蘇楊

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基于Lifemod仿真的鞍馬全旋多體動(dòng)力學(xué)模型研究

蘇楊

鞍馬是我國(guó)男子體操的傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)項(xiàng)目，鞍馬全旋(DLC)是該項(xiàng)目的典型和核心動(dòng)作，也是規(guī)則規(guī)定必須完成的“規(guī)定動(dòng)作”。運(yùn)動(dòng)員要在鞍馬全旋上達(dá)到高水平，不僅訓(xùn)練周期很長(zhǎng)，還要不斷地糾錯(cuò)、枯燥地重復(fù)“規(guī)定動(dòng)作”以及克服傷病干擾，以實(shí)現(xiàn)肌肉工作時(shí)的協(xié)同效應(yīng)和“自動(dòng)化”。從運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的角度對(duì)鞍馬全旋動(dòng)作的肌肉工作機(jī)制進(jìn)行定量描述尚無(wú)報(bào)道。采用多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真軟件Lifemod對(duì)該動(dòng)作進(jìn)行建模仿真，驗(yàn)證了重心和足在水平面基本作圓周運(yùn)動(dòng)是其良好技術(shù)水平的體現(xiàn)；并首次揭示了背闊肌在鞍馬全旋運(yùn)動(dòng)中是主要的動(dòng)力來(lái)源，胸大肌在進(jìn)行軀干遠(yuǎn)固定的同時(shí)，肱二頭肌和肱三頭肌協(xié)同工作起到支撐作用；三角肌起固定肩關(guān)節(jié)作用。為精細(xì)和準(zhǔn)確的訓(xùn)練提供了可定量化的初步依據(jù)。

鞍馬全旋；多體動(dòng)力學(xué)模型；Lifemod仿真

1. 前言

“鞍馬全旋”是男子體操競(jìng)技的“王牌動(dòng)作”，不僅出現(xiàn)在鞍馬項(xiàng)目的比賽中，還出現(xiàn)在自由體操、技巧等平面場(chǎng)地的比賽中，其動(dòng)作變種正日益廣泛地被應(yīng)用于各種身體藝術(shù)表演之中(如空中瑜伽、鋼管舞、啦啦操等)。查閱1980年代以來(lái)的體育科技文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，這樣一個(gè)具有高沖擊力視覺(jué)效果、被廣泛應(yīng)用的“體操招牌動(dòng)作”至今尚沒(méi)有得到精細(xì)的定量描述，其技能學(xué)習(xí)和訓(xùn)練的過(guò)程依然處于“暗箱摸索”的狀態(tài)。近年來(lái)，多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論的不斷發(fā)展，為復(fù)雜系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、分析，以及優(yōu)化提供了有力支持，也為體育運(yùn)動(dòng)技術(shù)的研究開(kāi)辟了新的途徑[1]。隨著多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論的發(fā)展和計(jì)算機(jī)的普及，通過(guò)建立多體動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行人體動(dòng)態(tài)模擬方法越來(lái)越多地運(yùn)用于體操、跳水等技術(shù)性競(jìng)技項(xiàng)目的研究和訓(xùn)練實(shí)踐。Sp?gele等(1999) 為了進(jìn)一步模擬仿真人體跳躍運(yùn)動(dòng)建立了人體前臂的多體動(dòng)力學(xué)模型[2]。Wilson 等(2007)為一名優(yōu)秀男跳高運(yùn)動(dòng)員量身定做了8環(huán)節(jié)多剛體模型，并計(jì)算其中5個(gè)關(guān)節(jié)處的屈伸力矩[3]。目前國(guó)內(nèi)外較為先進(jìn)的針對(duì)人體運(yùn)動(dòng)建模仿真的軟件是多體動(dòng)力學(xué)數(shù)字仿真軟件Lifemod。Lifemod是在 MSC.ADAMS (機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真分析軟件)基礎(chǔ)上進(jìn)行的二次開(kāi)發(fā)，用以研究人體生物力學(xué)特征的數(shù)字仿真軟件。宋紅方、張緒樹(shù)等曾運(yùn)用ADAMS 仿真軟件建立上肢的運(yùn)動(dòng)模型[4]。以上人體運(yùn)動(dòng)的多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的建模研究，其人體模型動(dòng)力控制和計(jì)算只能量化到關(guān)節(jié)力矩，達(dá)不到肌肉力量層面。Lifemod作為一種新興的方法已逐漸應(yīng)用于不同的研究領(lǐng)域。在過(guò)去的研究中，雖有一小部分涉及鞍馬全旋動(dòng)作(Baudry et al.2006)[5]，但本研究以多體動(dòng)力學(xué)數(shù)字仿真軟件Lifemod為平臺(tái)直觀的建立鞍馬全旋動(dòng)作的人體骨骼肌肉模型，不僅可以更深入、更經(jīng)濟(jì)、更準(zhǔn)確地把握鞍馬全旋動(dòng)作中動(dòng)力學(xué)的問(wèn)題，而且可以獲取肌肉力量等以往任何其他模型所達(dá)不到的層次。

