第三章 三维运动估计
3.2.3 正交投影下的运动估计
当物体深度变化范围不大时，正交投影是透视投影的一个很好的逼近。设在图象平面上t 时刻的点(,)x y =x 在't 时刻对应的点为(,)x y '''=x 。则在正交投影下有:
,'',''x X y Y x X y Y ====以及
将式(3.2.1)代入可得
123456()()X Y r x r y r Z T x y r x r y r Z T '+++????=????'+++????
或
()()Z Y X Z X Y x y Z T x y x y Z T θθθθ'-++??
??=????'+--????
上式中,Z 为深度参数,,,X Y Z θθθ为旋转角参数.在上式中方程包含有6个参数,其中5个运动参数,,,,X Y Z X Y T T θθθ和一个结构参数Z .给定N 对特征点对应,我们使用两步迭代法交替估计运动参数和结构参数
1 两步迭代法
基于两帧图像的运动估计两步迭代算法
(1).根据给定的结构参数Z 估计运动参数.假设已知的N 对特征点为(,)
i i i x y =x 和(,)i i i x y '''=x ,每个点的深度表示为i Z .对于每对特征点,由式(3-2-12)可得到
0()0()0100
01i i Z i Y i X i i Z i
X i Y X Y i i Z i
i
X Y x x y Z T y y x Z T Z y Z x T T θθθθθθθ'--++????
=????
'-+--??????????
-????=??-??
????????
N 个对应点对应着2N 个方程，而未知参数仅有5个，因此，可以通过最小二乘法来求解这5个运动参数。结构参数i Z 的初始估计值可以根据场景的先验模型来设置，深度估计值应在预先设定的范围内选定，这主要是为了避免解的不唯一性。 (2).根据第一步得到的运动参数估计值，将其代入式(3-2-12)更新结构参数i Z .此时每对特征点可以得到两个关于i Z 的方程,也可使用最小二乘法求解. (3)重复上述两步，直到两次迭代值之差小于给定的某一个阈值。
(3-2-12)
(3-2-13)
2改进的两步迭代法
在上述算法中，深度估计的随机误差会重复反馈到运动估计上。反之亦然.因此，若初始深度估计不够准确或深度的初始值设置不当时，都可能导致迭代算法的错误收敛或收敛在一个局部最小值。为了避免这种错误的收敛，[Bozdagi 1994]提出了改进的算法，该算法的基本思想是在每一次修正后，在深度估计值上加一个随机扰动。改进的算法如算法如下:。 基于两帧图像运动估计扰动迭代算法：
① 估计结构参数的初始值(0),1,2i Z i N =
② 根据式(3-2-13)估计运动参数
③ 根据当前的运动参数和结构参数，由公式(3-2-12)计算特征对应点
()()()(,)l l l i
i i x y '''=x ④ 计算函数误差：
()
1
1N l l i i E e N ==∑ (15.9)
其中()
()2()2()()l l l i i i i i e x x y y ''''=-+-
⑤ 如果l E 小于预定的误差阈值，则终止迭代，否则在误差函数梯度下降的方向上更新结构参数。
()(1)()()l l l l i i
i
i i
e Z
Z
Z βα+?←-+?? (15.10)
其中α和β是常系数,为更新步长，()2()(0,)l l i i i N σ?=是零均值高斯分布函数，其方差2()l i i e σ=。
⑥ 回到第②步 实验证明，这种改进的迭代算法在深度初始估计交差时,也能很好地收敛到正确的运动参数值。
3.2.4 透视投影下的运动估计
在透视投影下有
''X x F
Z '= ''
Y y F Z '= 根据(3-2-1)式代入,令F=1,用x 表示X 得
1237894567
89////X Z Y
Z r x r y r T Z r x r y r T Z x y r x r y r T
Z r x r y r T
Z +++??
??
'+++????=??'?+++?????+++??
(3-2-18) 为估计上式中的参数.消去参数Z 得到
789456789123(')['()()](')['()()]
X Z Y Z T x T y r x r y r r x r y r T y T x r x r y r r x r y r -++-++=-++-++
整理上式得到:
['
'1]01x x y y ??
??=??
????
E
其中 1234
567
8
9e e e e e e e e e ??
??==??????
E MR 且
0Z Y Z
X Y
X
T T T T T T -????=-????-??
M 可见矩阵E 由一个斜对称矩阵和一个旋转矩阵相乘得到.这样估计式(3-2-18)的运
动参数可以分两个步骤进行,首先估计矩阵E ,然后分解矩阵E,分别得到平移矢量和旋转矩阵
1矩阵E 的估计 2旋转和平移估计
(1) 特征点对应没有噪声影响 (2) 特征点对应有噪声影响
3算法小结
(1) 透视投影下的运动估计算法可以小结如下:
(2) 利用8对或8对以上的特征点对应,由式arg min ||||||||1
e Ae e ==且估计矩阵E
(3) 利用式(3-2-33) 计算平移矢量?T
(4) 利用式(3-2-34)和式(3-2-35)计算旋转矩阵?R
(5) 得到运动参数后,利用最小二乘法估计每对特征点的结构参数,由式
(3-2-18)得到
7894567
89123'()()'[]''()()Y Z X Z y r x r y r r x r y r T y T Z T x T x r x r y r r x r y r ++-++-????=????-++-++???? 由于透视投影固有的不确定性,故平移矢量和深度信息均为某比例因子下的解.
3.2.5 平面模型下的运动估计
前面对三维物体和特征点未作任何限制,这里将三维物体的表面近似为平坦表面,且已知的特征点均位于此平坦表面上,下面给出平面模型下三维运动估计的方法.
空间一平面方程可表示为:
1aX bY cZ ++= 矢量N=[a,b,c]T
为平面的法向量.这样可以将式(3-2-1)改写成如下形式:
[]'''X X X Y Y T a b c Y Z Z Z ??
?????? ???????=+ ?????
?? ???????????????R
即 1
2345
67
8
9'''X a a a X X Y a a a Y A Y Z a a a Z Z ????????????????==????????
????????????????
其中
[]a b c =+A R T
使用透视投影,并令9a 为比例因子,可得到如下映射.
123784567811a x a y a a x a y x y a x a y a a x a y ++??
??'++???
?=??'?++?
????
++??
其中18,,a a 称为纯参数,下面的问题就是如何估计这8个未知参数,
然后由矩阵A 估计运动参数和结构参数.
1纯参数的估计
2运动和结构参数估计(分3种情况)
(1) 奇异值互不相同
(2) 如果奇异值中有两个相同 (3) 若三个奇异值都相等
3.3 基于光流的运动估计
基于光流的运动估计和基于特征的运动估计都属于间接运动估计方法.基于特征对应的运动估计利用的是三维位移矢量在图像平面上的投影.而基于光流的估计方法则是利用三维速度矢量在图像平面上的投影.
下面首先对三维速度矢量建模,然后将其投影到图像平面上,得到图像平面上的光流参数模型.
基于光流的运动估计包括下面两个步骤: (1) 估计二维图像的光流场;
(2) 根据光流和光流参数模型估计三维运动参数和结构参数.
对于式(3-2-1),当't t t ?=-趋向于0时,旋转矩阵可以由式(3-2-2)表示.其运动模型为
'1'1
'1X Z Y Z X Y Y
X
Z T X X Y Y T Z Z T θθθθθθ-??
??????????????=-+??
??????????????-????????
分解旋转矩阵
(3-2-45)
(3-3-1)
10
1001
01010001Z Y Z Y Z X Z
X Y
X
Y
X
θθθθθθθθθθθθ--??????
??????-=-+??????
??????--??????
将式(3-3-2)代入式(3-3-1)可得:
'0
'0
'0X Z Y Z X Y Y
X
Z T X X X Y Y Y T Z Z Z T θθθθθθ--??
??????????????-=-+??
??????????????--????????
上式两边同时除以t ?,得到:
000X Z Y Z X Y Y
X
Z X
V X Y Y V Z V Z ??-ΩΩ??
????????????=Ω-Ω+????????????????-ΩΩ??????
?? 这样就建立了三维运动的速度矢量的模型.[,,]T X Y Z Ω=ΩΩΩ和
[,,]T X Y Z V V V V =就是基于光流的估计方法中需要估计的三位运动参数.
把上式写成矢量形式为
X =Ω×X +V 下面分三种情况介绍基于光流的运动估计方法.分别是:
(1) 正交投影下的运动估计 (2) 透视投影下的运动估计 (3) 平面模型
3.3.2正交投影下的运动估计
在正交投影下有
x y
v x
X v y
Y ==== 将上式(3-3-4)代入并转化为二维图像坐标得到
x X Z Y y Y Z X v V y Z v V x Z -Ω+Ω????
=????
+Ω-Ω??
?? 同样真实的结构参数Z 只能在某个加性常数和比例因子下求解.
我们可使用迭代法估计式(3-3-7)中的三维运动和结构参数.迭代算法在 课本P90页.
3.3.3透视投影下的运动估计
在透视投影下有
2
2x y ZX XZ X Z
v x F F x Z Z Z
ZY YZ Y Z
v y F F y
Z Z Z
-===--===-
将是(3-3-4)带入,并令F=1,转化为二维图像坐标整理得
(3-3-2)
(3-3-4)
(3-3-7)
2
2(1)(1)X Z X Z Z x y Y
Z X Y Z V xV xy x y v Z
v V yV y xy x Z -??-Ω+Ω+-Ω????=?
???-??
??-Ω++Ω+Ω????
由上式可得到
22(1)(1)X Z
x X Y Z Y Z
y X Y Z V xV Z v xy x y
V yV v y xy x
-=
+Ω-Ω++Ω-=
+Ω+-Ω+Ω
整理得到 22
0y x x
y x y xy x y v v yv xv ??-----=?
?H
其中
1234567
89Y Y Z Z Z Z
X X X Y Y X X Z
Z X Y Z Z Y Y Y X X X Y Z h V V h V V h V V h V V h V V h V V h V h V h V Ω+Ω????
????
Ω+Ω????????Ω+Ω????Ω+Ω????????==Ω+Ω????Ω+Ω????????????
????
?????
???H
首先至少给出8个点的光流,根据式(3-3-15)就可以求出中间参数H,然后根据
(3-3-16)就可求解运动参数Ω和V ,最后根据式(3-3-14)利用最小二乘法求解每个点的深度信息.
3.3.4平面模型
假设三维平面模型为
1aX bY cZ ++=
下面分别讨论平面模型在正交投影和透视投影下的运动估计方法.平面模型的三维速度矢量在正交投影和透视投影下分别的到仿射流和二次流
1正交投影 2透视投影
3.4直接运动估计
前面两节是以二维运动估计为基础,即首先进行特征对应和光流矢量的计算,然后再估计三维运动的和结构参数.下面讨论根据二维图像的亮度信息直接估计三维运动和结构参数的方法.
