基于LifeMod對(duì)跳馬運(yùn)動(dòng)員推手動(dòng)作動(dòng)力學(xué)的仿真研究

李旭鴻，郝衛(wèi)亞，吳成亮，肖曉飛

基于LifeMod對(duì)跳馬運(yùn)動(dòng)員推手動(dòng)作動(dòng)力學(xué)的仿真研究

李旭鴻1，郝衛(wèi)亞2，吳成亮3，肖曉飛4

基于LifeMod建立體操運(yùn)動(dòng)員個(gè)性化人體模型和跳桌，其中，人體模型包括19個(gè)環(huán)節(jié)和50個(gè)自由度。通過(guò)仿真和實(shí)際運(yùn)動(dòng)之間的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)比較，完成體操運(yùn)動(dòng)員-跳桌系統(tǒng)模型的可行性驗(yàn)證，隨后量化推手過(guò)程人體上肢承受的內(nèi)、外沖擊負(fù)荷，并對(duì)跳桌的力學(xué)特性展開仿真研究。結(jié)果表明，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，優(yōu)秀女子體操運(yùn)動(dòng)員在完成冢原直體后空翻轉(zhuǎn)體720°的技術(shù)動(dòng)作時(shí)，左、右手受到的撐馬反作用力峰值分別為1.37 BW和1.40 BW，且推手過(guò)程中上肢的腕、肘和肩關(guān)節(jié)反作用力峰值依次減小，同時(shí)肩關(guān)節(jié)左側(cè)的屈力矩和右側(cè)的伸力矩起主導(dǎo)作用。無(wú)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)關(guān)節(jié)反作用力峰值的時(shí)間最短且關(guān)節(jié)負(fù)載率最大。另外，增大跳桌的阻尼系數(shù)雖能減小外載負(fù)荷，卻導(dǎo)致左側(cè)上肢的內(nèi)載負(fù)荷明顯增大。

多體動(dòng)力學(xué)模型；體操運(yùn)動(dòng)員；計(jì)算機(jī)仿真

1 前言

在競(jìng)技體操的跳馬比賽中，跳馬運(yùn)動(dòng)員通常會(huì)采取合適的助跑、快速的打板踏跳、充分有力的頂肩推手、高難度的空中翻騰/轉(zhuǎn)體以及平穩(wěn)的落地來(lái)獲取高分，從而取得好成績(jī)[4]。其中，推手階段是跳馬運(yùn)動(dòng)員從觸馬到推離馬的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，是成功完成跳馬動(dòng)作非常重要的技術(shù)環(huán)節(jié)之一，其主要原因是該階段獲得的技術(shù)參數(shù)將成為完成空中高難度翻騰/轉(zhuǎn)體技術(shù)的基礎(chǔ)[18]。因此，一些研究逐漸開始關(guān)注跳馬運(yùn)動(dòng)員推手階段的動(dòng)力學(xué)作用機(jī)制，尋求提高運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)的生物力學(xué)因素。

