運動分析簡史

最早出土記載有關骨骼肌肉動作的文獻，是西元前1800年埃及 Edwin Smith紙草（papyrus），其中描述了48 例關節受傷之治療，並 比較治療前後關節活動之範圍。Hippocrates在其「論關節」（On the articulation）中記載受傷的肢體如何影響步態，並描述健肢的代償行 為。Aristotle於「論動物步態」（On the gait of animals）一書中敘述 動物如何以最經濟的方式前進，並說明人類在步行及單足站立時重心

（center of mass）與支點（fulcrum）的變化。Leonarda da Vinic (1452-1419)以力學方法來描述人體的站立、坐姿、起身、跳躍等動作 [2]。羅馬醫師 Galen及其同事，在「論肌肉動作」（On the movement of muscle）書中探討拮抗作用（agonist）與肌肉收縮機制，並比較運

圖1-2.1、Marey 之反光衣

十九世紀末，Fischer(1895-1904) 首次運用數學方式分析三維空間的 步 態 變 化 ， 他 們 的 運 算 方 式 奠 定 了 今 日 動 作 分 析 的 基 礎 [2] 。 Elfman(1939)等學者更延伸了Fisher的研究範圍，他除了利用照像技術 來研究下肢的動力問題外，同時他也配合使用測力板(force plate)來研 究站立時期地面反應力[4]。美國的Perry首次先將步態週期中的站立 期與擺盪期各細分為五個及三個階段，此分期方式至今仍廣泛使用；

出生於上海並成長之Sutherland，於1974 年建立第一個動作分析實驗 室，他將Perry 所建立的模型加以改良，將站立期依單、雙足支撐分 為三個階段（圖1-2.2），在他的實驗室先後完成了400 例正常兒童的 步態分析，建立了完整的資料庫。

3、、、生、生生生物力學中三度空間運動狀態物力學中三度空間運動狀態物力學中三度空間運動狀態物力學中三度空間運動狀態

根據生物力學分析，一般會把三維的運動分為三個互相垂直的參 考面來討論，即矢狀面（sagittal plane）、冠狀面（frontal plane）、

橫切面（transverse plane）。在生物力學中常利用矢狀面、冠狀面、

橫切面這三個相互垂直的參考面來描述一個三度空間運動狀態。

圖1-3.1 analysis of activities運動分析觀察面

圖 1-3.1、Analysis of activities 運動分析觀察面

4、、、虛擬實境技術、虛擬實境技術虛擬實境技術虛擬實境技術 知覺〈加速及旋轉〉的感應機制、體感與視覺的協調原理〈motion cue, visual cue〉、執行運動動作的機構平台〈motion base〉與即時控制

〈real-time control〉技術的實現。

圖 1-4.1、虛擬實境畫面

5、、、ATV 車模擬器簡介、 車模擬器簡介車模擬器簡介車模擬器簡介 Advanced)結合，使玩家在 3D 虛擬實境場景中駕駛真實的 ATV，不 但可在絕對安全的環境下訓練 ATV 的駕駛技術，其新鮮感兼具刺激

6、、、研究目的與動機、研究目的與動機研究目的與動機研究目的與動機

以現今的社會而言，觀光娛樂是台灣不可或缺的重點之ㄧ。如 迪士尼樂園的娛樂品質及聲光效果，更值得效法，又以各式動態模擬 娛樂器更是引人注目，因此利用沙灘模型車配合運動平台之動態娛樂 器，然而在休閒娛樂之餘，其安全是最重要考量的因素，不時在新聞 上發現遊樂場的娛樂器材發生故障造成使用者受到傷害，由此可知娛 樂器材安全性的重要，因此應用運動分析模擬動態模擬器，可以確保 使用者的安全。

在使用沙灘越野模擬車時，由於過程緊張刺激，震動幅度大，其 頸部、脊椎等各關節，為較可能產生傷害的部份，為了避免運動後的 傷害且瞭解作動時各部位運動情況，因此利用運動分析實驗室來做動 態模擬，做一完整的運動分析。

