滑雪運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)仿真分析.pdf

1、隨著國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的日趨激烈，科學(xué)技術(shù)對(duì)于競(jìng)技體育的促進(jìn)作用越來(lái)越突出。國(guó)內(nèi)外學(xué)者運(yùn)用運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的研究方法對(duì)各種運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目進(jìn)行了大量的研究工作，并取得了豐碩的成果?；┻\(yùn)動(dòng)是一項(xiàng)技術(shù)性很強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)，國(guó)內(nèi)外對(duì)于滑雪運(yùn)動(dòng)的研究多以實(shí)驗(yàn)測(cè)試為主，涉及理論建模的研究很少。以往的滑雪模型忽略了過(guò)多的細(xì)節(jié)，沒(méi)有考慮滑雪杖的作用，不適合多種滑雪運(yùn)動(dòng)的研究，不能進(jìn)行肌肉用力計(jì)算等方面的研究?，F(xiàn)在仍然缺少能夠綜合分析處理滑雪運(yùn)動(dòng)的平臺(tái)。我國(guó)在滑雪運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目上的成績(jī)

2、以及研究一直落后于國(guó)際先進(jìn)水平，對(duì)該項(xiàng)目規(guī)律認(rèn)識(shí)不夠全面和深入，原因是起步晚，投入研究較少，研究工具匱乏。 針對(duì)上述問(wèn)題，本文以滑雪者為研究對(duì)象，從影響滑雪運(yùn)動(dòng)的相關(guān)力學(xué)問(wèn)題入手，建立了滑雪運(yùn)動(dòng)的生物力學(xué)模型以及研發(fā)了相應(yīng)仿真平臺(tái)。課題研究涉及到多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)、機(jī)器人動(dòng)力學(xué)與控制、數(shù)值優(yōu)化等領(lǐng)域。主要做了以下研究工作： 第二章建立了三維多剛體滑雪模型并以幾種滑雪運(yùn)動(dòng)的仿真驗(yàn)證了模型的合理性。多剛體模型包括：

3、雪地路面模型、人體子模型、滑雪板—雪地子模型、空氣阻力模型。用函數(shù)描述雪地地形。把人體簡(jiǎn)化為16剛體25自由度的多剛體人體模型，人體各個(gè)肢體的慣性參數(shù)根據(jù)回歸公式進(jìn)行計(jì)算。利用函數(shù)模擬關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)從而達(dá)到對(duì)人體冗余自由度縮減的目的。建立了一個(gè)6自由度單剛體滑雪板模型。用1個(gè)矩形和7個(gè)圓弧描述滑雪板的正面和側(cè)面幾何輪廓。把滑雪板剛性離散化，以浸入力、沖擊力、摩擦力描述滑雪板—雪地相互作用力，并乘以載荷分布函數(shù)近似滑雪板柔性變形的影響?？紤]空

4、氣阻力對(duì)各個(gè)肢體的阻礙作用。最后應(yīng)用建立的多剛體滑雪模型對(duì)雙板平行直滑降、雙板平行轉(zhuǎn)彎、空中技巧進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果與簡(jiǎn)單模型、經(jīng)驗(yàn)、實(shí)際運(yùn)動(dòng)效果非常相像，表明模型是合理的。 第三章建立了變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的滑雪杖—雪地模型并利用模型對(duì)雙滑雪杖支雪起動(dòng)過(guò)程進(jìn)行了仿真。忽略滑雪杖—雪地的接觸碰撞過(guò)程，把滑雪杖—雪地的關(guān)系用多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的單面約束進(jìn)行描述。根據(jù)滑雪杖的攔雪輪與雪地的位置關(guān)系按分離、接觸兩種情況進(jìn)行處理。把滑雪杖—雪地的縫隙函

5、數(shù)與相互作用力關(guān)系轉(zhuǎn)換為線性互補(bǔ)關(guān)系，作為單面約束動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的補(bǔ)充方程。最后利用模型對(duì)使用雙滑雪杖支雪起動(dòng)加速的對(duì)稱運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了仿真分析。 第四章引入Hill三元件肌肉模型建立了含神經(jīng)、肌肉系統(tǒng)的滑雪運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)模型并應(yīng)用于探究各種基本滑雪技術(shù)的肌肉協(xié)調(diào)規(guī)律。把肌肉力/神經(jīng)刺激作為設(shè)計(jì)變量，以完成動(dòng)作所有肌肉力/神經(jīng)刺激平方和最小為目標(biāo)函數(shù)，受各肌肉力矩和與所繞關(guān)節(jié)力矩相等的等式約束，肌肉力/神經(jīng)刺激非負(fù)有上限的不等式約束，建立二

