基于LifeMod对跳马过程中人—器械动力学关系的计算机仿真

论文摘要

研究目的：在体操跳马过程中，踏跳、推手和落地技术是成功完成跳马动作的关键因素，但目前有关这些技术动作中人-器械之间的动力学关系尚不清楚。本研究以优秀运动员完成的高难度动作为研究对象，在LifeMod系统中建立19个环节的个性化模型和体操器械，量化体操运动员在踏跳、落地和推手过程中下肢和上肢受到的内外冲击负荷，并展开体操器械力学特性对人体负荷影响的仿真研究，探讨人-器械相互作用过程中诱发关节损伤的关键因素，以及对跳马成绩的影响。研究方法：利用高速摄像机（CASIO EX-F1）采集2011年全国体操锦标赛女子跳马冠军完成的冢原直体后空翻转体720°，其中采样频率为300Hz，快门速度为1/320。并辅以三维运动分析系统Simi Motion对Peak框架中的25个标志点和人体主要的关节进行标定和解析，随后通过Python脚本语言程序将解析的三维运动学参数导入人体运动仿真软件LifeMod中。在人体模型数据库的基础上，结合受试对象的性别、年龄、身高和体重等人体形态参数创建个性化模型。由此同时，还在MSC ADAMS环境下分别建立助跳板、跳桌、落地垫，并与人体模型建立接触组成系统模型。随后完成体操器械力学特性（刚度和阻尼系数）的优化，再进行可行性的验证，最后展开体操器械力学特性对人体负荷影响的仿真研究。研究结果：通过对实际运动和仿真两者之间运动学、动力学数据的比较和分析，结果发现基于LifeMod建立的人-器械系统模型具有较好的重复性和可靠性。在踏跳过程中，体操运动员受到的踏板反作用力（BRF）峰值、关节反作用力（JRF）峰值都随着助跳板弹簧的刚度、阻尼以及板面体刚度的增加而增大，而随着板面体阻尼的增加而减小。增加助跳板弹簧的刚度能有效地提高体操运动员踏板后的垂直起跳速度，而改变助跳板弹簧的阻尼以及板面体的刚度和阻尼，对起跳速度影响不明显。增加助跳板面体的阻尼虽能减小BRF峰值和JRF峰值，但外在负载率也明显增大。后区踏跳使体操运动员面临较大的冲击负荷，同时也能很好的避免接触力的衰减和损耗，有助于提高踏板后的起跳速度。在推手过程中，体操运动员左侧上肢受到的撑马反作用力（TRF）峰值、关节反作用力（JRF）峰值、关节力矩（JT）峰值以及离马后的垂直起跳速度均随着跳桌刚度的增加而增大，右侧上肢则相反。由此同时，左侧上肢承受的内外负载率都随之增大。当增加跳桌的阻尼，虽能减小左、右手受到的TRF峰值，但左侧上肢JRF峰值和关节负载率出现明显增加，同时右侧上肢的JRF峰值、JT峰值和关节负载率则随之减小。人体落地过程包括冲击和平衡两个阶段。冲击阶段的时间短而仓促且垂直地面反作用力（GRFV）峰值较大，约为11.40BW；而平衡稳定阶段的时间较长，GRFV峰值约为0.91BW。与GRFV峰值相比，下肢的踝、膝和髋关节的JRF峰值分别延迟15ms、17ms、19ms到达。不论增加落地垫的刚度还是阻尼，GRFV峰值、JRF峰值都随之增大，同时下肢各关节在额状面内的峰力矩以及矢状面内的踝关节峰力矩也随之增大。但是矢状面内的髋关节峰力矩会随落地垫刚度增加而减小，而矢状面内的膝关节峰力矩则随着落地垫的阻尼增加而减小。结论：利用高速摄像采集高水平运动员在实际比赛中的高难度动作，人工解析后的运动学数据能较好地应用到人体运动仿真研究中。通过计算分析踏跳、推手和落地过程中体操运动员承受的内外冲击负荷，有助于从新的角度理解体操器械在预防运动损伤和提高运动成绩中的作用。增加助跳板弹簧的刚度或后区踏跳都能有效地提高踏板后的垂直起跳速度，因此在满足人体肌骨系统能够承载生理范围的前提下，适当增加助跳板的刚度或采取后区踏跳有助于完成更高难度的技术动作。不论跳桌的刚度如何变化，推手过程左侧肘关节到达JRF峰值的时间最短且关节负载率最大。同时，增大跳桌的阻尼虽能减小外在负荷，却导致左侧上肢的内在冲击负荷明显增大。落地过程中，膝关节伸肌力矩在矢状面、髋关节外展力矩在额状面内对抗冲击负荷起主导作用。落地垫的阻尼越大踝关节处承受的冲击负荷越大，下肢各关节在额状面的力矩随着落地垫刚度、阻尼的增加出现明显增大。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 选题依据及目的、意义
