步态时的地面接触力 ;辅以从录像带上取得的关 节动态位置 ,计算出各下肢关节的转矩及能量在步行周期中的变化。图 3A 及 3B 比较正常 步态的测量与模拟结果。 2 结果与分析 计算机模拟显示 ,在前述的条件下 ,即以预先设定的运动方程驱动静力模型 ,肢体的质 量分布对地面力等参数模拟结果影响极小 ,可以忽略。因此 ,前述的六个模型可以简化为三 个 ,以不同的三套关节运动方程为代表 ,即今人直立行走 ,今人屈膝屈髋行走和黑猩猩行走。 结果进一步显示 ,以黑猩猩的运动方程构造的模型不能持续行走 ,模拟开始后立即“摔 倒”,故不再进行进一步的研究。 余下的两个模型经过反复调整各关节的力学参数(硬度及阻尼) 的组合 ,均可在模拟的 地面上连续行走 ,继而给出髋、膝、踝三关节的转矩及能量。图 4、5 分别显示功率及转矩。 从图 4 来看 ,完全直立行走的模型与屈膝屈髋模型有相似的功率输出最大值 ,均为约每 公斤体重 115 瓦 ,但具有非常不同的分布。屈膝屈髋模型的髋关节连续输出正功 ,而另外两 个 下肢关节则只作负功(即吸收能量) 。而在直立模型 ,三个关节交替作能量的释放和吸收 4 期 李愉 : 二足直立行走的生物力学特征和南方古猿阿法种可能的行走方式 · 752 · © 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved