Využití anatomie pohybového aparátu člověka pro tvorbu charakteru v programu 3ds Max

MASARYKOVA UNIVERZITA FAKULTA INFORMATIKY

•P

%, \J/


&

Využití anatomie pohybového aparátu člověka pro tvorbu charakteru v programu 3ds Max BAKALÁŘSKÁ PRÁCE

Pavel Pátek

Brno, jaro 2008

Prohlášení Prohlašuji, že tato bakalářská práce je mým původním autorským dílem, které jsem vypracoval samostatně. Všechny zdroje, prameny a literaturu, které jsem při vypracování používal nebo z nich čerpal, v práci řádně cituji s uvedením úplného odkazu na příslušný zdroj.

Vedoucí práce: MgA. Helena Lukášova 11

Poděkování Na tomto místě bych rád poděkoval své vedoucí práce, MgA. Heleně Lukášové, za cenné rady a pomoc při zpracování tématu.

m

Shrnutí Ve své bakalářské práci se zabývám problémem, jak navrhnout a vymodelo­ vat imaginární charakter tak, aby co nejpřesvědčivěji zachovával proporce a zákonitosti pohybu lidského těla. Práce je určena pro uživatele programu 3ds Max, kterým umožní pochopit nejdůležitější tvarové a funkční vztahy pohybového aparátu člověka a usnadní jim tak práci při tvorbě charakteru. Podstatnou část práce jsem věnoval studiu pohybového aparátu člověka. Soustředil jsem se na pochopení anatomie kostry, principu činnosti kloubů a rozložení základních svalových skupin. Vše se zaměřením na pohybové schopnosti lidského těla a proporční závislosti. Ve své práci jsem vycházel i z poznatků některých umělců a vědců z historie, kteří se zabývali podobnou tematikou a snažili se nahlížet na tělo jako na mechanický stroj. Tyto teoretické poznatky jsou pak využity při tvorbě charakteru robota. Pro modelování charakteru jsem si zvolil program 3ds Max 8, se kterým mám nejvíce zkušeností. Jsem však přesvědčen, že teoretický základ práce může být přínosem i pro uživatele jiných modelovacích programů.

IV

Klíčová slova 3ds Max, výtvarná anatomie, pohybový aparát člověka, tvorba charakteru, robot

Obsah 1

Úvod 1.1 Obsah jednotlivých kapitol 1.2 Způsob psaní textu 2 Klouby 2.1 Co je kloub 2.2 Pohyb kloubů 2.3 Typy kloubů 2.3.1 Kloub kulovitý 2.3.2 Kloub elipsovitý 2.3.3 Kloub sedlový 2.3.4 Kloub válcový Kloub šarnýrový Kloub kolový 2.3.5 Kloub kladkový 2.3.6 Kloub plochý 2.3.7 Kloub tuhý 3 Kostra 3.1 Lebka 3.1.1 Proporce lebky 3.1.2 Lícní úhel 3.1.3 Pohlavní rozdíly na lebce 3.1.4 Znázornění na charakteru 3.2 Osovákostra 3.2.1 Páteř Pohyblivost Znázornění na charakteru 3.2.2 Hrudník Pohyblivost Typy Znázornění na charakteru 3.3 Kostra končetin 3.3.1 Pletenec horní končetiny

1 1 2 3 3 3 4 4 4 4 5 5 5 5 6 6 7 8 8 9 10 10 11 11 11 13 14 14 15 15 16 16 vi

3.3.2 3.3.3

3.3.4

3.3.5

3.3.6

3.3.7 3.3.8

4

Pohyblivost ramenního kloubu Znázornění na charakteru Kloub loketní Pohyblivost Předloktí Supinace a pronace Znázornění na charakteru Ruka Skloubení a pohyblivost Znázornění na charakteru Pletenec dolní končetiny Kloub kyčelní Znázornění na charakteru Kloub kolenní Pohyblivost Znázornění na charakteru Bérec Noha Skloubení a pohyblivost Znázornění na charakteru

Svaly 4.1 Svaly zádové 4.2 Svaly hrudníku 4.3 Svaly břicha 4.4 Svaly krku 4.5 Svaly horní končetiny 4.6 Svaly dolní končetiny 4.7 Mechanika kloubu a svalu 4.7.1 Páka prvního stupně 4.7.2 Páka druhého stupně 4.7.3 Páka třetího stupně 5 Historie 5.1 Leonardo da Vinci 5.2 Giovani Alfonso Borelli 5.3 Robert Hooke 5.4 Etiene-Jules Marey 5.5 Aedweard Muybridge 5.6 Stelarc 6 Tvorba vlastního charakteru 6.1 Modelovací techniky

16 17 17 18 18 18 19 21 21 22 22 23 24 24 25 25 25 26 26 26 28 28 28 30 30 31 31 33 33 34 34 36 36 36 37 37 38 38 40 40 vii

6.2 Modelování 6.3 Texturovaní 6.4 Renderování 7 Závěr Přílohy Obsah přiloženého CD

41 42 43 49 50 50

Vlil

Kapitola 1

Úvod Základem každého charakteru je kostra. Aťjde o člověka, zvíře nebo cokoli jiného, vždy si musíme ujasnit, co bude oporou jeho těla, kudy povedou kosti a kde budou klouby, případně jakou budou mít pohyblivost. Teprve s ohledem na toto rozložení můžeme začít vytvářet další tělesnou hmotu charakteru. Pokud například budeme chtít nakreslit kabát visící na věšáku, také nás bude nejdříve zajímat, jak vypadá věšák, protože právě ten bude určovat tvar kabátu. Stejně tak kostra určuje rozložení svalů a celkový tvar těla. Teoretické znalosti anatomických vztahů jsou proto při tvorbě charakteru zásadní. Umožní nám zasadit jej do skutečného světa, udělat jej realistický a uvěřitelný, i když se jedná jen o smyšlenou postavu. Tato práce si dává za cíl popsat vlastnosti pohybového aparátu člověka a jejich využití při tvorbě charakteru. Teoretické znalosti se pak snaží zužit­ kovat při tvorbě charakteru robota v programu 3ds Max 8. 1.1

Obsah jednotlivých kapitol

Ve zbytku první kapitoly uvedu, jakým způsobem je text psán. Druhá kapitola obsahuje krátký úvod do stavby lidské kostry. Dále v této kapitole popíši, co jsou to klouby a jaký mají význam v lidském těle. Rozliším jednotlivé typy kloubů a popíši jejich tvar a pohyblivost. Třetí kapitolu věnuji systematickému popisu lidské kostry. Zaměřím se hlavně na význam jednotlivých kostí, jejich vzájemný vztah a pohyb­ livost konkrétních kloubů. Zvláštní prostor věnuji lebce a některým jejím proporčním charakteristikám, které je možné využít při tvorbě charakteru. U jednotlivých částí těla také popíši, jakým způsobem lze využít mechanika kostry při modelování robota. Ve čtvrté kapitole se zaměřím na základní stavbu svalů a princip jejich funkce. Uvedu několik tvarově a funkčně nejvýznamnějších svalů lidského těla. V závěru kapitoly popíši princip funkce kloubu a působícího svalu 1

1. ÚVOD

z mechanického hlediska. V páté kapitole zmíním několik výtvarníků a vědců, kteří se věnovali zkoumání lidského těla s cílem porozumět jeho funkci a výtvarně je ztvárnit. V šesté kapitole popíši postup při tvorbě modelu. Využiji získané zna­ losti o lidském těle a navrhnu a vymodeluji charakter robota. 1.2

Způsob psaní textu

Každá významější část textu je označena číslováním, které naznačuje hie­ rarchickou strukturu jednotlivých kapitol a podkapitol. Číslování je rovněž použito při odkazování se na jiné části textu. Pro lepší názornost je práce doplněna velkým množstvím obrázků. Od­ kazy na obrázky jsou také řešeny pomocí číslování. Druhá, třetí a čtvrtá kapitola jsou řešeny jako anatomická příručka shrnu­ jící nejdůležitější informace o liském těle, které je možne využít při tvorbě charakteru. Způsob, jakým jsem informace zpracoval při modelování je vždy uvedem v podkapitole Znázornění na charakteru následující za popi­ sem každé větší části těla. V šesté kapitole používám anglické názvy nástrojů, modifikátoru a ob­ jektů programu 3ds Max. Tyto názvy jsou psány kurzívou.

2

Kapitola 2

Klouby V zásadě každý organismus má určitou formu kostry, která mu umožňuje pohyb a chrání vnitřní orgány. Já jsem se zaměřil na kostru obratlovců, konkrétně na kostru člověka. Tu tvoří systém 206 tuhých kostí, které se stýkají v sedmi typech kloubů. Na následujících stránkách budou často používaný názvy kostí, proto pro snazší orientaci a lepší pochopení textu je na obrázku 3.1 znázorněna lidská kostra s popisem kostí.

2.1

Co je kloub

Kloub je pohyblivé spojení dvou, případně více kostí, jež se uvnitř vazi­ vového pouzdra dotýkají plochami povlečenými chrupavkou. Konkávni plocha se nazývá kloubí jamka, konvexní plocha je kloubní hlavice. Která z ploch bude jamka a která hlavice, je určeno vztahem ke svalům. Plocha ke které jsou svaly připojeny blíže s stává jamkou, dále hlavicí.

2.2

Pohyb kloubů

Určujícími faktory pro pohyby v kloubech jsou geometrický tvar styčných ploch a rozmístění svalových úponů v okolí kloubu. Směrů pohybu kloubu v prostoru může být různě velké množství, z něhož vyplývá počet os, kolem kterých se pohyby dějí. Rozeznáváme pohyby jednoosé, dvouosé a tříosé. U víceosých kloubů je každý pohyb součtem pohybů podle tří navzájem kolmých os. Rozsah pohybů kloubů je určen poměrem mezi plochami kloubní jamky a hlavice: mělká a malá jamka dovoluje větší rozsah pohybů velké hlavice. Hluboká a uzavřená jamka naopak omezuje rozsah pohybů hlavice (Obrá­ zek 2.1). 3

2. KLOUBY

Obrázek 2.1: Kloub kulovitý [1]

2.3

Typy kloubů

Podle tvaru rozlišujeme klouby kulovité, elipsovité, sedlové, válcové, klad­ kové, ploché a tuhé. 2.3.1 Kloub kulovitý Jeho hlavice i jamka jsou části povrchu koule (Obrázek 2.1). Pohyb je možný v kombinaci podle tří navzájem kolmých os (např. ramenní kloub, kyčelní kloub). 2.3.2 Kloub elipsovitý ;

• • * >w Má styčné plochy podobné rotačnímu w .... *elipsoidu (Obrázek 2.2). Pohyby j sou možné —? . , ' . ve dvou směrech: základní pohyb je ko­ lem dlouhé osy elipsoidu. Dále jsou možné skluzné úklony kloubní hlavice do stran. Kombinace obou pohybů je možná, avšak Obrázek 2.2: Elipsovitý kloub není možná rotace (např. spojení dolní če­ má styčné plochy tvaru rotač­ listi s bází lebeční, elipsovitý kloub umož­ ního elipsoidu [1] ňuje složité žvýkací pohyby). 2.3.3 Kloub sedlový Má styčné plochy ve tvaru koňského sedla a v něm sedícího jezdce (Obrázek 2.3). Pohyb je možný ve dvou na sebe kolmých směrech i v jejich kombinaci 4

2. KLOUBY

(např. skloubení mezi záprstní kostí palce ruky a zápěstní kostí).

Obrázek 2.3: Kloub sedlový [1]

2.3.4 Kloub válcový Má styčné plochy ve tvaru válce a vyskytuje se ve dvou typech (Obrázek 2.4): Kloub šarnýrový Má osu pohybu postavenou kolmo k podélné ose kosti. Silné postranní vazy zamezují sklouznutí válcové plochy stranou (např. klouby mezi články prstů). Kloub kolový Je kloub tvaru nízkého válce, jehož osa otáčení je souběžná s podélnou osou kosti, jež se otáčí v zářezu druhé kosti (např. v loketním kloubu se hlavice kosti vřetenní otáčí v zářezu kosti loketní). 2.3.5 Kloub kladkový Má základní tvar kloubu válcového, má však na jedné z kloubních ploch (zpravidla na hlavici) vodicí rýhu, takže hlavice má tvar kladky. Do rýhy zasahuje vodicí lišta, vyvstávající z druhé kloubí plochy. Tento mechanismus zamezuje posun do stran. Pohyb je možný kolem jedné osy (např. skloubení kosti pažní a loketní). 5

2. KLOUBY

Obrázek 2.4: Kloub válcový [1] 2.3.6 Kloub plochý Má téměř rovné styčné plochy, jež po sobě za pohybu klouzají (Obrázek 2.5). Pohyby mají zpravidla velmi malý rozsah, ale mohou se dít kolem všech tří os (např. skloubení kosti klíční s lopatkou). 2.3.7 Kloub tuhý Je podobný kloubu plochému, jeho styčné plochy jsou však lehce zvlněné, což ještě více omezuje rozsah pohybů. Je to kloub o nepatrné skluzné po­ hyblivosti (např. kloub mezi kostí křížovou a kostí pánevní).

í':

Obrázek 2.5: Kloub plochý [1]

6

Kapitola 3

Kostra Kostru člověka (Obrázek 3.1) lze rozdělit na lebku, osovou kostru a kostru končetin. Osovou kostrou rozumíme páteř a hrudní koš. Kostra končetin je kostra horní a dolní končetiny a jejich spojení s osovou kostrou (pletenec horní a dolní končetiny).

Obrázek 3.1:1. lebka 2. kost klíční 3. lopatka 4. páteř 5. žebra 6. kost hrudní 7. kost vřetenní 8. kost loketní 9. zápěstní kosti 10. záprstní kosti 11. články prstů 12. pánev 13. kostrč 14. kost stehenní 15. kost lýtková 16. kost holenní 17. kost hlezenní 18. kosti nártní 19. kost patní [1]

7

3. KOSTRA

3.1

Lebka

Lebka je nejsložitějším útvarem lidské kostry, která je kloubně připojena k páteři a chrání mozek a smyslové orgány Skládá se z množství lebečních kostí, které jsou spojeny svy Svy jsou nepohyblivá spojení, jediný pohyblivý spoj je kloub připojující dolní čelist k lebce. 3.1.1 Proporce lebky Vzhledem ke složitosti tvaru lebky a systému spojení jednotlivých kostí si často vystačíme se stylizovaným modelem lebky a postačí nám znalost základních rozměrů a proporčních vztahů mezi jednotlivými částmi. Lebku dospělého člověka můžeme vertikálně rozdělit na přibližně shodné třetiny. Hranice jsou nejvyšší a nejnižší místo na lebce, dále pak dolní okraj nosního otvoru a dolní hranice čela. Oči leží přibližně v polo­ vině výšky hlavy (Obrázek 3.2).

Obrázek 3.2: Lebku člověka dělíme na shodné třetiny [1] U lebky novorozence jsou dolní dvě třetiny dohromady (obličejová část lebky) přibližně stejně velké jako horní třetina. S tím, jak lebka roste, zvět­ šuje se i poměr velikosti obličejové části k mozkovně. Rozměrů dospělého člověka dosáhne lebka po dvacátém roku života. Při pohledu zepředu je hlava široká přibližně na šířku čtyř až pěti očí. Vzdálenost mezi vnitřními koutky očí je přibližně šířka jednoho oka. Stejně 8

3. KOSTRA

tak šířka dolní části nosu je srovnatelná s šířkou oka. Šířka úst je přibližně stejná jako vzdálenost mezi panenkami. 3.1.2 Lícní úhel Lícní úhel je úhel, kterým se hodnotí ob­ ličej při pohledu ze strany. Studií tohoto úhlu se zabýval Petrus Camper a spojil jej s hodnocením inteligence tvorů a také jej určil jako charakteristický pro jednotlivé lidské rasy. Camper tento úhel měřil jako úhel mezi přímkou spojující trn nosní a ot­ vor zvukovodu a přímkou spojující nejvy­ stouplejší bod na čele a řezáky (Obrázek 3.3). Průměrně u Evropanů je tento úhel 76°, u asiatů okolo 72° a u afrických čer­ Obrázek 3.3: Způsob měření nochů 70°. Primáti mají lícní úhel okolo 55°, lícního úhlu nižší savci ještě méně. Naopak antické řecké a římské sochy mají lícní úhel téměř kolmý, nebo i více než 90°. Lícní úhel vlastně udává o kolik vystupuje obličej oproti mozkovně. Tvor, který má méně vyvinutou mozkovnu a naopak vyvinutější kousací ústrojí bude mít lícní úhel menší a při pohledu jej hodnotíme jako méně vyspělého. Naopak obličej s velkým lícním úhlem vnímáme jako ušlechtilý a více lidský (Obrázek 3.4).

0Í '

'

•

•

:

.

•

\ Éi

Obrázek 3.4: Lícní úhel u různých charakterů [4]

9

3. KOSTRA

3.1.3 Pohlavní rozdíly na lebce Základní rozdíly mezi ženskou a mužskou lebkou jsou klenutější čelo a více vykloněné zuby u ženy, u muže jsou naopak výraznější nadočnicové ob­ louky a jařmový oblouk, výraznější brada a větší dolní čelist. Obecně lze říct, že mužská lebka má hrubší tvary a má tvarově blíže ke tvaru lebky primátů než ženská lebka (Obrázek 3.5).

Obrázek 3.5: Nejvýraznější pohlavní rozdíly na lebce [1]

3.1.4 Znázornění na charakteru Při modelování hlavy robota jsem zachoval hlavní proporce lidské lebky, obličej je stylizován a pro funkci robota nemá význam (Obrázek 3.6). Před­ pokládám, že v hlavě by byla umístěna čidla (TV kamery, gyroskopy, mikro­ fony, . . . ) a řídící jednotka. Na modelu jsem znázornil i kývače umožňující pohyb hlavy (viz. kapitola 4.4).

Obrázek 3.6: Lebka robota a kývače hlavy 10

3. KOSTRA

3.2

Osová kostra

Osovou kostru tvoří páteř, dvanáct párů žeber a hrudní kost. 3.2.1 Páteř Páteř člověka obsahuje 7 ob­ ratiu krčních, 12 hradních, 5 ob­ ratiu křížových, druhotně splýva­ jících v kost křížovou, a 4 - 5 ob­ ratiu kostrčních, srůstajících v kost kostrční (Obrázek 3.7). Každý obratel má tři hlavní, odlišně fungující složky: tělo, ob­ louk a výběžky. Tělo obratie, ulo­ žené vpředu, je nosná část. Na­ hoře i dole zakončená téměř rov­ nou meziobratlovou plochou. Ob­ louk obratie chrání míchu, je ze­ zadu připojen k tělu obratie. Vý­ běžky jsou připojeny k oblouku a slouží pohyblivosti obratie. Délka celé páteře dospělého člověka činí asi 35% výšky těla. Pětina až čtvrtina připadá na meziobratlové destičky. Páteř dospě­ lého člověka má typická zakřivení ve směru předozadním: lordosa je obloukovité zakřivení vyklenuté dopředu, kyfosa je opak lordosy, oblouk je konvexní dozadu. Za­ křivení dodávají páteři pružnost a jsou dokladem přiměřeného vý­ voje svalstva.

n i

'•••'''rk.;,••:.-.^l

> os sacrum

Obrázek 3.7: Krční páteř (obratie Cl C7), hrudní páteř (Thl -Thl2), Bederní páteř (LI - L5), Kost křížová (SI - S5), Kostrč(Col-Co5)[l]

Pohyblivost Pohyblivost páteře v presakrální části je dána součty pohybů mezi jed­ notlivými obratli. Pohyby mezi obratli jsou umožněny stlačováním meziobratlových destiček kolem jejich vodnatého jádra a jsou usměrňovány 11

3. KOSTRA

meziobratlovými klouby. Rozsah pohyblivosti je přímo úměrný výšce meziobratlových destiček, a to výšce relativní, vztažené k ploše destičky. Je též ovlivněn tvarem a skonem obratlových trnů a tvarem a sklonem obradových ploch. Základní pohyby, které může páteř vykonávat jednotlivě i v kombinaci jsou tyto: předklony a záklony , úklony otáčení a pérovací pohyby mě­ nící zakřivení páteře. Z postavení a tvaru kloubních ploch krční, hrudní a bederní páteře vyplývá, že jednotlivé oddíly se v pohyblivosti liší.

Obrázek 3.8: Předklony a záklony umožňuje hlavně bederní a krční páteř [1] Předklony a záklony jsou největší (obojí do 90°) v úseku krčním. V hrudní páteři by byly předklony a záklony velmi vydatné. Probíhají však jen na posledních hrudních obratlích, které nejsou poutány žebry k hrudní kosti. V bederním úseku je záklon stejný jako v krční části, předklon je však menší (okolo23°). Kloubní plošky po sobě při záklonu nejprve klouzají, potom pevně nalehnou, čímž pohyb skončí. Také trny pohyb ukončí teprve až na sebe vzájemně narazí (Obrázek 3.8). Úklony jsou téměř stejné v krční (30°) a bederní části (35°) páteře. Hrudní páteř by opět umožňovala velké úklony, pohyb je však opět omezen spoje­ ním žeber s páteří a hrudní kostí. Rotace krční páteře je rozsáhlá, přibližně 60 - 70° na každou stranu, z toho však 30 - 35° probíhá mezi atlasem a axis. V hrudní páteři je také poměrně značná rotace, přibližně 25 - 35° na každou stranu. V bederní 12

3. KOSTRA

páteři její kloubní plošky rotací téměř znemožňují. Při pohybech po sobě plošky meziobratlových kloubů sklouzávají. Jejich pohyblivost lze nejlépe přirovnat k pohybům pístu ve válci.

Znázornění na charakteru Při modelování páteře jsem vyšel z její skutečné stavby a modeloval jednot­ livé obratie umožňující vzájemnou pohyblivost. Protože páteř člověka se ve své hrudní části téměř nepohybuje, rozhodl jsem se vytvořit hrudník jako jeden pevný celek a věnoval se pouze bederní a krční páteři. Obratel charakteru tvoří stejně jako u skutečné kostry tělo obratie, příčné výběžky a trnový výběžek. Na výběžky obratiu jsou uchycena táhla napo­ dobující skutečné svaly (viz kapitola 4.1). Jednotlivé obratie jsem rozmístil tak, aby odpovídaly prohnutí lidské páteře (Obrázek 3.9).

Obrázek 3.9: Páteř robota

13

3. KOSTRA

3.2.2 Hrudník Hrudník člověka vytvářejí tyto kosti: dvanáct hrudních obratiu, dvanáct párů žeber kloubně připojených k hrudním obratlům a kost hrudní. Prv­ ních 7 párů žeber dosahuje ke kosti hrudní a jsou s ní skloubena, další tři páry dosahují jen k žebrům předcházejícím a poslední dva páry končí volně ve svalovine (Obrázek 3.10). Žebra jsou dlouhé, štíhlé, zakřivené kosti kloubně připojené k páteři a žeberní chrupavkou ke kosti klíční (případně k předešlým žebrům).

Obrázek 3.10: Hrudník tvoří žebra, hrudní páteř a hrudní kost [1]

Pohyblivost Hrudník jako celek má malou pohyblivost. Nejvýraznější pohyby které vy­ konává jsou pohyby při dýchaní. Při těchto pohybech se žebra pohybují v kloubním spojení s páteří, protože jsou spojena s kostí hrudní, zdvihá se tímto i kost hrudní a pohybuje se dopředu. Odchylky tvaru žeber jsou vázány na sklon žeber. 14

3. KOSTRA

Typy Dlouhý hrudník (tzv astenický), předozadně plochý, má žebra značně svě­ šená, patří spíše k vysokým hubeným postavám. Opakem je hrudník soud­ kovitý, kde žebra stojí více horizontálně. Soudkovitý hrudník má kvůli vý­ razné horizontální poloze žeber malý rozdíl mezi nádechem a výdechem. Znázornění na charakteru Vzhledem k tomu, že na hrudníku se projevují pouze dýchací pohyby, které jsem na neživém charakteru nemusel znázorňovat, vytvořil jsem hrudník jako pevný nepohyblivý celek. Vyšel jsem pouze ze základních rozměrů a naznačil prohnutí hrudní páteře. Jinak jsem tvar přizpůsobil své představě o charakteru (Obrázek 3.11). Předpokládám, že u skutečného robota by v prostoru hradního koše byly umístěny hlavní motory pohánějící například hydraulická čerpadla, jako zdroje tlaku pro hydraulické písty.

Obrázek 3.11: Hrudník robota

15

3. KOSTRA

3.3

Kostra končetin

Ke kostře končetin patří kostra horní kon­ četiny a kostra dolní končetiny a jejich spo­ jení s osovou kostrou. Horní i dolní konče­ tina mají u všech čtvernožců stejnou základní stavbu: pletenec připojuje končetinu k osové kostře, volná končetina je kloubně připojená k pletenci a má u horní i dolní končetiny stej­ nou základní stavbu (Obrázek 3.12). Rozdíly ve stavbě horní a dolní končetiny člověka odpovídají rozdílnosti funkce a zá­ těže. 3.3.1 Pletenec horní končetiny Pletenec horní končetiny je s osovou kostrou spojen sternoklavikulárním kloubem spojují­ cím klíční kost a rukojeť hrudní kosti. Tento kloub umožňuje pohyby všemi směry, ale jen v malém rozsahu. Další kloub (akromioklavikulární) spojuje klíční kost s lopatkou. Je­ Obrázek 3.12: Končetiny stejnou základní jich pohyby probíhají s pohybem lopatky. Lo­ mají stavbu [1] patka sama je fixována hlavně svaly, které se na ni z okolí upínají, při volné poloze je z fron­ tální roviny pootočena asi o 30°. K hrudníku je pletenec horní končetiny přiložen tak, že spolu se stěnou hrudníku uzavírá trojboký prostor (podpažní jáma). Jeho vrcholem je ramenní kloub a jeho přední s zadní stěnu tvoří klíční kost a lopatka. Pohyblivost ramenního kloubu Ramenní kloub je kloub volný kulovitý, jamku tvoří lopatka, hlavice je sou­ částí kosti pažní. Jamka je výrazně menší než hlavice, odtud plyne velká pohyblivost kloubu. Ramenní kloub je ze všech kloubů nejpohyblivější. Umožňuje tyto pohyby: predpažení do 80°, zapažení (menší rozsah), upa­ žení je možné jen do horizontály, další pohyb do vzpažení je možný jen za současného vytočení lopatky, rotace má rozsah asi 90° (Obrázek 3.13). Všechny další pohyby v kloubu jsou kombinací základních pohybů a směrů. 16

3. KOSTRA

f'laÄ.

Obrázek 3.13: Upažení ramenní kloubu je možné jen do horizontály, na dalším pohybu se podílí i lopatka [1]

Znázornění na charakteru V případě pletence horní končetiny jsem se snažil co nejpřesněji vyjít z ana­ tomického modelu. Oproti lidské kostře, kde je lopatka zavěšena na hrud­ níku pouze pomocí svalů a může se tedy vůči hrudníku pohybovat, jsem na robotovi použil pevně uchycenou konzolu napodobující lopatku (Obrázek 3.14). Klíční kost jsem vymodeloval jako táhlo proměnné délky, které by umož­ ňovalo pohybovat paží podle svislé osy. Pohyby podle zbylých dvou os (přepažení, upažení) umožňují čepy v rameni robota. Tak jako u většiny dalších kloubů předpokládám, že pohyb budou za­ jišťovat krokové elektromotory umístěné přímo v kloubech. 3.3.2 Kloub loketní Kloub loketní je kloub složený, protože se v něm stýkají tři kosti, kost pažní, loketní a vřetenní. Mezi kostí pažní a loketní je kladkový kloub, mezi kostí pažní a vřetenní je kloub kulovitý a mezi kostí vřetenní a loketní je kloub kolový. 17

3. KOSTRA

Obrázek 3.14: Pletenec horní končetiny a ramenní kloub robota Pohyblivost Pokrčení (flexe) a narovnání (extense) jsou jediné pohyby možné ve sklou­ bení pažní a loketní kosti. Souběžné pohyby jsou i ve spojení kostí vřetenní a pažní. Flexe je možné v rozsahu 125 - 145°. Extense je ukončeno opřením loketního výběžku (okovce) o kost pažní. U žen, jež mají menší okovec, je možná hyperextense (předloktí pak svírá s paží úhel větší než 180°). Hranici flexe ovlivňují svalové hmoty paže a předloktí, které na sebe nalehnou. Rotace kosti vřetenní kolem podélné osy je dalším možným pohybem v loketním kloubu a je základem supinace a pronace. Rotace probíhá ve skloubení kosti vřetenní s kostí pažní i loketní (Obrázek 3.15). 3.3.3 Předloktí Kostru předloktí tvoří kosti loketní a vřetenní. Supinace a pronace Vzdálené skloubení kostí vřetenní a loketní dovoluje obíhání vzdáleného konce kosti vřetení kolem hlavice kosti loketní. Tento pohyb spolu s rotací kosti vřetenní v loktu je základem supinace a pronace (Obrázek 3.16). Supi­ nace je základní postavení předloketních kostí rovnoběžně vedle sebe. Při pronaci zůstává kost loketní na svém místě a kost vřetenní se otáčí, takže 18

3. KOSTRA

Obrázek 3.15: Loket umožňuje extensi a flexi předloktí (B) a rotaci kosti vřetenní (A) (C) [1]

šikmo zepředu kříží kost loketní. Volně visící končetina se svou vahou au­ tomaticky staví do částečné pronace.

Znázornění na charakteru Princip funkce předloktí jsem u robota zachoval stejný jako u lidské ruky (Obrázek 3.17). To znamená, že v loketním kloubu se při pokrčení paže po­ hybují společně kost loketní a vřetenní. Vřetenní kost jsem v loktu uchytil v samostatném kloubu umožňujícím její rotaci. Vzdálený konec kosti vře­ tenní tedy může obíhat kolem kosti loketní, tím je umožněna supinace a pronace jako u skutečné paže. Technicky jednodušší by zřejmě bylo použít pro předloktí pouze jednu kost a rotační pohyb ruky zabezpečit rotací v zápěstí. Toto řešení také bývá častěji vidět u robotických charakterů ve filmech. 19

3. KOSTRA

Obrázek 3.16: Při supinaci a pronaci obíhá kost vřetenní kolem kosti loketní [1]

II!

Obrázek 3.17: Loketní kloub a předloktí robota 20

3. KOSTRA

3.3.4 Ruka Ruka se skládá z osmi kostí zápěstních, seřazených do dvou řad a tvořících vyklenutý celek. Dále je zde pět kostí záprstních typu dlouhé kosti a články prstů (dvě pro palec a po třech pro ostatní prsty). Skloubení a pohyblivost Jamku kloubu mezi předloktím a zápěstím tvoří konce kostí loketní a vřetenní. Hlavici skloubení tvoří tři kosti zápěstní a má tvar elipsoidu. Dále jsou mezi sebou v zápěstí skloubeny dvě řady zápěstních kostí, kosti v jedné zápěstní řadě, kosti zápěstní s kostmi záprstními a báze jednotlivých záprst­ ních kostí. Tato skloubení fungují vždy společně a představují funkční celek. Pohybují se jako kulovitý nebo elipsovitý kloub jemuž chybí rotace. Zápěstí umožňuje extensi a flexi o celkovém rozsahu 150 - 170°, s maximem 85° na obě strany. Na extensi a flexi se skloubení mezi zápěstními kostmi podílejí různou měrou. Celkový rozsah úklonů zápěstí (dukce) do stran je asi 60°, přičemž úklon na malíkovou stranu má ve srovnání s palcovou stranou víc než dvojnásobný rozsah. Spojení extense a flexe s dukcí umožňuje krouživý pohyb (cirkumdukci) (Obrázek 3.18). Kloubní spojení mezi záprstní kostí palce a přiléhající zápěstní kostí je zvláště utvářený sedlový kloub, který umožňuje dvojí na sebe kolmý pohyb palce, mimo to umožňuje i mírnou rotací. Rotaci umožňuje i spojení mezi dvěma zápěstními kůstkami na palcové straně. Díky těmto rotacím se palec může postavit do oposice, tj. bříškem proti ostatním prstům.

Obrázek 3.18: Pohyblivost skloubení ruky (A) a pohyby zápěstí (B) [1]

21

3. KOSTRA

Znázornění na charakteru Ruku z hlediska znázornění mechaniky pohybu považuji za nejsložitější útvar lidského těla. Zápěstí jsem řešil pomocí dvou samostatných kloubů, které umožní pohyb podle dvou os stejně jako u lidského zápěstí (Obrá­ zek 3.19). Opozice palce vůči ostatním prstům by byla u robota umožněna pohybem v bázi palce, zbývající články umožňují jeho ohnutí. Záprstní kůstky ostatních prstů jsem řešil jako pevný celek (neřeším tedy roztažení prstů od sebe navzájem). Jednotlivé prsty jsou tvořeny vždy třemi články, jejichž klouby umožňují pohyb podél jedné osy. Z čistě praktického hlediska by bylo postačující vybavit ruku robota pouze třemi prsty, které zabezpečí dokonalé uchopení libovolného před­ mětu.

A

A

4

Obrázek 3.19: Zápěstí a ruka robota

3.3.5 Pletenec dolní končetiny Pletenec dolní končetiny tvoří jediná kost, která splynula ze tří složek, kost pánevní. Ta je skloubena s křížovou kostí. Pohyb křížokyčelního kloubu je předozadní, kývavý, kolem osy stojící ve výši obratie S2 (druhý obratel kosti křížové shora). Pohyby jsou jen malého rozsahu ale mají velký význam pro správné postavení pánve vůči páteři. Pánev spolu s kostí křížovou vytváří pevný kruh, jímž se hmotnost těla přenáší na dolní končetiny. 22

3. KOSTRA

1 Obrázek 3.20: Pletenec dolní končetiny a kyčelní kloub s pomocnými vazy [1]

Kloub kyčelní Kloub kyčelní je kloub kulovitý omezený s hlubokou jamkou, o jejíž okraje se pohyby zastavují. Hlavice kloubu je na kosti stehenní a odpovídá třem čtvrtinám povrchu koule, jamka je v pánvi a stýkají se v ní všechny tři její složky (Obrázek 3.20). Kyčelní kloub není z funkčního hlediska jen zaří­ zení pro pohyb dolní končetiny vůči pánvi. Oba kyčelní klouby nesou trup a balančními pohyby přispívají k udržení rovnováhy. K udržení rovnováhy, zpevnění kloubu a omezení některých pohybů napomáhají tři významné vazy upínající se mezi pánví a stehenní kostí. 23

3. KOSTRA

Znázornění na charakteru Pánev obdobně jako hrudník je nepohyblivá a tvoří pouze základnu pro uchycení dolních končetin a hrudníku (Obrázek 3.21). Předpokládám, že u skutečného robota by to byla opět pouze schránka na uložení například zdrojů energie. Jamka kyčelního kloubu je řešena konzolou pevně uchycenou k pánvi. K ní jsou potom přichyceny dva klouby umožňující pohyb dolní končetiny ve směru předozadním a bočním. Rotaci končetiny podél její svislé osy by u robota umožnila pružnost materiálu stehenní kosti.

Obrázek 3.21: Pánev a kyčelní kloub robota

3.3.6 Kloub kolenní Kolenní kloub je kloub složený, stýká se v něm kost stehenní, holenní a čéška a mezi styčné plochy holenní a stehenní kosti jsou vloženy kloubní menisky Hlavice kloubu je na kosti stehenní, jamku tvoří hlavně menisky upínající se na kost holenní. Při stoji míří kost kolenní kolmo nahoru, zatímco kost stehenní je mírně vychýlena a svírá s holenní kostí úhel 170 - 175° (Obrázek 3.22). 24

3. KOSTRA

Pohyblivost Pohyb kolenní kloubu je poměrně složitý V prvních 5° pohybu dochází k vytočení kosti holenní (odemknutí kolena). V další fázi pohybu se valí kost stehenní po meniscích. V závěrečné fázi se pohybuje kost stehenní spolu s menisky dozadu po kosti holenní. Současně se pohybuje i čéška směrem nahoru. Rozsah pohybu je 130 - 160°, aktivně však maximálně 140°. Koleno umožňuje i rotaci ale jen při současném ohnutí, kdy je kloub odemknutý.

I

Obrázek 3.22: Kost stehení je v kolenu vychýlena od svislého směru o 5 10° [1] Znázornění na charakteru Kolenní kloub jsem oproti lidské kostře zjednodušil nejvíce. Zachoval jsem vychýlení stehenní kosti od svislého směru, neznázorňoval jsem však čéšku a menisky a kolenní kloub jsem modeloval pouze jako prvek umožňující ohnutí a napřímení dolní končetiny (Obrázek 3.22). 3.3.7 Bérec Bérec tvoří podobně jako předloktí dvě kosti, kost holenní a lýtková. Na rozdíl od horní končetiny však jejich spojení umožňuje jen nepatrný pohyb. Rotace dolní končetiny probíhá v kyčelním kloubu, kolenu a kotníku. 25

3. KOSTRA

3.3.8 Noha Kosti nohy zahrnují: sedm kostí zánártních nepravidelného tvaru, pět kostí nártních typu dlouhé kosti a články prstů (dva pro palec a po třech u ostat­ ních prstů). Skloubení a pohyblivost Podobně jako u ruky zde rozeznáváme množství kloubních spojení mezi jednotlivými kostmi zajišťující udržení rovnováhy, přizpůsobení podložce a odpružení nohy V hlezenním kloubu je připojena noha k bérci. Kost lýt­ ková a holenní tvoří jamku, hlavici tvoří kost hlezenní (nejvýše postavená kost ze zánártních kostí). Toto skloubení umožňuje předozadní ohýbání kotníku v celkovém rozsahu 50 - 60°. Dolní kloub zánártní má dva oddíly, ve kterých je skloubena kost hlezenní s kostí patní a loďkovitou. Tato sklou­ bení umožňují pohyb nohy kolem osy jdoucí od zevní strany kosti patní šikmo dopředu, současně je osa nakloněna zdola zezadu nahoru dopředu (Obrázek 3.23).

h*

Obrázek 3.23: Pohyb nohy umožňují dva klouby [1]

Znázornění na charakteru Holenní a lýtkovou kost jsem vzhledem k jejich nepatrné vzájemné pohyb­ livosti znázornil jako jeden celek. Při modelování kotníku jsem zachoval dva klouby, které umožní pohyb 26

3. KOSTRA

nohy Stejně jako u lidské nohy, umožňuje jeden kloub předozadní pohyb a druhý vyklonění chodidla (Obrázek 3.24). Oba klouby jsou masivní, pro­ tože přenáší veškerou hmotnost těla. Hmotnost spočívá na patě a dvěma po­ hyblivými díly, které plní funkci nártu a prstů nohy je zabezpečena stabilita a odpružení celého těla. Zvednutí těla při chůzi umožňuje lanko obdobně jako u lidského těla Achillova šlacha (viz. kapitola 4.6). Realizovat chůzi a stabilitu robota na dvou končetinách je v technické praxi velký problém, proto je v řešení reálných robotů častěji použit pásový nebo kolový podvozek.

Obrázek 3.24: Kotník robota

27

Kapitola 4

Svaly Základní aktivní složkou svalu jsou příčně pruhovaná vlákna. Ta jsou spo­ jena a obalena vazivem do větších celků, které tvoří svaly. Na svalu rozezná­ váme začátek, svalové bříško a úpon. Svalové bříško je nejširší částí svalu. Začátek svalu i úpon jsou části, kde je sval připojen pomocí šlachy ke kosti. Základní svalovou funkcí je svalový stah, kontrakce. Ten je za normálních okolností vyvolán nervovým podnětem. Kontrakce svalu proběhne řádově v desítkách milisekund. Obvykle platí, že sval se může zkrátit o třetinu ně­ kdy až polovinu délky svalových vláken a je schopný zdvihnout hmotnost 5 - 12 kg na 1 cm 2 průřezu svalových snopců. Svaly jsou rozloženy kolem kloubů a působí v různých směrech. Svaly, které v určitém směru působí jako iniciátori a vykonavatelé pohybu se nazý­ vají agonisté. V protilehlém směru pak působí antagonisté. Antagonistické dvojice svalů jsou tvořeny agonistou a antagonistou a pohyb záleží na sou­ hře těchto dvojic.

4.1

Svaly zádové

Základní tvar zad utváří dva rozsáhlé a relativně ploché svaly. Je to sval trapézový a široký sval zádový. Jejich umístění a účinek je naznačen na obrázku 4.1. Pohyby páteře umožňují svaly hluboké vrstvy, které jsou připojeny ze­ zadu k páteři v celém jejím rozsahu. Upínají se na trnové a příčné výběžky obratiu trojím způsobem a umožňují základní pohyby páteře, jak je nazna­ čeno na obrázku 4.2.

4.2

Svaly hrudníku

Nejmohutnějším svalem hrudníku je velký sval prsní, který se skládá z ně­ kolika složek. Schéma jejich funkcí je naznačeno na obrázku 4.3. 28

4. SVALY

Obrázek 4.1: Účinek širokého svalu zádového (nalevo) a svalu trapézového (napravo) [1]

Obrázek 4.2: Na páteř se svaly upínají třemi způsoby

29

4. SVALY

4.3

Svaly břicha

Nejvýraznějšími svaly břicha jsou přímý břišní sval, upínající se mezi hrud­ níkem a pánví a umožňující ohyby páteře dopředu. A zevní šikmý a vnitřní šikmý sval, jejichž umístění a účinek je na obrázku 4.4.

Obrázek 4.3: Účinek prsního svalu [1]

Obrázek 4.4: Dvě vrstvy šikmých břišních svalů

4.4

Svaly krku

Nejcharakterističtějším svalem krku je kývač hlavy. Sval se upíná před i za osou kývání a proto umožňuje velké množství pohybů podle toho zda se 30

4. SVALY

více zúčastní zadní či přední část svalu, jednostranně nebo oboustranně (Obrázek 4.7). 4.5

Svaly horní končetiny

Pohyb paže umožňují především svaly lopatkové a sval deltový (Obrázek 4.5). Dvojhlavý sval pažní je typický dvoukloubový sval. Začíná na lopatce nad jamkou ramenního kloubu a upíná se na obě kosti předloktí. Umožňuje ohnutí loketního kloubu a supinaci. V ramenním kloubu se částečně podílí na upažení a připažení. Trojhlavý sval pažní se upíná na lopatku a kost pažní a je ukončen v rozsáhlé šlaše, která se upíná na výběžek loketní kosti. Způsobuje narovnání loketního kloubu.

Obrázek 4.5: Účinek lopatkových svalů [1]

4.6

Svaly dolní končetiny

Střední sval hýždový a velký přitahovač mají protilehlý účinek a umožňují rotaci a přitažení a odtažení kyčelního kloubu. Antagonistickou dvojici při předozadním pohybu kyčelního kloubu tvoří bedrokyčelní sval a velký hýždový sval. Oba svaly se upínají z opač­ ných stran mezi kyčelní lopatou a horní částí kosti stehenní.

31

4. SVALY

Tvar stehna utváří dva mohutné svaly, čtyřhlavý sval stehenní a dvojhlavý sval ste­ henní. Ctyřhlavý sval stehenní se skládá ze čtyř menších svalů, které začínají na pánvi a horní části kosti stehenní. Všechny složky se spojují nad čéškou a upínají se na ni. Upon pokračuje přes čéšku na kost holenní. Sval umožňuje narovnání kolene. Dvouhlavý sval stehenní umožňuje naopak po­ krčení kolene a také jeho rotaci při pokrčení. Začíná na pánvi (na kosti sedací) a upíná se na obě kosti bérce (Obrázek 4.6). Nejvýraznějším svalem bérce je troj­ hlavý sval lýtkový. Dvě jeho hlavy se upí­ nají na kost stehenní a přechází v mo­ hutná bříška, dobře patrná na reliéfu lýtka. Dále hlavy přechází v mohutnou šlachu Obrázek 4.6: Účinek dvouhla(Achillova šlacha), upnutou na kost patní. v e h o s v a l u stehenního [1] Sval umožňuje ohnutí nohy, zvedá tělo při chůzi.

Obrázek 4.7: Kývač hlavy tvoří charakteristický tvar krku a podílí se na většině pohybů [1]

32

4. SVALY

4.7

Mechanika kloubu a svalu

Nejdůležitějších věc, kterou je potřeba si uvědomit o svalech je, že vždy musí překlenout alespoň jeden kloub. Tento jednoduchý mechanický prin­ cip umožňuje jejich funkci a jeho dodržení nám umožní navrhnout a vymo­ delovat i neexistujícího tvora tak, že bude působit realisticky a uvěřitelně. Mechanismus kloubu a svalu působícího na kost je vlastně páka. Páka je jednoduchý stroj, jehož tři základní složky jsou osa rotace (fulkrum), rameno břemene a rameno síly. Osa kloubu je osou rotace, rameno síly je vzdálenost mezi úponem svalu a osou kloubu, ramenem břemene je vzdálenost od osy kloubu k místu působení síly otáčející páku opačným směrem (například gravitační síla působící v těžišti hlavy). V těle rozeznáváme páky 1. až 3. stupně. 4.7.1 Páka prvního stupně Páka prvního stupně má osu rotace mezi působištěm síly a břemene. Pří­ kladem může být hlava připojená k trupu v atlantookcipitálním skloubení. Osou rotace jsou zde stýkající se kloubní plošky atlasu a kosti týlní (O). Ra­ menem síly je vzdálenost od fulkra k úponům šíjových svalů (F), ramenem břemene je vzdálenost mezi fulkrem a těžištěm hlavy (m) (Obrázek 4.8). Páka prvního stupně je pákou rovnováhy a platí, že páka je v rovnováze, pokud výsledný moment sil působících na páku je nulový.

