犬水平面小跑和行走时前后路关节角度的变化

犬水平面小跑和行走时前后路关节角度的变化

生物心理学以生物心理学理论和方法研究了不同生物行为的行为技术，将复杂的行为技术整合到最基本的生物学和力学规律中，并以数学、力学、生物学和行为技术原则的形式进行了定量解释。运动生物力学研究主要依赖于先进的步态分析测试测量技术。目前,电子角测计和高速摄影技术广泛用于生物体的运动分析研究。Marghitu用带有运动分析系统的摄相机获取犬小跑时后肢关节的运动学参数,并采用点绘图技术和非线性动态理论分析犬的动力学稳定性。随着测力板的出现,在分析过程中可以对力和关节力矩进行测量,地反作用力、推动力的测量被用来评估动物的行走步态。Budsberg等使用力板采集动力学数据,并基于垂直方向地反作用力及与形态相关的测量研究力与形体参数间的关系。Tashman等人对缺乏前十字韧带关节的猎狗进行了研究,使用RSA系统测量其十字韧带关节的运动学数据,测取猎狗慢速步态时各项运动数据,找出与关节和韧带受伤相关的因素,建立了韧带损伤与关节运动学间的关系。上述研究主要是从运动学或者动力学单一角度对动物运动进行研究,而动物运动是其固有运动学特性和动力学共同作用的结果。因此,本文从三维运动捕捉轨迹观测德国牧羊犬关节角度的变化,结合地反力,从运动学和动力学两个角度对德国牧羊犬运动机理进行研究,以期对四足机器人的仿生运动及其机构或部件设计提供更直接的现实参考依据。1实验动物及仪器实验选择健康德国牧羊犬,如图1所示。德国牧羊犬体格健壮,步态敏捷轻快,具有良好的驱动和制动能力。犬前后肢关节角定义如图2所示。前肢关节角包括:肩关节角(θ1)、肘关节角(θ2)和腕关节角(θ3)。后肢关节角包括:髋股角(θ′1)、股胫角(θ′2)和踝关节角(θ′3)。实验系统见图3,由三维动作捕捉系统VICONMX(英国ViconMotionSystems公司)与KISTLER测力台(瑞士奇石乐公司)组成,用于实时捕捉德国牧羊犬动力学和运动学数据。8个红外线摄像头安置于捕捉空间周围,用于接收犬体表标记点的反射。系统对犬体表反光球在预定空间中的运动轨迹进行计算,以获取关节处的轨迹。实验前依据犬解剖学原理,将反光球贴于德国牧羊犬关节位置。KISTLER测力台略低于地面,在犬脚掌与地板接触时测量地反力(本实验测力台采样频为200帧/s)。实验时,需确保德国牧羊犬每次与测力台接触时仅有一足与之接触,若其他脚一起落在测力板上则数据无效。2结果与分析2.1德国牧马山肉的生长特性KISTLER测力台可获取德国牧羊犬地反力信息。图4为德国牧羊犬步行时前后肢垂直地反力曲线。由图4可知,垂直地反力有2个峰值,分别为前肢和后肢垂直地反力峰值,即前后肢最大支撑力。图5为前后肢垂直地反力峰值占体重百分比对比图。在犬运动过程中,犬前肢支撑较多体重,最大支撑力达(270.60±2.40)N,占体重的(63.64±0.81)%;后肢最大支撑力达(160.92±4.01)N,占体重的(37.86±0.96)%。图6为犬前后肢水平地反力曲线。由图可知,德国牧羊犬前后肢在与地面接触过程中,水平方向地反力可进一步分为制动相和推进相,每只脚与地面接触力水平方向前半周为负运动方向力,后半周为正运动方向力。对德国牧羊犬前后肢水平方向地反力曲线进行时间标测,可得出其前后肢在制动和推进过程中所用的时间,见表1。由表1可知,前肢制动时间约占整个前肢触地时间的(55.8±3.4)%,前肢推进时间约占整个前肢触地时间的(44.2±3.4)%,后肢制动时间约占整个后肢触地时间的(32.4±3.3)%,后肢推进时间约占整个后肢触地时间的(67.6±3.3)%。德国牧羊犬在行进过程中,后肢推压地面,通过脊椎促使重心点倾向前方,同时脊椎向外振动,给相对侧的肩胛骨压力,跟肩胛骨联接的前肢也受到此压力,为了承受负重,需随重心前移而向前踏出,但一只前肢不能充分支撑重心,其他两肢也需要参与活动,以恢复平衡。