6、次規(guī)劃問(wèn)題。通過(guò)求解二次規(guī)劃問(wèn)題求解肌肉力/神經(jīng)刺激。使模型不但適用于求解宏觀的滑雪運(yùn)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，而且能計(jì)算完成運(yùn)動(dòng)所需要的肌肉肌群用力，方便理解滑雪運(yùn)動(dòng)肌肉協(xié)調(diào)規(guī)律，為深入探究運(yùn)動(dòng)控制機(jī)理提供可能。最后應(yīng)用該模型對(duì)滑降、轉(zhuǎn)彎、支雪幾種滑雪運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的肌肉用力進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果為深入探究滑雪運(yùn)動(dòng)中肌肉協(xié)調(diào)控制規(guī)律提供可能，為加強(qiáng)平時(shí)專項(xiàng)滑雪運(yùn)動(dòng)肌肉訓(xùn)練提供依據(jù)。 第五章除了從運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)方面對(duì)滑雪運(yùn)動(dòng)技術(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)外，針對(duì)特別的

7、運(yùn)動(dòng)技術(shù)還用能量評(píng)價(jià)指標(biāo)、轉(zhuǎn)彎評(píng)價(jià)指標(biāo)(轉(zhuǎn)彎同步差異角、轉(zhuǎn)彎同步系數(shù))、穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)(靜態(tài)重心投影穩(wěn)定性裕量、動(dòng)態(tài)零力矩點(diǎn)穩(wěn)定裕量)來(lái)評(píng)價(jià)。最后利用這些指標(biāo)討論了人體重心位置對(duì)轉(zhuǎn)彎的影響，擺臂動(dòng)作對(duì)空中技巧出臺(tái)效果的影響。 第六章介紹了編寫的滑雪運(yùn)動(dòng)分析平臺(tái)并用于仿真各種基本滑雪技術(shù)。平臺(tái)具有以下特點(diǎn)：基于前沿的多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論與計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)力學(xué)方程的自動(dòng)形成；基于先進(jìn)的計(jì)算軟件MATLAB，求解計(jì)算速度快，代碼簡(jiǎn)單易

8、懂；界面功能明確，操作方便；采用模塊化的設(shè)計(jì)理念，各種功能形成單獨(dú)的模塊，便于修改、維護(hù)和擴(kuò)充；采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和通用性。程序分為前后處理兩部分，前處理主要為自動(dòng)建模、姿態(tài)設(shè)計(jì)、積分求解；后處理主要是關(guān)于運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)計(jì)算、能量計(jì)算、滑雪穩(wěn)定性評(píng)價(jià)、肌肉力計(jì)算、動(dòng)畫輸出等。本文利用該平臺(tái)成功地對(duì)雙板平行直滑降技術(shù)、犁式滑降技術(shù)、犁式轉(zhuǎn)彎技術(shù)、雙板平行轉(zhuǎn)彎技術(shù)、雙滑雪杖支雪動(dòng)作、空中技巧進(jìn)行了仿真分析研究。

9、研究結(jié)果表明，本文建立的滑雪模型、滑雪軟件適應(yīng)范圍廣，能較好地仿真各種滑雪運(yùn)動(dòng)，包括滑降、轉(zhuǎn)彎、支雪、空中技巧，體現(xiàn)了滑雪起動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、騰空、落地等基本特點(diǎn)，能夠方便快捷的獲得相關(guān)技術(shù)動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、生物力學(xué)等信息，對(duì)于認(rèn)識(shí)、改進(jìn)和完善動(dòng)作技術(shù)，選擇和設(shè)計(jì)優(yōu)化的技術(shù)方案，有一定的現(xiàn)實(shí)意義，編寫的軟件可以為探尋新技術(shù)和論證創(chuàng)新技術(shù)的可行性及科學(xué)性提供了方便。 本文的研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金No.10472018和1072