Антропометрические и масс-инерционные характеристики тела человека. Динамика опорно-двигательного аппарата (ОДА)
Тело человека представляет собой сложную биомеханическую систему, которая в повседневной жизни может испытывать значительные ускорения, а в спорте высших достижений особенно. При этом возникают усилия, приводящие к нарушению координации движений, травмам и прочим изменениям в тканях ОДА. Исследования движений человека (спортсмена) аналитическими методами механики проводятся с помощью моделей различной сложности, заменяющих ОДА и воспроизводящих действительную картину движений со степенью точности, достаточной для поставленных в процессе исследований задач. Все сочленения звеньев тела можно моделировать геометрически идеальными вращательными шарнирами. Чтобы воспроизвести движения тела человека, в моделях из максимально возможных шести измеряемых движений для каждого твердого звена, когда оно не присоединено к соседним звеньям (трех поступательных и трех вращательных относительно трех координатных осей, фиксированных на соседнем звене), при наложении кинематических связей исключаются все поступательные и остаются лишь вращательные движения, причем нередко допускаются только некоторые вращательные движения из трех возможных. Все оставшиеся вращательные движения составляют степени свободы звеньев. Формула для определения числа степеней свободы ОДА в целом:
где п — число степеней свободы; N — число подвижных звеньев в модели тела; i — число ограничений степеней свободы в соединениях-суставах; Рi — число соединений с i ограничениями. При этом Рi = N — 1. Общее число степеней свободы тела человека составляет около 6 • 144 — 5 • 81 — 4 • 33 — 3 • 29 = 240 (A. Morecki et al., 1969), но с полной достоверностью точное число неизвестно в связи с приближенным характером модели. По кинематической схеме модели (см. рис. 17.43), подобно упрощенному скелету руки (см. рис. 17.43, г), легко подсчитать, что в этом примере подвижность руки относительно плечевого пояса оценивается 7-ю степенями свободы. Положение о преодолении избыточных степеней свободы при работе наглядно изображается на кинематической схеме (см. рис. 17.43, а), если момент мышечных сил в каждом суставе разложить на его составляющие по степени свободы (см. 17.43, г). Очевидно, что число этих компонент момента будет равно числу степеней свободы. Различают две задачи динамики. При решении первой задачи считается, что известны законы движения всех звеньев (обобщенные координаты) и определяются суставные моменты и динамические нагрузки в суставах. Этот расчет позволяет оценить прочность, жесткость и надежность исследуемой системы. Вторая задача динамики заключается в определении динамических ошибок — отклонений законов движения от заданных. Известными считаются внешние силы и находятся законы движения. При решении задач динамики необходимо выбрать и обосновать динамическую расчетную схему. Важную роль при их построении играет моделирование воздействий внешних факторов, в том числе трения, материала и др. Затем строят математическую модель, соответствующую динамической расчетной схеме. При построении динамических расчетных схем тела человека актуальным является определение масс-инерционных характеристик (МИХ) сегментов тела: масс, моментов инерции, координат центров масс отдельных сегментов (частей) тела. Границы сегментов набирают таким образом, чтобы внутри сегмента отсутствовала деформация или непроизвольное изменение геометрии масс сегмента. Обычно выделяют следующие сегменты: стопу, голень, бедро, кисть, предплечье, плечо, голову, верхний, средний и нижней отделы туловища. На рис. 17.45 указаны значения моментов инерции основных сегментов
Рис. 17.45. Масс-инерционные характеристики тела человека: а — момент инерции основных сегментов; б — способ разделения на сегменты: 1 — антропометрические точки, определяющие границы сегментов и координаты центров масс сегментов на их продольных осях (в процентах длины); 2 — относительные массы сегментов Таблица 17.11 Коэффициенты уравнений множественной регрессии вида Y = B0 + В1Х1+ В2Х2 для вычисления масс-инерционных характеристик сегментов тела мужчин по весу (Х1) и длине тела (Х2) Сегмент B0 B1 B2 Масса сегмента, кг Стопа —0, 8290 0,00770 0,00730 Голень —1,5920 0,03620 0,01210 Бедро —2,6490 0,14630 0,01370 Кисть —0,1165 0,00360 0,00175 Предплечье 0,3185 0,01445 —0,0114 Плечо 0,2500 0,02012 —0,00270 Голова 1,2960 