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实验12 · 人体静态与动态姿势控制

本实验用于理解感觉信息、控制策略、支撑面和负荷转移之间的关系。人体采用既有着衣教学模型的皮肤网格、骨架与权重,姿态由确定性程序驱动。测力板、COP、COM和指标均为教学仿真。

建议课堂流程

  1. 先播放双脚、睁眼、感觉信息可用、踝策略,保存基线观察。
  2. 每次只改变一种感觉条件,比较同一个20秒观察窗的轨迹幅度。
  3. 切换左或右单脚,观察转移、抬脚、单支撑、回落四阶段与左右负荷。
  4. 比较踝策略和髋策略:观察上体与下肢的相对调整、骨盆线变化。
  5. 切换前向或侧向跨步,先观察负荷准备,再观察左单支撑、右脚移动、落地后新支撑面。
  6. 让学生用自己的话说明COP与COM为何不总是重合,再保存和导出记录。

人体动作与足底接触

只显示被试、测力平台、地面与显示器,不显示治疗床或治疗师。踝、髋、跨步为示意姿态。两段腿部逆运动学结合骨盆局部坐标,使支撑脚尽量停留在平台,另一脚明确抬起;前跨步右脚向前移动28 cm,侧跨步右脚向被试右侧移动22 cm。前后、左右均按被试定义。

单脚任务:0–4秒准备与转移,4–5秒抬脚,5–17秒单支撑,17–18秒回落,18–20秒恢复双支撑。跨步任务:0–4秒准备,4–7秒负荷转移,7–11秒左单支撑与右脚跨步,11–15秒落地重建支撑面,15–20秒稳定。选择前/侧跨步时自动使用跨步策略;双脚加跨步策略也演示前向跨步反应。

骨架名称来自 actor-model.json,包括 pelvis、chest、thigh_r/l、shin_r/l、foot_r/l。模型权重与人物形态保留,算法不是肌骨优化、逆动力学或关节力求解。模型与新代码的许可保留在原 lab/licenses/ 目录。

COM、COP与负荷

COM代表规定的教学重心点,并以投影显示在俯视图;并非从模型各段实测质量计算。COM由规定的平滑转移轨迹和固定频率小幅摆动组合,所有帧均由相同的时间与参数重新计算,因此播放、拖动和逐帧得到一致结果。

未经接触约束的COP目标示意采用 COP ≈ COM − h/g · COM″(h=0.98 m,g=9.81 m/s²)。再根据左右接触和足内COP边界计算左右负荷与合成COP,左右合计100%。单脚时非支撑脚为0%,合成COP落在该脚接触范围内;双脚时合成COP为两足局部压力中心按负荷加权的结果。跨步前先转移负荷,移动脚在单支撑期间不计足底负荷。

视觉关闭、前庭/本体信息减弱会增大规定的摆动幅度;各倍数、频率和策略增益用于教学对照,没有根据个人数据拟合,也不代表真实人群的实验效应量。学生页面的红绿只表示相对本次双脚睁眼基线幅度,不能解释为诊断或危险等级。

面积计算与边界

面积指标是固定完整20秒COP轨迹的95%协方差椭圆:A = π × 5.991 × sqrt(det(Σ)) × 10000 cm²,60 Hz,共1201样本。改变条件后重新计算整个观察窗,不随当前播放时刻改变。当前轨迹、COM点和足迹支撑面会随时刻更新。

此面积不是实测身体摆动面积、足迹面积或有效支撑面面积,也不代表真实个体的临床阈值。跨步包含有意位置转移,完整20秒的面积自然包含转移过程,不能直接当作静态稳定性的量化结论。四项指标分别为相对初始参考点的COM投影偏移、COP偏移、左右负荷和完整20秒COP轨迹面积。

记录与嵌入

保存记录包含时间、条件、观察文字、阶段及当时的COM/COP/负荷,并附完整20秒面积。已登记学生按任课教师与学号分别保存,未登记时仅保留当前会话并提示导出;最多保留400条,观察文字上限2000字。进度协议为0–1,另以timeSeconds保留秒数;仅手动保存非空观察文字标记complete,空白或自动保存为快照。导出HTML可离线阅读。父平台请求快照时保存当前部分完成状态,并通过同源 dxx:module-record 回传。切换模块或页面不可见时暂停;实验12不会宣称已完成其他实验。

嵌入模式 ?embedded=1 隐藏外层导航,分别回传 dxx:module-state、dxx:module-height 和 dxx:module-record。dxx:teacher 的 detail 发送明确助教动作,父平台统一展示助教。图形资源无法加载时,保留可读动作示意、同一仿真时间轴与观察记录。

专业依据