本文關(guān)鍵詞：基于LifeMod對(duì)跳馬過(guò)程中人—器械動(dòng)力學(xué)關(guān)系的計(jì)算機(jī)仿真，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：研究目的： 在體操跳馬過(guò)程中，踏跳、推手和落地技術(shù)是成功完成跳馬動(dòng)作的關(guān)鍵因素，但目前有關(guān)這些技術(shù)動(dòng)作中人-器械之間的動(dòng)力學(xué)關(guān)系尚不清楚。本研究以?xún)?yōu)秀運(yùn)動(dòng)員完成的高難度動(dòng)作為研究對(duì)象，在LifeMod系統(tǒng)中建立19個(gè)環(huán)節(jié)的個(gè)性化模型和體操器械，量化體操運(yùn)動(dòng)員在踏跳、落地和推手過(guò)程中下肢和上肢受到的內(nèi)外沖擊負(fù)荷，并展開(kāi)體操器械力學(xué)特性對(duì)人體負(fù)荷影響的仿真研究，探討人-器械相互作用過(guò)程中誘發(fā)關(guān)節(jié)損傷的關(guān)鍵因素，以及對(duì)跳馬成績(jī)的影響。 研究方法： 利用高速攝像機(jī)（CASIO EX-F1）采集2011年全國(guó)體操錦標(biāo)賽女子跳馬冠軍完成的冢原直體后空翻轉(zhuǎn)體720°，其中采樣頻率為300Hz，快門(mén)速度為1/320。并輔以三維運(yùn)動(dòng)分析系統(tǒng)Simi Motion對(duì)Peak框架中的25個(gè)標(biāo)志點(diǎn)和人體主要的關(guān)節(jié)進(jìn)行標(biāo)定和解析，隨后通過(guò)Python腳本語(yǔ)言程序?qū)⒔馕龅娜S運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)導(dǎo)入人體運(yùn)動(dòng)仿真軟件LifeMod中。在人體模型數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合受試對(duì)象的性別、年齡、身高和體重等人體形態(tài)參數(shù)創(chuàng)建個(gè)性化模型。由此同時(shí)，還在MSC ADAMS環(huán)境下分別建立助跳板、跳桌、落地墊，并與人體模型建立接觸組成系統(tǒng)模型。隨后完成體操器械力學(xué)特性（剛度和阻尼系數(shù)）的優(yōu)化，再進(jìn)行可行性的驗(yàn)證，最后展開(kāi)體操器械力學(xué)特性對(duì)人體負(fù)荷影響的仿真研究。 研究結(jié)果： 通過(guò)對(duì)實(shí)際運(yùn)動(dòng)和仿真兩者之間運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)的比較和分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)基于LifeMod建立的人-器械系統(tǒng)模型具有較好的重復(fù)性和可靠性。 在踏跳過(guò)程中，體操運(yùn)動(dòng)員受到的踏板反作用力（BRF）峰值、關(guān)節(jié)反作用力（JRF）峰值都隨著助跳板彈簧的剛度、阻尼以及板面體剛度的增加而增大，而隨著板面體阻尼的增加而減小。增加助跳板彈簧的剛度能有效地提高體操運(yùn)動(dòng)員踏板后的垂直起跳速度，而改變助跳板彈簧的阻尼以及板面體的剛度和阻尼，對(duì)起跳速度影響不明顯。增加助跳板面體的阻尼雖能減小BRF峰值和JRF峰值，但外在負(fù)載率也明顯增大。后區(qū)踏跳使體操運(yùn)動(dòng)員面臨較大的沖擊負(fù)荷，同時(shí)也能很好的避免接觸力的衰減和損耗，有助于提高踏板后的起跳速度。 在推手過(guò)程中，體操運(yùn)動(dòng)員左側(cè)上肢受到的撐馬反作用力（TRF）峰值、關(guān)節(jié)反作用力（JRF）峰值、關(guān)節(jié)力矩（JT）峰值以及離馬后的垂直起跳速度均隨著跳桌剛度的增加而增大，右側(cè)上肢則相反。由此同時(shí)，左側(cè)上肢承受的內(nèi)外負(fù)載率都隨之增大。當(dāng)增加跳桌的阻尼，雖能減小左、右手受到的TRF峰值，，但左側(cè)上肢JRF峰值和關(guān)節(jié)負(fù)載率出現(xiàn)明顯增加，同時(shí)右側(cè)上肢的JRF峰值、JT峰值和關(guān)節(jié)負(fù)載率則隨之減小。 人體落地過(guò)程包括沖擊和平衡兩個(gè)階段。