(3-3-15)
(3-3-16)
(3-3-14)
通常光流矢量可由图像梯度估计得到,如果用图像梯度替换光流矢量,3.3节中的方法就可推广到直接运动估计中.
3.4.2 平面模型
由式(3-2-45),从时刻t 到时刻't ,平面模型下各像素的位移映射为
1237845678()1()1x y a x a y a A a x a y x A y a x a y a a x a y ++????'++?????
?==????'?++?
??????
++??
a a
对上式关于a 进行一阶泰勒展开,忽略高次项,得到一个线性映射.整理有下式:
8
1
81()
'()()()(342)()'()()()
x x x i i i i a e y y y i i i i a e A a x x x A A e a e a A a y y y A A e a e a ====???=-=-=-?
??--???
?=-=-=-???
∑∑a a
对2ψ时刻的图像2(',')x y ψ在(x,y)进行一阶泰勒展开，有
2222(,)(,)
(',')(,)(343)x y x y x y x y x y x y
ψψψψ??=+?+?--?? 由亮度守恒假设有21(',')(,)x y x y ψψ=代入上式整理得帧差
2212(,)(,)
(,)(,)(,)(344)x y x y FD x y x y x y x y x y
ψψψψ??=-=
?+?--?? 将（3-4-2）代入（3-4-4）得到
882
211()()(,)()()(345)
y x i i i i i i i i a e a e A a A a FD x y a e a e x
a y
a ψψ====????
????=
-+
---????
????????????
∑∑
将上式写成矩阵形式为
(,)()(347)FD x y a e =---H 给定同一平面上的8个或8个以上的点可以计算帧差和矩阵H ，由上式使用最小二乘法可以计算出纯参数18[,,]T a a a = ，得到纯参数后，可由奇异值分解法估计运动和结构参数。
3.5 运动目标分割
运动分割就是将视频序列中属于各个不同的运动的像素标记出来。本节介绍3种运动分割的方法。
(1) 基于空时图像的直接分割法 (2) 基于光流场参数模型的分割方法 (3) 运动分割和运动估计同时进行的方法
3.5.2直接分割法
直接分割法属于分割优先的方法，他首先基于视频图像的亮度信息进行区域分割。然后为每个区域估计运动参数。首先根据视频序列帧差将视频图像分割为变化区域和背景区域。然后为每个变化区域建立运动模型，并估计模型参数。此时要注意的是还必须将变化区域中的遮挡区域分离出来。
1区域分割
第k 帧和第k-1帧的帧差为
,1(,)(,,)(,,1)k k FD x y x y k x y k ψψ-=--
若环境照明不变，则图像的帧差应该为零，但是由于噪声的存在，需要设置一门限值，然后根据帧差和门限值对像素分类，方法如下。
,1,1,11,(,)(,)0,(,)k k k k k k FD x y T
z x y FD x y T
---?>?=?
≤?? ,1(,)k k z x y -称为分割标记，变化像素分割标记为1，背景像素分割标记为0.分割
后可能会产生孤立的变化点或背景点，我们需要使用各种滤波器来消除这些孤立
点。
2区域建模和运动估计
区域分割后，为每个变化区域建立运动模型并估计运动参数。同时还必须将变化区域中的遮挡区域分离出来。
变化区域的参数模型可由分级法建立，即首先将变化区域拟合成某个参数模型，然后将不合理的区域分为多个较小的子区域，再为每个子区域拟合参数模型，步骤如下：
(1) 根据第k 帧和第k+1帧的帧差和变化门限得到第k 帧的分割场。使用中
值滤波器或形态滤波器合并孤立的小区域。将每个空间相连的变化区域视为一个独立物体。
(2) 为每个变化区域估计一个参数模型，可以是仿射模型，投影模型和双线
性模型。估计各模型的参数。
(3) 根据（2）中估计的参数将变化区域分为运动区域和遮挡区域，方法为：
寻找第k 帧变化区域内的像素在前一帧中的对应像素，若对应像素也属于变化区域，那么第k 帧中的像素属于变化区域，否则属于遮挡区域。 (4) 根据位移帧差检测运动区参数模型的合理性，将位移帧差较大的区域进
行子区域分割，在进行下一级的估计，迭代第二步和第三步，直到参数模型和区域均不在变化。
3.5.3基于光流的分割方法
基于光流的分割方法属于运动优先的方法，他首先估计光流场，然后对光流场建模并进行运动分割。常见的光流场参数模型有6个参数的仿射流模型和8个参数的二次流模型。运动分割可以通过将具有相同模型的参数矢量归为一类，由于光流分割场和每一运动类别的模型参数均是未知的，所以通常需要迭代。
1聚类法
（1）Hough 变换是一种典型的聚类方法，其基本思想是对参数空间进行量化，然后由已知数据对各个可能的参数矢量投票，最后选择最优代表性的参数矢量作为候选类。我们将Hough 变换应用到基于仿射模型的光流分割，方法如下：
确定仿射模型6个参数的最大和最小值以及每个参数的量化步长，为每个光流矢量计算最匹配的光流矢量，并对次匹配参数矢量投票一次。与光流矢量最匹配的参数矢量应该使得下式最小：
22123456()()x x E v a a x a y v a a x a y =---+---
令[,]T x y v v v =为观察光流，123456[,]T v
a a x a y a a x a y =++++ 称为合成光流，根据个参数矢量的投票数确定候选类数K 以及对应的参数矢量。然后将参数矢量
数值上相连的的光流矢量聚集成小群。
（2）根据某准则合并由（1）得到的小群，形成光流分割。 （3）将孤立的未被组成小群的光流吸收到附近的分割场中。
2分层法
分层法实质上属于K 均值聚类法，视频图像被分割为不同深度的层，每个光流的分割标记不表示所属运动类别，二表示像素所位于的视频层。基于放射模型的分层法步骤如下：
（1）将图像分割为小图像块，根据光流矢量估计每个块的仿射参数。计算参数模型的合法性。即考察光流和合成光流的平方误差。有
2
2[]x η∈=-∑v(x)v(x)
块
若此块满足放射模型，则上式的误差较小，若此块位于两个运动的边界，误差则
较大，将具有较小误差的参数矢量选为候选视频层。
（2）将由（1）得到的候选视频层聚类为K 层。方法是：给定K 个视频层，每个层的仿射参数设为该层内所有候选视频层参数的平均值，每个光流的分割标记设为与K 个放射参数距离最近的视频层数，然后基于新的分割标记重新计算每个层的放射参数，重复进行此迭代过程，直到仿射参数和分割标记不再改变。
3贝叶斯分割法
贝叶斯分割法则对分割场施加了连续性约束。他是在给定光流场的前提下，寻找分割场的最大后验概率。反映了分割场解析光流场以及先验知识的程度。
我们先介绍贝叶斯分割的基本问题，然后介绍由Murray 和Buxton 提出的算法。在此算法中，光流场建模为分段二次流场，分割场建模为Gibbs 分布。并采用模拟退火算法最大化后验概率。 （1）基本问题
分别用v 和z 表示光流场和分割场，则光流场和分割场的后验概率可表示为
(|)()
(|)()
P v z P z P z v P v =
☆☆
其中(|)P v z 为光流场的条件概率密度函数，反映了分割场解析光流场的程度，
()P z 为分割场的先验概率，反映了分割场符合先验知识的程度，分母()P v 与分割场无关，所有分割场z 的可能值构成离散样本空间Ω。最大后验概率估计就是在离散的样本空间Ω上，最大化上式的分子。接下来就是求(|)P v z 和()P z 。
将光流场建模为分段二次流场，有二次流模型得到的合成光流矢量可表示为
212378245678??x y v
b b x b y b x b xy v b b x b y b xy b y ??++++??=????++++??????
将观察光流与合成光流之间的差值建模为均值为零，方差为2
σ的高斯白噪声，则
(|)P v z 可表示为
22/2211
1(|)exp ()(357)(2)2M i M i P v z x ηπσσ=??
=---????
∑☆
其中M 表示该分割区域中的光流数目。且有
[]2
2
2
??()=()()()()x x y y v v v v η??-+-??x x x x x
表示真实光流矢量和合成光流矢量的误差，若二次流模型相对合理，则上述误差
由噪声和分割 误差引起。
分割场的先验概率()P z 建模为Gibbs 分布，他可以有效地对分割场施加局部连续约束。可得：
1
()=exp{()}(359)P z U z Q
---☆
其中Q 为归一化常数，U(z)为局部势之和，可表示为：
()
()(),()j i c z i j x N x U z V z x z x ∈??=
??∑
其中()i i N x x 表示的邻域，()c z V z 表示团的势函数。
对于一个包含两个元素的团，()c z V z 可建立为
()()[(),()]()()
i j c
z
i j i j z x z x V z x z x z x z x γ
γγ
-=??=?
+≠??其中为正值
将式（3-5-7）和式（3-5-9）代入式（3-5-5），并取对数，最大化后验概率相当于最小化下式。
2
2
1
1()()
(3512)2M
i i E x U z η
σ
==
+--∑☆
式中第一项反映了合成光流与观察光流的一致程度。第二项反映了分割场符合先验知识的程度。
（2）Murray 和Buxton 算法
为了求解上式的最优化问题，下面给出使用模拟退火算法的最优化过程。 (1) 根据光流场和初始分割场z ，使用最小二乘法计算每个区域的二次流模
型参数，并为模拟退火算法设置初始温度T 。
(2) 根据预先定义的扫描顺序扫描每个像素点，像素点i x 的操作如下：
a) 随机扰动分割标记()i i z z x =
b) 接受或拒绝此随机扰动，方法是计算目标函数的变化量：
22
()
1()(),()2j i c i z i j x N x E x V z x z x ησ
∈???=
?+???∑
那么此扰动被接受的概率为：
exp(/),0
1,
0E T E P E ??>?=?