Obrázek 4.8: Páka prvního stupně je pákou rovnováhy

33

4. SVALY

4.7.2 Páka druhého stupně Páka druhého stupně má břemeno mezi osou rotace a místem působení síly. Příkladem může být stoj na špičce (Obrázek 4.9). Osa rotace (O) leží v místě skloubení prvních článků prstů se záprstními kostmi. Břemenem je hmotnost těla (m), která působí ve směru těžnice procházející kotníkem. Síla trojhlavého svalu lýtkového (F) působí v místě úponu na kosti patní. Rameno síly je tedy delší než rameno břemene. To znamená, že svalu bude stačit menší síla kontrakce, ale musí se více zkrátit. Páka druhého stupně je pákou úspory.

Obrázek 4.9: Páka druhého stupně je pákou úspory

4.7.3 Páka třetího stupně U páky třetího stupně působí síla mezi osou rotace a břemenem. Většina pákových systémů v těle patří k pákám třetího stupně. Rada svalů se totiž upíná v těsné blízkosti kloubu, což znamená, že při malém zkrácení svalu je dosaženo značné síly a rychlosti pohybu. Příkladem může být dvouhlavý sval pažní, který se upíná na kost vře­ tení a umožňuje uhnutí loktu (Obrázek 4.10). Osou rotace je zde loketní 34

4. SVALY

kloub (O), ramenem břemene je vzdálenost od kloubu k těžišti předloktí (m) a ramenem síly je vzdálenost od loketního kloubu k úponu svalu (F). Páky třetího stupně jsou pákami síly a rychlosti.

Obrázek 4.10: Páka třetího stupně je pákou síly a rychlosti

35

Kapitola 5

Historie 5.1

Leonardo da Vinci

Středověk se vyznačoval obrovskou ex­ plozí v přírodovědném bádání. Pohyb ži­ vých organismů tam patřil také. Leonardo da Vinci (1452 - 1519), génius té doby, sám prováděl první pozorování a inicioval zá­ jem mnohých následovníků. Jako sochař a malíř získal mnohé znalosti o tvaru a pro­ porcích lidského těla. Kreslil studie svalů, šlach a dalších viditelných částí těla. Poz­ ději získal i povolení k pitvě v několika ne­ mocnicích a mezi lety 1510 a 1511 připravo­ val spis o lidské anatomii, pro který vytvo­ řil velké množství kreseb a studií (Obrázek 5.1). Jako umělec se zajímal i o účinky stár­ nutí na lidské tělo, vytvářel studie různých Obrázek 5.1: Leonardo da emocí i změn v důsledku nemoci. Vinci [6] Mimo umění se snažil své anatomické poznatky aplikovat i ve svých vynálezech. Nejvíce jej fascinovalo létání. Vytvořil mnoho studií letu ptáků a snažil se navrhovat vlastní létající stroje.

5.2

Giovani Alfonso Borelli

Za zakladatele biomechaniky se považuje Giovani Alfonso Borelli (1604 1680). Borelli se zabýval studií zvířat a vydal De Motu Animalium I a De Motu Animalium II, kde srovnává zvířata se stroji a svá tvrzení se snaží matematicky dokázat (Obrázek 5.2). Jako první přišel s myšlenkou, že svaly vykonávají svou funkci výhradně díky kontrakci. 36

5. HISTORIE

Obrázek 5.2: Giovani Alfonso Borelli [6] 5.3

Robert Hooke

Vlastnostmi svalu se zabýval i Angličan Robert Hooke. Vytvořil fyzikální zákon (Hookův zákon) o přímé úměrnosti velikosti deformace a napětí v deformovaném tělese. 5.4

Etiene-Jules Marey

Vynález kinematografie posunul analýzu pohybu živočichů a člověka výrazně dopředu. Pionýry v apli­ kaci kinematické analýzy pohybu byli francouzský fyziológ Etiene-Jules Ma­ rey (1830 - 1904) a jeho současník, anglický fotograf Aedweard J. Muybridge (1830 -1904). Marey využíval fotografii při stu­ dii pohybu zvířat a člověka a je auto­ rem několika vynálezů a experimen­ tálních metod, které se ve svém prin­ cipu uplatňují dodnes. Zaznamená­ val a analyzoval pohyb sledováním několika klíčových bodů na těle, čímž Obrázek 5.3: Etiene-Jules Marey [6] položil základ metodě motion cap­ ture (Obrázek 5.3). Jeho revoluční myšlenka byla zaznamenat několik fází pohybu do jed-

mmmm

37

5. HISTORIE

noho snímku. K tomuto účelu sestrojil fotografickou pušku, která zazname­ návala snímky do jednoho obrázku rychlostí 12 snímků za sekundu. 5.5

Aedweard Muybridge

Muybridge se také zabýval analýzou pohybu na základě fotografií jednot­ livých fází. Proslavil jej hlavně důkaz tvrzení, že kůň při trysku má v jeden moment všechny čtyři nohy ve vzduchu. K tomuto důkazu použil něko­ lik kamer se speciální spouští, které zaznamenaly koně ve dvanácti fázích jednoho kroku (Obrázek 5.4). Muybridgova myšlenka zaznamenávat jeden objekt několika různě umístěnými kamerami současně je základem efektu bullet time, který je v současnosti s oblibou používán ve filmech a počítačových hrách.

Obrázek 5.4: Aedweard Muybridge [6]

5.6

Stelarc

Vlastním jménem Stelios Arcadiou (1946 - dosud) je současný australský umělec, který se ve své práci soustředí na hledání a rozšiřování schopností lidského těla. Myšlenkou většiny jeho děl je, že lidské tělo je zastaralé, proto se zabývá možnostmi využití moderní technologie při jeho zdokonalování. Sám tvrdí, ze v době technologií v sobe lidské tělo mísí jak hnilobnou zátěž zombie, tak hypermoderní prvky kyborga. Ve svých představeních propojuje své tělo s různými stroji, které vždy nějakým způsobem spolupracují s jeho pohyby a společně tak tvoří ky­ bernetický organismus. Jeho nejmohutnějším výtvorem je šestinohý robot 38

5. HISTORIE

Exoskeleton, v jehož centru stojící umělec ovládá robota pohyby rukou (Ob­ rázek 5.5).

Obrázek 5.5: Stelarcův robot Exoskeleton [6]

39

Kapitola 6

Tvorba vlastního charakteru Z předcházejících stránek jsme mohli získat některé základní znalosti o lid­ ské anatomii, proporcích těla a jeho fungování. Nyní jsme tedy připraveni tyto znalosti zužitkovat a pustit se do samotné tvorby charakteru. Aťuž máme v úmyslu pustit se do jakkoli rozsáhlého projektu, vždy se nám bude pracovat mnohem lépe, pokud si nejdříve dobře rozmyslíme, co vlastně chceme modelovat. Každý charakter bude vypadat mnohem přesvědčivěji, pokud si nejdříve alespoň orientačně ujasníme, o jakého tvora jde, odkud pochází, jakou má osobnost a tak podobně. Tyto vlastnosti pak zachytíme i na jeho vzhledu. Nikdy také neuškodí udělat si několik jed­ noduchých skic, abychom si ujasnili základní tvary a proporce dříve, než usedneme k samotnému modelování. Já jsem se jako cíl své práce rozhodl vytvořit robota, který byl sestrojen, aby zastoupil člověka v lehké manuální práci. Aby mu nedělalo problém pohybovat se a pracovat ve světě vytvořeném pro člověka, musí co nej­ přesněji napodobovat lidské tělo, jeho proporce a pohyblivost. Na druhou stranu jsem chtěl, aby bylo na první pohled jasné, že se jedná o stroj a celé jeho tělo bylo sestaveno z kovových dílů sestrojených čistě pro svou funkci.