Gervais(1994)利用5個(gè)環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型來(lái)模擬前手翻動(dòng)作的推手階段，發(fā)現(xiàn)優(yōu)秀跳馬運(yùn)動(dòng)員的推手時(shí)間較短，而第二騰空的時(shí)間、撐馬后的垂直起跳速度和角動(dòng)量都略大一些。King等(1999)通過(guò)2個(gè)環(huán)節(jié)的人體模型對(duì)后擺水平跳和前手翻接空翻動(dòng)作的第一騰空參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果表明前手翻接空翻動(dòng)作需要較高的第一騰空高度、身體角速度。Koh等(2003)發(fā)現(xiàn)，增加觸馬瞬間的角度和角速度，可以提高跳馬運(yùn)動(dòng)員推手階段的角動(dòng)量和垂直起跳速度，后來(lái)又指出改變第一騰空的身體環(huán)節(jié)角速度還能提高直體后空翻的運(yùn)動(dòng)成績(jī)[14]。上述的理論研究雖然從不同的角度對(duì)跳馬技術(shù)進(jìn)行仿真研究，加深對(duì)推手技術(shù)的理解，但也存在一些不足。首先，這些理論研究的模型過(guò)于簡(jiǎn)單，很難進(jìn)行深入、詳細(xì)的研究；其次，國(guó)際體操聯(lián)合會(huì)(FIG)2001年后推出新的體操器械——跳桌(Vault Table)，如果再利用跳馬運(yùn)動(dòng)員與馬(Vault Horse)之間相互作用的研究結(jié)果來(lái)解決當(dāng)前推手階段存在的生物力學(xué)問(wèn)題略顯牽強(qiáng)；最后，至今仍沒(méi)有研究明確指出體操運(yùn)動(dòng)員在實(shí)際推手過(guò)程中承受的內(nèi)、外沖擊負(fù)荷以及跳桌力學(xué)特性的改變對(duì)內(nèi)、外沖擊負(fù)荷和技術(shù)動(dòng)作的影響[10]。

基于上述原因，有必要對(duì)高水平跳馬運(yùn)動(dòng)員的推手階段進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真，通過(guò)建立個(gè)性化的跳馬運(yùn)動(dòng)員和跳桌模型，并完成跳馬運(yùn)動(dòng)員-跳桌系統(tǒng)模型的可靠性驗(yàn)證，進(jìn)一步量化承受的內(nèi)、外沖擊負(fù)荷大小，以及跳桌力學(xué)特性的改變對(duì)內(nèi)、外沖擊負(fù)荷大小和撐馬后起跳效果的影響，為跳馬運(yùn)動(dòng)員推手技術(shù)的優(yōu)化以及上肢關(guān)節(jié)的損傷預(yù)防提供依據(jù)。

2 研究方法

2.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)的獲取

本研究通過(guò)2臺(tái)高速攝像機(jī)(CASIO EX-F1)，拍攝頻率設(shè)為300 Hz，快門速度為1/320 s。對(duì)2011年全國(guó)體操錦標(biāo)賽女子跳馬冠軍完成冢原直體后空翻轉(zhuǎn)體720°進(jìn)行三維運(yùn)動(dòng)學(xué)采集。該運(yùn)動(dòng)員身高為1.38 m，體重為31 kg。采用的標(biāo)定框架為三維PEAK，含25個(gè)標(biāo)志點(diǎn)(Marker)。利用三維運(yùn)動(dòng)分析系統(tǒng)SIMI Motion(德國(guó)，SIMI公司)對(duì)體操運(yùn)動(dòng)員跳馬的推手過(guò)程進(jìn)行數(shù)字化，同時(shí)展開人體14個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)的數(shù)字化解析。

通過(guò)二階Butterworth低通濾波對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾(10 Hz)，最后得到優(yōu)秀女子跳馬運(yùn)動(dòng)員完成冢原直體后空翻轉(zhuǎn)體720°技術(shù)動(dòng)作的主要運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)。其中，推手階段定義為從左手觸馬瞬間至右手推離馬結(jié)束，為了減小數(shù)據(jù)處理的誤差，在視頻采集和解析過(guò)程中分別向前和向后選取20 fps。

2.2 模型的建立

在人體運(yùn)動(dòng)仿真軟件LifeMod(美國(guó)，BRG公司)中輸入受試對(duì)象的性別、年齡、身高和體重等人體形態(tài)參數(shù)，根據(jù)人體模型數(shù)據(jù)庫(kù)GeBoD(Generator of Body Data)中的回歸方程計(jì)算得到環(huán)節(jié)長(zhǎng)度、圍度和人體慣性參數(shù)等，構(gòu)建19個(gè)環(huán)節(jié)模型[1,3](圖1)。通過(guò)不同自由度的關(guān)節(jié)鉸鏈把各關(guān)節(jié)鏈接在一起，其中環(huán)節(jié)間有44個(gè)自由度，外加6個(gè)空間坐標(biāo)，因此，人體模型共有50個(gè)自由度[1]。利用Python腳本語(yǔ)言編寫的接口插件，把人體運(yùn)動(dòng)的三維運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)轉(zhuǎn)換成LifeMod識(shí)別的SLF文件，繼而展開人體模型的關(guān)節(jié)中心與實(shí)際運(yùn)動(dòng)捕捉的關(guān)節(jié)點(diǎn)之間的匹配，最終完成人體模型的建立。

