人体惯性参数

1. 人体惯性参数 • 人体惯性参数是指人体整体及环节的质量、质心位置、转动惯量及转动半径。

2. 应用价值 • 人体惯性参数是建立人体模型，进行人体运动力学及运动损伤与预防方法研究的基础参数。是人类工效学、人类学及人体科学研究的重要组成部分。

3. 研究现状 • 由于人体惯性参数在体育、国防工业、医学、康复等领域广泛应用，因此，近百年来人体惯性参数的研究倍受国内外科学工作者的高度关注。目前，我们国家有了自己的人体惯性参数，（郑秀媛，1992）

4. 一、质量与转动惯量 • （一）质量 质量是物体含有物质的多少，它是量度平动物体惯性大小的物理量，用以描述物体保持原有远动状态的能力。 • （二）转动惯量 1） 定义：转动惯量是量度转动物体惯性大小的物理量，用以描述物体保度转动物体惯性大小的物理量，用以描述物体保持原有转动状态的能力。

5. 2） 影响转动惯量大小的因素： 1、质量 2、质量分布 3、转轴的位置 • 3）人体转动惯量的特点：可变性 （相对于转动轴的取向而言） • 4）转动惯量的实际计算 • 5）转动惯量的积分表达式

6. 回转半径 • 1）概念 假设绕某转动轴转动的物体的质量全部集中在离转轴某一距离的一点上，这时它的转动惯量如果恰好与原物体相对此轴的转动惯量相等，则这个距离为回转半径（R），也叫转动半径。 2）．用公式表示为：

7. （四）有规则形态物体的转动惯量 • 有规则形态物体是指表面光滑、曲面平整、形体对称的物体，如圆柱、圆台、细棒、矩形薄板、圆球及椭圆等。当上述物体转轴一定时，其转动惯量可用相应转动惯量公式求出（见表3-1）。由此得出，物体依不同转动轴转动时转动惯量不同，即回转半径不同。

8. （五）计算转动惯量使用的几个定理 • 1．平行轴定理 物体对某转动轴的转动惯量等于物体对于通过其质心且与该轴平行的转动惯量，加上物体的质量与两平行轴间距离平方的乘积，这就是转动惯量的平行轴定理。

9. 由平行定理可知，只要知道物体绕某一转动轴的转动惯量，则物体绕任何与此平行的其他轴的转动惯量均可求出，其绕通过质心的轴转动惯量最小。

10. 2．垂直轴定理 • 一个平面刚体薄板对于垂直它的平面轴的转动惯量，等于绕平面内与垂直轴相交的任意两正交轴的转动惯量之和，称为垂直轴定理。 • 表达式:Iz=Ix+Iy

11. 3．合成体定理 • 如果某物体是有几个物体组成的联合体，确定绕某一转轴转动，则这一联合体对确定某轴的转动惯量等于每个物体对该轴的转动惯量的代数和。表达式为: IO=IOA+IOB+IOC

12. 二、人体惯性参数实测方法 • 一）尸体解剖法 • 1．简介：近百年来，为了测量人体惯性参数，解剖近60例尸体。1860年哈雷斯最早作出了关于人体惯性参数研究的详细报告；1889年布拉温、菲舍尔在人体参数方面进行了重要研究，其结果至今仍作为生物力学分析的基础材料；此后许多研究者先后采用尸体解剖法测量了人体惯性参数。

13. 原理：将尸体用干冰结后，按关节转动轴剖切，称出各环节质量，推算各环节相对质量，用物理摆法测定环节质心位置和转动惯量，测定各环节的体积和组织的平均密度。 • 优点：具有一定的准确性，曾在科研领域发挥了重要作用。 • 缺点：样本含量少，它所获得的人体惯性参数缺乏代表性和准确性。

14. 二)活体测量法 • 1．重心板法 有较大的局限性 • 2．水浸法 ① 浸入法：是将所要测量的环节或整体进入到已盛满水的容器中，然后根据排出水量的多少来确定环节或整体的体积，乘以平均密度得到所测环节或整体的质量，即：环节质量=环节密度*体积。

15. ② 注入法：是先将所要测量的环节或整体放入已知体积的容器内，然后注入水于容器中，据注入水量计算环节或整体的体积，乘以平均密度得到所测环节或整体的质量。 • 优点：要求设备简单，费用低廉。 • 缺点：只能测量部分环节质量，无法提供质心和转动惯量，且精度相对较底。

16. 3．体测量法 • 根据人体环节的外形尺寸将各环节简化成各种几何形体，然后用X射线摄影来确定各环节的肌肉体积和骨骼密度，确定模型中各环节的质量和质心位置。 • 缺点：该样本量小，与人体环节实际形状的差异性较大，误差较大。

17. 4、γ射线扫描法（放射线同位素测定法） 1978年，苏联扎齐奥尔斯基等人成功地运用γ射线扫描测定了100名男性青年和15名女性青年人体各环节质量、质心位置、转动惯量等惯性参数。 • 优点：材料适应性强，精度高，解决了从人体直接测定人体环节惯性参数问题。

18. 5、CT法（X射线断层扫描法） 1992年由清华大学、白求恩医科大学、国家体育总局科研所郑秀媛、胡德贵、郑智良、王云德等22位学者，历时7年首次在世界上成功地采用CT技术，对我国男女各50名青年进行了人体惯性参数的系统研究，首次获得了中国成年人的人体惯性参数，结束了我国长期沿用外国人体惯性参数的历史。 • 优点：可信度高、平均相对误差小。