?≤? 其中T 表示模拟退火法的温度，当P=1时，接受此扰动，否则随机产生一个0~1
上的均匀分布的小数，若此小数小于P ，则接受扰动，否则拒绝扰动。
(3) 遍历完所有像素后就得到一个新的分割场，基于此分割场重新计算每个
区域的二次流模型参数。
(4) 若满足程序停止条件，则推出程序，否则，根据下式降低温度，返回步
骤2，温度公式如下，其中τ为常数，i 为迭代次数。
在Murray-Buxton 算法中，运动模型为二次流模型，实际上也可以采用其他任何光流场模型。
3.5.4同时进行运动分割和运动估计的方法
基本思想：运动估计和运动分割是相互依赖和相互促进的，因此同时进行运动估计和运动分割可以得到更好地结果。
1基本问题
首先说明多涉及的两个光流场：
(1) 一个是需要估计的光流场v
(2) 另一个是由分割区域运动参数模型形成的合成光流场v
每个光流矢量()v x 可以看成是合成光流矢量()v x 与误差矢量()r v x 之和。即
()()()r v x v
x v x =+ 给定两帧图像12ψψ和，运动光流场v 和分割场的z 的后验概率表示为：
21111221(|,,)(|,)(|)(,|,)(3515)(|)
P v z P v z p z P v z P ψψψψψψψψ=
--☆
下面为上式分子中的各项建模：
第一项：21(|,,)P v z ψψ反映了给定1ψ，当前光流场和分割场解析观察帧2ψ的程度。将其建模为Gibbs 模型为：
211211
1
(|,,)exp{(|,,)}(3516)P v z U v z Q ψψψψ=
---☆
其中1Q 为归一化常数，且势函数为：
212121(|,,)[(())()]x
U v z x v x t x ψψψψ=+?-∑
t ?表示两帧的时间间隔，最大化21(|,,)P v z ψψ意味着对总得位移帧差函数最小
化。
第二项：1(|,)P v z ψ反映了给定1ψ，分割场解析光流场的程度，将其建模为Gibbs 模型为：
122
1
(|,)(|)exp{(|)}(3518)P v z P v z U v z Q ψ==
---☆
其中2Q 为归一化常数，且势函数为：
2
22
()
(|)()()()()[(),()]i j i x
i j i j x x N x U v z v x v
x v x v
x z x z x αβδ∈=-+-∑∑
∑
最大化1(|,)P v z ψ就是最小化上式，其中第一部分就是期望估计的光流失量和合成光流失量一致；第二部分是对光流场施加局部平滑约束，[(),()]i j z x z x δ表示
2
()()i j v x v
x - 只在邻域内的两个像素分割标记相同时计算。权值α和β用来调节施加约束的程度。
第三项：1(|)p z ψ为分割场的先验概率，也建模为Gibbs 分布，得到：
133
1
(|)()exp{()}(3520)P z P z U z Q ψ==
---☆
其中3Q 为归一化常数，势函数为
3()[(),()]i
j
c z i j x x U z V z x z x =∑∑
根据上述模型的建立，最优化问题变为最小化下式：
12123(|,,)(|)()(3522)E U v z U v z U z ψψ=++--☆☆
我们使用两步迭代法求上市的最小值。
两步迭代法
（1）给定分割场和每个区域的模型参数，更新光流场。它由最小化上式中包含()v x 的项得到，即最小化下式：
22
212
[(())()]()()()()[(),()]i
j
x
x
i j i j x x E x v x t x v x v
x v x v
x z x z x ψψαβδ=-?-+-+-∑∑∑∑
为了最小化次误差函数，可以使用Chou 和Brown 提出的方法。即根据光流数据
逐步调整变量，使误差函数能在有限的步骤内达到局部最小。
（2）给定光流场，更新分割场和每个区域的模型参数。它由最小化式（3-5-22）
中包含()v x 和z 的项得到，即最小化下式：
2
()()[(),()]i
j
c z i j x
x x E v x v
x V z x z x αβ=-+∑∑∑ 可使用模拟退火算法最小化此误差函数，其中每个区域的模型参数由最小二乘法
估计。
3.6运动目标跟踪
运动目标跟踪的根本任务是通过对摄像机拍摄到的图像序列进行分析，计算出目标物体在各图像帧上的位置，并给出物体的运动估计。
运动跟踪通常是基于一组特征对应或光流矢量来描述运动的发展过程。其中物体特征或光流矢量称为运动跟踪的观察对象。运动跟踪主要包括三个方面的内容：
(1) 运动模型 (2) 观察模型 (3) 跟踪方法
1运动模型
运动跟踪首先要对物体的运动建模。根据不同的应用，运动模型可以为简单
的匀速运动模型，也可以为更加复杂健壮的进动模型。运动模型可分为二维运动模型和三维运动模型，前者描述三维运动在图像平面上的投影，后者描述三维运动物体的特征。下面介绍刚性物体的运动跟踪。 （1） 二维运动模型
三维运动在图像平面上的投影可以使用放射、投影、或其他多项式变换来建模，且模型的参数随时间而变化，即模型参数是时间的函数。跟踪的对象可以使一个特征点或一组特征点。一个二维运动可以建模为二维旋转和平移模型，也可以建模为运动学模型。 （2） 三维运动估计
在基于两帧的三维运动估计中，假设物体的旋转中心位于世界坐标的原点，若将此方法沿用于跟踪长时间视频序列。则不同时刻的世界坐标系必将发生变化。因此进行长时间视频序列三维运动跟踪时，令世界坐标系固定，而物体旋转中心的坐标随时间变化。同样与两帧视频的运动估计相比，运动跟踪的三维运动模型还需要引入加速运动和进动。
2观察模型
用于运动跟踪的观察模型可以是一组特征对应或光流矢量。他们可由二维运动估计方法得到。
3跟踪方法
确定运动模型和观察模型后，就可以估计最佳的运动模型参数。通常有两种方法。
分批法：如非线性最小二乘法
递归法：如Kalman 滤波器，只要获取的数据可以更新运动参数，递归算法就能很好的工作，无需对多有全部数据进行处理。
3.6.2 Kalman 滤波器
1 Kalman 滤波器
令()z k 表示系统k 时刻的M 维状态矢量，假设系统的状态转移可用下面的线性转移方程表示：
()(,1)(1)()1,2z k k k z k w k k N =Φ--+=
其中(,1)k k Φ-为状态转移矩阵，()w k 为状态模型误差，表示0均值的白噪声
随机序列。协方差矩阵为()Q k 。
给定观察序列()y k ，观察序列可由状态变量线性表示为：
()()()()1,2y k H k z k n k k N =+=
其中()H k 为观察矩阵，()n k 为0均值观察白噪声，其协方差矩阵为()R k ，()n k 与()w k 不相关。
在k 时刻，给定所有观察序列，Kalman 滤波器基于最小化误差协方差矩阵来更新状态矢量。
误差的协方差矩阵为：
2112
1{()|(),,(1)}{()()|(),,(1)}(){()()|(),,(1)}{()|(),,(1)}M a M M E e k y k y E e k e k y k y P k E e k e k y k y E e k y k y ??
=??????
其中?()()()i i i e k z k z k =-，?()i z
k 表示()i z k 的估计量。{}E 表示求期望。状态更新步骤如下：
(1) 预测，包括状态预测和误差矩阵预测。
(2) 更新，包括Kalman 增益计算，状态更新和误差矩阵更新。状态更新过
程在书上P102页。
1 扩展的Kalman 滤波器
3.6.3 二维运动跟踪
基于图像平面上的特征对应或者光流矢量，二维运动跟踪用来跟踪物体在图像平面上的位置和运动。这里二维运动建模为运动学模型。根据观察模型的不同，可由下面三种情况。
(1) 二维点跟踪 (2) 二维线段跟踪 (3) 二维区域跟踪
1 二维点跟踪
在图像平面上的一个特征点[,]T x x y =建模为匀加速运动，得到运动学模型为二次多项式模型：
2
1
()(1)(1)(1)()2
()(1)(1)()(1)
x k x k v k t a k t v k v k a k t a k a k =-+-?+-?=-+-?=- 其中t ?为相邻两帧的时间间隔，定义状态变量为6维矢量，有
()()()()x k z k v k a k ??
??=??
????
则状态转移方程为：
()(,1)(1)()1,2(3619)z k k k z k w k k N =Φ--+=-- ☆
其中()w k 是一个零均值的白噪声序列，协方差矩阵为()Q k 。且
22222222221()2
(,1)000I I t I t k k I I t I ????????
Φ-=?????????
2I 表示二维单位矩阵，20表示二维0矩阵。
观察方程可表示为：
()()(),1,2,,()()()()1,2,,(3621)
y k x k n k k N
y k H k z k n k k N
=+==+=-- ☆
其中222()[00]H k I =。根据状态转移方程和观察方程，使用线性Kalman 滤
波器可以对特征点的状态进行跟踪。
2 二维线段跟踪
图像平面上的特征线段可由四维特征矢量12x l x ??
=????
表示，1x 和2x 为线段的两个端
点，分别将每个端点的运动建模为匀加速运动，认为每个端点的运动都是相对独立的。定义状态变量为12维矢量。
121212()()()()()()()x k x k v k z k v k a k a k ????????=????????????
则状态转移方程为：
()(,1)(1)()1,2(3623)z k k k z k w k k N =Φ--+=-- ☆
状态转移矩阵为
2444444444
1()2
(,1)000I I t I t k k I I t I ?
??????
?Φ-=????????
?
其中4I 表示4维单位矩阵，40表示四维零矩阵。
观察方程可表示为
()()()()1,2,,(3625)y k H k z k n k k N =+=-- ☆
其中444()[00]H k I =。根据状态转移方程和观察方程，使用线性Kalman 滤
波器可以对特征线段的状态进行跟踪。
3 二维区域跟踪
Meyer 等人提出的区域跟踪方法是将区域内的光流场建模为放射模型。并由一个Kalman 滤波器（命名为运动滤波器）跟踪放射模型的参数变化；区域近似为多边形，并由一个Kalman 滤波器（命名为几何滤波器）跟踪多边形所有顶点的坐标变换。
（1）运动滤波器
假设每个区域的光流仿射模型为
()()()()()()()()x y v k x k x k A k b k v k y
k y k ??????==+???????????? 矩阵A 和矢量b 由仿射模型参数i a 组成。
仿射参数的时间变化建模为匀速变化，即：
12()(1)()1=1,2,6()01(1)()i i i i i i a k a k k t i a
k a k k εε-?????????+=????????-???????? ☆ 其中误差序列[]12(),()T
i i k k εε为零均值高斯白噪声。
上式为状态模型式，用它对每个仿射参数进行建模。 运动滤波器的观察方程为
()()()1,26i i i a
k a k k i β=+= ☆ 这样根据状态模型式和观察方程，仿射模型的每个参数都可以由一个二维状态变
量的线性Kalman 滤波器进行跟踪。 （2）几何滤波器
被跟踪区域被近似为一个凸多边形，由N 个顶点的坐标表示，那么每个区域的状态变量为2N 维矢量。
每个区域的状态转移方程表示为：
111122()(1)()(,1)00(1)()()()00(,1)(1)()(1)N N N N x k x k y k k k y k I u k w k x k k k x k I y k y k -????????Φ--????
????????????=++????
?????
???Φ--????????????-????
其中
2(,1)()()()()k k I tA k u k tb k w k Φ-=+?=?为零均值白噪声
观察方程表示为：
1111()()()()=+()()()()()N N N N x
k x k y k y k n k x k x k y k y k ????????????
????????????????????