根據(jù)國(guó)際體操聯(lián)合會(huì)(FIG)跳馬器械的比賽要求和中華人民共和國(guó)體操器械的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T8393)，在機(jī)械動(dòng)力學(xué)軟件ADAMS環(huán)境下建立跳桌的簡(jiǎn)化模型(圖2)，其力學(xué)特性與實(shí)際較為接近，且平面與基柱之間利用一個(gè)軸承鉸鏈連接，同時(shí)，基柱與大地固定在一起，確保推手過(guò)程跳桌不會(huì)發(fā)生任何移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖 1 本研究人體19個(gè)環(huán)節(jié)模型示意圖

圖 2 本研究跳桌的簡(jiǎn)化模型示意圖

2.3 仿真流程

在初步建立人體模型之后，對(duì)任意兩個(gè)環(huán)節(jié)的關(guān)節(jié)鉸鏈賦予約束，并調(diào)整人體模型的初始狀態(tài)，使之更接近實(shí)際的運(yùn)動(dòng)情況。隨后進(jìn)行平衡分析，完成人體模型的關(guān)節(jié)中心和實(shí)際運(yùn)動(dòng)的人體關(guān)節(jié)點(diǎn)之間的匹配。跳桌模型建立之后，并與人體模型接觸，通過(guò)逆向動(dòng)力學(xué)分析，記錄推手過(guò)程中人體的運(yùn)動(dòng)軌跡和各個(gè)關(guān)節(jié)力和力矩。最后進(jìn)行正向動(dòng)力學(xué)分析，在關(guān)節(jié)力和力矩的驅(qū)動(dòng)下，完成跳馬運(yùn)動(dòng)員推手過(guò)程的模擬仿真(圖3)。

圖 3 本研究計(jì)算機(jī)仿真流程圖

2.4 跳桌力學(xué)特性的優(yōu)化與系統(tǒng)模型的可靠性驗(yàn)證

計(jì)算解析所得的跳馬運(yùn)動(dòng)員推手過(guò)程中運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)與仿真所得的接觸時(shí)間、重心速度、各關(guān)節(jié)角度進(jìn)行均方根差(Root-Mean-Square Differences)，如公式1所示。隨后調(diào)整跳桌的力學(xué)特性參數(shù)，當(dāng)公式(2)S出現(xiàn)最小值時(shí)，表明該狀態(tài)下仿真模型達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)[16]。

(1)

(2)

其中，xi和yi分別表示實(shí)驗(yàn)值和仿真值，Δδ表示兩者的均方根差；ΔT表示接觸時(shí)間差，ΔV是運(yùn)動(dòng)過(guò)程中重心速度在垂直方向上的均方根差，Δαi分別為上肢各關(guān)節(jié)角度的均方根差。

通過(guò)復(fù)相關(guān)系數(shù)(Coefficient of Multiple Correlation,CMC)，對(duì)仿真與實(shí)際運(yùn)動(dòng)過(guò)程中關(guān)節(jié)角度變化曲線進(jìn)行相似度的描述，以及兩次仿真之間的相似程度，進(jìn)一步來(lái)說(shuō)明本研究建立的系統(tǒng)模型的有效性[11,20]。具體的復(fù)相關(guān)系數(shù)表達(dá)如公式(3)所示。

(3)

