滑雪運動生物力學(xué)仿真分析.pdf

1、隨著國際競爭的日趨激烈，科學(xué)技術(shù)對于競技體育的促進作用越來越突出。國內(nèi)外學(xué)者運用運動生物力學(xué)的研究方法對各種運動項目進行了大量的研究工作，并取得了豐碩的成果?；┻\動是一項技術(shù)性很強的運動，國內(nèi)外對于滑雪運動的研究多以實驗測試為主，涉及理論建模的研究很少。以往的滑雪模型忽略了過多的細節(jié)，沒有考慮滑雪杖的作用，不適合多種滑雪運動的研究，不能進行肌肉用力計算等方面的研究。現(xiàn)在仍然缺少能夠綜合分析處理滑雪運動的平臺。我國在滑雪運動項目上的成績

2、以及研究一直落后于國際先進水平，對該項目規(guī)律認識不夠全面和深入，原因是起步晚，投入研究較少，研究工具匱乏。 針對上述問題，本文以滑雪者為研究對象，從影響滑雪運動的相關(guān)力學(xué)問題入手，建立了滑雪運動的生物力學(xué)模型以及研發(fā)了相應(yīng)仿真平臺。課題研究涉及到多體系統(tǒng)動力學(xué)、運動生物力學(xué)、機器人動力學(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動的仿真驗證了模型的合理性。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。把人體簡化為16剛體25自由度的多剛體人體模型，人體各個肢體的慣性參數(shù)根據(jù)回歸公式進行計算。利用函數(shù)模擬關(guān)節(jié)的運動從而達到對人體冗余自由度縮減的目的。建立了一個6自由度單剛體滑雪板模型。用1個矩形和7個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、氣阻力對各個肢體的阻礙作用。最后應(yīng)用建立的多剛體滑雪模型對雙板平行直滑降、雙板平行轉(zhuǎn)彎、空中技巧進行仿真，仿真結(jié)果與簡單模型、經(jīng)驗、實際運動效果非常相像，表明模型是合理的。 第三章建立了變拓撲結(jié)構(gòu)的滑雪杖—雪地模型并利用模型對雙滑雪杖支雪起動過程進行了仿真。忽略滑雪杖—雪地的接觸碰撞過程，把滑雪杖—雪地的關(guān)系用多體系統(tǒng)動力學(xué)的單面約束進行描述。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)換為線性互補關(guān)系，作為單面約束動力學(xué)系統(tǒng)的補充方程。最后利用模型對使用雙滑雪杖支雪起動加速的對稱運動進行了仿真分析。 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)的滑雪運動生物力學(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)計變量，以完成動作所有肌肉力/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)刺激非負有上限的不等式約束，建立二

6、次規(guī)劃問題。通過求解二次規(guī)劃問題求解肌肉力/神經(jīng)刺激。使模型不但適用于求解宏觀的滑雪運動力學(xué)問題，而且能計算完成運動所需要的肌肉肌群用力，方便理解滑雪運動肌肉協(xié)調(diào)規(guī)律，為深入探究運動控制機理提供可能。最后應(yīng)用該模型對滑降、轉(zhuǎn)彎、支雪幾種滑雪運動過程中的肌肉用力進行計算。計算結(jié)果為深入探究滑雪運動中肌肉協(xié)調(diào)控制規(guī)律提供可能，為加強平時專項滑雪運動肌肉訓(xùn)練提供依據(jù)。 第五章除了從運動學(xué)、動力學(xué)方面對滑雪運動技術(shù)進行評價外，針對特別的

7、運動技術(shù)還用能量評價指標(biāo)、轉(zhuǎn)彎評價指標(biāo)(轉(zhuǎn)彎同步差異角、轉(zhuǎn)彎同步系數(shù))、穩(wěn)定性評價指標(biāo)(靜態(tài)重心投影穩(wěn)定性裕量、動態(tài)零力矩點穩(wěn)定裕量)來評價。最后利用這些指標(biāo)討論了人體重心位置對轉(zhuǎn)彎的影響，擺臂動作對空中技巧出臺效果的影響。 第六章介紹了編寫的滑雪運動分析平臺并用于仿真各種基本滑雪技術(shù)。平臺具有以下特點：基于前沿的多體系統(tǒng)動力學(xué)理論與計算方法，實現(xiàn)了動力學(xué)方程的自動形成；基于先進的計算軟件MATLAB，求解計算速度快，代碼簡單易

8、懂；界面功能明確，操作方便；采用模塊化的設(shè)計理念，各種功能形成單獨的模塊，便于修改、維護和擴充；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，前處理主要為自動建模、姿態(tài)設(shè)計、積分求解；后處理主要是關(guān)于運動學(xué)、動力學(xué)計算、能量計算、滑雪穩(wěn)定性評價、肌肉力計算、動畫輸出等。本文利用該平臺成功地對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)、雙滑雪杖支雪動作、空中技巧進行了仿真分析研究。

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動，包括滑降、轉(zhuǎn)彎、支雪、空中技巧，體現(xiàn)了滑雪起動、旋轉(zhuǎn)、騰空、落地等基本特點，能夠方便快捷的獲得相關(guān)技術(shù)動作的運動學(xué)、動力學(xué)、生物力學(xué)等信息，對于認識、改進和完善動作技術(shù)，選擇和設(shè)計優(yōu)化的技術(shù)方案，有一定的現(xiàn)實意義，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家自然科學(xué)基金No.10472018和1072