19. 三、 人体惯性参数模型 • 1、建立人体惯性参数模型的意义：建立人体惯性参数模型一方面可针对某一个体通过体表尺寸计算其各环节的惯性参数，另外可直接利用人体尺寸库的数据测算人体各环节的惯性参数，人体惯性参数模型的建立，对把人体运动的规律研究推进到数学化、计算机化，助进体育科学研究水平的进一步提高都具有现实意义。

20. 2．模型的可靠性： 1）模型的几何体构成；2）各环节的几何尺寸的确定；3）环节质量分配采用的回归方程。 • 3．模型建立的历史及现状 • ① 哈雷斯（1860）、康尔维奇（1962）、专特瑟特（1963）等采用几何图形来模拟人体环节的模型。 • ② 1964年汉纳范（美）人体模型。

21. ③ 钱德勤惯性参数。 • ④ 1978年苏联的扎齐奥尔斯基和谢鲁扬诺夫的惯性参数 • ⑤ 1992年清华大学郑秀媛中国人体惯性参数模型。

22. 人体环节质心和人体质心 • 一、人体环节的划分 • 两种环节划分法： • 1、以功能为依据，分隔环节的切面且通过关节转动中心， 并以两关节中心的连线确定为环节长度（德国、美国）。 • 2、以传统尸体解剖法为依据，依骨性标志把人体划分为若干环节（日本、苏联、中国）

23. 二、人体环节关节点的判定 • （一） 判定与确定人体环节关节点的基础 1） 理论基础：运动解剖学、运动生物力学、运动技术原理、人体惯性参数模型及影像分析模型的知识理论。

24. 2） 方法 • 1）在标准的人体骨架图上标出关节转动中心的位置，并找出其与骨性标志的关系。 • 2）在人体体表轮廓图上相应位置，标出关节转动中心的位置，并找出其位置与体表及骨性标志的关系。 • 3）依据体表图谱上各关节转动中心的标志点，确定其与周围解剖结构、形态学标志的关系，并由此归纳出人体环节关节点位置的判断与确定的原则和方法

25. （二）确定关节转动中心的原则与方法 • 1、确定关节转动中心的原则 关节点应是关节瞬时转动中心；关节中心必须位于两环节纵轴的交点处；参照骨性体表标志；关节点的位置应与所引起的环节惯性参数测量方法相一致。

26. 2、关节转动中心的确定方法 • （1）手：腕关节中心至手质心的连线为手环节的纵轴。 • （2）腕关节：尺骨茎突高度水平线中点或腕横纹中点。 • （3）肘关节：肘横纹中心（前面观），尺骨鹰嘴隆起高度中心（背面观）。 • （4）肩关节：三角肌发达，明显隆起，关节中心确定在球心；如不发达，确定在球心稍上位置。

27. （5）躯干：躯干纵轴由两肩关节连线中点至两髋关节连线中点间的连线表示。 • （6）髋关节：位于大转子顶的高度。 • （7）膝关节：股骨外上髁（或内上髁），或髌骨中点高度。 • （8）踝关节：腓骨外踝隆起处（外侧观），胫骨内踝下缘（内侧观）。

28. 三、人体环节质量及环节质心 • 1、相关概念 • 环节的绝对质量：是指各环节的质量。 • 环节的相对质量：是指各环节绝对质量 与人体质量之比。 • 环节质心：是指环节的质量中心。 • 环节质心相对位置：是指该环节质心上部尺寸占本环节全长的百分比。

29. 2、我国人体环节质量分布与国外的差别 • 与外国存在明显差异。我国男性头颈环节相对质量较大，而躯干、上肢及小腿相对质量偏底；女性比欧美人除大腿外，其他肢体均小，与苏联人相比，则头颈和躯干偏大，四肢偏小。我国人体环节质心相对位置与外国人差异更为明显，质心位置更能反映种族的差异。

30. 四、人体质心测量原理与方法 • （一） 人体总质心位置：位于第二骶椎所在的水平面上（立姿）。 卧姿向头部移动约1%。 • （二） 影响因素：性别、年龄和体型及运动专项差异；直立与卧姿差异；质心的矢状面和额状面相对位置未测定；人体姿势的改变。

31. （三） 人体质心测量方法：直接测量法；间接测量法。 • （四） 人体质心测量原理 • 直接测量原理：合力矩原理。 • 间接测量原理：通过一定方法对人体进行实测，测试数据经统计学处理，得出人体环节相对质量、环节质心相对位置等惯性参数及相关回归方程，对质心位置进行推算。

32. 人体转动惯量的测量原理与方法 • 一、人体转动惯量及其可变性 人体转动惯量可以用刚体转动惯量的定义和公式，但由于人体 质量随呼吸、血液循环变化及身体姿势（受中枢神经控制）的改变而产生变化，须考虑其可变性，因此，对人体某一姿势转动惯量的计算或测量，只能说明某一瞬间的情况。

33. 二、人体转动惯量的测量原理与方法 • 物理摆法、双悬点扭摆法、三悬点扭摆法、四悬点扭摆法、 旋转法、振动法、图片计算法、数学模型法等。

34. 作业： • 1、什么是人体转动惯量？试举体育实例说明影响转动惯量大小的因素有哪些？ • 2、试述人体环节关节点的判定方法以及确定关节转动中心的原则并标出腕关节 、肘关节 、肩关节 、髋关节 、膝关节 、踝关节等关节转动中心 的位置？

35. 3、体重60KG的运动员，直立姿势时，对质心 额状轴的转动惯量为10.10公斤.每平方米分别求以下两种情况下对转轴的转动惯量和回转半径。 • a、单杠腹回环。设人体质心 到单杠垂直距离为0.2米。 • b、单杠大回环。设人体质心 到单杠垂直距离为1.1米。