首先，用與離心機(jī)配套的環(huán)刀在不同樣地中取土，取樣土層為0～20 cm，土樣風(fēng)干后經(jīng)直徑2 mm的篩孔過(guò)篩，利用環(huán)刀法測(cè)定土壤的容重；將用環(huán)刀取得的原狀土經(jīng)蒸餾水浸透48 h直至飽和，并稱重；將飽和的原狀土樣和擾動(dòng)土樣放入離心裝置中，設(shè)定離心機(jī)轉(zhuǎn)速分別為0、500 r/min、1000 r/min、1500 r/min、2000 r/min、2500 r/min、3000 r/min、4000 r/min、6000 r/min、8000 r/min，在每次壓力達(dá)到平衡后取出土樣進(jìn)行稱重，并用游標(biāo)卡尺測(cè)量土面到環(huán)刀頂面的高度，以此確定土樣收縮和容重變化。

系統(tǒng)模型的可靠性驗(yàn)證之后，展開跳桌力學(xué)特性的敏感性分析研究，主要是通過(guò)修改創(chuàng)建跳桌模型時(shí)賦予的剛度和阻尼系數(shù)，探尋跳桌力學(xué)特性的改變對(duì)跳馬運(yùn)動(dòng)員推手過(guò)程上肢關(guān)節(jié)負(fù)荷和撐馬后起跳效果的影響。當(dāng)然，仿真過(guò)程跳馬運(yùn)動(dòng)員的推手技術(shù)要保證在FIG的允許范圍之內(nèi)，同時(shí)人體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受到其運(yùn)動(dòng)軌跡的約束。

3 結(jié)果

3.1 體操運(yùn)動(dòng)員-跳桌系統(tǒng)模型的可行性驗(yàn)證

本研究嘗試通過(guò)比較仿真與實(shí)際運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的接觸時(shí)間、關(guān)節(jié)角度以及推手過(guò)程中體操運(yùn)動(dòng)員受到的垂直反作用力等參數(shù)，來(lái)驗(yàn)證體操運(yùn)動(dòng)員-跳桌系統(tǒng)模型的可靠性。首先，發(fā)現(xiàn)體操運(yùn)動(dòng)員在實(shí)際跳馬過(guò)程中的推手時(shí)間是0.198 s，其中，左、右手的推手時(shí)間分別為0.127 s和0.134 s，由于完成動(dòng)作冢原直體后空翻轉(zhuǎn)體720°，兩手觸馬的間隔時(shí)間僅為0.067 s。而仿真的推手總時(shí)間為0.188 s，其中，左、右手的推手時(shí)間分別為0.112 s和0.116 s，間隔時(shí)間為0.071 s。其次，以肩關(guān)節(jié)變化為例，發(fā)現(xiàn)左、右肩關(guān)節(jié)在實(shí)際運(yùn)動(dòng)與仿真中兩者的CMC相似度分別為0.937和0.957(圖4)，表明兩者在變化趨勢(shì)上是高度相似的。另外，在推手階段的撐馬反作用力(Table Reaction Force，TRF)上，本研究的左、右手TRF峰值分別為1.37 BW(Body Weight，BW)和1.40 BW，與一些鞍馬支撐階段的TRF峰值較為接近[6-7,15]。同時(shí)，兩次仿真得到推手過(guò)程的TRF變化曲線其相似度也高于80%。

圖 4 本研究實(shí)際運(yùn)動(dòng)和仿真中推手階段肩關(guān)節(jié)角度變化示意圖

3.2 推手過(guò)程受到的內(nèi)、外沖擊負(fù)荷

體操運(yùn)動(dòng)員在推手過(guò)程中，左、右手受到垂直方向上的TRF平均值分別為0.69 BW和0.87 BW，峰值分別為1.37 BW和1.40 BW(圖5)。其中，左、右手達(dá)到TRF峰值的時(shí)間分別為56.8 ms和54.4 ms，負(fù)荷率(Loading Rates，LR)分別為24.12 BW/s和26.29 BW/s。由于完成冢原直體后空翻轉(zhuǎn)體720°時(shí)，左手會(huì)通過(guò)上肢關(guān)節(jié)的屈曲來(lái)緩沖較大的TRF，導(dǎo)致觸馬后有一個(gè)明顯的衰減，與動(dòng)作特征十分接近。在運(yùn)動(dòng)方向上，左、右手首先受到向后的阻力，隨后制動(dòng)后受到向前的推力。另外，左手首先觸馬致使承受的阻力較大(圖5a)。

