1、第三章第三章-運動學運動學 KINEMATICSKINEMATICS目錄目錄運動學的歷史發(fā)展運動學的約定運動學直接測量技術成像測量技術原始運動數(shù)據(jù)的處理運動學變量的計算目錄目錄運動學的歷史發(fā)展運動學的歷史發(fā)展運動學的約定運動學直接測量技術成像測量技術原始運動數(shù)據(jù)的處理運動學變量的計算運動學的發(fā)展人們對于研究生物運動模式的興趣可以追溯到史前時期，以藝術家們的主觀印象反映出來：壁畫、雕塑、繪畫等等。直到一個世紀以前，才出現(xiàn)記錄運動過程的攝像機。進而產(chǎn)生了“運動學”這一對人類運動描述的專業(yè)術語。運動學并不關心產(chǎn)生運動的力的情況，而更關心運動本身的細節(jié)。對一個簡單動作進行完整、準確、定量的描述就需要大

2、量的數(shù)據(jù)和計算，并得出大量的圖表曲線。運動學研究的復雜性分析不同的運動所用到的運動變量不同，研究的復雜雜程度也不同。例如：描述下肢跨步時在矢狀面上的運動就有多達50個變量，但是對于定分析，可能只用關心小部分運動變量，而對于不定分析（截肢患者的步態(tài)）就可能需要全部的變量。運動學的發(fā)展目錄目錄運動學的歷史發(fā)展運動學的約定運動學的約定運動學直接測量技術成像測量技術原始運動數(shù)據(jù)的處理運動學變量的計算運動學的約定為了記錄運動學數(shù)據(jù)，我們需要遵循一個運動學的約定體系絕對的由于解剖學中有關位置的術語都是相對的（如屈曲、近端），為了遺失相對于地面、重力方向的信息，我們需要這樣的一個參照體系一旦嚴格按照空間坐標

3、的約定，那么線速度、角速度、加速度等也會隨之正確的約定了。如右圖所示，運動學的空間坐標系。 15個運動學變量，均隨時間而改變身體可以分為如下幾個區(qū)段：腳+小腿+大腿+軀干+頭+上臂+前臂+手運動變量的簡化運動對稱、區(qū)段一體運動學的約定目錄運動學的歷史發(fā)展運動學的約定運動學直接測量技術運動學直接測量技術成像測量技術原始運動數(shù)據(jù)的處理運動學變量的計算運動學直接測量技術測量關節(jié)角度的電子電位計兩臂附著于所要測關節(jié)的相鄰兩區(qū)段上，角度計的軸與關節(jié)軸對準原理：利用電位計阻值與關節(jié)角度成比例關系，輸出電壓也與關節(jié)角度成比例關系。優(yōu)點：便宜。輸出信號可以立即記錄并轉(zhuǎn)入電腦。記錄的都是單獨一個平面的關節(jié)運動。

4、缺點：測的是相對角度； 校準軸線需要較長時間； 大量安裝時會阻礙運動； 只適用于鉸鏈結(jié)構(gòu)的關節(jié)。 手套系統(tǒng)，用來測量手指的角度位移。原理：裝有傳感器的手套系統(tǒng)，每個傳感器就是有穩(wěn)定紅外光源的管錢電纜回路。光纖電纜附著在要測量的指關節(jié)處，關節(jié)彎曲，光纖也隨之彎曲，光逸出，檢測器收到的光強降低。運動學直接測量技術測量運動的加速度原理：利用壓電式電阻的特性，質(zhì)塊的加速度與壓阻式傳感器的輸出電壓成正比。運動學直接測量技術目錄運動學的歷史發(fā)展運動學的約定運動學直接測量技術成像測量技術成像測量技術原始運動數(shù)據(jù)的處理運動學變量的計算由于運動的復雜性，成像系統(tǒng)可能是唯一可以捕捉全部運動數(shù)據(jù)的系統(tǒng)。三種不同類型

5、的成像系統(tǒng)：l電影攝像機l電視攝像機l光電類成像系統(tǒng)成像測量技術成像測量技術焦距（focal length）f:按焦距不同，鏡頭分為廣角、標準、遠攝光圈值（f-Stop）：光圈開口越大，f-Stop setting越小，透光量越大setting-22,16,11,8,5.6,4,2.8,2光圈編號f/22，f/16(相鄰級通光量相差2倍)聚焦范圍（Field of Focus）：獲得最小通光量，光圈要大，但過大會造成深景的范圍減小。最終f-Stop還要取決于快門速度和膠片的感光速度。l按照底片大小分類8-mm,16-mm,35-mm,70-mm其中速度最快的是16-mm攝像機。l按驅(qū)動類型分類

