纵跳的人体下肢运动仿真与生物力学研究

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纵跳运动是很多体育运动的基础,研究纵跳有助于跳跃类运动员提高成绩,也能预防相关运动损伤,延长运动员的运动寿命。以往的研究主要从运动学和动力学方面着手,集中于纵跳的时相划分、人体各关节的运动特征及动量等方面,但是往往无法准确计算出人体内力,及深入解释人体纵跳能力的机理。因此,如何采用非侵入式方法对人体纵跳运动进行生物力学研究,具有极其重要的意义。本研究开展原地纵跳实验,依据实验获得的足底压力参数、受试者身体参数、三维运动参数,为不同受试者建立个体化人体肌骨系统模型,模拟人体下肢纵跳运动,计算受试者足底压力、关节角度、关节负荷等变化,从运动学、动力学、逆向动力学三个层次,深入分析纵跳的运动特征,研究纵跳能力的影响因素。为了真实模拟纵跳运动,首先,进行纵跳实验:选取年龄范围在24-26岁之间的5名男性健康大学生作为测试对象,采用三维运动捕捉系统和测力系统进行同步测试:受试者按照纵跳的规定要求在测力台上进行原地纵跳运动,通过测力台的传感装置测量足底各个位置的压力数据,运动捕捉系统同步采集受试者原地纵跳时人体下肢标记点的运动参数(X向、Y向、Z向位移、速度、加速度等);其次,进行纵跳运动仿真:为了能够深入研究人体原地纵跳时的生物力学特征,依据每位受试者的身高、体重和各部位肢体长度,建立个体化肌骨系统模型,并对足底压力环境进行设定,导入三维运动数据,以驱动模型,进行逆向动力学分析,对受试者纵跳动作进行仿真模拟。计算纵跳时受试者主要关节的关节负载、关节角度、关节角速度等参数,分析纵跳的运动特征和生物力学特征;最后,选取评价指标对纵跳能力进行评价。直接指标包括:质心速度、下肢各关节角度和角速度、下肢各关节力矩、足底压力等;间接指标包括:腾空高度、起跳峰值速度、关节缓冲幅度等。通过这些指标分析了纵跳腾空高度的影响因素,以及下肢关节下沉幅度对起跳爆发力的的影响。研究结果表明,本研究建立的个体化肌骨系统模型能够较真实地模拟纵跳动作,体现了纵跳过程中起跳、腾空、落地等动作特点,能够方便快捷地获得纵跳的运动学、动力学、逆向动力学等指标,对深入认识和改善纵跳技术有一定的指导意义。
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