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 и — число степеней свободы; N — число подвижных звеньев в модели тела; / — число ограничений степеней свободы в соеди­нениях-суставах; Р. — число соединений с ( ограничениями. При этом ЕР. = N — /.

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 (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 (X_t) и длины тела (X,): Y = В₀ + В_ХХ_Х + BJC_r 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; 17.13и на рис. 17.46,6.