同理根据状态转移方程和观察方程，可以使用2N 维状态变量的Kalman 滤波器进
行区域边界跟踪。
3.6.4 三维运动跟踪
基于一组长序列视频图像，三维运动跟踪用来监视和预测三维场景中物体的运动和结构变化。定义两个坐标系：
物体坐标系0C ，其坐标原点位于物体的旋转中心，在世界坐标系中的坐标为
000[(),(),()]T X k Y k Z k =0X
结构坐标系s C ，其坐标原点位于物体的某个已知点，假设坐标s C 和坐标0C 只差
一个平移矢量s T 。i
X 为第i 个特征点在结构坐标系s C 中已知的坐标，则其在世界坐标系中的坐标为 0()()()()i i s
X k X k R k X T =++ ()R k 是关于旋转中心定义的旋转矩阵。
将物体的平移运动建模为匀加速运动，而物体坐标系0C 中原点坐标（旋转中心）的变换正好反映了物体的平移运动。有
20000000001
()(1)(1)(1)2
()(1)(1)()(1)
X k X k V k t A k t V k V k A k t A k A k =-+-?+-?=-+-?=-
将物体的旋转建模为规则进动模型。令旋转角速度为
()[(),(),()]T
X Y Z k k k k Ω=ΩΩΩ
旋转轴为L ，定值进动矢量为(,,)T
X Y Z P P P P =表示旋转轴L 的角速度矢量，即
()()()t P t M t Ω=?Ω=Ω
其中
000Z
Y Z X Y X P P M P P P P -????=-??
??-??
若用单位四元数()q k 表示旋转矩阵()R k ，则单位四元数随时间的变化公式为：
()[(1),,](1)q k k P t q k =ΦΩ-?-
假设有N 帧图像序列的M 个特征点对应，表示为：
()
()()()
()
()()
()
i i x i i i y i X k x k n k Z k Y k y k n k Z k =
+=+ 若用Kalman 滤波器进行跟踪，可定义状态变量为
0001()[(),(),(),(),(),(),,()]T T T T T T T
T M z k X k V k A k q k k X k X k =Ω
因为观察方程和旋转模型均是关于()z k 的非线性方程，因此可采用扩展的Kalman
滤波器。
观察方程
旋转模型
第8章 数字视频水印
8.1.1 信息隐藏的定义
信息隐藏：就是指在一些载体信息中将需要保密传送的信息隐藏进去，而载体本生并没有太大的变化，不会引起怀疑，从而达到信息隐藏的目的。
8.1.2 信息隐藏原理
8.1.3 信息隐藏系统组成
8.1.4 信息隐藏分类
密钥k
m
通信系统 隐藏系统
消息
消息
消息 消息
2.变换域水印
（1）变换域水印的特点
变换域水印是指先对在原始视频进行某种变换后，然后在变换域中进行水印嵌入和提取，主要通过修改变换域的系数实现水印嵌入。变换域水印嵌入法的主要优点是：物理意义清晰；可充分利用人类视觉特性；不可见性和稳健性好；与压缩标准兼容。
常用的变换域有：离散余弦变换（DCT ）域、离散傅里叶变换（DFT ）域、离散小波变换（DWT ）域、离散分数傅里叶变换（FRFT ）域、哈达玛变换（HT ）域等。
（2）DCT 域水印
在变换域算法中目前研究最多的是DCT 域水印算法。其水印嵌入过程如下：
a) 生成一个与I 帧（I 帧为帧内编码图像）具有相同维数（如352×288）
的伪随机噪图案。
b) 先用水印信号的信息位调制伪随机噪声图案，得到扩频水印信号，并乘
以一个大小适中的伸缩因子，然后将扩频水印信号分块（如8×8）进行DCT 变换。
c) 将每个水印信号块的DCT 直流分量加载到I 帧图像相同位置的DCT 直流
分量上。
该算法的优点是简单直接；但是它没有考虑加载水印后引起的误差积累和数码率可能增大等因素，会明显降低视频图像的质量。
8.5.3 压缩域视频水印
通常压缩域视频水印要与MPEG 编码标准相结合。在MPEG 编码标准中，有三种图像类型，即帧内编码（I 帧），前向预测帧（P 帧）和双向预测帧（B ）。
1.DEW 算法
DEW 算法称为差分能量水印，是由Langelaar 等提出的一种基于有选择的丢弃部分压缩视频图像中的高频DCT 系数来嵌入水印的方法。水印信息位用相邻两个区域的DCT 高频系数的能量差值来编码。该方法不需要对压缩视频码流进行重新解码，而是通过去掉压缩码流的一部分信息嵌入水印。 （1）水印嵌入原理
a) 基本思想
假设需要嵌入的水印序列为(0,1,,1)j b j l =- ，包含l 个比特。j b 逐比特地嵌入到视频图像（I 帧）中的每一个含有n 个8×8DCT 块的区域（标记水印的承载区域）中，每个承载区域互不重叠。承载区域中8×8图像块DCT 系数矩阵的个数决定了标记比特率，即水印的嵌入率。n 代表嵌入1为水印信息所需8×8图像块的数目，n 值越大，水印中的嵌入率就越低。通常，n 的取值在16~64之间。
承载区域被分为上半部分A(承载子区域A ，包含n/2个DCT 块)和下半部分B ，所谓“能量差”就是承载子区域A 的DCT 系数和承载子区域B 的DCT 系数的“能量”差值。而能量是指响应DCT 系数的平方和。水印信息位编码的基本思想是：如果承载子区域A 中的高频能量大于承载子区域B 中的高频能量，
则代表水印信息位为0；如果承载子区域A 中的高频能量小于承载子区域B 中的高频能量，则代表水印信息位为1.为了提高水印的稳健性，在嵌入水印信息位前，对视频图像中8×8 DCT 块的位置按密钥进行随机置乱。 由于水印是在压缩域嵌入的，经过VLC 解码后DCT 系数很容易被强行置0，因此，既不会增加码率，也不必修改每个DCT 块的EBO （块结束标记），大大节约了计算量。 b) 临界点选择
DEW 算法的关键是，为了使承载子区域A 和B 之间存在某一固定的能量差，需要去除多个DCT 系数的能量。一方面，若承载子区域A 和B 属于平滑区域，则只有当临界点取值很小时才能找到非零的DCT 系数；另一方面，若承载子区域A 和B 属于纹理比较复杂的区域，则临界点取值必须较大，否则要去掉较多的DCT 系数，从而影响视频图像的质量。但若承载子区域A 包含许多纹理，而承载子区域B 不包含任何细节，这是临界点的选择就会有问题。 （2）水印嵌入过程
水印信息位提取是水印信息位嵌入的逆过程，能量差值D 和参数n 决定了水印的稳健性，假设(0,1,)i L i = 为待嵌入的水印信息位，则水印嵌入过程如下： 第一步：将I 帧所有8×8图像块进行随机置乱，水印信息位计数器i 置0； 第二步: 从I 帧中选定一个包含n 个8×8图像块的区域用来嵌入水印信息位i L ，将该区域分为上半部分承载子区域A 和下半部分承载子区域B ，这两部分个包含n/2个图像块。
第三步：针对当前承载区域A+B 估计临界点的取值。令临界点c=1，计算上半部分承载子区域A 中相应DCT 系数的能量()A c E 。类似计算下半部分承载子区域B 所对应的能量()B c E 。分别令c=2,3，…，63，重复第三步。
第四步：令临界点为满足条件()()A c B c E D E D >>且的c 所有取值中的最大值。 第五步：如果水印信息位i L 为1，将上半部分承载子区域A 中所有DCT 系数块在临界点以后的系数都置0； 如果水印信息位i L 为0，将下半部分承载子区域B 中所有临界点以后的系数都置0.
第六步：令水印信息位计数器i=i+1，重复第二步至第六步，直到嵌入所有的水印信息位i L 。
第七步：将之乱后的8×8的图像块重新放回原来的位置。 （3）水印提取过程
水印提取过程需要定义一个阀值T ，该阀值将影响到临界点的确定。T 的取值必须必嵌入过程中所使用的能量差D 要小。水印提取过程如下： 第一步：将I 帧所有8×8图像块按照嵌入过程中所使用的方式进行随机置乱，并将水印信息位计数器i 置0；
第二步：提取水印信息位i L 时，首先从置乱后的图像中选定对应的包含n 个8×8图像块的承载区域，将该承载区域分为上半部分承载子区域A 和下半部分承载子区域B ，这两部分个包含n/2个图像块。
第三步：针对当前区域A+B 估计临界点的取值。令临界点c=1，计算上半部分A 中相应DCT 系数的能量()A c E 。类似计算下半部分承载子区域B 中相应系数所对应的能量()B c E 。分别令c=2,3，…，63，重复第三步。
平衡吊的运动学与动力学仿真 作者：** 指导老师：** ********** *************** 1 绪论 1.1 平衡吊的概要平衡吊是的主要结构是平行四边形连杆机构的放大形态和螺母升降结构，通过外力的作用下达到重物的上升和下降的目的，平衡吊可以满足重物随时停留在需要的工作区域。比其他的吊装设备更具有优越性，它比一般吊装设备更加的灵活，从而更加的精准，与机械手相比等其他吊装设备比，其结构更加得合理，性能较好，广泛的使用于重工业的生产中，在机床厂中更是被用作吊装作业，在小型企业装卸货物，例如码头的施工,集装箱的搬运，非常适合于作业区域窄，时间间隔短的作业方式。其极大减少了人力使用，有效地节约了人力资源。平衡吊在市场上主要常见的有3 种，机械式，气动式，液压式，机械式，顾名思义，通过外力的使用，使其达到升降的目的，主要在生产，搬运的的领域中常见，后期，更是添加了电动装置，优化了他的配置，有效地提高了生产效率。气动式平衡吊主要是对于气压的控制原理实现升降功能的我们成为气动式平衡吊，液压式，主要是根据液压系统来设置的，在大多数重工业生产地使用广泛。现在主要使用的为气动式平衡吊，主要省力，都是自动化进行的，按照平衡吊臂的类型还可以将平衡吊分为通用和专用类型，他们各有各的特色，相对于大型的吊车来说，其缺点是工作的行程围较小，区域局限化。 平衡吊的种类及其特点：液压平衡吊的特点：液压平衡吊有3 大类，有级，单级，无级变速的，他们通过不同的油路控制来达到不同的工作地点； 气动平衡吊的特点:体积不大，比一般的平衡吊具有灵活的特色；电动平衡吊：又称为机械式平衡吊，具有控制重物在任意指定地点的特点，一般为定速转动； Cad(2D)+solidworks(3D) 图纸整套免费获取，需要的 加QQ1162401387 1.2 平衡吊的结构 平衡吊主要有大小臂，起重臂，短臂，电机，立柱，丝杆螺母传动副构成的，其中的几个臂件通过平行四边形连杆机构构成的。在外力的作用下起到升降重物的作用。