圖 5 本研究推手階段左、右手受到的撐馬反作用力示意圖

同時(shí)，上肢的腕、肘和肩關(guān)節(jié)受到的關(guān)節(jié)反作用力(Joint Reaction Force，JRF)逐步減小，但減小的幅度不是很明顯(圖6)。上肢左腕、左肘和左肩關(guān)節(jié)分別承受的JRF峰值為509.44 N、498.25 N和497.31 N，其中，左側(cè)肘關(guān)節(jié)到達(dá)JRF峰值的時(shí)間最短為44.1 ms。因此，造成其負(fù)載率最大，為11.30 N/ms(表1)；而推手過(guò)程中右腕、右肘和右肩關(guān)節(jié)承受的JRF峰值分別為431.90 N、418.16 N和405.86 N，且同左側(cè)相比，右側(cè)上肢各關(guān)節(jié)的JRF峰值減小的幅度較大。

圖 6 本研究推手階段左、右上肢各關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)反作用力示意圖

本文定義關(guān)節(jié)力矩(Joint Torques，JT)，其值為正時(shí)表示伸力矩的作用是伸展關(guān)節(jié)，反之為屈力矩，其作用是屈曲關(guān)節(jié)。左側(cè)肘關(guān)節(jié)在推手過(guò)程與桌面接觸，伴隨著明顯的屈曲動(dòng)作，表明在矢狀面內(nèi)肘關(guān)節(jié)的屈力矩在對(duì)抗沖擊(峰值為-36.15 N·m)。隨后快速打開，又產(chǎn)生伸力矩(峰值為55.54 N·m)來(lái)加速頂肩的力度。而肩關(guān)節(jié)則相反，為了提高推手的高度，提前打開肩關(guān)節(jié)在矢狀面內(nèi)產(chǎn)生伸力矩，隨后快速的屈曲維持身體的平衡，產(chǎn)生較大的屈力矩(圖7a)。而右側(cè)上肢與跳桌面接觸時(shí)，矢狀面內(nèi)肩關(guān)節(jié)的伸力矩較大，其峰力矩為78.82 N·m，其次是矢狀面內(nèi)肘關(guān)節(jié)的屈力矩(峰力矩為-57.17 N·m)。而對(duì)于腕關(guān)節(jié)而言，由于作用力臂很小，造成兩側(cè)的腕關(guān)節(jié)力矩峰值最小(圖7b)。

圖 7 本研究推手階段左、右上肢各關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)力矩示意圖

3.3 跳桌力學(xué)特性影響的仿真研究

通過(guò)改變跳桌的剛度和阻尼系數(shù)，探討對(duì)體操運(yùn)動(dòng)員推手階段承受的內(nèi)、外沖擊負(fù)荷以及推離馬后垂直起跳速度的影響，希望藉此來(lái)了解推手過(guò)程人-器械之間的動(dòng)力學(xué)作用機(jī)制，尋找合適的方法和途徑來(lái)提高運(yùn)動(dòng)成績(jī)。

在推手過(guò)程中，體操運(yùn)動(dòng)員左側(cè)受到的撐馬反作用力(TRF)峰值、關(guān)節(jié)反作用力峰(JRF)值、關(guān)節(jié)力矩(JT)、關(guān)節(jié)負(fù)荷率(LR)以及推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(關(guān)節(jié)負(fù)載率除外)。

