人體動力學

人體動力學是研究人體活動科學的領域。是通過位置、速度、加速度等物理量描述和研究人體和器械的位置隨時間變化的規律或在運動過程中所經過的軌跡，而不考慮人體和器械運動狀態改變的原因。以人體為對象研究其建模方法，對其進行運動學和動力學分析的人體動力學，是仿人機構研究的基礎理論學科之一，已在航空、汽車等領域得到了廣泛套用。在研究仿人機構和仿人機器人的研究過程中，國內外各研究機構都以人體為對象，對其進行建模，並從各種步態入手進行仿真實驗。因此，對人體進行動力學分析是仿人機器人的關鍵和基礎，對它的研究的深入程度直接關係到仿人機器人設計的效果。並且研究人體動力學的建模與仿真，獲取有關運動、力學數據，對指導機電產品設計、運動康復器械設計等具有重要意義，而且人體動力學的建模與仿真研究是虛擬現實發展的一個重要內容。

基本介紹

• 中文名：人體動力學
• 依據：牛頓第一定律
• 原理：作用於人體的力
• 套用：航空

人體運動中的力

（1）從產生的結果區分：作用於人體的力與運動方向一致，且產生正加速度運動，此時的力稱為人體運動的動力。作用於人體的力與運動方向相反，且產生負加速度運動，此時的力稱為人體運動的阻力。

（2）以人體作為研究對象區分：人體內部互相作用的力為內力。外部加於人體的力為外力。人體內力與外力無相互作用時，內力只能決定身體各環節的運動狀態，但不能改變整個身體的運動狀態。外力作用於人體，一定要引起身體內相應內力的出現，這時內力的作用為抵消、克服或利用外力對內力的作用。人體的內力作為運動的源動力，是內力與周圍環境互相作用時產生的。人體的運動既取決於內力也取決於外力，取決於它們如何統一在整個運動所構成的動力結構之中。

人體或人體局部質心運動變化機制

質點運動機制

（1）牛頓第一定律（慣性定律）

任何物體，在不受外力作用或所受外力為零時，都保持靜止狀態或均速直線運動狀態，這就是牛頓第一定律，也稱為慣性定律。

（2）牛頓第二定律

質點受力作用時所獲得的加速度的大小與作用力的大小成正比，與質點的質量成反比 F=ma

可見，在相同的外力作用下，質量越大，產生的加速度越小，越不易改變運動狀態，反正亦然；

(3)牛頓第三定律（作用力與反作用力定律）

對應每個作用力必有一個與其大小相等、方向相反且在同一直線上的反作用力。作用力與反作用力分別作用在不同的物體上，分別產生各自的效應。作用力和反作用力互為存在條件。它們總是同時產生、同時存在、同時消失。作用力和反作用力是同種性質的力。作用力與反作用力等值反向，沿同一直線，這一規律不受相互作用的兩物體的運動狀態的影響。

(4)動量和動量定律

①動量定律

物體在某段時間內所受合外力與其作用時間的乘積稱為衝量。物體質量與運動速度的乘積稱為動量。動量定理指物體在某段時間內所受合外力的衝量等於它在這段時間內動量的變化量。在運動中，要使人或器械獲得較大的速度，就必須增加對其作用力的衝量。在人或器械的緩衝動作中，要延長其力的作用時間，以減少其衝擊力。若要給人或器械以強大的衝力，就要儘量縮短其作用時間。對於各種技巧性強的球類運動，可根據技戰術的要求，來調整這些動作的擊球時間，方向和打擊力的大小。

②動量守恆定律

系統在不受外力作用或所受外力之和為零時，其總動量保持不變，稱為動量守恆定律。人體是由多環節組成的生物力學系統，各個環節的動量的矢量和等於人體的總動量。人體內部在未受到外力作用時，人體內部只能改變各環節的相對位置，改變各環節的動量值，是某環節動量的該變數傳遞到其它環節，而不能改變人體的總動量。

質點系、質點系質心的概念，質心運動定律

質點系、質點系質心的概念

質點系：選一個質點組作為我們考慮的系統，該質點組就是質點系。

質點系質心：質點系質量的分布中心。

質點運動定理：質點系的質量與質心加速度乘積等於質點所受合外力的矢量和。

質點系的運動，除了與作用力有關外，還與質點系的全部質量以及質量的分布有關。質心與重心是兩個不同的概念，質心與質點系各質點質量的分布情況有關，而與作用於其上的力無關。重心則應理解為作用在各質點上的平行力系合力中心。

質點系的動量定理、動量守恆定律及其在人體運動中的套用

人體是由多個環節組成的生物學系統，各個環節的動量的矢量等於人體的總動量。 人體內部在未受外力外力作用時，人體內力只能各改變環節的相對位置，改變各環節的動量值，且只能是某環節動量的改變傳遞到其他環節。