课程设计任务书
目录 1 绪论 (1) 1.1CATIA V5软件介绍 (1) 1.2ADAMS软件介绍 (1) 1.3S IM D ESIGNER软件介绍 (2) 1.4本次课程设计的主要内容及目的 (2) 2 曲柄连杆机构的建模 (3) 2.1活塞的建模 (3) 2.2活塞销的建模 (5) 2.3连杆的建模 (5) 2.4曲轴的建模 (6) 2.5汽缸体的建模 (8) 3 曲柄连杆机构的装配 (10) 3.1将各部件导入CATIA装配模块并利用约束命令确定位置关系 (10) 4 曲柄连杆机构导入ADAMS (14) 4.1曲柄连杆机构各个零部件之间运动副分析 (14) 4.2曲柄连杆机构各个零部件之间运动副建立 (14) 4.3曲柄连杆机构导入ADAMS (16) 5 曲柄连杆机构的运动学分析 (17) 结束语 (21) 参考文献 (22)
1 绪论 1.1 CATIA V5软件介绍 CATIA V5(Computer-graphics Aided Three-dimensional Interactive Application)是法国Dassault公司于1975年开发的一套完整的3D CAD/CAM/CAE一体化软件。它的内容涵盖了产品概念设计、工业设计、三维建模、分析计算、动态模拟与仿真、工程图的生成、生产加工成产品的全过程，其中还包括了大量的电缆和管道布线、各种模具设计与分析、人机交换等实用模块。CATIA V5不但能保证企业内部设计部门之间的协同设计功能而且还可以提供企业整个集成的设计流程和端对端的解决方案。CATIA V5大量应用于航空航天、汽车及摩托车行业、机械、电子、家电与3C产业、NC加工等领域。 由于其功能的强大而完美，CATIA V5已经成为三维CAD/CAM领域的一面旗帜和争相遵从的标准，特别是在航空航天、汽车及摩托车领域。法国的幻影2000系列战斗机就是使用CATIA V5进行设计的一个典范；波音777客机则使用CATIA V5实现了无图纸设计。另外，CATIA V5还用于制造米其林轮胎、伊莱克斯电冰箱和洗衣机、3M公司的粘合剂等。CATIA V5不仅给用户提供了详细的解决方案，而且具有先进的开发性、集成性及灵活性。 CATIA V5的主要功能有：三维几何图形设计、二维工程蓝图绘制、复杂空间曲面设计与验证、三维计算机辅助加工制造、加工轨迹模拟、机构设计及运动分析、标准零件管理。 1.2 ADAMS软件介绍 ADAMS即机械系统动力学自动分析(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)，该软件是美国MDI公司(Mechanical Dynamics Inc.)开发的虚拟样机分析软件。目前，ADAMS己经被全世界各行各业的数百家主要制造商采用。根据1999年机械系统动态仿真分析软件国际市场份额的统计资料，ADAMS软件销售总额近八千万美元、占据了51%的份额。 ADAMS软件使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的机械系统几何模型，其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格郎日方程方法，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。ADAMS软件的仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、
机构仿真是PROE的功能模块之一。PROE能做的仿真内容还算比较好，不过用好的兄弟不多。当然真正专做仿真分析的兄弟，估计都用Ansys去了。但是，Ansys研究起来可比PROE麻烦多了。所以，学会PROE的仿真，在很多时候还是有用的。我再发一份学习笔记，并整理一下，当个基础教程吧。希望能对学习 仿真的兄弟有所帮助。 术语 创建机构前，应熟悉下列术语在PROE中的定义：主体(Body) - 一个元件或彼此无相对运动的一组元件，主体内DOF=0。 连接(Connections) - 定义并约束相对运动的主体之间的关系。 自由度(Degrees of Freedom) - 允许的机械系统运动。连接的作用是约束主体之间的相对运动，减少系统可能的总自由度。 拖动(Dragging) - 在屏幕上用鼠标拾取并移动机构。 动态(Dynamics) - 研究机构在受力后的运动。 执行电动机(Force Motor) - 作用于旋转轴或平移轴上(引起运动)的力。 齿轮副连接(Gear Pair Connection) - 应用到两连接轴的速度约束。 基础(Ground) - 不移动的主体。其它主体相对于基础运动。 机构(Joints) - 特定的连接类型（例如销钉机构、滑块机构和球机构）。 运动(Kinematics) - 研究机构的运动，而不考虑移动机构所需的力。 环连接(Loop Connection) - 添加到运动环中的最后一个连接。 运动(Motion) - 主体受电动机或负荷作用时的移动方式。 放置约束(Placement Constraint) - 组件中放置元件并限制该元件在组件中运动 的图元。 回放(Playback) - 记录并重放分析运行的结果。 伺服电动机(Servo Motor) - 定义一个主体相对于另一个主体运动的方式。可在机构或几何图元上放置电动机，并可指定主体间的位置、速度或加速度运动。LCS - 与主体相关的局部坐标系。LCS 是与主体中定义的第一个零件相关的缺 省坐标系。 UCS - 用户坐标系。 WCS - 全局坐标系。组件的全局坐标系，它包括用于组件及该组件内所有主体 的全局坐标系。 运动分析的定义 在满足伺服电动机轮廓和机构连接、凸轮从动机构、槽从动机构或齿轮副连接的要求的情况下，模拟机构的运动。运动分析不考虑受力，它模拟除质量和力之外的运动的所有方面。因此，运动分析不能使用执行电动机，也不必为机构指定质量属性。运动分析忽略模型中的所有动态图元，如弹簧、阻尼器、重力、力/力矩以及执行电动机等，所有动态图元都不影响运动分析结果。
运动、空间和时间
（本节是普通高中物理新课程的第一节课，在学生物理知识的同时，更应保护学生学习物理的兴趣。） 一、机械运动的探索 1、机械运动：从生活和社会现象分析出发，引出机械运动概念 多媒体展示：体育运动，生命运动，政治运动，机械运动画面……。 学生识别运动形式，探索机械运动的共同特点---有位置的相对改变，总结出机械运动的规律。 由教师和学生共同对机械运动进行定义、板书，学生再举一些例子。 2、参考系：机械运动是相对物体有位置改变的运动，因而选取不同的参照物，同一物体运动状态也就难于确定，进而讲解参照物、参考系，同时举出一些运动的实例，分析其参考系的选取。如果没有特别说明默认以大地为参考系。 3、引导学生分析同一物体在不同参照系的运动形式的变化，从而让学生理解运动和静止的相对性，并由学生举出大量的生活中的实例，教师适当的补充。 如：小小排江中流，巍巍青山两岸走；月亮在云中穿行；坐地日行八万里等等；运动电梯中人的运动状态；行驶的火车中人的静止…… 二、空间位置的描述 1、学生用语言描述自己所在的位置。（数学坐标的应用） 2、学生动手画出自己的空间位置（教师引导）。 3、一维坐标： 二维坐标： 三维坐标： 4、总结、反思描述物理空间位置的方法，以城市中行驶的汽车为例进行规范描述。 5、描述物体空间位置的练习巩固。 6、“信息窗-----全球定位系统“GPS””简介，让学生自学了解，网上的相关信息，丰富物理课外学习。如： https://www.doczj.com/doc/a57076991.html,/view/7773.html?wtp=tt（百度百科） 三、时间的描述 1、直接举例讲解时间与时刻的区别。
平衡吊得运动学与动力学仿真 作者:** 指导老师:** ********** *************** 1绪论 1、1平衡吊得概要 平衡吊就是得主要结构就是平行四边形连杆机构得放大形态与螺母升降结构,通过外力得作用下达到重物得上升与下降得目得,平衡吊可以满足重物随时停留在需要得工作区域内。比其她得吊装设备更具有优越性,它比一般吊装设备更加得灵活,从而更加得精准,与机械手相比等其她吊装设备比,其结构更加得合理,性能较好,广泛得使用于重工业得生产中,在机床厂中更就是被用作吊装作业,在小型企业装卸货物,例如码头得施工,集装箱得搬运,非常适合于作业区域窄,时间间隔短得作业方式。其极大减少了人力使用,有效地节约了人力资源。 平衡吊在市场上主要常见得有3种,机械式,气动式,液压式,机械式,顾名思义,通过外力得使用,使其达到升降得目得,主要在生产,搬运得得领域中常见,后期,更就是添加了电动装置,优化了她得配置,有效地提高了生产效率。气动式平衡吊主要就是对于气压得控制原理实现升降功能得我们成为气动式平衡吊,液压式,主要就是根据液压系统来设置得,在大多数重工业生产地使用广泛。现在主要使用得为气动式平衡吊,主要省力,都就是自动化进行得,按照平衡吊臂得类型还可以将平衡吊分为通用与专用类型,她们各有各得特色,相对于大型得吊车来说,其缺点就是工作得行程范围较小,区域局限化。 平衡吊得种类及其特点: 液压平衡吊得特点:液压平衡吊有3大类,有级,单级,无级变速得,她们通过不同得油路控制来达到不同得工作地点; 气动平衡吊得特点:体积不大,比一般得平衡吊具有灵活得特色; 电动平衡吊:又称为机械式平衡吊,具有控制重物在任意指定地点得特点,一般为定速转动; Cad(2D)+solidworks(3D)图纸整套免费获取,需要得 加QQ1162401387 1、2平衡吊得结构 平衡吊主要有大小臂,起重臂,短臂,电机,立柱,丝杆螺母传动副构成得,其中得几个臂件通过平行四边形连杆机构构成得。在外力得作用下起到升降重物得作用。