當(dāng)增加跳桌的阻尼系數(shù)，左、右手受到的TRF峰值、上肢各關(guān)節(jié)矢狀面內(nèi)的關(guān)節(jié)力矩以及推離馬后的垂直起跳速度都隨之減小；左側(cè)上肢的JRF峰值和關(guān)節(jié)負(fù)載率卻隨之明顯增加，而右側(cè)上肢的JRF峰值、JT峰值則隨之減小(表1)。同時(shí)，不管跳桌的剛度如何變化，左側(cè)肘關(guān)節(jié)到JRF峰值的時(shí)間總是最短，且負(fù)載率最大。當(dāng)跳桌的阻尼系數(shù)增加，雖然體操運(yùn)動(dòng)員的外在負(fù)荷(TRF峰值)有所減小，但部分內(nèi)在沖擊負(fù)荷(JRF峰值和LR)卻明顯增大(表1)。

4 分析與討論

由于研究對(duì)象是國(guó)家體操隊(duì)優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員，因此，在系統(tǒng)模型的驗(yàn)證上，很難實(shí)現(xiàn)在跳桌下放置嵌入式的壓力墊(Pressure Mat)，來(lái)量化體操運(yùn)動(dòng)員在推手過(guò)程受到的垂直反作用力[5,19]；或者放置壓力板(Force Plate)，通過(guò)力的傳遞獲取跳馬運(yùn)動(dòng)員推手過(guò)程人-桌之間的相互作用力[7]。所以，本研究嘗試通過(guò)仿真后的運(yùn)行時(shí)間、運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)與實(shí)際運(yùn)動(dòng)相比較，同時(shí)結(jié)合前期鞍馬運(yùn)動(dòng)中的支撐反作用力[6-7,15]，進(jìn)一步佐證所建立的跳馬運(yùn)動(dòng)員-跳桌系統(tǒng)模型的可靠性。結(jié)果表明，基于LifeMod建立的人-器械系統(tǒng)模型不論從運(yùn)行時(shí)間，還是從運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)方面，都是比較合理、可行的。說(shuō)明通過(guò)高速攝像機(jī)對(duì)人體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行動(dòng)作捕捉，并進(jìn)行人工解析獲取運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)，在此基礎(chǔ)上建立多體系統(tǒng)模型來(lái)模擬仿真，能較真實(shí)地反映出人體運(yùn)動(dòng)的實(shí)際情況。

表 1 本研究跳桌的剛度和阻尼系數(shù)變化對(duì)內(nèi)、外沖擊負(fù)荷以及推離馬后重心速度的影響一覽表Table 1 Effect of Changes of Stiffness and Damping of Vault Table on the Internal and External Impact Loading and Push-off COG Velocity

