犬水平面小跑和行走時前后路關節角度的變化

生物心理學以生物心理學理論和方法研究了不同生物行為的行為技術，將復雜的行為技術整合到最基本的生物學和力學規律中，并以數學、力學、生物學和行為技術原則的形式進行了定量解釋。運動生物力學研究主要依賴于先進的步態分析測試測量技術。目前,電子角測計和高速攝影技術廣泛用于生物體的運動分析研究。Marghitu用帶有運動分析系統的攝相機獲取犬小跑時后肢關節的運動學參數,并采用點繪圖技術和非線性動態理論分析犬的動力學穩定性。隨著測力板的出現,在分析過程中可以對力和關節力矩進行測量,地反作用力、推動力的測量被用來評估動物的行走步態。Budsberg等使用力板采集動力學數據,并基于垂直方向地反作用力及與形態相關的測量研究力與形體參數間的關系。Tashman等人對缺乏前十字韌帶關節的獵狗進行了研究,使用RSA系統測量其十字韌帶關節的運動學數據,測取獵狗慢速步態時各項運動數據,找出與關節和韌帶受傷相關的因素,建立了韌帶損傷與關節運動學間的關系。上述研究主要是從運動學或者動力學單一角度對動物運動進行研究,而動物運動是其固有運動學特性和動力學共同作用的結果。因此,本文從三維運動捕捉軌跡觀測德國牧羊犬關節角度的變化,結合地反力,從運動學和動力學兩個角度對德國牧羊犬運動機理進行研究,以期對四足機器人的仿生運動及其機構或部件設計提供更直接的現實參考依據。1實驗動物及儀器實驗選擇健康德國牧羊犬,如圖1所示。德國牧羊犬體格健壯,步態敏捷輕快,具有良好的驅動和制動能力。犬前后肢關節角定義如圖2所示。前肢關節角包括:肩關節角(θ1)、肘關節角(θ2)和腕關節角(θ3)。后肢關節角包括:髖股角(θ′1)、股脛角(θ′2)和踝關節角(θ′3)。實驗系統見圖3,由三維動作捕捉系統VICONMX(英國ViconMotionSystems公司)與KISTLER測力臺(瑞士奇石樂公司)組成,用于實時捕捉德國牧羊犬動力學和運動學數據。8個紅外線攝像頭安置于捕捉空間周圍,用于接收犬體表標記點的反射。系統對犬體表反光球在預定空間中的運動軌跡進行計算,以獲取關節處的軌跡。實驗前依據犬解剖學原理,將反光球貼于德國牧羊犬關節位置。KISTLER測力臺略低于地面,在犬腳掌與地板接觸時測量地反力(本實驗測力臺采樣頻為200幀/s)。實驗時,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據無效。2結果與分析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。在犬運動過程中,犬前肢支撐較多體重,最大支撐力達(270.60±2.40)N,占體重的(63.64±0.81)%;后肢最大支撐力達(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一步分為制動相和推進相,每只腳與地面接觸力水平方向前半周為負運動方向力,后半周為正運動方向力。對德國牧羊犬前后肢水平方向地反力曲線進行時間標測,可得出其前后肢在制動和推進過程中所用的時間,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)%。德國牧羊犬在行進過程中,后肢推壓地面,通過脊椎促使重心點傾向前方,同時脊椎向外振動,給相對側的肩胛骨壓力,跟肩胛骨聯接的前肢也受到此壓力,為了承受負重,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,以恢復平衡。這其實是一種經濟步態,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運動而不疲勞。在慢走過程中,德國牧羊犬為了保持步態的穩定,需保持三條腿與地面接觸,而且不難發現軀體重心始終落于此三足所組成的三角形區域內,在運動過程中不斷組成新的三角形區域,始終保持步態的穩定性。在小跑時,德國牧羊犬則采用對角小跑步態。這種步態使得犬體在小跑過程中保持平穩,直線前進而不浪費體力,減少與障礙物之間的碰撞。德國牧羊犬步行運動過程中,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,日本狼犬登錄協會審查員、獸醫博士關谷昌四郎在實驗報告中指出,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構,德國牧羊犬前肢具有發達的胸下鋸肌,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,而后肢的靜力結構則不如前肢完善。犬前后肢腳掌與力臺接觸時,水平方向地反力前半周為負運動方向,后半周為正運動方向,即前后肢在與地面接觸時,前半周對行走起制動作用,使前后肢向前運動減速;后半周起推進作用,使前后肢向前運動加速?；诖?將水平力進一步分為制動相和推進相。在德國牧羊犬行進過程中,前肢制動效果較其推進效果顯著,后肢推進效果較其制動效果顯著。這一結果與犬前后肢生理結構有關,犬前肢骨與軀干骨間并不是以關節相連,而是借助發達的肩帶肌互相連接,這種連接形式對于減緩運動時的震動沖擊十分有利,能對各部分所發生的沖擊予以化解,同時,前肢頸腹側鋸肌和胸菱形肌能保持前肢肩胛骨背側在頭尾方向的穩定性;后肢是通過薦骼關節與脊柱相連接,髖關節和膝關節有特別發達的伸肌,當肌肉同時作用時,伸展髖關節和膝關節產生強大的推動力,推動軀干向前運動。2.2德國牧wbb表2為實驗測得的前后肢關節角極值及其轉動范圍。由表2可看出,德國牧羊犬在水平面上運動時,隨著速度的增大,前后肢關節角變化范圍增大,前肢肩關節角及肘關節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°),而腕關節角變化范圍則有所減小(由128.2°減小到112.5°);后肢各關節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°,踝關節角由36.2°增加到52.7°)。圖7為德國牧羊犬前后肢關節單周期內角度變化曲線,其周期時間為歸一化處理結果。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,前肢在運動過程中,肩關節角變化曲線均比較平坦,而腕關節角變化起伏較大;后肢各關節曲線變化幅度均在10°左右。德國牧羊犬在不同步態下,其關節角變化也不同。小跑步態下,犬后肢關節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生前進運動的推動力。犬在起步過程中,后肢推壓地面,由于髖關節和膝關節有特別發達的伸肌,當肌肉同時作用時,伸展髖關節和膝關節,產生強大的推動力,并通過腰、背和肩傳遞給前軀推動軀干向前運動。因此,德國牧羊犬要提高運動速度,就需要后肢能在較短的時間內提供更大的推動力,關節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,當犬行進速度增加時,后肢需加快提供推進力,使得身體更快地向前運動,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德國牧羊機組的前下肢關節角變化(1)由于前后肢的靜力結構和生理結構不同,德國牧羊犬行進過程中,前肢支撐較多體重,并且前肢制動效果較其推進效果顯著,后肢主要提供推