6、 彈簧驅(qū)動 電驅(qū)動（以電池驅(qū)動最為方便）l參數(shù)：感光速度（ASA） 快門速度/幀速 光圈值成像測量技術電影轉(zhuǎn)換技術即所拍攝的運動軌跡坐標的提取技術：移動坐標系法投射網(wǎng)格法由于需要人工操作，所以速度和精度受限成像測量技術與電影攝像機最主要的不同有固定的幀速（場速）發(fā)展： 光導攝像管電視攝像機（運動的點模糊、產(chǎn)生后緣）頻閃系統(tǒng)（掃描的延遲使圖像扭曲）電耦合二極管攝像機（克服模糊和扭曲）紅外攝像機（利用不可見光，不受其他光源的干擾）圖像識別技術： 邊緣檢測技術（VICON） 形狀識別技術（ELITE） 基于形狀和大小的互相關模式識別成像測量技術紅外攝像機紅外燈形成一個“甜甜圈”環(huán)繞在透鏡周圍，以脈沖

7、的方式發(fā)射紅外光。透鏡接收來自標記點反射的紅外光，從而記錄標記點的位置。成像測量技術第一個商業(yè)化的系統(tǒng) Watsmart對象穿戴小的紅外燈在身上解剖學標記點，依次閃爍，被一個特別的攝像機檢測，聚焦到一個半導體二極管的表面。相對于TV的優(yōu)點：無需特別軟件判斷哪個坐標是哪個標記點的； 坐標值更精確了。更多應用于3D的攝像系統(tǒng):OPTOTRAK成像測量技術運動學系統(tǒng)的選擇依據(jù)：臨床步態(tài)實驗室最好選擇TV，由于它的可評估性、快速轉(zhuǎn)換和教學回放的功能。滿足人體工學的運動的環(huán)境需要及時的反饋，所以選擇自動化的系統(tǒng)。基礎性的研究，不要求轉(zhuǎn)換速度的，選擇電影攝像系統(tǒng)或者光電系統(tǒng)。成像測量技術目錄運動學的歷史發(fā)

8、展運動學的約定運動學直接測量技術成像測量技術原始運動數(shù)據(jù)的處理原始運動數(shù)據(jù)的處理運動學變量的計算原始運動數(shù)據(jù)的處理未處理的原始數(shù)據(jù)所具有的特性：從TV或Film得到的原始數(shù)據(jù)（raw data）都含有附加的噪聲。噪聲的來源：光電設備的電噪聲 TV掃描的空間精度膠片數(shù)字化時產(chǎn)生的誤差對于運動學數(shù)據(jù)而言，信號是指解剖學的坐標值隨時間的改變噪聲是指不是由該運動過程產(chǎn)生的信號分量。噪聲產(chǎn)生的頻率成分一般在高頻。原始運動數(shù)據(jù)的處理如果不處理原始數(shù)據(jù)，會產(chǎn)生什么問題呢？隨著對事件的微分，信號中高頻部分（噪聲）諧波的幅度增大。原始運動數(shù)據(jù)的處理移除高頻噪聲的方法曲線擬合技術：多項式擬合非重復性運動 N個低階

9、諧波之和重復運動 分段擬合多項式擬合的修改，選擇合適的拐點數(shù)字濾波技術：四階零滯后低通濾波器，即去除了高頻噪音，又解決了相位的失真。原始運動數(shù)據(jù)的處理截止頻率的選擇能容忍的信號失真和通過的噪聲。 殘差分析：在一個很寬的截止頻率范圍內(nèi)，分析濾波前后信號的不同。這是研究濾波器在過渡時期的特性。殘差與截止頻率的理論曲線。為了尋找一個平衡，信號失真和通過的噪聲量相等.如圖所示fc為選擇的截止頻率。原始運動數(shù)據(jù)的處理目錄運動學的歷史發(fā)展運動學的約定運動學直接測量技術成像測量技術原始運動數(shù)據(jù)的處理運動學變量的計算運動學變量的計算運動學變量的計算身體區(qū)段的絕對角度計算、關節(jié)角度計算已知各區(qū)段端點的絕對空間坐標值，就可