推手階段是從左手撐馬至右手推離馬的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，是完成冢原直體后空翻轉(zhuǎn)體720°最為關(guān)鍵的技術(shù)之一。該類型動(dòng)作最明顯的特點(diǎn)就是左手首先撐馬，且伴隨著左臂彎曲[2]。這一特征在仿真中也有所體現(xiàn)(圖5a)，左手垂直方向上受到的TRF在觸馬后出現(xiàn)衰減，因?yàn)榈谝或v空的時(shí)間較短，勢(shì)必通過(guò)快速的左手撐馬和左臂彎曲來(lái)補(bǔ)償身體重心位置的不足。同時(shí)，體操運(yùn)動(dòng)員在推手過(guò)程中左、右手受到的TRF峰值在垂直方向上分別為1.37 BW和1.40 BW(圖5)，這與Fujihara鞍馬支撐階段垂直反作用力的研究相比，兩者在數(shù)量級(jí)上十分相似[7-8]。當(dāng)然，由于項(xiàng)目、性別、完成的動(dòng)作類型均不相同，存在些許差異也不足為奇。Sleeley等(2005)通過(guò)測(cè)力臺(tái)放置在體操墊下，對(duì)跳馬和自由體操中的踺子階段上肢的后支撐手(The Trail Hand)承受的地面反作用力進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，其負(fù)載率分別為28.57 BW/s和19.15 BW/s，與本研究結(jié)果也較接近。Jackson等(2011)曾指出，推手過(guò)程會(huì)出現(xiàn)接觸、手向前滑行、推離和手指向后滑行幾個(gè)階段，表明跳馬運(yùn)動(dòng)員首先受到向后的阻力，推離階段又受到向前的推力，這與本研究的結(jié)果也較為相似(圖5)。同時(shí)，在完成冢原直體后空翻轉(zhuǎn)體720°的動(dòng)作過(guò)程中，跳馬運(yùn)動(dòng)員上肢的腕、肘和肩關(guān)節(jié)承受的JRF峰值逐次減小，但差別不大(圖6)。說(shuō)明上肢的尺骨和橈骨在對(duì)沖擊負(fù)荷的衰減上無(wú)法與下肢相提并論，主要原因是下肢擁有較大的脛骨、腓骨，同時(shí)，腳弓和足跟都能很好的消散沖擊負(fù)荷[15]。因此，為了更好地完成技術(shù)動(dòng)作，高水平運(yùn)動(dòng)員應(yīng)當(dāng)積極地進(jìn)行上肢力量訓(xùn)練，不僅可以提供更大的力量保證技術(shù)動(dòng)作的完成，還能有效地抵抗沖擊。

當(dāng)增加跳桌的剛度，上肢左側(cè)的TRF峰值、JRF峰值、JT峰值都隨之增大，由于到達(dá)峰值力的時(shí)間隨之減少，造成其LR明顯增大(表1)。然而，推離馬后的垂直起跳速度卻沒(méi)有顯著提高，同時(shí)，右側(cè)的TRF峰值、JRF峰值、JT峰值以及垂直起跳速度都隨之減小。因此，增加跳桌的剛度只能使跳馬運(yùn)動(dòng)員左側(cè)上肢承受更大的內(nèi)、外沖擊負(fù)荷，同時(shí)，推離馬后的垂直起跳效果也沒(méi)有得到改善。另外，增加跳桌的阻尼系數(shù)，雖然能減少上肢承受的外載沖擊負(fù)荷(TRF)，而內(nèi)載沖擊負(fù)荷(JRF和LR)卻隨之明顯增大，容易造成局部損傷[17]，且對(duì)推離馬后的起跳速度也沒(méi)有任何幫助。

本研究的不足之處，人體運(yùn)動(dòng)仿真是一項(xiàng)非常艱巨而復(fù)雜的工作，如能真實(shí)地再現(xiàn)人體運(yùn)動(dòng)是非常困難的。誠(chéng)然，本研究對(duì)多剛體人體模型和器械都做了不同程度的簡(jiǎn)化，造成仿真效果與實(shí)際情況還是存在一定差距。另外，本研究?jī)H針對(duì)矢狀面內(nèi)的冢原直體后空翻動(dòng)作進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真，而沒(méi)有對(duì)其他動(dòng)作或轉(zhuǎn)體展開詳細(xì)的討論分析。最后，人體運(yùn)動(dòng)的仿真模型應(yīng)引入軟組織(肌肉、韌帶和神經(jīng)等子系統(tǒng))，從而使人體模型更接近于實(shí)際運(yùn)動(dòng)。

5 結(jié)論

1.基于人體運(yùn)動(dòng)仿真軟件LifeMod建立跳馬運(yùn)動(dòng)員個(gè)性化模型和跳桌，通過(guò)仿真與實(shí)際運(yùn)動(dòng)之間的比較和驗(yàn)證，該系統(tǒng)模型具有較高的生物逼真度，較為真實(shí)地反映了跳馬運(yùn)動(dòng)員的推手過(guò)程。