2. 研究對(duì)象

本研究屬于“新方法應(yīng)用的可行性及其應(yīng)用后指導(dǎo)實(shí)踐的價(jià)值潛力的探索性研究”，故不能進(jìn)行大樣本的測(cè)試。以一名江蘇省體操隊(duì)現(xiàn)役運(yùn)動(dòng)健將為測(cè)試對(duì)象，訓(xùn)練年限16y，年齡20y，身高162cm，體重57kg。

3. 研究設(shè)備

首先使用美國(guó)Motion Analysis紅外動(dòng)作捕捉系統(tǒng)硬件設(shè)備和相應(yīng)的軟件workstation 5.0進(jìn)行運(yùn)動(dòng)動(dòng)作資料采集；其次使用多體動(dòng)力學(xué)數(shù)字仿真軟件Lifemod建構(gòu)人體模型。

4. 研究方法和步驟

本研究流程主要是：

4.1 為硬體校正：靜態(tài)校正(定義空間坐標(biāo)系統(tǒng))、動(dòng)態(tài)校正(定義攝影機(jī)在空間坐標(biāo)的位置)；

4.2 將受試者貼上反光球，見(jiàn)圖1；

4.3 電腦模擬，見(jiàn)圖2。

其模擬流程第一步驟利用Lifemod的功能，將受試者基本參數(shù)輸入構(gòu)建人體模型；

第二步創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)引導(dǎo)點(diǎn)并導(dǎo)入運(yùn)動(dòng)捕捉的數(shù)據(jù)(motion capture data)；

第三步進(jìn)行平衡分析，使仿真分析過(guò)程中運(yùn)動(dòng)引導(dǎo)點(diǎn)固定能夠在初始位置上；

第四步進(jìn)行反向動(dòng)力學(xué)分析，模型在運(yùn)動(dòng)引導(dǎo)點(diǎn)的控制下運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)引導(dǎo)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)是動(dòng)作捕捉數(shù)據(jù)或者用戶(hù)輸入的曲線(xiàn)數(shù)據(jù)。關(guān)節(jié)會(huì)先記錄下模型在運(yùn)動(dòng)引導(dǎo)點(diǎn)的控制下運(yùn)動(dòng)時(shí)關(guān)節(jié)角度的變化情況 (或者肌肉的長(zhǎng)度變化過(guò)程被記錄下來(lái))；

第五步進(jìn)行正向動(dòng)力學(xué)分析，肌肉按照記錄下的肌肉長(zhǎng)度變化過(guò)程作為主動(dòng)激勵(lì)角色去驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，使模型再次執(zhí)行該動(dòng)作；

第六步，模擬結(jié)束后將運(yùn)動(dòng)員在做鞍馬全旋運(yùn)動(dòng)中的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)用圖表的形式展示。

圖1 lifemod中反光球(marker點(diǎn))位置圖

圖2 lifemod模擬仿真流程圖

5. 結(jié)果與分析

5.1 重心位置變化分析

圖3是人體模型進(jìn)行仿真后重心位置在各方向的變化曲線(xiàn)圖，X方向?yàn)槿梭w矢狀軸方向，Y方向?yàn)槿梭w冠狀軸方向，Z方向?yàn)槿梭w垂直軸方向。由此可計(jì)算重心軌跡在各方向上的投影直徑，見(jiàn)表1。

