本文關(guān)鍵詞：體操自由操落地下肢負荷及影響因素研究

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【摘要】：研究目的:體操自由操落地階段產(chǎn)生重復且巨大的沖擊力誘發(fā)了70%的下肢損傷,然而落地沖擊力施加于下肢的負荷尚不清楚。本研究結(jié)合我國優(yōu)秀體操運動員自由操項目落地動作,建立個性化的14環(huán)節(jié)多剛體人體模型和自由操落地墊模型,完成自由操落地計算機仿真。目的在于量化落地階段運動員下肢關(guān)節(jié)的負荷,探討外部環(huán)境因素(落地墊力學特性)和運動員自身可調(diào)整因素(踝關(guān)節(jié)屈曲角度、起跳速度、下肢剛度)對膝、踝關(guān)節(jié)負荷的影響。研究方法:利用2臺高速攝像機(CASIO EX-F1,快門速度1/320秒,采樣頻率300Hz)采集我國三名優(yōu)秀男子體操運動員自由操訓練和比賽的落地動作(后團、后直540、后直1080接后直540、后團720旋)的三維運動學數(shù)據(jù)。用SIMI motion對Peak框架28個標志點和人體16個主要關(guān)節(jié)點進行三維標定和數(shù)字化解析,用Python腳本語言編寫程序?qū)崿F(xiàn)三維運動學參數(shù)和人體運動仿真軟件Lifemod的鏈接。結(jié)合測量的運動員個性化人體形態(tài)學參數(shù),在Lifemod中創(chuàng)建14環(huán)節(jié)多剛體人體模型,在ADAMS中創(chuàng)建自由操落地墊模型,在完成模型有效性驗證的基礎(chǔ)上,實現(xiàn)自由操落地沖擊動力學的仿真。使用類似方法,分別模擬了落地墊的不同力學特性,運動員不同踝關(guān)節(jié)屈曲角度、起跳速度和膝、踝關(guān)節(jié)剛度等條件下的落地動作,獲得自由操落地的下肢動力學特征。研究結(jié)果:自由操落地沖擊可分為沖擊前期、沖擊后期、緩沖期3個階段。后團一周落地外部負荷:沖擊前期,人體承受最大沖擊力約為5倍體重,沖量和峰值負荷率最大。內(nèi)部負荷:沖擊前期,左踝關(guān)節(jié)的峰值功率最大(168W/kg),髖、膝、踝關(guān)節(jié)承受的沖擊能量百分比為21:21:58;沖擊后期,矢狀面,膝關(guān)節(jié)伸肌力矩峰值最大(161 N?m),冠狀面,髖關(guān)節(jié)外展力矩峰值最大(154N?m)。自由操相同落地動作不同多剛體人體模型的仿真,綜合對比髖、膝、踝關(guān)節(jié)角度、GRF及到達時間,模型3重現(xiàn)自由操落地實際運動表現(xiàn)效果最好。后直540落地,右膝關(guān)節(jié)伸肌力矩峰值從模型1到模型5依次降低,模型1最大(281N·m);屈肌力矩峰值從模型1到模型5依次增大,模型5最大(48 N·m)。自由操落地,踝關(guān)節(jié)運動學角度對落地墊剛度、阻尼特性的變化比較敏感,落地墊剛度增加30%會導致峰值負荷率增加26%,落地墊阻尼對水平GRF和水平速度有一定影響;但踝關(guān)節(jié)反作用力峰值和矢狀面踝關(guān)節(jié)力矩峰值對摩擦系數(shù)比較敏感,增加落地墊摩擦30%可導致踝關(guān)節(jié)肌肉承受的沖擊能量增加89%。自由操落地,減小踝關(guān)節(jié)背伸,下肢外部負荷、膝關(guān)節(jié)外展角度以及膝關(guān)節(jié)冠狀面外展力矩增加,但膝關(guān)節(jié)矢狀面屈伸力矩峰值降低。觸墊時,增加踝關(guān)節(jié)背伸6度,膝關(guān)節(jié)冠狀面峰值功率至少會增加22%。串連接動作,后直1080落地,垂直地面反作用力峰值負荷率和峰值負荷衰減率分別為172.09 BW/s、157.45 BW/s;后直540落地則分別為125 BW/s、53.57BW/s。后直1080,垂直起跳度增加10%,踝關(guān)節(jié)冠狀面力矩峰值增加7.7%,水平面力矩峰值增加15.1%;水平起跳速度則對踝關(guān)節(jié)負荷影響不大。后直540,水平起跳速度增加10%,踝關(guān)節(jié)矢狀面的背伸力矩峰值增加12.8%;垂直速度增加10%,踝關(guān)節(jié)矢狀面背伸力矩峰值反而會降低8.8%。空翻帶轉(zhuǎn)體動作落地,足尖觸墊后30ms,膝、踝關(guān)節(jié)外展/外翻角速度較大。后團720旋落地的峰值負荷率約219.5BW/s,峰值負荷率衰減為88.6BW/s。膝、踝關(guān)節(jié)剛度變化對GRF峰值及踝關(guān)節(jié)力矩影響不大。膝、踝關(guān)節(jié)剛度增加40%,膝關(guān)節(jié)伸肌力矩峰值增加11.6%,屈肌力矩峰值降低5.2%。膝、踝關(guān)節(jié)剛度降低40%,膝關(guān)節(jié)伸肌力矩峰值降低21.9%,但膝關(guān)節(jié)冠狀面力矩峰值會增加。結(jié)論:利用高速攝像采集高水平體操運動員訓練和比賽中落地動作,運動學數(shù)據(jù)真實且對運動員訓練和比賽無干擾,通過計算機仿真方法評估GRF,從外部負荷和內(nèi)部負荷兩個維度,采用多個指標較為系統(tǒng)的量化自由操落地過程中下肢負荷,具有較好的方法學意義。