人體的動力學特徵

按照動力學觀點觀察的人體具有兩個主要特徵:

①人體是能劃分為有限個分體的質點系。在肌肉變形對各分體質量分布的影響可忽略不計的前提下,各分體可抽象為剛體，聯結各分體的關節可簡化為球鉸。因此人體可看作是由有限個剛體以球鉸聯結而成的鏈系統。

②人體的各相鄰分體之間存在肌肉的作用力,此作用力對關節中心的力矩能改變此相鄰兩分體之間的運動狀態。一般情況下肌肉作用力不能用簡單的彈簧或阻尼器來模擬。它的大小和方向是受腦神經控制的變數,由運動員的主觀意識所確定. 運動員根據其長期訓練形成的習慣或本能,隨時依據其感覺器官接受到的各種信息而調整其肌肉作用力的大小和方向以完成預定的動作。在運動過程中,人體積蓄的內能不斷通過肌肉的活動轉換成機械能.因此人體的力學模型不是一般的剛體系,而是包含肌肉動力系統的一種特殊的剛體系。

人體運動的轉動力學

人體各環節的運動都是繞關節軸的轉動，人體走、跑、跳等動作是通過環節的轉動來實現的。所以，人體各環節的轉動是人體運動的基礎。在研究人體的轉動問題時，人體各個組成部分可以自由移動，形狀也可以改變。研究人體轉動的規律性是以剛體力學為基礎的，為了來研究人體運動的規律性，必須在一定條件下將人體當做剛體處理。

人體運動中人體轉動動作的類型

（一）轉動軸與轉動的類型

剛體轉動時，剛體上的各點都做圓周運動，形成大小不等的同心圓，各圓的中心都位於同一直線上，這條直線叫做轉動軸。如果轉動軸的位置和方向相對於某一參照系是固定的，稱固定軸；繞固定軸的轉動叫定軸轉動。如果轉動軸的位置和方向相對某一參照系是變化的，稱動軸；繞動軸的轉動叫動軸轉動。

（二）人體轉動的轉動軸

人體定軸轉動的轉動軸可能是局部肢體的關節軸，也可能是身體的基本軸或人體外的器械軸。習慣上把體外的轉動軸稱為實體軸，把體內的轉動軸稱為非實體軸。

（三）人體轉動動作的基本形式

有支點的實體軸的轉動

人體整體繞固定在地面上的運動器械的轉動，即為有支點有實體軸的轉動。如單槓大迴環類的動作。人體重心軌跡近似為一個圓或一個圓弧。

有支點無實體軸的轉動

人體局部肢體或整體繞通過人體內部的非實體軸的轉動，即為有支點無實體軸的轉動，如花樣滑冰者在冰上旋轉、籃球運動員的轉體動作等。支點又可分為固定或不固定的兩種，當支點不固定時，軸可以平移。人體局部肢體的運動也屬於這種有支點無實體軸的轉動。

無支點無實體軸的空中單軸轉動

這種情況主要是指人體繞額狀軸的前、後空翻動作，繞矢狀軸的側空翻動作，繞垂直軸的轉體動作。

無支點無實體軸的空中多軸符合轉動

人體空中的多軸複合轉動時難度大的動作，如空翻加轉體的動作（“旋”的動作）等都屬於繞多軸的複合轉動。

人體動力學模型建立方法

人體模型是車輛設計和動力學分析與仿真的基礎，為設計用的人體模型屬於人體幾何學/運動學模型，它還為動力學分析與仿真提供了必要的幾何特性；為分析與仿真用的人體模型屬於多體系統動力學模型。人體動力學模型是多體系統動力學在生物力學方面的最新研究成果，已在國外車輛動力學分析與仿真領域獲得工程套用。

如果從建模的方式來看人體模型種類可以分為以下幾種。從仿真角度建模—人體仿真模型（目前主要是指運用計算機仿真軟體進行人體多體仿真建模）,從力學角度建模—動力學模型。建立人體機械阻抗模型有兩種完全不同的方法。一種方法把整個模型看作是由一些元件組成，這些元件的機械性質是可以知道的。實質上就是一個大的模型看作是一些小的模型的集合。這種方法的難度隨著模型的複雜程度而增加，另一種方法是通過實驗的方法，將人體作為一個整體（即系統）來研究。這種方法也可以稱為“黑箱”方法。過程如圖1所示。

圖1 人體機械阻抗模型建立過程

輸入-輸出之間的關係，可以用精確的數學表達式來表示，就是傳遞函式。這個模型僅僅是數學模型。把數學模型轉換成機械阻抗模型，需要穿過“黑箱”，穿過黑箱的過程也就是識別出組成人體機械模型元件的一系列參數，這個過程實質上就是將黑箱“白化”的過程。黑箱理論不僅在人體模型建立中可以用到，在機械設計等方面，這種方法也很有實用價值。