圖3 lifemod模型仿真重心位置在各方向的變化圖

冠狀軸方向矢狀軸方向垂直軸方向Lifemod模型0．130．140．17

5.2 足位置變化分析

圖4 lifemod模型仿真足位置在各方向的變化圖

圖4是人體模型進(jìn)行仿真后重心位置在各方向的變化曲線(xiàn)圖，X方向?yàn)槿梭w矢狀軸方向，Y方向?yàn)槿梭w冠狀軸方向，Z方向?yàn)槿梭w垂直軸方向。由此可計(jì)算重心軌跡在各方向上的投影直徑，見(jiàn)表2。

表2 足軌跡投影在各方向的投影直徑 (m)

綜合比較表1，表2可見(jiàn)：無(wú)論是重心軌跡還是足軌跡，其在冠狀軸方向和矢狀軸方向的投影直徑均差距較小。說(shuō)明重心和足在水平面基本作圓周運(yùn)動(dòng)，驗(yàn)證了劉延柱老師描述的鞍馬全旋的理想運(yùn)動(dòng)[12]。進(jìn)一步證明了在鞍馬全旋中重心和足軌跡投影到水平面的曲線(xiàn)越接近圓，動(dòng)作技術(shù)水平越高，這是影響動(dòng)作好壞的重要因素。

5.3 各骨骼肌肌張力總體趨勢(shì)分析

圖5是模型在鞍馬全旋一周后所得左側(cè)骨骼肌肌張力變化曲線(xiàn)圖。圖6是模型在鞍馬全旋一周后所得右側(cè)骨骼肌肌張力變化曲線(xiàn)圖。圖中4條藍(lán)色豎線(xiàn)分別表示鞍馬全旋動(dòng)作一周的4個(gè)階段的時(shí)間分界點(diǎn)(雙臂正撐階段-單臂支撐階段-雙臂反撐階段-單臂支撐階段)。由圖5可見(jiàn)，左側(cè)肌張力峰值由大到小：肱三頭肌>背闊肌>胸大肌>三角肌>肱二頭肌。由圖6可見(jiàn)，右側(cè)肌張力峰值由大到?。弘湃^肌>背闊肌>三角肌(胸大肌)>肱二頭肌。

圖5 lifemod模型仿真鞍馬全旋一周左側(cè)骨骼肌肌張力圖

圖6 lifemod模型仿真鞍馬全旋一周右側(cè)骨骼肌肌張力圖

對(duì)比兩圖看出：模型左右肌肉力量對(duì)比的趨勢(shì)基本一致。其中：

5.3.1 左肱三頭肌力量最大峰達(dá)405.6N，右肱三頭肌力量最大峰達(dá)382.2N。左右肱三頭肌力量峰值均居同側(cè)骨骼肌力量的首位，與本研究第二部分同步實(shí)測(cè)肌肉數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果一致；

5.3.2 胸大肌和肱二頭肌持續(xù)發(fā)力時(shí)間較長(zhǎng)。左肱二頭肌發(fā)力時(shí)間為0.32s，右肱二頭肌發(fā)力時(shí)間為0.53s；左胸大肌發(fā)力時(shí)間為0.49 s，右胸大肌發(fā)力時(shí)間為0.29 s；

5.3.3 左胸大肌持續(xù)發(fā)力時(shí)間明顯長(zhǎng)于右胸大肌，與本研究第二部分同步實(shí)測(cè)肌肉數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果一致；

5.3.4 左右三角肌發(fā)力趨勢(shì)基本一致， T1階段左三角肌的三個(gè)頭強(qiáng)烈收縮，其肌肉力量輸出百分比達(dá)到峰值，主要起到固定肩關(guān)節(jié)的作用，隨后逐漸減弱，到T4階段又逐漸增大，為下一循環(huán)做好準(zhǔn)備。

5.3.5 右背闊和肱三頭肌在T1、T4階段明顯有發(fā)力潛伏期，為進(jìn)入下一循環(huán)的加速階段作準(zhǔn)備。

從兩圖中可見(jiàn)鞍馬全旋一周4個(gè)階段中骨骼肌發(fā)力情況：T1階段雙手支撐階段，主要是肱三頭肌、背闊肌、三角肌發(fā)力；T2階段左臂支撐階段，左胸大肌、右背闊肌、右胸大肌發(fā)力；T3階段雙手反撐階段，左右胸大肌及左右肱二頭肌持續(xù)發(fā)力，同時(shí)右肱三再次發(fā)力；T4階段右臂支撐階段，與第1階段類(lèi)似，肱三頭肌、背闊肌、三角肌再次發(fā)力。

