【《四足动物爬坡运动机理分析案例》3900字】

[30]。猫骨骼结构如图2.9。图2.9猫骨骼结构图如图2.10所示为猫的肌肉结构图。猫在跳跃过程中所需的能量大部分是由后肢肌肉收缩提供的。后肢肌肉中，主要依靠腓肠肌收缩提供跳跃所需的跳跃能量。腓肠肌和下肢股骨肱二头肌之间相互组成的运动关系主要是基于能量运动收集和信息传递的运动系统。图2.10猫肌肉分布图猫爬坡试验数据与机理分析图2.1140°斜坡上的猫爬坡步态周期图上图为高速相机记录下，以每两幅图片之间的时间间隔8帧来选取一个完整的猫爬坡步态周期图（图2.11），试验中观察到的猫在爬坡时的步态为跳跃步态为主，对角小跑步态过渡，按照跳跃过程的三个阶段对其整个爬坡过程姿态进行描述。首先分析开始起跳前的准备阶段。在此阶段时，家猫的髋关节和膝关节的角度逐渐减小，脚掌与脚趾充分与地面接触,前肢不断反复调整,支撑的同时改变了躯干的姿态,全身的肌肉变得更加紧绷,为进行跳跃运动做好充分的准备。其次分析起跳瞬间。猫在起跳瞬间时，从蹲坐的状态，通过释放肌肉储存的能量，获得起跳的加速度和起跳速度。一直到脚趾完全离开地面。需要注意，此时的猫躯干部分肌肉也辅助跳跃，释放出起跳前储存的能量。前肢的主要作用为辅助调节起跳的角度并且保持起跳瞬间身体平衡，当起跳瞬间完成后前肢短暂收回并在之后不断调整自己的身体姿态为下次作落地运动时做好充分的准备。最后分析其腾空阶段，在该阶段，后肢继续保持伸展状态，前肢由之前的回收状态到向前伸展，此时起跳结束。猫爬坡的腰部姿态角分析：(a)40°斜坡角度-序列帧数(b)50°斜坡角度-序列帧数(c)60°斜坡角度-序列帧数图2.12爬坡运动中腰部姿态角的角度-时间序列帧数曲线图2.12为高速摄像机记录下，家猫在爬坡运动中随斜坡角度改变的腰部姿态角变化曲线。一个完整的跳跃步态周期里，角度的变化过程近似抛物线形式，各特征角度见表2.3。随着斜坡坡度变大，家猫能够完成的完整跳跃动作个数逐渐减少，整个爬坡过程的平均腰部姿态角角度逐渐增大。分析上述曲线图观察到的角度变化的一些特点，可以发现，猫的腰部具有很好的伸缩性，在完成跳跃步态的过程中，弯曲角度可达近90°，通过腰部肌肉的收缩储存能量，为后续的跳跃运动提供加速度。随着坡度增大，猫的躯体更加贴近坡面，降低重心，一方面能够抵消跳跃降落阶段的加速度，缓冲减震；另一方面，为后续的跳跃提供更强爆发力。表2.3腰部姿态角分析表坡度大小(°)完整跳跃动作个数B最大弯曲角度Amax(°)最小弯曲角度Amin(°)角度变化范围A(°)平均角度(°)4041801030-77154.765031801010-7915588162.27猫爬坡的速度分析：a40°斜坡速度-序列帧数b50°斜坡速度-序列帧数c60°斜坡速度-序列帧数图2.13爬坡运动中右后肢的运动速度-时间序列帧数曲线图2.13为高速摄像机记录下，爬坡运动中随斜坡角度改变家猫右后肢运动速度变化曲线。图像具有周期性规律，随着高度上升，猫的Vmax越来越大，统计加速所需时间，加速度也是逐渐增大的，各特征值见表2.4。表2.4右后肢运动速度分析表坡度大小(°)最大速度vmax(m/s)从0到vmax所需时间t爬坡平均速度(m/s)406.462301.494507.338241.983608.882202.066猫爬坡的腰部姿态角角速度分析：图2.1440°斜坡爬坡运动中腰部姿态角的角速度-时间序列帧数曲线图2.14为高速摄像机记录下，家猫在40°斜坡爬坡运动中腰部姿态角角速度变化曲线。由于试验误差干扰的存在，角速度