犬水平面小跑和行走時前后路關(guān)節(jié)角度的變化

犬水平面小跑和行走時前后路關(guān)節(jié)角度的變化

生物心理學(xué)以生物心理學(xué)理論和方法研究了不同生物行為的行為技術(shù)，將復(fù)雜的行為技術(shù)整合到最基本的生物學(xué)和力學(xué)規(guī)律中，并以數(shù)學(xué)、力學(xué)、生物學(xué)和行為技術(shù)原則的形式進(jìn)行了定量解釋。運(yùn)動生物力學(xué)研究主要依賴于先進(jìn)的步態(tài)分析測試測量技術(shù)。目前,電子角測計和高速攝影技術(shù)廣泛用于生物體的運(yùn)動分析研究。Marghitu用帶有運(yùn)動分析系統(tǒng)的攝相機(jī)獲取犬小跑時后肢關(guān)節(jié)的運(yùn)動學(xué)參數(shù),并采用點(diǎn)繪圖技術(shù)和非線性動態(tài)理論分析犬的動力學(xué)穩(wěn)定性。隨著測力板的出現(xiàn),在分析過程中可以對力和關(guān)節(jié)力矩進(jìn)行測量,地反作用力、推動力的測量被用來評估動物的行走步態(tài)。Budsberg等使用力板采集動力學(xué)數(shù)據(jù),并基于垂直方向地反作用力及與形態(tài)相關(guān)的測量研究力與形體參數(shù)間的關(guān)系。Tashman等人對缺乏前十字韌帶關(guān)節(jié)的獵狗進(jìn)行了研究,使用RSA系統(tǒng)測量其十字韌帶關(guān)節(jié)的運(yùn)動學(xué)數(shù)據(jù),測取獵狗慢速步態(tài)時各項運(yùn)動數(shù)據(jù),找出與關(guān)節(jié)和韌帶受傷相關(guān)的因素,建立了韌帶損傷與關(guān)節(jié)運(yùn)動學(xué)間的關(guān)系。上述研究主要是從運(yùn)動學(xué)或者動力學(xué)單一角度對動物運(yùn)動進(jìn)行研究,而動物運(yùn)動是其固有運(yùn)動學(xué)特性和動力學(xué)共同作用的結(jié)果。因此,本文從三維運(yùn)動捕捉軌跡觀測德國牧羊犬關(guān)節(jié)角度的變化,結(jié)合地反力,從運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)兩個角度對德國牧羊犬運(yùn)動機(jī)理進(jìn)行研究,以期對四足機(jī)器人的仿生運(yùn)動及其機(jī)構(gòu)或部件設(shè)計提供更直接的現(xiàn)實(shí)參考依據(jù)。1實(shí)驗動物及儀器實(shí)驗選擇健康德國牧羊犬,如圖1所示。德國牧羊犬體格健壯,步態(tài)敏捷輕快,具有良好的驅(qū)動和制動能力。犬前后肢關(guān)節(jié)角定義如圖2所示。前肢關(guān)節(jié)角包括:肩關(guān)節(jié)角(θ1)、肘關(guān)節(jié)角(θ2)和腕關(guān)節(jié)角(θ3)。后肢關(guān)節(jié)角包括:髖股角(θ′1)、股脛角(θ′2)和踝關(guān)節(jié)角(θ′3)。實(shí)驗系統(tǒng)見圖3,由三維動作捕捉系統(tǒng)VICONMX(英國ViconMotionSystems公司)與KISTLER測力臺(瑞士奇石樂公司)組成,用于實(shí)時捕捉德國牧羊犬動力學(xué)和運(yùn)動學(xué)數(shù)據(jù)。8個紅外線攝像頭安置于捕捉空間周圍,用于接收犬體表標(biāo)記點(diǎn)的反射。系統(tǒng)對犬體表反光球在預(yù)定空間中的運(yùn)動軌跡進(jìn)行計算,以獲取關(guān)節(jié)處的軌跡。