• 1.1 前言
• 1.2 研究背景
• 1.2.1 我国跳马项目的现状及困境
• 1.2.2 当前世界跳马的发展趋势
• 1.2.3 跳马动作的生物力学研究现状
• 1.2.4 计算机仿真在人体运动中的应用
• 1.3 研究目的、意义
• 第2章 文献综述
• 2.1 踏跳阶段
• 2.1.1 体操运动员踏跳技术的生物力学研究
• 2.1.2 助跳板的力学特性
• 2.1.3 理论模拟与仿真
• 2.1.4 人体对不同运动表面的适应
• 2.1.5 小结
• 2.2 推手阶段
• 2.2.1 体操运动员推手技术的生物力学研究
• 2.2.2 马/跳桌的力学特性
• 2.2.3 理论模拟与仿真
• 2.2.3.1 前手翻类
• 2.2.3.2 尤尔钦科跳类
• 2.2.3.3 水平直体腾越跳类
• 2.2.4 小结
• 2.3 落地阶段
• 2.3.1 体操落地冲击的生物力学特征
• 2.3.2 体操落地造成下肢损伤的生物力学因素
• 2.3.3 落地垫的力学特性
• 2.3.4 理论模拟与仿真
• 2.3.5 小结
• 第3章 人-器械系统模型的建立与验证
• 3.1 运动学参数的采集
• 3.2 个性化人体模型和体操器械的建立
• 3.3 LifeMod 模型中关节、肌肉力和接触力的定义
• 3.3.1 关节的定义
• 3.3.2 肌肉力的定义
• 3.3.3 接触力的定义
• 3.4 仿真流程
• 3.5 体操器械力学参数的优化与模型验证
• 3.5.1 体操运动员-助跳板系统模型的验证
• 3.5.2 体操运动员-跳桌系统模型的验证
• 3.5.3 体操运动员-落地垫系统模型的验证和应用
• 3.6 小结
• 第4章 体操运动员-助跳板之间动力学关系的研究
• 4.1 前言
• 4.2 研究方法
• 4.3 结果
• 4.3.1 踏跳阶段的踏板反作用力和关节反作用力
• 4.3.2 助跳板力学特性影响的仿真研究
• 4.3.2.1 助跳板弹簧的刚度和阻尼对内外冲击负荷的影响
• 4.3.2.2 助跳板弹簧的刚度和阻尼对踏板后起跳效果的影响
• 4.3.2.3 助跳板面体的刚度和阻尼对内外冲击负荷的影响
• 4.3.2.4 助跳板面体的刚度和阻尼对踏板后起跳效果的影响
• 4.3.2.5 踏跳位置对内外冲击负荷的影响
• 4.3.2.6 踏跳位置对踏板后起跳效果的影响
• 4.4 分析与讨论
• 4.5 不足与展望
• 4.6 小结
• 第5章 体操运动员-跳桌之间动力学关系的研究
• 5.1 前言
• 5.2 研究方法
• 5.3 结果
• 5.3.1 推手阶段的撑马反作用力、关节反作用力和关节力矩
• 5.3.2 跳桌力学特性影响的仿真研究
• 5.3.2.1 跳桌的刚度对内外冲击负荷的影响
• 5.3.2.2 跳桌的刚度对撑马后起跳效果的影响
• 5.3.2.3 跳桌的阻尼对内外冲击负荷的影响
• 5.3.2.4 跳桌的阻尼对撑马后起跳效果的影响
• 5.4 讨论与分析
• 5.5 不足与展望
• 5.6 小结
• 第6章 体操运动员-落地垫之间动力学关系的研究
• 6.1 前言
• 6.2 研究方法
• 6.3 结果
• 6.3.1 落地阶段的地面反作用力、关节反作用力和关节力矩
• 6.3.2 落地垫力学特性影响的仿真研究
• 6.3.2.1 落地垫的刚度对内外冲击负荷的影响
• 6.3.2.2 落地垫的阻尼对内外冲击负荷的影响
• 6.4 讨论与分析
• 6.5 不足与展望
• 6.6 小结
• 第7章 结束语
• 第8章 参考文献
• 第9章 致谢
• 第10章 个人科研经历