6. 討論與建議

鞍馬全旋運(yùn)動(dòng)(DLC)對(duì)于提高鞍馬項(xiàng)目的穩(wěn)定性具有決定性意義。由于動(dòng)作的復(fù)雜性，對(duì)DLC研究的文獻(xiàn)相對(duì)稀少。Grassi等研究了DLC中腳踝的軌跡，發(fā)現(xiàn)腳和踝關(guān)節(jié)以近圓形方式移動(dòng)[6]。Fujihara在水平面研究了質(zhì)心的運(yùn)動(dòng)速度變化[7][8]。在對(duì)一般運(yùn)動(dòng)員和優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員DLC動(dòng)作的對(duì)比研究中，Baudry等發(fā)現(xiàn)足部動(dòng)作的差異較髖關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)更顯著[9]。之前的研究已經(jīng)表明，肩、髖關(guān)節(jié)和腳踝的運(yùn)動(dòng)軌跡影響DLC運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性[6-10]。完成任何一個(gè)體操動(dòng)作都不是一次簡(jiǎn)單的肌肉作功，需要許多骨骼肌的參與和協(xié)調(diào)。根據(jù)動(dòng)作的要求，在時(shí)間上不同的時(shí)段由多組肌肉群收縮與放松交替轉(zhuǎn)換，發(fā)力時(shí)間長(zhǎng)短相接，按照時(shí)間上的排列順序由多組肌肉群協(xié)調(diào)傳遞持續(xù)作功完成的?？刂颇承┘∪獾淖畲罅α枯敵龅臅r(shí)機(jī)，同時(shí)保持其他肌群肌力的持續(xù)輸出是至關(guān)重要的。因此，運(yùn)動(dòng)員需要了解肌肉收縮和協(xié)調(diào)的機(jī)制。雖然計(jì)算機(jī)建模和仿真已廣泛應(yīng)用于人體肌肉力量和運(yùn)動(dòng)的研究[11]，但鞍馬DLC運(yùn)動(dòng)研究采用的實(shí)驗(yàn)方法仍主要局限于運(yùn)動(dòng)學(xué)。劉延柱從經(jīng)典力學(xué)觀點(diǎn)出發(fā)，建立人體的理想化多剛體模型分析鞍馬上的直體全旋及托馬斯全旋的運(yùn)動(dòng)規(guī)律[12]。本研究探索建立DLC的Lifemod多體動(dòng)力學(xué)粘彈性體模型，重點(diǎn)探究各運(yùn)動(dòng)階段的主要肌肉群的特點(diǎn)，并確定其協(xié)同工作機(jī)制，這是多剛體模型所達(dá)不到的。在Lifemod模型中，肱三頭肌和肱二頭肌，背闊肌與胸大肌在DLC運(yùn)動(dòng)周期中顯示拮抗模式。肱三頭肌的肌力峰值為所有測(cè)試肌肉中輸出最高的。胸大肌和肱二頭肌力量輸出較為平緩，但時(shí)間較長(zhǎng)。這些結(jié)果進(jìn)一步幫助運(yùn)動(dòng)員認(rèn)識(shí)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并提供肌肉力量訓(xùn)練的具體指導(dǎo)。

在雙臂正撐階段(T1)，左臂推，而左肩保持在伸的位置，內(nèi)旋外展。與此同時(shí)，右肩關(guān)節(jié)內(nèi)收外旋，并且向下曲推鞍馬。肱三頭肌、背闊肌和三角肌肌力輸出達(dá)到第一個(gè)峰值。背闊肌積極收縮提供DLC的動(dòng)力，同時(shí)，肱三頭肌及肱二頭肌協(xié)同工作起支撐作用，三角肌發(fā)力以穩(wěn)定肩關(guān)節(jié)。

在左臂單撐階段(T2)，左肩關(guān)節(jié)外展內(nèi)旋，而右肩關(guān)節(jié)內(nèi)收積極抓環(huán)，以防止由于慣性影響做離心運(yùn)動(dòng)。同時(shí)胸大肌在整個(gè)階段持續(xù)收縮。