运动仿真 本章主要内容： z运动仿真的工作界面 z运动模型管理 z连杆特性和运动副 z机构载荷 z运动分析 9.1 运动仿真的工作界面 本章主要介绍UG/CAE模块中运动仿真的功能。运动仿真是UG/CAE（Computer Aided Engineering）模块中的主要部分，它能对任何二维或三维机构进行复杂的运动学分析、动力分析和设计仿真。通过UG/Modeling的功能建立一个三维实体模型，利用UG/Motion的功能给三维实体模型的各个部件赋予一定的运动学特性，再在各个部件之间设立一定的连接关系既可建立一个运动仿真模型。UG/Motion的功能可以对运动机构进行大量的装配分析工作、运动合理性分析工作，诸如干涉检查、轨迹包络等，得到大量运动机构的运动参数。通过对这个运动仿真模型进行运动学或动力学运动分析就可以验证该运动机构设计的合理性，并且可以利用图形输出各个部件的位移、坐标、加速度、速度和力的变化情况，对运动机构进行优化。 运动仿真功能的实现步骤为： 1．建立一个运动分析场景； 2．进行运动模型的构建，包括设置每个零件的连杆特性，设置两个连杆间的运动副和添加机构载荷； 3．进行运动参数的设置，提交运动仿真模型数据，同时进行运动仿真动画的输出和运动过程的控制； 4．运动分析结果的数据输出和表格、变化曲线输出，人为的进行机构运动特性的分析。 9.1.1 打开运动仿真主界面 在进行运动仿真之前，先要打开UG/Motion（运动仿真）的主界面。在UG的主界面中选择菜单命令【Application】→【Motion】,如图9-1所示。
图9-1 打开UG/Motion操作界面 选择该菜单命令后，系统将会自动打开UG/Motion的主界面，同时弹出运动仿真的工具栏。 9.1.2 运动仿真工作界面介绍 点击Application/Motion后UG界面将作一定的变化，系统将会自动的打开UG/Motion 的主界面。该界面分为三个部分：运动仿真工具栏部分、运动场景导航窗口和绘图区，如图9-2所示。 图9-2 UG/Motion 主界面 运动仿真工具栏部分主要是UG/Motion各项功能的快捷按钮，运动场景导航窗口部分主要是显示当前操作下处于工作状态的各个运动场景的信息。运动仿真工具栏区又分为四个模块：连杆特性和运动副模块、载荷模块、运动分析模块以及运动模型管理模块，如图9-3所示。
人体运动学考试重点 第一章总论 1、人体动力学概念(8)：是运用力学的原理与方法研究人体在运动状态下各器官系统形态结 构与功能活动变化规律及其影响的一门学科。是多门学科之间相互交叉与渗透的科学。 是研究人体活动科学的领域。是通过位置、速度、加速度等物理量描述和研究人体和器械的位置随时间变化的规律或在运动过程中所经过的轨迹，而不考虑人体和器械运动状态改变的原因。 2、人体重心：人体重心一般在身体正中面上第三骶椎上缘前方7cm处。由于性别、年龄、 体型不同，人体重心略有不同。一般男子中心比女子高，自然站立时，男子重心高度大约是身高的56%，女子大约是身高的55%，这是因为女子骨盆较大的原因。 3、人体解剖参考轴与面(14)： 轴：冠状横轴，垂直纵轴，矢状轴 面：水平面，与地面平行，把人体分成上下两部分 冠状面，把人体分成前后两部分 矢状面，把人体分成左右两部分 4、人体关节的运动形式（15）： 屈曲与伸展，主要以横轴为中心，在矢状面上的运动 内收与外展，主要以矢状轴为中心，在冠状面上的运动 内旋与外旋，主要以纵轴为中心，在水平面上的运动 （前臂和小腿有旋前和旋后运动，足踝部还有内翻和外翻运动） 6、杠杆的分类（17）：三类 第1类杠杆，又称平衡杠杆，支点位于力点和阻力点中间 第2类杠杆，又称省力杠杆，其阻力点在力点和支点的中间，可用较小的力来克服较大的阻力 第3类杠杆，又称速度杠杆，力点在阻力点和支点之间，如使用镊子 第二章骨骼肌肉系统运动学 *第一节骨运动学 1、骨运动学概念（22）： 正常成年人人体共有206块骨 2、骨的功能（27）：（疑问答题） 1）力学功能 a 支撑功能，骨是全身最坚硬的组织，对肢体起着支撑作用，并负荷身体自身的重 量及附加的重量，如脊柱、四肢 b 杠杆功能，运动系统的各种机械运动都是在神经系统的支配下，通过骨骼肌的收 缩、牵拉骨围绕关节产生的。骨在运动中发挥着杠杆功能和承重作用 c 保护功能，某些骨按一定的方式互相连接围成体腔或腔隙来保护内在组织和器 官，如颅腔保护脑 2）生理学功能 a 钙磷储存功能与物质代谢功能 b 造血功能和免疫功能 第二节*肌肉运动学
三维建模及运动仿真 Pro/Engineer 软件集产品的三维造型设计、加工、分析、仿真及绘图等功能于一体，是一套使用方便、参数化造型精确的软件，其强大的造型功能及仿真分析功能受到众多工程人员的青睐。本节将采用Pro/E 软件，完成少齿数齿轮传动机构中所有零件的参数化建模，并对少齿数齿轮减速器进行虚拟装配，在此基础上，对传动机构进行运动仿真。 3.1 齿轮的参数化建模 3.1.1 零件分析 齿轮建模的操作步骤如下： (1)添加齿轮设计参数 (2)添加齿轮关系式 (3)创建齿轮的齿廓曲线 (4)创建螺旋线方程 (5)实体生成： 1)创建螺旋线线方程 2)）拉伸 3)）阵列 3.1.2 绘制齿轮 (1)新建文件： 启动PROE Wildfire4.0，单击工具栏新建工具，或单击菜单“文件/新建”。出现如图3.1所示对话框。选择系统默认“零件”，子类型“实体”方式，“名称”栏中输入“canshuhuachilun ”，同时注意关闭“使用缺省模板”。选择公制模板mmns-part-solid ，如图3.2所示，然后单击“确定”。 (2)创建齿轮程序。 选择菜单栏“工具/程序”命令，出现如图3.3所示对话框。单击“编辑设计”， 依次添加齿轮设计参数及初始值，添加完毕单击“确定”。选择工具菜单“工具/程序”命令，出现如图3.4信息窗口，在其中输入程序如下： Y0=(1/4)*PI*MT+XT*MT*TAN(α t) Xc=(HANX+CNX-XN)*MN-ρ
Yc=(1/4)*PI*MT+HANX*MN*TAN(αt)+ρ*COS(αt) (3)添加齿轮四个圆的关系式。 1)选择“插入/模型基准/ 草绘”特征工具，或单击工具栏 草绘命令，出现如图3.5所示对话框。单击“草绘”确认，进入二维草绘模式如图3.6所示。
黑龙江护理高等专科学校 2015~2016学年第二学期 2015级康复治疗技术专业期末考试试卷(A) 一、名词解释(每题4分,共20分) 1、 平衡角(稳定角) 2、 向心收缩 3、 肩肱节律 4、 牵张反射 5、 人体运动分析 二、填空题(每题1分,共30分) 1、 人体步行时的运动形式包括 、 、 、 。 2、 力量训练的原则有 、 、 、 。 3、 表示运动强度的常用指标有 、 、 。 4、 制定运动处方应遵循的原则有 原则、 原则、 原则与 原则。 5、 关于心指数,人体安静时, 与 呈线性关系,与 、 不成比例 6.状态反射包括 反射与 反射 7、 姿势的方向性就是 与 间适当关系的能力。 8、 步态控制的三个任务就是 、 与 。 9、 肌筋膜包括 、 与 ,就是与肌纤维 的弹性成分。 三、单项选择题,请把正确的选项填在括号内(每题1分,共20分) 1、 屈伸运动就是指( ) A 、环绕冠状轴在矢状面上的运动 B 、 环绕矢状轴在冠状面上的运动 C 、环绕垂直状轴在水平状面上的运动 D 、 环绕矢状轴在水平状面上的运动 E 、环绕垂直轴在矢状面上的运动 2、 下蹲过程中,下肢处于封闭运动链,因有 ( ) A 、髋、膝与踝关节共同活动 B 、仅髋关节活动 C 、仅膝关节活动 D 、仅踝关节活动 E 、 仅肢体活动 3、 力系平衡的充分必要条件就是( ) A 、合力、合力矩为零 B 、 合力为零、合力矩大于零 C 、合力矩为零、合力大于零 D 、多个力大小相等、方向相反 E 、二力大小相等、方向相同 4、 刚体角速度的大小与方向对时间变化率的物理量指的就是( ) A 、角速度 B 、角加速度 C 、角位移 D 、角动量 E 、角冲量 5、 运动神经元发放的冲动频率高时( ) A 、肌的伸展性增加 B 、肌的收缩力降低 C 、肌的弹性增加 D 、肌的粘滞性增加 E 、募集的运动单位多 6、 骨骼肌收缩起到缓冲、制动、减速与克服重力作用的属于( ) A 、 向心收缩 B 、 离心收缩 C 、拉长-缩短收缩 D 、 等动收缩 E 、等速运动 7、 当上臂上举150°,盂肱关节运动约就是( ) A 、80° B 、 90° C 、 60° D 、 70° E 、100° 8、 限制髋关节过伸的组要结构就是( ) A 、 髋臼 B 、 关节囊 C 、耻股韧带 D 、坐股韧带 E 、髋股韧带 9、 肌自身的形态结构与神经调节能力两个方面就是力量素质的( ) A 、生理基础 B 、解剖基础 C 、物理基础 D 、生化基础 E 、组织结构 10、下列哪项运动属于静力性力量训练( ) A 、引体向上 B 、俯卧撑 C 、蹲马步 D 、仰卧起坐 E 、杠铃 11、运动训练使心泵功能提高,主要表现为( ) A 、心房舒张末期容积增加 B 、心室舒张末期容积增加 C 、心房收缩末期容积增加 D 、心室收缩末期容积增加 E 、心肌收缩力增加
QJ147FMD发动机运动学及动力学仿真计算 一、QJ147FMD发动机的参数： 标定转速：6000r/min 曲轴半径：19.6mm 连杆长度：80mm 缸径：47mm 曲柄连杆比：0.245 二、曲柄连杆机构再ADAMS软件中的仿真计算： 上图是燃气的爆发压力和往复惯性力以及合力的曲线图。 上图是用ADAMS软件仿真计算出的往复惯性力和理论计算的比较图。粉色——理论计算，蓝色——仿真计算。理论计算：max=745N,min=-1230N; 仿真计算：max=546.6316N,min=-901.3991N. 出现上诉的原因个人理解是： （1）仿真计算的往复加速度=理论计算的往复加速度，那么产生仿真计算所得到的往复惯性力和理论计算所得到的往复惯性力之所以不同的原因就在于往复质量的计算；（2）在理论计算中，往复质量的计算是由活塞组的质量+连杆小头的质量，而在小头质量的换算过程中教科书上介绍的方法一般有两种，即两质量和三质量系统来等效代替
