利用运动捕捉技术对物体抓取任务进行三维运动学表征

本研究旨在利用动作捕捉技术解析物体抓取任务，并详细描述其运动学要素。现有方法对正常条件下快速表现的理解尚不明确，而本方案建立了基线表现标准，有助于提升结果解读能力与临床适用性。实验开始时，请受试者穿上背心和轻便短裤。

确保受试者赤脚。指导受试者以舒适、自选的速度从检查者处向前行走一段短距离，然后让受试者转身，以相同速度走回检查者。

指导受试者通过抬头来伸展颈部，通过低头来屈曲颈部，向左右两侧旋转头部，并向两侧倾斜头部。指导受试者向前和向后弯曲躯干，向左右两侧旋转躯干，并向两侧进行侧向弯曲。

当所有动作均能舒适且安全地完成后，指导受试者保持站立姿势，以便进行后续的标记点放置。确保受试者以放松、直立的姿势站立，双臂自然下垂于身体两侧。触诊背部解剖标志点，并依次将磁性基座放置于T4、T8、T10棘突以及左右侧髂后上棘处。

接下来，将一个磁性基座放置在髂嵴后表面，位置大约在髂后上棘上方外侧两到三英寸处。后侧磁性基座定位完成后，用胶带将其固定。然后，要求受试者转身，直立面对检查者。

触诊左右两侧髂前上棘，并在此解剖标志处固定一个磁性底座。定位剑突，并在其上方放置一个磁性底座。然后，用胶带将前方的磁性底座固定牢固。

要求受试者重新戴上帽子，并恢复直立站立姿势。通过衣物触诊先前放置的磁性底座，依次将反光标记物贴附到磁性底座上。指导受试者转身背向检查者，并向前屈曲颈部。

然后，定位第七颈椎，并在此解剖标志处放置一个反光标记。请受试者恢复头部中立位，并转向面对检查者。确定胸骨位置，并在其上方粘贴一个反光标记。

然后，触诊左侧和右侧肩峰突，并在确定的解剖标志处放置反光标记。指导受试者舒适地坐下，将右手掌置于左膝上。定位右侧肱骨的内上髁和外上髁，并在其上放置反光标记。

然后，对左侧肘部重复上述操作。接下来，要求受试者将双手自然放置于大腿上。确定桡骨茎突和尺骨茎突的位置，并在该解剖标志处贴上反光标记。

同样地，对另一侧手腕重复上述操作。然后，用手触诊手舟骨，将一个反光标记贴于其上，并在另一只手上重复此步骤。在每只手的拇指指甲和中指上各放置一个反光标记。

让受试者舒适地坐好后，触诊右侧膝关节的内侧和外侧股骨髁，并在该解剖标志处固定一个反光标记。对左侧膝关节重复此操作。然后，定位右侧踝关节的内侧和外侧踝突，并放置反光标记。

接下来，确定右足的中间楔骨以及第一、第二和第五跖骨头，并在每个解剖标志点上放置一个反光标记。然后，触诊右足跟骨结节，在该标志点上固定一个反光标记，并对左足重复相同的标记放置操作。

在双侧前臂、手部、上臂、大腿和小腿段安装标记簇。使用绑带或胶带将每个标记簇牢固固定。然后，在双侧眉毛正上方的额骨处放置反光标记，随后在颞骨处放置反光标记。

使用可水洗的皮肤标记笔，标记所有放置在皮肤上的标记点和标记簇，以便在需要时能够准确定位。在站立姿势下检查标记点是否松动、标记簇是否移位以及是否存在遮挡。根据需要纠正任何放置错误，并固定不牢固的连接部分。

若未发现任何问题，则继续进行物体拾取任务。将动作捕捉相机布置在捕捉区域周围，确保在前屈、与物体交互以及恢复直立姿势期间全身可见。定义一个足够大的捕捉区域，以容纳完整的拾取动作，避免发生遮挡。

根据制造商的指南校准动作捕捉系统，以建立全局坐标系。确认所有摄像头均能清晰检测到反光标记，并确保捕捉区域内不存在意外的反光物体。在指示受试者开始运动之前，先启动动作捕捉记录。

只有在参与者完成任务后才停止录制。在进行下一次录制之前，需回看录像以确保所有标记均存在。确保参与者在捕捉范围内保持直立站立。

指导受试者将双臂外展至与身体约成45度角，肘关节完全伸展，手掌朝前。要求受试者保持静止两秒钟，同时大声计数：1000、2000。随后指导受试者进一步将双臂外展至与身体约成90度角，肘关节伸展，手掌朝下。

要求受试者静止站立两秒钟，并大声数数：1000、2000。指导受试者将双臂放至身体两侧，保持放松、自然的站立姿势。在捕捉范围内的预设位置地面上放置一个标准化物体。

要求受试者以舒适、自主选择的姿势直立站立，面向物体。指导受试者以舒适的速度从地面拾起物体，恢复直立姿势后将其递出。在试验间歇期间，操作者应保持舒适的坐位或跪姿，从地面取回并重新放置物体，以确保每次试验中物体位置的一致性。

指导受试者用一只手进行三次试验，然后用另一只手重复该任务，同样进行三次试验。根据动作策略，将受试者分为三组：蹲举主导型、铰链主导型和混合型。

各组在年龄、性别分布、身高或体重方面均无显著差异。在优势手和非优势手条件下，膝关节屈曲角度在各组间均存在显著差异，且效应量较大。踝关节运动学在优势手和非优势手条件下也显示出组间显著差异，且效应量较大。

在主手和非主手条件下，两组之间的躯干屈曲存在显著差异，且效应量中等。在主手或非主手条件下，两组之间的髋关节运动学参数均无显著差异。在非主手拾取物体时，左侧踝关节和左侧膝关节的屈曲程度大于主手拾取物体时，效应量较大。

在优势手与非优势手条件下，右侧踝关节和左侧髋关节也观察到显著差异，且效应量较大。在右侧膝关节、右侧髋关节或躯干之间，优势手与非优势手条件未观察到显著差异。该方案可使研究人员量化并表征在物体拾取任务中所采用的不同运动策略，包括蹲式主导、铰链式主导及混合模式。

在此流程之后可进行的其他分析包括关节速度、质心动力学以及地面反作用力，从而更全面地理解任务执行情况。未来的研究可在此运动捕捉方案的基础上，进一步探究代偿机制，特别是在与肌肉骨骼系统疾病相关的条件下。