在雙臂反撐階段(T3)，右肩關(guān)節(jié)內(nèi)旋并保持外展，左手及時(shí)推馬。該模型顯示，雙側(cè)的胸大肌和肱二頭肌呈持續(xù)發(fā)力狀態(tài)，右肱三頭肌和肱二頭肌再次協(xié)同工作。

在右臂單撐階段(T4)，右臂外展內(nèi)旋，而左肩關(guān)節(jié)內(nèi)收抓環(huán)。該模擬結(jié)果表明，肱三頭肌、背闊肌和三角肌肌力輸出達(dá)到第二個(gè)峰值。

總之，結(jié)合模型可初步推測(cè)：背闊肌在鞍馬全旋動(dòng)作的轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中是主要的動(dòng)力來(lái)源；胸大肌在進(jìn)行軀干遠(yuǎn)固定的同時(shí)，肱二頭肌和肱三頭肌協(xié)同工作起到支撐作用；三角肌起固定肩關(guān)節(jié)作用。

針對(duì)該項(xiàng)目不同肌群的工作特點(diǎn)可加強(qiáng)不同類(lèi)型的肌肉訓(xùn)練，以更加有效的提高肌肉力量和運(yùn)動(dòng)能力。國(guó)內(nèi)外已有的研究表明，短期和長(zhǎng)期的振動(dòng)訓(xùn)練可以提高關(guān)節(jié)肌肉最大力量、快速力量和運(yùn)動(dòng)能力[13-15]。常規(guī)力量訓(xùn)練中附加全身的振動(dòng)刺激將更能有效地提高DLC中肱三頭肌、背闊肌等的快速力量，并且能夠使屈伸肌群的快慢速肌力得到同時(shí)協(xié)調(diào)的發(fā)展。除傳統(tǒng)的杠鈴力量訓(xùn)練法，電刺激力量訓(xùn)練法及等速訓(xùn)練是提高DLC中肱二頭肌、胸大肌等肌肉耐力力量的一種高效手段。

7. 總結(jié)

綜上所述，本研究開(kāi)創(chuàng)性的建立了鞍馬全旋多體動(dòng)力學(xué)Lifemod模型，運(yùn)用此模型至少可以改進(jìn)以下訓(xùn)練指導(dǎo)的工作：

7.1 有針對(duì)性地糾正DLC訓(xùn)練期間的技術(shù)錯(cuò)誤，提高訓(xùn)練效率，快速實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)員鞍馬全旋動(dòng)作的穩(wěn)定性；

7.2 為創(chuàng)編類(lèi)似的“支撐性立體化全身動(dòng)作”提供參照，并有望運(yùn)用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)實(shí)現(xiàn)動(dòng)作設(shè)計(jì)、動(dòng)作診斷和動(dòng)作改進(jìn)的數(shù)字化；

7.3 lifemod軟件是對(duì)人體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真和模擬運(yùn)動(dòng)的一個(gè)很好的工具。若能進(jìn)一步調(diào)節(jié)肌肉的有關(guān)參數(shù)和關(guān)節(jié)的動(dòng)態(tài)精度，對(duì)比優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員和一般運(yùn)動(dòng)員，進(jìn)行模型的最優(yōu)化研究將更有助于探究DLC的運(yùn)動(dòng)技術(shù)規(guī)律；

7.4 運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的一個(gè)重要任務(wù)是精確地測(cè)量運(yùn)動(dòng)技術(shù)中的人體關(guān)節(jié)反力，目前大部分動(dòng)力學(xué)方面的研究?jī)H限于利用測(cè)力臺(tái)來(lái)測(cè)量地面反作用力,Fujihara設(shè)計(jì)了測(cè)試DLC中馬環(huán)與手接觸的反作用力儀器[8]，本研究可進(jìn)一步通過(guò)模型計(jì)算人體與馬環(huán)的接觸力，對(duì)關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)深入研究。這對(duì)于DLC等支撐項(xiàng)目的專(zhuān)項(xiàng)動(dòng)作技術(shù)訓(xùn)練具有重要的意義。

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江蘇省體操運(yùn)動(dòng)員科技攻關(guān)的運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究(基金項(xiàng)目：BE2008687)。

蘇楊(1981.11-)，女，江蘇常州人，研究方向：體育工程與體育統(tǒng)計(jì)，講師，南京體育學(xué)院運(yùn)動(dòng)健康科學(xué)系。

10.16730/j.cnki.61-1019/g8.2016.02.001