Mechanics of Terrestrial Locomotion pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:

作者:Zimmermann, Klaus/ Zeidis, Igor

出品人:

页数:289

译者:

出版时间:

价格:842.00 元

装帧:

isbn号码:9783540888406

丛书系列:

图书标签:

• Locomotion
• Biomechanics
• Terrestrial Mechanics
• Gait Analysis
• Robotics
• Animal Locomotion
• Human Movement
• Kinematics
• Dynamics
• Ground Reaction Force

仿生学与运动控制的交汇点：探索陆地运动的复杂性 本书深入探讨了生物体在陆地环境中实现高效、稳定运动的复杂机制，着重于从仿生学、机器人学和生物力学的交叉视角来解析运动的原理。它并非聚焦于特定物种的运动机制，而是提供了一个宏大的框架，用以理解任何涉及地面接触的运动系统的基本设计原则和控制策略。 第一部分：运动的物理基础与系统建模 本部分首先建立理解陆地运动所需的物理学和工程学基础。内容侧重于将生物运动抽象为可分析的动力学系统，并讨论环境因素（如地形、摩擦力、惯性）如何影响运动的效率与稳定性。 第一章：地面接触力学基础 本章详细阐述了地面反作用力（Ground Reaction Forces, GRF）在运动生成中的核心作用。讨论了静力平衡与动力学平衡的不同状态，以及如何利用牛顿-欧拉定律对复杂的多关节系统进行建模。重点分析了足底压力分布、接触点的几何形状对手部或足部与地面相互作用的影响。讨论了地面形变对运动效率的影响，例如在松软土壤或不规则岩石表面上的力学传递特性。本章通过引入刚体动力学模型，为后续章节中的生物力学分析奠定基础。 第二章：运动的能量学分析 有效的陆地运动不仅要求维持稳定，更要求能量的有效利用。本章深入研究了运动过程中的功耗、能量储存与释放机制。分析了势能与动能的相互转换效率，特别是弹性元件（如肌腱和韧带）在吸收和释放冲击能方面的作用。引入了“步态效率”的概念，并讨论了不同运动模式（如行走、慢跑、奔跑）在能量消耗曲线上的差异。探讨了如何通过优化步幅、步频和身体重心（Center of Mass, CoM）的轨迹来最小化代谢成本。 第三章：地形适应性与摩擦学 陆地环境的非结构化特性是运动控制的一大挑战。本章聚焦于系统如何感知和响应不同地形。详细讨论了摩擦系数、内聚力等土壤力学参数对牵引力和制动力的限制。分析了生物体如何通过调整足部姿态（如脚趾的张开角度、身体倾斜度）来最大化有效摩擦力，防止打滑。内容涵盖了从平坦硬地面到陡峭坡道、跨越障碍物等不同情境下的力学挑战与解决方案。 第二部分：运动模式与步态生成 本部分将理论模型应用于具体的运动形式，解析了不同速度和体型下的运动模式的形成机制，并探讨了周期性运动的内在稳定性。 第四章：行走与慢跑的周期性动力学 行走和慢跑被视为一类受控的倒塌过程。本章详细分析了这些周期性运动的内在稳定性，特别是通过“虚拟脚尖点”（Virtual Pivot Point, VPP）和“有限域吸引子”（Finite-Walled Attractors）等概念来解释行走的自稳定特性。探讨了双足和四足动物在步态转换时如何维持平衡，以及如何利用摆动腿的动力学来影响支撑腿的受力情况，实现无缝过渡。 第五章：奔跑与高速运动的运动控制 高速运动引入了显著的惯性效应和空中飞行阶段（Stance-Swing Dynamics）。本章侧重于奔跑时躯干、四肢的协同作用，以及如何利用高摆动惯性矩来产生更大的地面反作用力。分析了飞行阶段中，动物如何利用姿态调整来为下一次着地做好准备。特别关注了奔跑时对核心稳定性的需求，以及脊柱在吸收冲击和传递力量中的作用。 第六章：多足系统的步态规划与协调 对于多足系统（如昆虫、爬行动物），协调多个肢体的运动是实现运动的关键。本章对比了不同步态（如三足步态、波浪步态、交替对侧步态）的力学特性和能量效率。讨论了中央模式发生器（Central Pattern Generator, CPG）在步态生成中的作用，以及如何通过局部反馈回路（如伸展反射）来应对地形变化，实现步态的实时重构，确保运动的连续性。 第三部分：感知、反馈与运动控制架构 陆地运动的成功依赖于对环境的精确感知和对内部状态的实时反馈。本部分探讨了运动控制系统的感知输入、决策制定和执行机制。 第七章：本体感觉与前庭信息在平衡中的作用 本章强调了内部传感器（本体感受器、关节感受器）在运动控制中的不可替代性。分析了肌肉长度、关节角度信息如何被整合，用于精确估计身体的姿态和运动状态。详细讨论了前庭系统（内耳）如何提供关于角加速度和重力方向的信息，以及这些信息如何与视觉输入协同作用，形成对身体在空间中位置的准确认知，尤其是在复杂环境下维持动态平衡。 第八章：地形识别与运动规划 系统必须具备预见性。本章探讨了运动系统如何利用视觉、触觉信息来预估未来的地面条件。分析了从环境感知到运动指令输出的决策过程，包括障碍物的规避策略、坡度适应性调整的计算模型。讨论了前馈控制（Feedforward Control）和反馈控制（Feedback Control）在确保运动轨迹准确性中的配合机制。 第九章：运动的灵活性与鲁棒性设计 高效的陆地运动系统必须是鲁棒的，能够从扰动中快速恢复。本章分析了运动控制的柔顺性（Compliance）和刚性（Stiffness）之间的权衡。研究了如何通过调节关节刚度（例如，通过肌张力变化），在需要吸收冲击时增加柔顺性，在需要精确支撑时增加刚性。探讨了运动控制系统对外部干扰的抵抗能力，以及如何利用主动减振技术来提高整体运动的鲁棒性。 第四部分：前沿应用与未来展望 最后一部分将理论知识与实际工程应用相结合，展望了陆地运动研究在机器人学和康复科学中的潜力。 第十章：仿生机器人学的设计原则 本章将前述的生物学原理转化为仿生腿足机器人的设计指南。讨论了如何选择合适的驱动器（如电动马达、液压系统）以匹配生物的功率密度和响应速度。研究了模仿生物肌腱的弹性能源存储机制在提高机器人步态效率上的成功案例。分析了如何利用先进的传感器融合技术构建一个能够应对真实世界复杂地形的控制系统。 第十一章：康复与辅助设备的生物力学设计 本章关注如何将陆地运动的理解应用于人体康复。探讨了外骨骼和假肢设计中的关键挑战，包括如何准确模拟人体的动力学模型，如何设计与残肢的有效人机接口。研究了通过优化运动轨迹和地面接触，帮助中风或截肢患者恢复自然、高效行走模式的策略。 本书旨在为研究人员、工程师和学生提供一个全面且深刻的视角，以理解和复制陆地运动这一自然界中最精妙的工程壮举。

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