沖擊階段的時(shí)間短而倉(cāng)促且垂直地面反作用力（GRFV）峰值較大，約為11.40BW；而平衡穩(wěn)定階段的時(shí)間較長(zhǎng)，GRFV峰值約為0.91BW。與GRFV峰值相比，下肢的踝、膝和髖關(guān)節(jié)的JRF峰值分別延遲15ms、17ms、19ms到達(dá)。不論增加落地墊的剛度還是阻尼，GRFV峰值、JRF峰值都隨之增大，同時(shí)下肢各關(guān)節(jié)在額狀面內(nèi)的峰力矩以及矢狀面內(nèi)的踝關(guān)節(jié)峰力矩也隨之增大。但是矢狀面內(nèi)的髖關(guān)節(jié)峰力矩會(huì)隨落地墊剛度增加而減小，而矢狀面內(nèi)的膝關(guān)節(jié)峰力矩則隨著落地墊的阻尼增加而減小。結(jié)論： 利用高速攝像采集高水平運(yùn)動(dòng)員在實(shí)際比賽中的高難度動(dòng)作，人工解析后的運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)能較好地應(yīng)用到人體運(yùn)動(dòng)仿真研究中。通過(guò)計(jì)算分析踏跳、推手和落地過(guò)程中體操運(yùn)動(dòng)員承受的內(nèi)外沖擊負(fù)荷，有助于從新的角度理解體操器械在預(yù)防運(yùn)動(dòng)損傷和提高運(yùn)動(dòng)成績(jī)中的作用。 增加助跳板彈簧的剛度或后區(qū)踏跳都能有效地提高踏板后的垂直起跳速度，因此在滿(mǎn)足人體肌骨系統(tǒng)能夠承載生理范圍的前提下，適當(dāng)增加助跳板的剛度或采取后區(qū)踏跳有助于完成更高難度的技術(shù)動(dòng)作。 不論跳桌的剛度如何變化，推手過(guò)程左側(cè)肘關(guān)節(jié)到達(dá)JRF峰值的時(shí)間最短且關(guān)節(jié)負(fù)載率最大。同時(shí)，增大跳桌的阻尼雖能減小外在負(fù)荷，卻導(dǎo)致左側(cè)上肢的內(nèi)在沖擊負(fù)荷明顯增大。 落地過(guò)程中，膝關(guān)節(jié)伸肌力矩在矢狀面、髖關(guān)節(jié)外展力矩在額狀面內(nèi)對(duì)抗沖擊負(fù)荷起主導(dǎo)作用。落地墊的阻尼越大踝關(guān)節(jié)處承受的沖擊負(fù)荷越大，下肢各關(guān)節(jié)在額狀面的力矩隨著落地墊剛度、阻尼的增加出現(xiàn)明顯增大。
【關(guān)鍵詞】：跳馬 助跳板 跳桌 落地墊 計(jì)算機(jī)仿真 關(guān)節(jié)反作用力 關(guān)節(jié)力矩
【學(xué)位授予單位】：上海體育學(xué)院
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類(lèi)號(hào)】：G832.2
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-15
• 第1章 選題依據(jù)及目的、意義15-24
• 1.1 前言15
• 1.2 研究背景15-23
• 1.2.1 我國(guó)跳馬項(xiàng)目的現(xiàn)狀及困境15-17
• 1.2.2 當(dāng)前世界跳馬的發(fā)展趨勢(shì)17-18
• 1.2.3 跳馬動(dòng)作的生物力學(xué)研究現(xiàn)狀18-20
• 1.2.4 計(jì)算機(jī)仿真在人體運(yùn)動(dòng)中的應(yīng)用20-23
• 1.3 研究目的、意義23-24
• 第2章 文獻(xiàn)綜述24-41
• 2.1 踏跳階段24-30
• 2.1.1 體操運(yùn)動(dòng)員踏跳技術(shù)的生物力學(xué)研究24-26
• 2.1.2 助跳板的力學(xué)特性26-28
• 2.1.3 理論模擬與仿真28-29
• 2.1.4 人體對(duì)不同運(yùn)動(dòng)表面的適應(yīng)29
• 2.1.5 小結(jié)29-30
• 2.2 推手階段30-35
• 2.2.1 體操運(yùn)動(dòng)員推手技術(shù)的生物力學(xué)研究30-31
• 2.2.2 馬/跳桌的力學(xué)特性31-32
• 2.2.3 理論模擬與仿真32-34
• 2.2.3.1 前手翻類(lèi)32-33
• 2.2.3.2 尤爾欽科跳類(lèi)33
• 2.2.3.3 水平直體騰越跳類(lèi)33-34
• 2.2.4 小結(jié)34-35
• 2.3 落地階段35-41
• 2.3.1 體操落地沖擊的生物力學(xué)特征35-37
• 2.3.2 體操落地造成下肢損傷的生物力學(xué)因素37
• 2.3.3 落地墊的力學(xué)特性37-38
• 2.3.4 理論模擬與仿真38-40
