全民健身下OpenSim仿真預測三種健身方式的健身效益

摘要：以一名專業運動員從事慢跑、快走、跳繩三種健身方式在相同運動量前提下所做機械功以及關節承受載荷為前提進行逆向動力學計算，以此評估不同運動帶來的健身效益與運動損傷風險。將vicon光電系統、Kistler三維測力臺采集到的不同動作的運動學和動力學數據輸入開源軟件OpenSim中進行仿真，以仿真結果為邊界條件反復進行動力學迭代計算，得到各項指標的收斂值。結果表明：跳繩帶來的健身效益更好；快走與跳繩造成的損傷風險更少。從健身效益和損傷風險兩個角度對比分析結果表明：三種健身方式中，跳繩是最佳健身方式。

關鍵詞：OpenSim 損傷風險 機械功 沖量

中圖分類號：G804 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8902-（2024）-21-104-3-JF

近幾十年，隨著全民健身方針的不斷優化升級，全國各地都掀起了一股全民健身運動的熱潮。本文根據北京市體育局推薦的大眾健身指導項目，以慢跑、快走、跳繩三種健身方式為主要研究方向。快走和慢跑受眾極廣，只有部分患有嚴重疾病的群體不適宜用這兩種方式進行鍛煉；跳繩是中國《國家學生體質健康標準》測試的重要指標之一，具有簡單易學的優勢，并對練習者的協調平衡能力有一定的提升作用。這三種健身方式在簡單易行地達到維持身體機能水平的同時，對練習者的適用性也最高。但是長期的運動也有帶來慢性損傷的風險。

動作技術仿真是當下一種新穎的技術診斷、動作優化方法，它通過計算機建模，建立人體運動仿真模型，加以理論力學與計算機結合，得到人體在運動過程中完成指定動作時身體環節所受的關節力、肌肉力等相關的運動學指標以及神經肌肉控制模式等，最終結合生物力學的理論對人體的運動進行深入剖析。基于此，我們使用OpenSim仿真模擬軟件對這三種健身方式進行計算機仿真模擬計算，通過仿真結果，使鍛煉者量化這三種健身方式帶來的健身效益以及對人體帶來損傷的風險。為更好地發揮健身項目的良好促進作用以及有效預防運動損傷提供意見。

1、研究對象與方法

1.1、研究對象

為確保實驗的可靠性，選取1名能標準完成三種運動測試動作的高水平運動員參與本次研究，實驗開始之前記錄受試者人體形態學測量值，具體情況為：性別女性，年齡25歲，體重60kg，BMI22.7。受試者在進行正式測試之前有實驗人員對實驗流程進行講解，簽署知情同意書，并經武漢體育學院醫學倫理委員會批準（受理編號：2021001）。

1.2、研究方法

（1）實驗設備。

運動學數據采集使用9個攝像頭的Vicon紅外高速攝影系統（Vicon Oxford Metrics，Oxford，簡稱UK），采集頻率200Hz。動力學數據采集使用4塊Kistler測力臺（Kistler Corporation，Ohio，USA），采集地面反作用力（GroundepwaOUIIMAW2N7f4rvEMgw== Reaction Force，GRF），頻率為1000Hz。肌電信號用Noraxon表面肌電系統進行采集，采集頻率為1500Hz。三個系統均接入同步控制器，控制設備對受試者的實驗數據進行同步采集。并使用Microgate分段計時器和節拍器控制測試動作的速度和節奏。

（2）實驗設計。

受試者在測試環境下分別完成慢跑、快走、跳繩，每項動作采集三個頻率，每種頻率最少采集三次有效數據。其中，慢跑速度分別為：1.5m/s、2.0m/s、3.0m/s、自由速度（2.78m/s），其中速度為3.0m/s的慢跑頻率為120/min；快走速度分別為：0.7m/s、1.4m/s、2.0m/s、自由速度（1.36m/s），其中速度為2.0m/s的快走頻率為120/min；跳繩三組頻率為：110/min、120/min、130/min。

實驗開始前，受試者先進行10min的熱身活動，然后依次進行慢跑、快走、跳繩測試，每次測試保持20s，一次測試結束后休息至心率恢復到安靜水平再進行下一項目測試。

（3）數據處理與仿真計算。

將VICON動作捕捉系統、Kistler測力臺采集到的不同健身方式受試者下肢的運動學數據與地面反作用力（GRF）的值，輸入開源軟件OpenSim4.0中進行動作仿真，經過仿真，得到不同健身方式受試者下肢膝關節力距、股直肌肌力以及仿真模型下肢肌肉募集率等相關數據，確保在仿真過程中OpenSim4.0計算反饋的結果與實驗數據的差值在可靠性范圍內。