6.1

Modelovací techniky

Jak již bylo řečeno, tato práce je určena pro čtenáře, kteří již mají zkušenosti s prací v programu 3ds Max, proto nebudu podrobně popisovat postupy při modelování a způsoby použití jednotlivých nástrojů. Kvalitní a podrobný popis použitých postupů lze najít například v knize Joshe Robinsona Es­ sential 3ds Max 8 [5]. Já jsem při práci na svém charakteru nejčastěji používal techniku Box Modeling, kdy jsem vycházel z primitivních objektů a upravoval je do poža­ dovaných tvarů. Používal jsem nástroje Extrude, Chamfer, Slice Plane a efekt Soft Selection. Pro vyhlazení povrchu některých dílu jsem použil modifikátor TurboSmooth. 40

6. TVORBA VLASTNÍHO CHARAKTERU

Hrudník a pánev robota jsem se rozhodl vytvořit pomocí křivek. Tato technika mi umožnila získat zajímavější tvar kombinující zaoblené plochy a hrany. Vyšel jsem z několika objektů Circle, které jsem spojil a vytvořil z nich síť. Povrch jsem potom vytvořil pomocí modifikátoru Surface. 6.2

Modelování

Na začátku práce jsem vytvořil objekt Plane, na který jsem namapoval obrá­ zek kostry. Podle něj jsem potom vytvořil základní kostru robota (Obrázek 6.1). Pro dodržení správných proporcí těla jsem začal rozmístěním kloubů v prostoru, které jsem potom spojoval kostmi a dalšími částmi. Jako základ všech kloubů a dlouhých kostí jsem použil válec. Všechny párové části jsem modeloval jen na jedné straně a teprve v závěru je pomocí funkce Mirror přenesl i na druhou stranu.

Obrázek 6.1: Klouby a kosti rozmístěné podle předlohy V dalším kroku jsem popsaným způsobem vytvořil model hrudního koše a pánve. Editací primitiva Sphere jsem vymodeloval hlavu (Obrázek 6.2). Vytvořením těchto základních částí jsem si rozvrhl strukturu těla robota 41

6. T V O R B A V L A S T N Í H O C H A R A K T E R U

a dále jsem se mohl věnovat tvorbě detailnějších dílů.

Obrázek 6.2: Hlava, trup a pánev určují základní proporce Aby robot působil co nejvěrohodněji, věnoval jsem velkou část práce návrhu a modelování jednotlivých kloubů. Hlavním problémem, kterému jsem v této části práce čelil byl fakt, že lidské tkáně se při pohybu deformují. Já jsem však chtěl vytvořit tvora, jehož všechny části jsou pevné. Princip některých kloubů jsem proto musel mírně pozměnit, aby měly stejnou po­ hyblivost jako lidské klouby a přitom je tvořily jen nedeformovatelné díly spojené osami a čepy (Obrázek 6.4). V posledním kroku modelování jsem vytvořil kryty kostí a některých kloubů a přidal tak charakteru na objemu. Také jsem model oživil drobnými detaily, hlavně množstvím šroubů a nýtů, které jsem se rozhodl později i barevně zdůraznit (Obrázek 6.5). 6.3

Texturování

Textury jsem vytvářel v programu Corel PHOTO-PAINT 11. Pro dosažení realistického vzhledu povrchů jsem pro většinu objektů vytvořil mapu pro Diffuse Color, Specular Level a Bump (Obrázek 6.3). Při nanášení textur jsem používal modifikátory Unwrap UVW a UVW Map. Abych robota zasadil více do skutečného světa, rozhodl jsem se, že se 42

6. T V O R B A V L A S T N Í H O C H A R A K T E R U

Obrázek 6.3: Výřez textur použitých na krycí díly, zleva Diffuse Color, Bump, Specular Level

Obrázek 6.4: Klouby robota napodobují pohyblivost lidských kloubů nebude jednat o stroj, který právě sjel z výrobní linky. Chtěl jsem, aby na něm bylo vidět, že už je nějakou dobu v provozu, proto jsem povrch pati­ noval drobnými škrábacni. Nedokonalosti povrchu jsem zdůraznil hlavně na hranách a okrajích dílů, které by se odřeli nejdříve. Textury jsem oživil i několika drobnými nápisy. 6.4

Renderování

Na závěr jsem model upravil do přirozenější pozice, vytvořil světla a jedno­ duché pozadí a scénu vykreslil. Několik renderů uvádím na konci kapitoly.

43

6. T V O R B A V L A S T N Í H O C H A R A K T E R U

O

-s?

Obrázek 6.5: Dokončený model před texturováním

44

6. T V O R B A V L A S T N Í H O C H A R A K T E R U

45

6. T V O R B A V L A S T N Í H O C H A R A K T E R U

46

6. T V O R B A V L A S T N Í H O C H A R A K T E R U

47

6. TVORBA VLASTNÍHO CHARAKTERU

48

Kapitola 7

Závěr Ve své práci jsem se zabýval návrhem statického 3D modelu v prostředí 3ds Max 8 s cílem vytvořit realisticky působící imaginární charakter vycházející ze stavby lidského těla. V první části práce jsem se zaměřil na pochopení základních anato­ mických zákonitostí stavby lidského těla, zejména kinematických možností jednotlivých typů kloubů, stavby hlavních svalových skupin a jejich sou­ činnosti s kostrou. Ve druhé části práce jsem se snažil využít poznatků o stavbě lidského těla při návrhu charakteru. Zaměřil jsem se zejména na vyjádření proporčních a funkčních závislostí hlavních kloubů při zjednodušeném modelu ostatních částí těla - hlava, trup, svalové skupiny. Při modelování jsem použil rutinní postupy programového prostředí 3ds Max 8. Využitelnost svojí práce vidím zejména v pochopení základních anato­ mických zákonitostí stavby lidského těla a jejich aplikace při návrhu cha­ rakteru. Teoretická část práce by se dále dala rozšířit o detailnější popis charak­ teristik různých typů charakterů (věkové a pohlavní rozdíly, řeč těla, . . . ) . Model by bylo možné dále animovat a snažit se zachytit tělo při pohybu.

49

Přílohy Obsah přiloženého CD Součástí práce je přiložený kompaktní disk se zdrojovým .max souborem s dokončeným modelem robota. Jsou zde také všechny použité textury a několik renderů. V adresáři model je k dispozici zdrojový 3ds Max 8 soubor. V adresáři t e x t u r y jsou veškeré použité textury. V adresáři r e n d e r y je několik renderů výsledného modelu. V adresáři do c je k dispozici elektronická verze této práce ve for­ mátu .pdf.

50

Literatura [1] Čihák, Radomír: Anatomie 1, 2, Praha, Grada Publishing, 2001. [2] Fehér, György a Szunyoghy, András: Anatomie pro výtvarníky, 1, Praha, Slovart, 1999. [3] Greenway, Tom: Digital Art Masters. Volume 1, Hong Kong, 3DTotal, 2005. [4] Fabry, Glenn a Cormac, Ben: Anatomy for Fantasy Artists, Hauppauge NY, Barron's Educational Series, 2005. [5] Robinson, Josh: Essential 3ds Max 8, Piano, Wordware Publishing, 2006. [6] Patobiomechanika a Patokinesiologie [online], [cit. 14. 12. 2007], dostupný z WWW: h t t p : / / b i o m e c h . f t v s . c u n i . c z / p b p k / kompendium.

51