• 2.3.5 小結(jié)40-41
• 第3章 人-器械系統(tǒng)模型的建立與驗(yàn)證41-55
• 3.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)的采集41-43
• 3.2 個(gè)性化人體模型和體操器械的建立43-44
• 3.3 LifeMod 模型中關(guān)節(jié)、肌肉力和接觸力的定義44-46
• 3.3.1 關(guān)節(jié)的定義44
• 3.3.2 肌肉力的定義44-45
• 3.3.3 接觸力的定義45-46
• 3.4 仿真流程46-47
• 3.5 體操器械力學(xué)參數(shù)的優(yōu)化與模型驗(yàn)證47-54
• 3.5.1 體操運(yùn)動(dòng)員-助跳板系統(tǒng)模型的驗(yàn)證48-49
• 3.5.2 體操運(yùn)動(dòng)員-跳桌系統(tǒng)模型的驗(yàn)證49-51
• 3.5.3 體操運(yùn)動(dòng)員-落地墊系統(tǒng)模型的驗(yàn)證和應(yīng)用51-54
• 3.6 小結(jié)54-55
• 第4章 體操運(yùn)動(dòng)員-助跳板之間動(dòng)力學(xué)關(guān)系的研究55-70
• 4.1 前言55-56
• 4.2 研究方法56
• 4.3 結(jié)果56-66
• 4.3.1 踏跳階段的踏板反作用力和關(guān)節(jié)反作用力56-57
• 4.3.2 助跳板力學(xué)特性影響的仿真研究57-66
• 4.3.2.1 助跳板彈簧的剛度和阻尼對(duì)內(nèi)外沖擊負(fù)荷的影響58-60
• 4.3.2.2 助跳板彈簧的剛度和阻尼對(duì)踏板后起跳效果的影響60-61
• 4.3.2.3 助跳板面體的剛度和阻尼對(duì)內(nèi)外沖擊負(fù)荷的影響61-63
• 4.3.2.4 助跳板面體的剛度和阻尼對(duì)踏板后起跳效果的影響63
• 4.3.2.5 踏跳位置對(duì)內(nèi)外沖擊負(fù)荷的影響63-65
• 4.3.2.6 踏跳位置對(duì)踏板后起跳效果的影響65-66
• 4.4 分析與討論66-68
• 4.5 不足與展望68-69
• 4.6 小結(jié)69-70
• 第5章 體操運(yùn)動(dòng)員-跳桌之間動(dòng)力學(xué)關(guān)系的研究70-84
• 5.1 前言70-72
• 5.2 研究方法72
• 5.3 結(jié)果72-80
• 5.3.1 推手階段的撐馬反作用力、關(guān)節(jié)反作用力和關(guān)節(jié)力矩72-74
• 5.3.2 跳桌力學(xué)特性影響的仿真研究74-80
• 5.3.2.1 跳桌的剛度對(duì)內(nèi)外沖擊負(fù)荷的影響74-77
• 5.3.2.2 跳桌的剛度對(duì)撐馬后起跳效果的影響77-78
• 5.3.2.3 跳桌的阻尼對(duì)內(nèi)外沖擊負(fù)荷的影響78-80
• 5.3.2.4 跳桌的阻尼對(duì)撐馬后起跳效果的影響80
• 5.4 討論與分析80-83
• 5.5 不足與展望83
• 5.6 小結(jié)83-84
• 第6章 體操運(yùn)動(dòng)員-落地墊之間動(dòng)力學(xué)關(guān)系的研究84-94
• 6.1 前言84-85
• 6.2 研究方法85
• 6.3 結(jié)果85-90
• 6.3.1 落地階段的地面反作用力、關(guān)節(jié)反作用力和關(guān)節(jié)力矩85-87
• 6.3.2 落地墊力學(xué)特性影響的仿真研究87-90
• 6.3.2.1 落地墊的剛度對(duì)內(nèi)外沖擊負(fù)荷的影響87-89
• 6.3.2.2 落地墊的阻尼對(duì)內(nèi)外沖擊負(fù)荷的影響89-90
• 6.4 討論與分析90-92
• 6.5 不足與展望92-93
• 6.6 小結(jié)93-94
• 第7章 結(jié)束語(yǔ)94-96
• 第8章 參考文獻(xiàn)96-106
• 第9章 致謝106-107
• 第10章 個(gè)人科研經(jīng)歷107

【參考文獻(xiàn)】

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  本文關(guān)鍵詞：基于LifeMod對(duì)跳馬過(guò)程中人—器械動(dòng)力學(xué)關(guān)系的計(jì)算機(jī)仿真，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號(hào)：424515