连杆。并且可以确定的是用三质量系统来代替两质量系统计算的更为精确只是计算起来比较困难。那么我们可以推想如果可以的话用四质量系统来代替连杆所得到的结果应该比三质量系统来代替连杆是不是更为精确？如果答案是肯定的，那么我们就有理由相信：用无数个质量点来代替连杆系统所计算得到的结果将会比2质量系统来代替连杆计算的精度要高很多，这一点用ADAMS软件可以轻松的做到。（3）现在我们来做一个对比，即同一个连杆用两质量系统和三质量系统分别来代替的时候，同一个连杆在换算到连杆小头质量是如何变化的？很容易想到用三质量系统来代替连杆的时候换算到连杆小头的质量应该比两质量换算到连杆小头的质量要小，那么我们有理由相信：当用无数个质量点来代替连杆的时候，换算到连杆小头的质量要比教科书上按两质量系统来代替连杆换算到连杆小头出的往复质量要小。（4）由于摩托车的发动机的转速很高，所以他的往复加速度很大。我们这次所研究的发动机的加速度的数量级：几千。可见，当往复质量减少1%时，则往复惯性力将减少几十牛。（这也是我们在设计高速发动机的时候要注意减少往复惯性质量的原因，而我们按照理论公式来计算的时候，实际上已经人为的增大了往复质量。）由以上的分析，我们有理由认为用ADAMS仿真软件来进行计算，所得到的结果比按纯理论方法所计算的更为精确。 三、主轴径的受力分析： （1）我们用ADAMS软件，将所研究的发动机的轴径作为刚体并且还考虑到了轴承的安装位置以及曲柄系统的质心位置的影响之后所得到的曲轴主轴径的受力分析图。 上图是曲轴的两个轴径受力的极坐标图。
机构运动学仿真 1 机构三维模型的导入 将在solidworks中或其他三维建模软件中装配好的机构装配体以parasolid 格式保存，打开ADAMS，显示如下界面： 选择Create a new model，点击OK，建立一个新的模型，在Model name选项可命名该机构的名称，ADAMS不支持中文，亦不支持中文路径，因此导入、保存文件时文件夹及机构的命名均应以英文表示。 在ADAMS界面做上角File选项，单击Import选项，显示如下对话框： 在File Type栏选择文件格式为Parasolid，在File To Read右侧空白栏，单击鼠标右键，选择Browse查找parasolid文件，在此应注意，文件所存的文件夹必
须是英文命名，不能存于桌面。图示如下： 在Model Name栏，可自己命名，亦可右键Pick，然后点击ADAMS界面左上角的名字。完成后，点击OK，模型即成功导入。 ADAMS左侧主工具箱最下面的Render可实现模型的虚实转换，具体操作一下便知，还有图标Icons和网格Grid，在此不再赘述。 2 机构运动学模型的建立 2.1 设置零件材料和重命名 机构三维模型导入后，首先应设置各个零件的材料属性，若不设置，系统会默认一个值，但大部分时候运行时会出现错误，因此在此建议先设定材料属性，具体操作如下： 点击左上角的Edit，选择Modify，出现如下所示对话框：
双击模型的名字Model_1，列表会出现各个零件的名字，左键单击选择零件，点击OK，弹出对话框： Body栏显示的是模型的名字，在Category栏可选择模型的名字和位置、质量属性，初始速度和位置等几个选项，最常用的是更改零件的名字和更改零件的材料。零件质量属性的修改有三种方式，图示为User Input（用户自输入），用于ADAMS的材料库无法准确描述所用材料时，常用的是 在Material Type栏，右键单击，选择Browse，在弹出的材料库中选择所需要的材料。 另外，亦可直接右键单击零件，在弹出的菜单中选择Modify修改材料属性和Rename修改零件名字，在零件较多时，需对各个零件命名以便于区分。否则，单靠系统默认的命名将难于区分，易产生错误。
第2期(总第147期) 2008年4月 机械工程与自动化 M ECHAN I CAL EN G I N EER I N G & AU TOM A T I ON N o12 A p r1 文章编号:167226413(2008)022******* 双横臂悬架的运动学建模与仿真 兰春亮,杨世文 (中北大学,山西 太原 030051) 摘要:采用虚拟样机技术,借助于ADAM S软件这个操作平台,针对某商务车前悬架建立了多体动力学模型,并对其进行运动学仿真分析,从中获得了随车轮上下跳动的悬架车轮定位参数的变化规律,这为汽车悬架系统开发提供了一种有效的手段。 关键词:双横臂独立悬架;建模;仿真;ADAM S 中图分类号:T P39119∶U463133+5 文献标识码:A 收稿日期:2007209213;修回日期:2007211209 作者简介:兰春亮(19792),男,山西岚县人,助理工程师,硕士研究生,主要研究方向:车辆悬挂系统动力学。
弹簧一端与车身用固定副连接,另一端与上摆臂固结在一起(固接点为C 点,并垂直于纸面),在中间断开并在断开处加一转动副,在转动副上加一扭簧,输入扭杆弹簧的刚度和预载荷即可达到扭杆弹簧的效果。上摆臂由于与扭杆弹簧连接在一起,其扭杆轴向的自由度已限制,所以若上摆臂与车身连接处再用转动副连接则会产生过约束,为了不出现过约束,采用轴套取代转动副。下摆臂与车身连接处采用转动副,减振器上端与车身相连,下端与下摆臂相连。该车前悬架减振器是双向液力式减振器,在A DA M S V ie w 中编制减振器速度—阻尼力特性样条曲线,修改阻尼栏为S p line (自变量是速度,函数为阻尼力),按减振器的阻尼力特性建立相应的S p line ,即可表示减振器非线性特性,再选择该曲线,完成减振器的建模。一般对前悬架而言评价其操纵稳定性和平顺性,主要特性参数见表l 。 表1 主要特征参数 特性参数名称数值参考范围前轮外倾角(o )0～0.5主销后倾角( o )2.5～3.5 主销内倾角(o )15.75前轮前束量(mm ) -3～3扭杆刚度 42.24 2 仿真分析 悬架的运动学特性首先反映在车轮上下跳动时其定位参数的变化趋势上,车轮定位参数( 前轮外倾角、前轮前束量、 主销内倾角及主销后倾角)的值对汽车的使用性能,特别是操作稳定性影响很大。在ADAM S 软件里建立悬架模型后,将悬架模型与测试平台装配,然后根据前轮上下最大跳动量设置激振台架上下激振位移的最大值。运动激振方程为:F =40sin (360d ×ti m e )(此为软件中的定义表达式设置,d 为旋转角度,ti m e 为时间),使车轮上下跳动,计算可得车轮定位参数。经仿真分析得到运动结果,见图2～图5。 图2 车轮外倾角变化曲线 由以上各性能曲线可以看出,在车轮跳动量为±40mm 的行程内:前轮外倾角变化范围为0103o ～0160o ;前轮前束量变化范围为-014mm ～3125mm ;主销内倾角变化范围为15166o ～1612o ;主销后倾角变化范围为21982o ～3132o 。 从仿真分析得到的数据来看,各项性能参数均较为合理,其变化趋势基本符合理论要求,悬架性能较好,能保证汽车具有较好的操纵稳定性和平顺性。 图3主销后倾角变化曲线 图4 主销内倾角变化曲线 图5前束量变化曲线 3 结束语 利用机械系统仿真软件ADAM S ,建立了某商务 车双横臂独立前悬架模型,并进行了运动学仿真,运动直观,仿真效果良好,提高了设计精度和设计效率,为同类机构的设计提供了一种高效快捷的方法,为进一步制造物理样机奠定了基础。 参考文献: [1] 余志生.汽车理论[M ].北京:机械工业出版社,2002. [2] 金叙龙,郭万富.双横臂独立悬架的运动特性分析[J ].汽 车技术,2001(4):11215. [3] 张洪欣.汽车设计[M ].北京:机械工业出版社,1988. (英文摘要转第80页) ? 77? 2008年第2期 兰春亮,等:双横臂悬架的运动学建模与仿真
运动学的基本概念 一、质点 1．理想模型 用来代替物体的有质量的点叫质点．是理想化的物理模型． 2．视为质点的条件 实际物体可视为质点的条件：①物体的形状、大小对问题的影响可忽略不计；②物体做平动；③物体虽有转动，但因转动而引起的物体部分差异对所研究的问题不起重要作用．质点是有质量的点的科学抽象，与几何中的点不是一回事． 1.做下列运动的物体，能当做质点处理的是() A．自转中的地球 B．旋转中的风力发电机叶片 C．匀速直线运动的火车 D．在冰面上旋转的花样滑冰运动员 2.关于质点，下列说法正确的是() A．研究刘翔在110 m栏比赛中的过杆技术是否合理时，可以将刘翔看做质点 B．陈中和主教练在奥运会女排决赛中，在战术板上布置队员怎样跑位时，能把女排队员看成质点 C．研究奥运会跳水冠军田亮的跳水动作时，能把他看成质点 D．研究乒乓球比赛中打的弧圈球时，能把乒乓球看做质点 3.子弹沿水平方向射出，如果要计算子弹从枪口飞到靶心所需时间，能否把子弹看做质点？如果要计算子弹穿过一张薄纸所需的时间，能否把子弹看做质点？ 二、位置、位移、路程 1．位置
质点的位置可以用规定的坐标系中的点表示．在一维、二维、三维的坐标系中分别表示为S(x)、S(x，y)、S(x，y，z)． 2．位移 物体位置的变化，用始位置指向末位置的有向线段表示．位移是矢量，国际单位是“米”．位移的大小与路径无关，位移的方向是由初位置指向末位置．位移的方向不一定是质点运动的方向． 3．路程 路程是物体经过的实际路线的长度．路程是标量．路程不小于位移，当物体做单向无往复的直线运动时位移的大小才等于路程． 三、时刻与时间 1．时刻指某一瞬时，体现在时间轴上为某一点． 2．时间指两时刻间隔，体现在时间轴上为两点间线段对应值． 【名师点拨】注意几种时间和时刻的说法 (1)第1 s内、第2 s内、第3 s内、……、第n秒内指的是时间，在数值上都等于1 s. (2)最初2 s内、最后2 s内、……、最初n s内都是指时间，在数值上对应所述值． (3)第1 s末(或第2 s初)，第2 s末(或第3 s初)，…….都是指时刻．如下图所示． 1.质点做直线运动的位移x与时间t的关系为x＝5t＋t2(m)(各物理量均采用国际单位制)，则该质点() A．第1 s内的位移是5 m B．前2 s内的平均速度是6 m/s C．任意相邻的1 s内位移差都是1 m D．任意1 s内的速度增量都是2 m/s