其次，通過Noraxon采集到的肌電信號來驗證仿真得到結果的準確性，對原始肌電信號在100Hz處進行高通濾波，對合成信號進行全波整流，在4Hz處進行低通濾波，并進行標準化處理，然后與仿真結果進行對比。為驗證所選用的模型是否能夠進行跳繩動作仿真，根據現有文獻，采用表面肌電信號與OpenSim4.0中Computed Muscle Control Tool（簡稱：CMC）工具計算的肌肉激活程度進行對比，顯示該模型對跳繩動作的仿真結果與表面肌電測試系統采集的結果具有相一致的趨勢，該模型可用于跳繩動作的仿真。

1.3、數據計算

（1）機械功計算。

下肢運動時肌肉中ATP被激活，產生收縮力，并通過環節運動作用于地面產生蹬伸力和機械功，通過用此機械功間接反映人體能量消耗的趨勢。從仿真結果中直接獲取人體重心的運動學數據，根據牛頓第二定律： ，分別從水平（x，水平向前）、垂直（y，垂直地面向上）和橫向（z，垂直x、y軸水平向右）計算不同健身方式下外力的大小，即得到各健身方式的Fxi、Fyi、Fzi系列值；依據仿真結果得到Xi、Yi、Zi為不同健身方式分別在水平（x）、垂直（y）、橫向（z）的微小位移；又根據功的定義計算不同健身方式下外力所做機械功的大小，即

其中，WX、WY、WZ分別為不同健身方式在水平（x）、垂直（y）、橫向（z）外力所做機械功，為不同健身方式在三個方向外力所做機械功絕對值之和。在進行機械功計算時，為方便比較進行歸一化處理，對不同健身方式首先選取一個周期的運動狀態進行計算，其次在單位時間（1h）內進行周期性循環迭代計算，得到時間區間內不同健身方式外力所做機械功的大小。

（2）峰值負荷率計算。

動作采集過程中，使用Kistler測力臺測得不同動作腳觸地時地面反作用力的峰值（即GRFv）和GRFv出現的時間（即GRFvt），并通過GRFv出現的斜率計算峰值負荷率，即GRFv/GRFvt。

（3）沖量計算。

沖量通過力值曲線計算而來，是力值曲線的積分。根據動作結構的不同，采用分段積分分別討論。本文選取各動作環節中單個周期中的被動沖量進行比較分析，被動沖量指著地動作中，腳觸地后（即測力臺開始收到GRF的瞬間）50ms內地面反作用力與時間的積分值。被動沖量過大會使骨骼關節等組織承受過多負荷，可能會使下肢在運動中發生損傷。根據VICON結合Kistler測力臺測得的地面反作用力，計算不同健身方式下被動沖量的值。計算得到的被動沖量均為各運動項目在運動過程中單個周期中的沖量大小。

2、結果

2.1、OpenSim仿真結果

（1）力矩結果。

使用OpenSim4.0中的lnverse Dynamics Tool（簡稱ID）工具計算膝關節力矩值，詳情見表1。所述健身方式中，頻率為1.5m/s的慢跑在運動中膝關節力矩最大，最大值為286.516 N·m。跳繩運動中頻率為110/min的跳繩在運動中膝關節力矩值最大；快走運動中頻率為2.0m/s的快走在運動中膝關節力矩值最大。

（2）肌肉力結果。

仿真發現所述健身方式中股直肌肌力最大的是速度為3.0m/s的慢跑運動，最大值為1513.010N。跳繩運動中頻率為120/min的跳繩在運動中股直肌肌力最大；快走運動中頻率為2.0m/s的快走在運動中股直肌肌力最大，詳情見表1。

（3）肌肉募集率。

肌肉募集率是不同健身方式在一個動作周期中仿真模型下肢肌肉激活的百分比，OpenSim中CMC工具計算的肌肉募集率詳情見表1。所述健身方式中肌肉募集率最大的是頻率為130/min的跳繩運動，最大值為23.433%。慢跑運動中頻率為3.0m/s的慢跑在運動中肌肉募集率最大；快走運動中頻率為2.0m/s的快走在運動中肌肉募集率最大。

