人體-蹦床運(yùn)動系統(tǒng)的力學(xué)模擬與分析.pdf

1、蹦床運(yùn)動是一種技巧類體育項(xiàng)目，最初起源于中世紀(jì)雜技演員的表演節(jié)目，2000年悉尼奧運(yùn)會首次被接納為奧運(yùn)比賽項(xiàng)目。我國于1998年才正式開展蹦床運(yùn)動項(xiàng)目，經(jīng)過十多年的發(fā)展蹦床運(yùn)動項(xiàng)目在我國已經(jīng)取得了優(yōu)異成績，成為我國奧運(yùn)會優(yōu)勢項(xiàng)目之一。但要進(jìn)一步穩(wěn)定提高蹦床運(yùn)動技術(shù)和成績，則亟待科學(xué)化的訓(xùn)練和技術(shù)優(yōu)化。這就需要建立三維人體-蹦床運(yùn)動系統(tǒng)的力學(xué)分析模型與仿真系統(tǒng)，以三維方式逼真模擬、設(shè)計(jì)、分析蹦床運(yùn)動技術(shù)動作，并將模擬結(jié)果與運(yùn)動員訓(xùn)練視頻同

2、步對比，為定量認(rèn)識人體-蹦床運(yùn)動系統(tǒng)的運(yùn)動機(jī)理、提高運(yùn)動員成績方法提高指導(dǎo)。同時，可詳細(xì)了解運(yùn)動員在蹦床運(yùn)動過程中身體各部分關(guān)節(jié)、肌肉的受力情況，為預(yù)防運(yùn)動員在訓(xùn)練和比賽中受傷奠定理論基礎(chǔ)。因此，本文研究的主要目標(biāo)是建立人體-蹦床運(yùn)動系統(tǒng)的力學(xué)分析模型，以分析人體在蹦床上跳躍過程中尤其是與蹦床網(wǎng)面接觸瞬間的運(yùn)動特征與受力狀態(tài)，進(jìn)而探明人體-蹦床運(yùn)動系統(tǒng)的運(yùn)動學(xué)與動力學(xué)特性。為此，首先對蹦床器械的力學(xué)特性進(jìn)行測試與模擬，然后對人體-蹦床運(yùn)

3、動系統(tǒng)模擬中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)—足底與網(wǎng)面接觸瞬間的動態(tài)應(yīng)力分布進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，再利用視頻解析軟件分析了優(yōu)秀蹦床運(yùn)動員在比賽中的運(yùn)動軌跡，進(jìn)而利用生物動力學(xué)軟件LifeMOD軟件建立三維人體-蹦床運(yùn)動系統(tǒng)的力學(xué)模型，進(jìn)行優(yōu)秀蹦床運(yùn)動員比賽過程的運(yùn)動學(xué)與動力學(xué)仿真分析。完成的工作與主要成果包括:
　　1.基于蹦床器械力學(xué)性能測試結(jié)果建立了可模擬蹦床網(wǎng)面中心區(qū)域力學(xué)特征的蹦床器械A(chǔ)DAMS動力學(xué)模型。與其它運(yùn)動項(xiàng)目不同的是，蹦床器械的各項(xiàng)力學(xué)性

4、能指標(biāo)是不確定的。無論是美國國家標(biāo)準(zhǔn)(ASTM F381-14)還是英國國家標(biāo)準(zhǔn)(BS EN13219:2008)都只對蹦床的框架尺寸、網(wǎng)面尺寸、彈簧尺寸個數(shù)等有詳細(xì)規(guī)定，但是對網(wǎng)面中心區(qū)域的力學(xué)特性參數(shù)并無規(guī)定。本文對蹦床網(wǎng)面中心區(qū)域和彈簧的力學(xué)性能進(jìn)行了靜力測試，獲得蹦床網(wǎng)面中心區(qū)域的荷載-位移變化規(guī)律，然后通過軟件ADAMS建立了蹦床器械的動力學(xué)模型。研究結(jié)果表明，所建立的模型能夠較為準(zhǔn)確的模擬網(wǎng)面中心區(qū)域的荷載-位移變化規(guī)律，為

5、建立人體-蹦床運(yùn)動系統(tǒng)的動力學(xué)模型奠定了基礎(chǔ)。
　　2.實(shí)測分析了兩名蹦床運(yùn)動員在跳躍過程中足底和蹦床網(wǎng)面接觸時的動態(tài)應(yīng)力分布規(guī)律。以江蘇省蹦床隊(duì)的兩名運(yùn)動員為研究對象，利用穿戴式足底壓力鞋墊，測量了運(yùn)動員在蹦床網(wǎng)面跳躍過程中足底與網(wǎng)面接觸瞬間的動應(yīng)力分布與變化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，當(dāng)運(yùn)動員跳躍高度分別為15cm、28cm時，足底應(yīng)力分別是其重力的4.45和4.96倍。同時發(fā)現(xiàn)，足跟處所受壓強(qiáng)值占整個足底壓強(qiáng)的50％。因此在蹦床

6、比賽和訓(xùn)練中，應(yīng)關(guān)注腳跟的受力以避免骨折和扭傷。
　　3.用三維視頻分析法采集和分析獲得運(yùn)動員在蹦床比賽中的運(yùn)動軌跡。通過用影像解析軟件ARIEL對“廣元建設(shè)杯”2013年全國蹦床冠軍賽中運(yùn)動員跳躍軌跡進(jìn)行解析分析，識別出參賽運(yùn)動員比賽過程中的主要運(yùn)動特征量，包括騰空高度的最高值以及達(dá)到最高值的時間等。對獲得冠軍的運(yùn)動員董棟的運(yùn)動軌跡進(jìn)行了詳細(xì)的分析，為后續(xù)的人體-蹦床運(yùn)動系統(tǒng)的建模和仿真分析奠定了基礎(chǔ)。
　　4.建立了三維

7、人體-蹦床運(yùn)動系統(tǒng)的動力學(xué)模型，利用模型進(jìn)行了冠軍董棟在比賽過程的運(yùn)動學(xué)與動力學(xué)仿真分析，獲得該運(yùn)動員在蹦床上跳躍過程中各部分關(guān)節(jié)、肌肉等人體組織的受力狀態(tài)。通過生物動力學(xué)軟件LifeMOD建立了董棟的三維人體模型，導(dǎo)入蹦床器械模型和之前實(shí)測解析獲得的董棟運(yùn)動軌跡。再經(jīng)過反向動力學(xué)分析與正向動力學(xué)分析之后運(yùn)行人體-蹦床運(yùn)動系統(tǒng)動力學(xué)模型，分析得到了董棟在運(yùn)動過程中的動力學(xué)和運(yùn)動學(xué)數(shù)據(jù)。研究結(jié)果表明，在蹦床比賽過程中董棟下肢關(guān)節(jié)中的膝關(guān)節(jié)