實(shí)驗前依據(jù)犬解剖學(xué)原理,將反光球貼于德國牧羊犬關(guān)節(jié)位置。KISTLER測力臺略低于地面,在犬腳掌與地板接觸時測量地反力(本實(shí)驗測力臺采樣頻為200幀/s)。實(shí)驗時,需確保德國牧羊犬每次與測力臺接觸時僅有一足與之接觸,若其他腳一起落在測力板上則數(shù)據(jù)無效。2結(jié)果與分析2.1德國牧馬山肉的生長特性KISTLER測力臺可獲取德國牧羊犬地反力信息。圖4為德國牧羊犬步行時前后肢垂直地反力曲線。由圖4可知,垂直地反力有2個峰值,分別為前肢和后肢垂直地反力峰值,即前后肢最大支撐力。圖5為前后肢垂直地反力峰值占體重百分比對比圖。在犬運(yùn)動過程中,犬前肢支撐較多體重,最大支撐力達(dá)(270.60±2.40)N,占體重的(63.64±0.81)%;后肢最大支撐力達(dá)(160.92±4.01)N,占體重的(37.86±0.96)%。圖6為犬前后肢水平地反力曲線。由圖可知,德國牧羊犬前后肢在與地面接觸過程中,水平方向地反力可進(jìn)一步分為制動相和推進(jìn)相,每只腳與地面接觸力水平方向前半周為負(fù)運(yùn)動方向力,后半周為正運(yùn)動方向力。對德國牧羊犬前后肢水平方向地反力曲線進(jìn)行時間標(biāo)測,可得出其前后肢在制動和推進(jìn)過程中所用的時間,見表1。由表1可知,前肢制動時間約占整個前肢觸地時間的(55.8±3.4)%,前肢推進(jìn)時間約占整個前肢觸地時間的(44.2±3.4)%,后肢制動時間約占整個后肢觸地時間的(32.4±3.3)%,后肢推進(jìn)時間約占整個后肢觸地時間的(67.6±3.3)%。德國牧羊犬在行進(jìn)過程中,后肢推壓地面,通過脊椎促使重心點(diǎn)傾向前方,同時脊椎向外振動,給相對側(cè)的肩胛骨壓力,跟肩胛骨聯(lián)接的前肢也受到此壓力,為了承受負(fù)重,需隨重心前移而向前踏出,但一只前肢不能充分支撐重心,其他兩肢也需要參與活動,以恢復(fù)平衡。這其實(shí)是一種經(jīng)濟(jì)步態(tài),即以最小的體力消耗獲得盡可能高的功效,保證犬能輕柔耐久地持續(xù)運(yùn)動而不疲勞。在慢走過程中,德國牧羊犬為了保持步態(tài)的穩(wěn)定,需保持三條腿與地面接觸,而且不難發(fā)現(xiàn)軀體重心始終落于此三足所組成的三角形區(qū)域內(nèi),在運(yùn)動過程中不斷組成新的三角形區(qū)域,始終保持步態(tài)的穩(wěn)定性。在小跑時,德國牧羊犬則采用對角小跑步態(tài)。這種步態(tài)使得犬體在小跑過程中保持平穩(wěn),直線前進(jìn)而不浪費(fèi)體力,減少與障礙物之間的碰撞。德國牧羊犬步行運(yùn)動過程中,四肢交替用力,其中前肢支撐較多體重。這是由于德國牧羊犬軀體重心比較靠前,更多的體重需要前肢支撐。歐洲犬學(xué)者研究指出,德國牧羊犬前后軀的體重比例大約為55∶45,日本狼犬登錄協(xié)會審查員、獸醫(yī)博士關(guān)谷昌四郎在實(shí)驗報告中指出,前軀體重58.49%,后軀體重41.51%。同時,前肢能夠支撐更多體重的原因是基于其靜力結(jié)構(gòu),德國牧羊犬前肢具有發(fā)達(dá)的胸下鋸肌,有研究表明,胸下鋸肌是犬小跑時肩部主要的抗重力肌,能夠支撐重量,胸下鋸肌的腱層形成堅韌的彈性吊帶,將軀干懸吊于兩前肢之間,而后肢的靜力結(jié)構(gòu)則不如前肢完善。犬前后肢腳掌與力臺接觸時,水平方向地反力前半周為負(fù)運(yùn)動方向,后半周為正運(yùn)動方向,即前后肢在與地面接觸時,前半周對行走起制動作用,使前后肢向前運(yùn)動減速;后半周起推進(jìn)作用,使前后肢向前運(yùn)動加速?；诖?將水平力進(jìn)一步分為制動相和推進(jìn)相。