这其实是一种经济步态,即以最小的体力消耗获得尽可能高的功效,保证犬能轻柔耐久地持续运动而不疲劳。在慢走过程中,德国牧羊犬为了保持步态的稳定,需保持三条腿与地面接触,而且不难发现躯体重心始终落于此三足所组成的三角形区域内,在运动过程中不断组成新的三角形区域,始终保持步态的稳定性。在小跑时,德国牧羊犬则采用对角小跑步态。这种步态使得犬体在小跑过程中保持平稳,直线前进而不浪费体力,减少与障碍物之间的碰撞。德国牧羊犬步行运动过程中,四肢交替用力,其中前肢支撑较多体重。这是由于德国牧羊犬躯体重心比较靠前,更多的体重需要前肢支撑。欧洲犬学者研究指出,德国牧羊犬前后躯的体重比例大约为55∶45,日本狼犬登录协会审查员、兽医博士关谷昌四郎在实验报告中指出,前躯体重58.49%,后躯体重41.51%。同时,前肢能够支撑更多体重的原因是基于其静力结构,德国牧羊犬前肢具有发达的胸下锯肌,有研究表明,胸下锯肌是犬小跑时肩部主要的抗重力肌,能够支撑重量,胸下锯肌的腱层形成坚韧的弹性吊带,将躯干悬吊于两前肢之间,而后肢的静力结构则不如前肢完善。犬前后肢脚掌与力台接触时,水平方向地反力前半周为负运动方向,后半周为正运动方向,即前后肢在与地面接触时,前半周对行走起制动作用,使前后肢向前运动减速;后半周起推进作用,使前后肢向前运动加速。基于此,将水平力进一步分为制动相和推进相。在德国牧羊犬行进过程中,前肢制动效果较其推进效果显著,后肢推进效果较其制动效果显著。这一结果与犬前后肢生理结构有关,犬前肢骨与躯干骨间并不是以关节相连,而是借助发达的肩带肌互相连接,这种连接形式对于减缓运动时的震动冲击十分有利,能对各部分所发生的冲击予以化解,同时,前肢颈腹侧锯肌和胸菱形肌能保持前肢肩胛骨背侧在头尾方向的稳定性;后肢是通过荐骼关节与脊柱相连接,髋关节和膝关节有特别发达的伸肌,当肌肉同时作用时,伸展髋关节和膝关节产生强大的推动力,推动躯干向前运动。2.2德国牧wbb表2为实验测得的前后肢关节角极值及其转动范围。由表2可看出,德国牧羊犬在水平面上运动时,随着速度的增大,前后肢关节角变化范围增大,前肢肩关节角及肘关节角变化范围有所增加(分别由28.6°和57.3°增大到31.5°和65.2°),而腕关节角变化范围则有所减小(由128.2°减小到112.5°);后肢各关节角变化范围均有所增加(髋股角由35.3°增加到48.1°,股胫角由44.5°增加到51.9°,踝关节角由36.2°增加到52.7°)。图7为德国牧羊犬前后肢关节单周期内角度变化曲线,其周期时间为归一化处理结果。由图7可看出,随着速度的增加,前肢支撑相占整个周期的比例由72.9%减小到56.9%,而后肢支撑相占整个周期的比例保持在59%左右(分别为59.0%、59.7%)。从曲线变化斜率可知,前肢在运动过程中,肩关节角变化曲线均比较平坦,而腕关节角变化起伏较大;后肢各关节曲线变化幅度均在10°左右。德国牧羊犬在不同步态下,其关节角变化也不同。小跑步态下,犬后肢关节角相对于其慢速行走时变化率要快,因为德国牧羊犬后肢主要是产生前进运动的推动力。犬在起步过程中,后肢推压地面,由于髋关节和膝关节有特别发达的伸肌,当肌肉同时作用时,伸展髋关节和膝关节,产生强大的推动力,并通过腰、背和肩传递给前躯推动躯干向前运动。因此,德国牧羊犬要提高运动速度,就需要后肢能在较短的时间内提供更大的推动力,关节角的变化速率也随之变大。随着速度的增加,前肢支撑相时间缩短,进一步说明了前肢主要起支撑作用。由于前肢主要起支撑作用,因此,当犬行进速度增加时,后肢需加快提供推进力,使得身体更快地向前运动,前肢支撑相随之减少,以减少重心前移速度加快所带来的冲击。3德国牧羊机组的前下肢关节角变化(1)由于前后肢的静力结构和生理结构不同,德国牧羊犬行进过程中,前肢支撑较多体重,并且前肢制动效果较其推进效果显著,后肢主要提供推