精心整理 一SW 运动仿真 1.简介 二十世纪八十年代以来，设计工程中首次使用计算机辅助工程（CAE ）方法后，有限元分析（FEA ）就成了最先被广泛采用的模拟工具。多年来，该工具帮助设计者在研究新产品的结构性能时节约了大量时间。 由于机械产品日渐复杂，不断加剧的竞争加快了新设计方案投入市场的速度。设计者迫切感到必须使模拟超出FEA 的局限范围，除使用FEA 模拟结构性能外，还需要在构建物理原型之前确定新产品的运动学和动力学性能。 用。 2.装配当几何体发生改变时，可在几秒内更新所有结果。图4为急回机构中滑杆和驱动连杆之间的干涉。 图4急回机构中滑杆和驱动连杆之间的干涉 运动模拟可在短时间内对任何复杂程度的机构进行分析，可能包含刚性连接装置、弹簧、阻尼器和接触面组。如雪地车前悬架、健身器、CD 驱动器等的运动。 图5复杂机构的运动仿真 除机构分析外，设计者还可通过将运动轨迹转换成CAD 几何体，将运动模拟用于机构合成。例如，设计一个沿着导轨移动滑杆的凸轮，用运动仿真生成该凸轮的轮廓。首先将所需滑杆位置表达为时间和滑杆在旋转凸轮上移动轨迹的函数，然后将轨迹路径转换为CAD 几何体，以创建凸轮轮廓。 图6滑杆沿导轨移动的位移函数
图7滑杆沿旋转盘移动绘制的凸轮轮廓 设计者还可将运动轨迹用于很多用途，例如，验证工业机器人的运动、测试工具路径以获取选择机器人大小所需的信息，以及确定功率要求。 图8工业机器人在多个位置之间的移动 运动模拟的另外一项重要应用是模拟零部件之间的碰撞和接触，以研究零部件之间可能形成的缝隙，得出机构的精确结果。例如，通过模拟碰撞和接触，可以研究阀提升机构中凸轮和曲线仪（摇杆）之间可能形成的缝隙。 3.将运动仿真与FEA结合 想了解运动仿真和FEA在机构仿真中如何结合使用，首先要了解每种方法的基本假设。 FEA是一种用于结构分析的数字技术，已成为研究结构的主导CAE方法。它可以分析任何固定支撑的弹性物体的行为，此处弹性是指物体可变性。如图8所示托架，在静态载荷作用下会变形， 形。FEA FEA （1 点反作用力和惯性力。在此步骤中，所有机构连接装置均视为刚性实体。图13中的曲线为曲柄转动一周连杆上接点的反作用力。 图13曲柄转动一周连杆上接点的反作用力 （2）.找出与连杆接点上最大反作用力相对应的机构位置。因为施加最大载荷情况下进行的分析将得到连杆所承受的最大应力。如有必要，可选择多个位置进行分析。 图14与连杆上最大反作用力相对应的位置 （3）.将这些反作用力载荷以及惯性载荷从CAD装配体传输到连杆CAD零件模型。 （4）.作用于从装配体分离出来的连杆上的载荷包括接点反作用力和惯性力，如图15所示。
黑龙江护理高等专科学校 2015~2016学年第二学期 2015级康复治疗技术专业期末考试试卷（A ） 一、名词解释（每题4分，共20分） 1. 平衡角（稳定角） 2. 向心收缩 3. 肩肱节律 4. 牵张反射 5. 人体运动分析 二、填空题（每题1分，共30分） 1. 人体步行时的运动形式包括 、 、 、 。 2. 力量训练的原则有 、 、 、 。 3. 表示运动强度的常用指标有 、 、 。 4. 制定运动处方应遵循的原则有 原则、 原则、 原则和 原则。 5. 关于心指数，人体安静时， 与 呈线性关系，与 、 不成比例 6．状态反射包括 反射与 反射 7. 姿势的方向性是 和 间适当关系的能力。 8. 步态控制的三个任务是 、 和 。 9. 肌筋膜包括 、 和 ，是与肌纤维 的弹性成分。 三、单项选择题，请把正确的选项填在括号内（每题1分，共20分）
1. 屈伸运动是指（） A.环绕冠状轴在矢状面上的运动 B. 环绕矢状轴在冠状面上的运动 C.环绕垂直状轴在水平状面上的运动 D. 环绕矢状轴在水平状面上的运动 E.环绕垂直轴在矢状面上的运动 2. 下蹲过程中，下肢处于封闭运动链，因有（） A.髋、膝与踝关节共同活动 B.仅髋关节活动 C.仅膝关节活动 D.仅踝关节活动 E. 仅肢体活动 3. 力系平衡的充分必要条件是（） A.合力、合力矩为零 B. 合力为零、合力矩大于零 C.合力矩为零、合力大于零 D.多个力大小相等、方向相反 E.二力大小相等、方向相同 4. 刚体角速度的大小和方向对时间变化率的物理量指的是（） A.角速度 B.角加速度 C.角位移 D.角动量 E.角冲量 5. 运动神经元发放的冲动频率高时（） A.肌的伸展性增加 B.肌的收缩力降低 C.肌的弹性增加 D.肌的粘滞性增加 E.募集的运动单位多 6. 骨骼肌收缩起到缓冲、制动、减速与克服重力作用的属于（） A. 向心收缩 B. 离心收缩 C.拉长-缩短收缩 D. 等动收缩 E.等速运动 7. 当上臂上举150°，盂肱关节运动约是（） A.80° B. 90° C. 60° D. 70° E.100° 8. 限制髋关节过伸的组要结构是（） A. 髋臼 B. 关节囊 C.耻股韧带 D.坐股韧带 E.髋股韧带 9. 肌自身的形态结构和神经调节能力两个方面是力量素质的（） A.生理基础 B.解剖基础 C.物理基础 D.生化基础 E.组织结构 10.下列哪项运动属于静力性力量训练（） A.引体向上 B.俯卧撑 C.蹲马步 D.仰卧起坐 E.杠铃 11.运动训练使心泵功能提高，主要表现为（） A.心房舒张末期容积增加 B.心室舒张末期容积增加
必修一第二章第一节运动、空间和时间 一．教材分析 1．这节课是高中物理的第一节课，是学生进入高中接触的第一个物理概念。 2．但是初中和平时生活过程中大多数同学都已经明白了运动、空间和时间的概念，所以这节课没有任何新概念、新理论，只是在名称上有所改变。 3．教材中都是以生活中的实例进行分析，让学生有切身体会，对竖直方向上的抛体运动有更深的了解。 二．学生分析 1．对于学生来说几乎就是复习。机械运动、时间和时刻在初中都学过，不存在太大困难，只要求回顾和理论联系实际就可以了。而坐标系在数学上也学过。 2．高一的学生从初中升入高中，已经具备了一定的的抽象思维能力、分析综合能力，但应用还不够灵活，教师应引导和帮助学生，利用相关生活现象合理推理出科学的结论。 三．教学目标 知识与技能 1．知道机械运动的概念。理解运动是绝对的，静止是相对的。 2．知道参考系的感念。知道对同一物体选择不同的参考系时，观察的结果可能不同，通常选择参考系时，要视研究问题的方便而定。 3．知道时间和时刻的含义以及它们的区别，学会用时间数轴来描述物体运动过程中的时间和时刻。 4．知道物体在空间的位置可以用坐标系来描述，学会用坐标系来描述物体的空间位置过程和方法 1．在选择参考系时，能选择使研究问题方便的参考系。 2．能区分开时间和时刻的区别 情感态度与价值观 关注科学技术的新进展，关注物理学与其他学科的联系，培养爱国主义情感。 教学重点 1．在研究问题时，如何选取参考系。 2．时刻与时间的区别。 教学难点 如何选取参考系 四．教学方法 讲授法，问题讨论法，教师指导下学生为主体的演示实验。 五．教学过程 1．新课引入 用幻灯片演示丰富的图片，展示各种物体的运动，小到原子内部的质子、中子和电子，大到遥远的恒星和星系。 学们，在初中我们学过，一个物体相对于别的物体的位置改变叫做机械运动，简称运动。机械运动是最普遍的自然现象。自然界中的一切物体都在不停地运动，河水奔流，鸟儿飞翔，车辆行驶，火箭发射，卫星飞行，电子绕核运动……那么我们如何来研究物体的运动呢？ 2．新课教学 （1）归纳机械运动定义 （2）怎样描述机械运动？
各位同学，大家早上好，今天我们来继续学习运动技术分析与诊断这门课程，在学习本节课之前，我们先来回顾一下，上节课学习的人体运动的运动学分析的主要内容。 复习：一、人体关节的相关概念 二、人体关节运动的基本形式 三、人体运动链的分类 四、人体运动的自由度 一、人体关节的相关概念 关节：骨与骨以结缔组织相连结构成关节。根据连结组织的性质和活动情况，关节可分为不动关节（韧带联合、软骨结合和骨性结合）、动关节（肩、肘、腕、髋、膝、踝关节）和半关节（耻骨联合）。 二、人体关节运动的基本形式 1）角度运动 邻近两骨间产生角度改变的相对转动，称为角度运动。通常有屈、伸和收、展两种运动形态。 2）旋转运动 骨绕垂直轴的运动称为旋转运动，由前向内的旋转称为旋内，由前向外的旋转称之旋外。 三、人体运动链的分类 开放运动链末端呈游离状态，它的某一关节固定，其余各关节产生运动。 如果运动链首尾相连，形成闭合状态，末端无游离的环节，称为闭合运动链。 四、人体运动的自由度 假如物体不受任何限制(约束)，它可以在三度空间运动，也既是相对于三个相互垂直轴的平动及绕三个轴的转动，物体有六个自由度。 当把物体某一点固定时，其自由度为三个，这时不能产生平动，只能以三个坐标轴为轴发生转动（可把原点放在固定点）。 当物体的某两点固定时，只有一个自由度，既以两点的连线为轴的转动。
当物体上任意三点固定时，则自由度为零，不产生任何方向的平动和转动。 在前面运动技术分析与诊断中我们所讲的是一些运动学、动力学和肌肉力学的一些理论知识，通过上半程的学习对技术分析有个理论上的知识，在后面的学习中将主要进行的是一些实际的应用操作。那么，今天所要学习的就是运动技术分析与诊断的工作环节以及现场数据采集。 第六章运动技术分析与诊断的工作环节及现场数据采集 第一节运动技术数据的意义 运动技术数据是指从人体运动过程中采集到得能够准确描述其运动状态的相关性息。人体运动与时间、空间相关的信息称之为运动学数据；人体运动与作用力、时间相关的信息称之为动力学数据。 一、运动学数据对运动技术的意义 运动学数据包括关节位置和关节角度、位移和角位移、速度和角速度、加速度和角加速度。 1）关节位置和关节角度 人体关节位置和关节角度数据可以准确描述人体运动的姿势。 A.关节位置 人体运动系统的支架是由骨骼和关节组成的一种链状结构，当这种链状结构的枢纽位置（关节位置）发生变化时，便会引起整个支架的形态发生变化。因此，人体运动时身体姿势可以看成是由各个关节在空间位置决定的。 图中显示了关节位置与动作姿态相关的情况。从图中可以看出，当人体任何一个关节点的位置发生变化时，都必然会引起动作姿态发生变化；反之，当人体动作姿态发生变化时，也必然会伴随关节位置的变化。 B.关节角度 人体每个关节的角度决定相邻两个运动环节之间的相互关系，关节角度数据直接描述动作姿态中每个关节的伸展和弯曲状况。在分析评价运动技术姿势时，关节角度也是一个重要的指标。 2）位移和角位移 A.位移 人体动态运动过程可以看成是由一系列有序的静态姿势所组成，当人体从一个姿势连续变化到另一个姿势时，肢体各部位的位置会发生一系列的连续变化，位置变化的距离称之为位移。 我们以100米途中跑时人体总重心的位移情况为例，通过运动员途中跑的影像资料求出途中跑每个瞬时的总重心位置坐标，便可以在坐标中做出途中跑人体