第二章

3、機構組部份：包含六個交流伺服馬達，交流伺服馬達負載力為 1.5KW，負載扭矩為 4.78Nm，峰值負載扭矩為 14.3Nm，平均馬達轉 速為 3000rpm，最高馬達轉速為 5000rpm，平均電流為 2.6A，最大電 流為 7.8A，其 Encoder 為 16bit 規格。

圖 2-1.2、交流伺服馬達圖

經由六支連桿與頂板作連接，馬達經由螺桿帶動連桿作動，達成 所需的模擬動作，而運動行程並設有兩極限開關，預防模擬時連桿發 生過行程的現象。

圖 2-1.3、極限開關與馬達俯視圖

而運動模擬平台相關數值可由表格得知，其模擬平台 3 運動軸角 度範圍及速度，分別為 Pitch(平台上下角度移動)角度為正負 26 度之 間，速度為 81°/sec，Roll(平台滾動的動作)角度為正負 23 度之間，速 度為 72°/sec，Yaw(控制平台左右方向)角度為正負 23 度之間，速度為 72°/sec，而模擬平台加速度為正負 1g。

圖 2-1.4、模擬平台運動數值表

1-2、、、、伺服控制系統伺服控制系統伺服控制系統伺服控制系統

下圖為控制箱內元件分佈，其主電力開關 3 相 220 伏特交流電，

12KW 無熔絲開關，一環狀變壓器(220V 轉 110V 及 24V)，兩個電源 供應器(控制電源為 24V)，六個伺服驅動器，PLC 模組，電磁接觸器 以及繼電器(控制開關)。

伺服控制系統由六個伺服驅動器來驅動六個交流伺服馬達，其驅 動器為富士伺服驅動器，平均電力為 2KW，有自動定位以及異常顯 示功能，且有異常自保功能。

圖 2-2、控制箱元件配置圖

1-3、、、、電力系統電力系統電力系統電力系統

下圖為整個電力系統方塊圖，主電力為 3 相 220V 交流電，由變 壓器、電源供應器供給電力，變壓器提供轉換 110V 及 24V 電源，而 電源供應器則提供 24V 直流電給 PC 及 I/O 卡等。

圖 2-3、電力系統方塊圖

1-4、、、、整合系統整合系統整合系統整合系統

2、、、三維運動分析系統、三維運動分析系統三維運動分析系統三維運動分析系統

2-1、、、、標誌系統標誌系統標誌系統標誌系統(marker system)

有主動發光的標誌及被動的反光標誌，可以把運動的軌跡顯示出 來。

2-2、、、、分析系統分析系統分析系統分析系統

將運動軌跡記錄下來。若要精確地分析三度空間的運動，至少要 有 3 部攝影機同步記錄。有了以上兩種設備，便可詳實地分析運動形 態，這就是所謂的運動學(kinematics)分析。

圖 2-5、三維運動分析系統示意圖

2-3、、、、器材器材器材器材

2-3.4、、、、抓取球抓取球抓取球抓取球

抓取球的目的是為了抓取實驗者身上某部位的關節或者是肢體 的運動方式、移動方向。

圖 2-7、抓取球示意圖 2-3.5、、、、校準架校準架校準架校準架

作用為定義空間 X 、Y 、 Z 三軸，R0 到 R1 為 X 軸， R0 到 R2 為 Y 軸， R0 到 R3 為 Z 軸，且要輸入校準架實際尺寸，才能取 得受測點的位置、速度和加速度正確數據。

圖 2-8、校準架示意圖

2-4、、、、三維分三維分三維分三維分析系統校準實驗析系統校準實驗析系統校準實驗 析系統校準實驗

在 ATV 車駕駛者運動分析實驗前，針對三維分析系統做一校準 實驗，此實驗為步態膝關節角度變化研究，請來 50 位健康成人男性 當此實驗受測者，將受測者臗關節、膝關節、踝關節及腳趾尖貼上標 誌點，步態週期時間為 1.5 秒，分別以矢狀面及冠狀面來觀察角度變 化，而橫切面在運動分析中較不探討，因為三點投射橫切面時，此三 點相近，會因少許差異造成角度變化很大，因此橫切面一般會忽略。