0,01710 0,01430 Верхняя часть туловища 8,2144 0,18620 —0,05840 Средняя часть туловища 7,1810 0,22340 —0,06630 Нижняя часть туловища -7,4980 0,09760 0,04896 Положение центра масс на продольной оси сегмента, см Стопа 3,767 0,0650 0,0330 Голень —6,050 -0,0390 0,1420 Бедро —2,420 0,0380 0,1350 Кисть 4,110 0,0260 0,0330 Предплечье 0,192 -0,0280 0,0930 Плечо 1,670 0,0300 0,0540 Голова 8,357 -0,0025 0,0230 Верхняя часть туловища 3,320 0,0076 0,0470 Средняя часть туловища 1,398 0,0058 0,0450 Нижняя часть туловища 1,182 0,018 0,0434 Главный центральный момент инерции относительно сагиттальной оси, кг-см2 Стопа —100 0,480 0,626 Голень —1105 4,490 6,630 Бедро —3557 31,70 18,610 Кисть -19,5 0,170 0,116 Предплечье —64 0,950 0,340 Плечо —250,7 1,560 1,512 Голова —78 1,171 1,519 Верхняя часть туловища 81,2 36,730 —5,970 Средняя часть туловища 618,5 39,800 —12,870 Нижняя часть туловища —1568 12,000 7,741
Сегмент B0 B1 B2 Главный центральный момент инерции относительно фронтальной оси, кг-см2 Стопа —97,09 0,414 0,614 Голень —1152 4,594 6,815 Бедро —3690 32,020 19,240 Кисть —13,68 0,088 0,092 Предплечье —69,70 0,855 0,376 Плечо —232 1,525 1,343 Голова —112 1,430 1,730 Верхняя часть туловища 367 18,300 —5,730 Средняя часть туловища 267 26,700 —8,000 Нижняя часть туловища —934 11,800 3,440 Главный центральный момент инерции относительно продольной оси, кг-см2 Стопа —15,48 0,1440 0,0880 Голень —70,50 1,1360 —2,2800 Бедро —13,50 11,300 —2,2800 Кисть —6,26 0,0762 0,0347 Предплечье 5,66 0,3060 —0,0880 Плечо —16,90 0,6620 0,0435 Голова 6160 1,7200 0,0814 Верхняя часть туловища 561 36,0300 —9,9800 Средняя часть туловища 1501 43,1400 —19,8000 Нижняя часть туловища —775 14,7000 1,6850 Таблица 17.12 Координаты центров масс (рост человека — 100%) Наименование сегмента Координаты центров масс, % Координаты центров масс, мм, при росте 170 см
X Y Z X Y Z Голова 0 0 93,48 0 0 1589 Шея и туловище 0 0 71,09 0 0 1209 Голова, шея и туловище 0 0 74,15 0 0 1260 Плечо 0 ±10,66 71,74 0 ±181,12 1219 Предплечье 0 ±10,66 55,33 0 ±181,12 940 Кисть 0 ±10,66 43,13 0 ±181,12 733 Вся рука 0 ±10,66 62,30 0 ±181,12 1059 Бедро 0 ±5,04 42,48 0 ±85,54 722 Голень 0 ±5,04 18,19 0 ±85,54 309 Стопа 3,85 ±6,16 1,78 65,50 ±104,74 30,3 Вся нога 0,35 ±5,16 31,67 5,95 ±87,75 539 Все тело (ОЦТ) 0 0 57,65 0 0 960 Таблица 17.13 Координаты центров суставов человека, % от роста X У Z Основание черепа у I позвонка А (см. рис. 17.48) 0 0 91,23 Плечевой B 0 ±10,66 81,16 Локтевой С 0 ±10,66 62,20 Лучезапястный D 0 ±10,66 46,21 Тазобедренный (ТBС) E 0 ±5,04 52,08 Коленный (КС) F 0 ±5,04 28,44 Голеностопный (ГСС) G 0 ±5,04 3,85 (оси обозначены в соответствии с рис.2.1); на рис. 17.45 – антропометрические точки, определяющие границы сегментов и координаты центров масс сегментов на их продольных осях, в табл 17.12 – относительные массы сегментов ( за 100% принята масса тела). Оценку масс-инерционных параметров выполняют как прямыми методами (погружение в воду, внезапное освобождение сечение трупов, компьютерная томография и др.), так и с использованием методов математического и физического моделирования. В последние годы наиболее удобным методом является метод геометрического моделирования. Метод прост для его выполнения необходимы антропометрические измерения (10 обхватов и 10 длин). Минимум ошибок прогнозируется для МИХ отдельных сегментов за счет введения индивидуальных коэффициентов квазиплотности. Кроме этих методов, используют метод определения МИХ по уравнению регрессии, с использованием массы (Х1) и длины тела(Х2) : У =В0 + В1 Х1 + В2 Х2 .Параметры регрессии представлены в табл.17.11. Антропометрические характеристики определяют геометрические размеры тела человека и отдельных его сегментов- это величины, случайным образом измеряющиеся в зависимости от возраста, пола, национальности, рода занятий и т. д. Основные статические, т. е. измерения при фиксированной позе, размеры тела приведены на рис. 17.46, а, и в табл 17.8. Динамические антропометрические характеристики используют для оценки объема рабочих движений, зон досягаемости и в других биомеханических и эргономических задачах, в частности при создании антропометрических манекенов. Некоторые динамические параметры приведены в табл. 17.11; 17.12; 17.13 и на
Ви переглядаєте статтю (реферат): «Антропометрические и масс-инерционные характеристики тела человека. Динамика опорно-двигательного аппарата (ОДА)» з дисципліни «Біомеханіка»