2.完成冢原直體后空翻轉(zhuǎn)體720°的技術(shù)動(dòng)作，左、右手先后受到的TRF峰值分別為1.37 BW和1.40 BW，在運(yùn)動(dòng)方向上左側(cè)受到的阻力較大。上肢腕、肘和肩關(guān)節(jié)受到的JRF峰值逐漸減小，但減小的幅度不明顯。同時(shí)，推手過(guò)程中左側(cè)肘關(guān)節(jié)矢狀面內(nèi)的伸力矩和肩關(guān)節(jié)的屈力矩起主導(dǎo)作用，而右側(cè)上肢主要是由矢狀面內(nèi)肩關(guān)節(jié)的伸力矩和肘關(guān)節(jié)的屈力矩來(lái)完成。

3.無(wú)論跳桌的剛度如何變化，推手過(guò)程左側(cè)肘關(guān)節(jié)達(dá)到JRF峰值的時(shí)間最短且LR最大。當(dāng)增加跳桌的阻尼系數(shù)，雖能減小外載負(fù)荷，卻導(dǎo)致左側(cè)上肢的內(nèi)載負(fù)荷明顯增大。

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ASimulationStudyoftheDynamicsofPush-offTechniqueinGymnasticsVaultingBasedonLifeMod

LI Xu-hong1,HAO Wei-ya2,WU Cheng-liang3,XIAO Xiao-fei4

A subject-specific model with 19 segments and 50 DOF of a gymnast,and of gymnastic vault table was developed based on LifeMod in this study.To verify the reliability of the model,kinematic and kinetic data between actual performance and the simulation were compared.Then computer simulation was also performed to quantify the internal and external loads in upper limbs during table push-off phase,and further to investigate the effects of mechanical characteristics of vault table on loads upon the upper limbs.The results indicated that the system model was valid.Simulation of a vault routine,Tsukahara Stretched with 2/1 Turn (720°) off performed by an elite female gymnast,showed that the peak table reaction force(TRF)in the left and right hand were about 1.37BW and 1.40BW.During the table contact phase,the peak joint reaction force (JRF) in wrist,elbow and shoulder were reduced gradually,and the torque of shoulder flex played dominant role in left limb and that of shoulder extend did the same in right limb.During the table contact phase,the time to reach the peak JRF in left elbow was always the shortest and the loading rate was the greatest,no matter what change of the table stiffness.Meanwhile,increasing table damping would reduce external load,but it will cause obvious increment of internal load in the left arm.

multi-bodydynamicmodel;gymnast;computersimulation

2013-09-04；

：2014-09-20

國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(10972062)；國(guó)家體育總局體育科學(xué)研究所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)(13-02)；浙江省國(guó)民體質(zhì)與健康技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放性項(xiàng)目(2011F10052-09)；浙江省屬科研院所扶持專項(xiàng)計(jì)劃項(xiàng)目(2012F20047)。

李旭鴻(1976-)，男，江蘇徐州人，副研究員，博士，碩士研究生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)槿梭w運(yùn)動(dòng)的技術(shù)優(yōu)化與仿真，Tel:(0571)85062271，E-mail：lxhong928@163.com；郝衛(wèi)亞(1966-)，男，陜西橫山人，研究員，博士，博士研究生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)檫\(yùn)動(dòng)生物力學(xué)理論與方法，E-mail：haoweiya@ciss.cn。

1.浙江省體育科學(xué)研究所，浙江 杭州 310004；2.國(guó)家體育總局體育科學(xué)研究所，北京 100061；3.重慶三峽學(xué)院，重慶 404100；4.上海體育學(xué)院 運(yùn)動(dòng)科學(xué)學(xué)院，上海 200438 1.Zhejiang Research Institute of Sport Science,Hangzhou 310004,China；2.China Institute of Sport Science,Beijing 100061,China；3.Chongqing Three Gorges University,Chongqing 404100,China；4.Shanghai University of Sport,Shanghai 200438,China.

1002-9826(2014)06-0053-06

G832.2

：A