實驗所得角度變化會與美國發表之文獻相互比較。

圖 2-9、膝關節角度實驗標誌點位置

2-4.1、、、、矢狀面角度變化比較矢狀面角度變化比較矢狀面角度變化比較矢狀面角度變化比較

2-4.2、、、、冠狀面角度變化比較冠狀面角度變化比較冠狀面角度變化比較冠狀面角度變化比較

第三章 第三章第三章

第三章、、、實驗方法、實驗方法實驗方法 實驗方法

本實驗使用 Simi Motion 動態分析系統進行，以 Microsoft office 2007 Excel 軟體做為資料轉換，最後以 Matlab6.5 進行分析，而標誌 反光球主要以頸椎關節以及脊椎部分為主要標誌點，待測者身高為 170cm，體重為 60 公斤。

圖 3-1、身體各關節標誌點

本實驗針對 3D 虛擬實境場景配合模擬平台，對 ATV 駕駛者之 運動分析，第一個模擬為較平緩的移動形式，而第二模擬動作為較顛 簸的形式，且加上一些瞬間平移及上升的模擬，以分析模擬平台在運 動狀態下，對駕駛者有何影響。

脊椎角度計算

冠狀面為脊椎三點投影至 X 軸以及 Z 軸所形成的面，因此將脊 椎三點投射至 XZ 平面上所產生的角度變化量，為冠狀面角度變化。

而計算公式為

圖 3-3、冠狀面角度計算圖

1

(( 2 1) / ( 2 1)

( 2 1) )

COS X X X X Z Z

α =

− − + −

1 2 2

(( 2 3) / ( 2 3) ( 2 3) )

COS X X X X Z Z

β =

− − + −

γ(冠狀面角度)=α+β

實驗步驟 實驗步驟實驗步驟 實驗步驟 1、、、架設實驗器材、架設實驗器材架設實驗器材架設實驗器材

當 ATV 車系統完全架設好之後，將攝影機架設至適當的位置，

而攝影機放置位置大約為 120 度，使攝影機能完全拍攝到整個實驗過 程，以達到實驗者動態模擬時能完全抓取。

圖 3-4、攝影機拍攝設置圖 2、、、三維分析步驟、三維分析步驟三維分析步驟三維分析步驟

2-1、開啟 SIMI Motion 後，選擇新增或是開啟一個專案檔。

2-2、 選擇 Create a new project 之後，可以為專案設定一些註解。

按下 Create and save 儲存檔案，攝影結果傳送回研究室電腦，至進一 步檢視影像。

圖 3-6、3D 分析步驟二

2-3、 選用 3 台攝影機拍攝，於是在選項 Cameras 按右鍵選擇 Add camera，並建立 3 個 camera 的前置作業，檢視攝影機設定與狀態，

以同步化的方式進行處理影像模擬運動過程。

圖 3-7、3D 分析步驟三

2-4、 選擇 Project 按下 Capture video 開始準備攝影，採用三台攝影 機抓取，以避免死角(攝影機的擺放角度需要注意基本為 120 度開角)。

圖 3-8、3D 分析步驟四

2-5、 拍攝基準架(共有 3 個角度的基準架)，攝影機的角度、位置、

焦距不可以再任意變動，因為校正架的位置已經設定完成；移動後拍 攝算失效，整個基準就算失敗了，此為特別當心的地方。( 3D 拍攝下 其中任兩台攝影機必須擺設角度開放為 60~120 度)。

圖 3-9、3D 分析步驟五

2-6、 將先前所拍攝的基準架從 SIMI 軟體中抓取，分為三個視角所 擷取畫面，選擇完後按下 Apply。按下 3D calibration 進入校準畫面(校 準點的設定關係到座標的設定)。

圖 3-10、3D 分析步驟六

2-7、進入校準畫面後，開始針對校準架作空間上的校準，共為八點，

下圖框框內為校準起始點(校準架右後方)。

圖 3-11、3D 分析步驟七

2-8、校準完後，進入 Edit calibration system 選項，設定座標空間上距 離。

圖 3-12、3D 分析步驟八

2-9、進入 Edit calibration system 選項後，設定校準架上八點相依之 座標位置，此相依座標位置，使得實驗分析結果與實際上符合。

2-9、進入 Edit calibration system 選項後，設定校準架上八點相依之 座標位置，此相依座標位置，使得實驗分析結果與實際上符合。