在德國牧羊犬行進(jìn)過程中,前肢制動效果較其推進(jìn)效果顯著,后肢推進(jìn)效果較其制動效果顯著。這一結(jié)果與犬前后肢生理結(jié)構(gòu)有關(guān),犬前肢骨與軀干骨間并不是以關(guān)節(jié)相連,而是借助發(fā)達(dá)的肩帶肌互相連接,這種連接形式對于減緩運(yùn)動時的震動沖擊十分有利,能對各部分所發(fā)生的沖擊予以化解,同時,前肢頸腹側(cè)鋸肌和胸菱形肌能保持前肢肩胛骨背側(cè)在頭尾方向的穩(wěn)定性;后肢是通過薦骼關(guān)節(jié)與脊柱相連接,髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)有特別發(fā)達(dá)的伸肌,當(dāng)肌肉同時作用時,伸展髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)產(chǎn)生強(qiáng)大的推動力,推動軀干向前運(yùn)動。2.2德國牧wbb表2為實(shí)驗測得的前后肢關(guān)節(jié)角極值及其轉(zhuǎn)動范圍。由表2可看出,德國牧羊犬在水平面上運(yùn)動時,隨著速度的增大,前后肢關(guān)節(jié)角變化范圍增大,前肢肩關(guān)節(jié)角及肘關(guān)節(jié)角變化范圍有所增加(分別由28.6°和57.3°增大到31.5°和65.2°),而腕關(guān)節(jié)角變化范圍則有所減小(由128.2°減小到112.5°);后肢各關(guān)節(jié)角變化范圍均有所增加(髖股角由35.3°增加到48.1°,股脛角由44.5°增加到51.9°,踝關(guān)節(jié)角由36.2°增加到52.7°)。圖7為德國牧羊犬前后肢關(guān)節(jié)單周期內(nèi)角度變化曲線,其周期時間為歸一化處理結(jié)果。由圖7可看出,隨著速度的增加,前肢支撐相占整個周期的比例由72.9%減小到56.9%,而后肢支撐相占整個周期的比例保持在59%左右(分別為59.0%、59.7%)。從曲線變化斜率可知,前肢在運(yùn)動過程中,肩關(guān)節(jié)角變化曲線均比較平坦,而腕關(guān)節(jié)角變化起伏較大;后肢各關(guān)節(jié)曲線變化幅度均在10°左右。德國牧羊犬在不同步態(tài)下,其關(guān)節(jié)角變化也不同。小跑步態(tài)下,犬后肢關(guān)節(jié)角相對于其慢速行走時變化率要快,因為德國牧羊犬后肢主要是產(chǎn)生前進(jìn)運(yùn)動的推動力。犬在起步過程中,后肢推壓地面,由于髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)有特別發(fā)達(dá)的伸肌,當(dāng)肌肉同時作用時,伸展髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié),產(chǎn)生強(qiáng)大的推動力,并通過腰、背和肩傳遞給前軀推動軀干向前運(yùn)動。因此,德國牧羊犬要提高運(yùn)動速度,就需要后肢能在較短的時間內(nèi)提供更大的推動力,關(guān)節(jié)角的變化速率也隨之變大。隨著速度的增加,前肢支撐相時間縮短,進(jìn)一步說明了前肢主要起支撐作用。由于前肢主要起支撐作用,因此,當(dāng)犬行進(jìn)速度增加時,后肢需加快提供推進(jìn)力,使得身體更快地向前運(yùn)動,前肢支撐相隨之減少,以減少重心前移速度加快所帶來的沖擊。3德國牧羊機(jī)組的前下肢關(guān)節(jié)角變化(1)由于前后肢的靜力結(jié)構(gòu)和生理結(jié)構(gòu)不同,德國牧羊犬行進(jìn)過程中,前肢支撐較多體重,并且前肢制動效果較其推進(jìn)效果顯著,后肢主要提供推