2.2、機械功及下肢負荷率結果

（1）機械功。

外力所做機械功詳情見表1。所述健身方式中，外力所做機械功最大的是頻率為110/min的跳繩運動，最大值為2318.189kJ。慢跑運動中頻率為3.0m/s的慢跑在運動中外力所做機械功最大；快走運動中頻率為2.0m/s的快走在運動中外力所做機械功最大。

（2）峰值負荷率。

峰值負荷率詳情見表1。所述健身方式中，峰值負荷率最大的是頻率為3.0m/s的慢跑運動，最大值為33755.390 N/s。跳繩運動中頻率為110/min的跳繩在運動中峰值負荷率最大；快走運動中頻率為2.0m/s的快走在運動中峰值負荷率最大。

（3）被動沖量。

被動沖量詳情見表1。所述健身方式中，被動沖量最大的是頻率為2.0m/s的慢跑運動，最大值為30.047N·s。跳繩運動中頻率為110/min的跳繩在運動中被動沖量最大；快走運動中頻率為2.0m/s的快走在運動中被動沖量最大。

3、分析與討論

對于大眾健身方式的選擇，需要考慮增進健康和預防損傷兩個方面的問題。本文從不同健身方式在運動中股直肌肌力大小、單個運動周期中肌肉募集情況、單位運動時間內對外所做機械功大小，評估不同健身方式帶來的健身效益；另一方面，從不同健身方式在運動中膝關節力矩大小、腳觸地被動沖量大小、峰值負荷率大小評估不同健身方式可能造成損傷的風險。量化不同健身方式帶來的健身效益以及帶來損傷的風險，為更好地發揮健身項目的良好促進作用以及有效預防運動損傷提供參考意見。

三種健身方式中，快走帶來的健身效益最小；慢跑運動肌肉募集率相對較高，可以達到良好的熱身效果；跳繩運動外力所做機械功最大，意味著達到人體所需日能量消耗量所用時間更短。在慢跑運動和快走運動的研究中發現，慢跑帶來的健身效益優于快走，這與前人研究結果一致；且這種效益不僅存在于慢跑速度大于快走時；在相同速度下，實現慢跑時外力所做機械功也遠大于快走，這是因為在跑步過程中，重心上下起伏更為明顯，表明人體在慢跑時需募集更多肌肉去完成蹬地動作以實現重心的轉移，同時慢跑需要的股直肌肌力也更大，即對下肢肌肉的鍛煉效果更好。

從損傷發生的風險分析，快走運動相對于慢跑運動而言損傷發生的風險更低。在相同速度下，快走被動沖量約為慢跑的一半，快走運動峰值負荷率遠小于慢跑運動，而慢跑與跳繩相比，實現慢跑外力所做機械功并不高，側面反映出慢跑時機體的能耗相對較小，健身效益與跳繩相比略差。而且，本文仿真結果表明慢跑過程中造成運動損傷的風險高于跳繩，速度為2.0m/s以上的慢跑膝關節力矩、峰值負荷率、被動沖量均大于跳繩；慢跑和跳繩均具有騰空期，根據仿真結果：在相同頻率，即3.0m/s慢跑和120/min的跳繩，慢跑的損傷風險均大于跳繩，這可能是因為跳繩時重心主要在垂直方向進行運動，而慢跑要求重心在向前和垂直方向進行運動，使得地面反作用力的方向與垂直方向成一個較大的夾角作用于人體，這一夾角會增加膝關節力矩，使得慢跑膝關節力矩加大，導致峰值負荷率以及被動沖量均大于跳繩。綜上所述，三種健身方式中對于大眾健身而言，跳繩運動更為適合。

對于跳繩而言，本文選取三種頻率，以110/min的頻率跳繩時身體對外所做機械功最大，是因為當進行更快頻率的跳繩時，需要降低重心在垂直方向上的波動幅度以實現更快頻率的跳動；但在此頻率下峰值負荷率、被動沖量最大，膝關節力矩也較大，這會使損傷的風險增加。以130/min的頻率跳繩時，運動中能募集到較多的下肢肌肉，但外力所做機械功小于120/min。以120/min的頻率跳繩時造成損傷的風險因子的值都較小，同時股直肌肌力較大，以此頻率跳繩時，可以在起到良好鍛煉效果的同時將下肢運動損傷的風險控制在最低值。

4、結論

大眾健身方式中快走和慢跑不適用于可支配運動時間較短的人群，短時間地快走或慢跑并不能達到良好的健身效果；跳繩在起到良好鍛煉效果的同時可以將下肢運動損傷的風險控制在最低值。據此，三種健身方式在同等頻率下，推薦跳繩作為日常健身方式。

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