14環(huán)節(jié)多剛體人體模型重現(xiàn)實際運動學表現(xiàn)效果最好,仿真精度最高。自由操落地,主受力腿的踝關(guān)節(jié)肌肉峰值功率最高,極易出現(xiàn)外翻而誘發(fā)踝韌帶損傷;串連接動作的落地,初次落地峰值負荷衰減時間較短,下肢(尤其是踝)承受的沖擊負荷較高;空翻帶轉(zhuǎn)體動作的落地具有較大的GRF水平分量,給膝、踝關(guān)節(jié)帶來較大的橫向作用力,冠狀面和水平面具有較大的關(guān)節(jié)力矩。不同因素對下肢負荷影響敏感度不同。落地墊摩擦特性、下肢關(guān)節(jié)角度對下肢負荷比較敏感,雖然起跳速度和關(guān)節(jié)剛度對下肢負荷影響一般,但二者對運動員提高落地質(zhì)量很重要。增加落地墊剛度,踝關(guān)節(jié)屈曲角度降低,且到達踝外部負荷峰值時間縮短,峰值負荷率隨之增加;增加落地墊阻尼,踝關(guān)節(jié)屈曲角度增加;增加落地墊摩擦,不會影響踝關(guān)節(jié)矢狀面屈曲角度,但踝關(guān)節(jié)內(nèi)部負荷將急劇增加。增加垂直起跳速度,初次落地時身體姿態(tài)角降低,有助于完成后續(xù)連接動作,且對踝關(guān)節(jié)負荷影響不大;增加二次起跳水平速度,會增加落地身體姿態(tài)角,有助于提高落地穩(wěn)定性,同時也會增加踝關(guān)節(jié)內(nèi)部負荷。較大的膝屈曲角度范圍有利于降低膝屈肌力矩峰值,但會增加膝伸肌力矩峰值。增加踝關(guān)節(jié)趾屈,會大大增加膝關(guān)節(jié)矢狀面的負荷;增加踝關(guān)節(jié)背伸,膝關(guān)節(jié)矢狀面負荷降低較為明顯,冠狀面負荷略有增加,且會大大增加水平面負荷。膝、踝關(guān)節(jié)剛度改變,對踝關(guān)節(jié)力矩峰值影響不大。增加膝、踝關(guān)節(jié)剛度,會增加膝關(guān)節(jié)伸肌力矩峰值,降低外展力矩峰值。
【關(guān)鍵詞】：自由操落地 下肢負荷 仿真精度 影響因素 落地墊力學特性 關(guān)節(jié)角度 起跳速度 關(guān)節(jié)剛度
【學位授予單位】：上海體育學院
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：G83;G804.6
【目錄】：

• 摘要4-7
• Abstract7-20
• 第1章 選題依據(jù)及目的、意義20-27
• 1.1 前言20-21
• 1.2 研究背景21-24
• 1.2.1 我國自由操項目的現(xiàn)狀及困境21-23
• 1.2.2 世界男子自由操的發(fā)展趨勢23
• 1.2.3 自由操落地的研究現(xiàn)狀23-24
• 1.2.4 計算機仿真在人體運動中的應用研究現(xiàn)狀24
• 1.3 研究目的、內(nèi)容、意義24-26
• 1.3.1 研究目的25
• 1.3.2 研究內(nèi)容25
• 1.3.3 研究意義25-26
• 1.4 技術(shù)路線26-27
• 第2章 文獻綜述27-44
• 2.1 體操的運動生物力學研究27-30
• 2.1.1 國內(nèi)自由操研究27-28
• 2.1.2 國外自由操的生物力學研究28-29
• 2.1.3 體操的計算機仿真研究29-30
• 2.2 基于Adams/lifemod的人體運動計算機仿真研究30-31
• 2.3 體操落地損傷調(diào)查31-34
• 2.3.1 國內(nèi)體操損傷調(diào)查31
• 2.3.2 國外體操損傷調(diào)查31-32
• 2.3.3 自由操落地損傷調(diào)查32
• 2.3.4 體操落地損傷影響因素分析32-34
• 2.4 體操落地沖擊負荷機制研究34-42
• 2.4.1 落地沖擊負荷機制34
• 2.4.2 落地沖擊負荷機制實驗研究34-38
• 2.4.3 落地沖擊負荷機制的建模仿真研究38-41
• 2.4.4 落地沖擊負荷機制與損傷風險應用研究41-42
• 2.5 小結(jié)42-44
• 第3章 自由操落地沖擊的下肢動力學仿真44-57
• 3.1 前言44
• 3.2 研究方法44-48
• 3.2.1 受試者44-45
• 3.2.2 個性化人體參數(shù)的測量45
• 3.2.3 三維運動學數(shù)據(jù)捕獲45-46
• 3.2.4 創(chuàng)建14環(huán)節(jié)人體剛體模型46
• 3.2.5 創(chuàng)建自由操落地墊模型46-47
• 3.2.6 仿真流程及模型驗證47-48
• 3.2.7 落地沖擊負荷的評估48
• 3.3 結(jié)果48-53
• 3.4 分析與討論53-56
• 3.5 小結(jié)56-57
• 第4章 基于不同剛體模型的體操落地沖擊動力學比較研究57-65
• 4.1 前言57-58
• 4.2 研究方法58-60
• 4.2.1 受試者58
• 4.2.2 三維運動學數(shù)據(jù)采集58
• 4.2.3 創(chuàng)建簡化人體模型58-59
• 4.2.4 創(chuàng)建與驗證自由操落地墊模型59
• 4.2.5 基本仿真流程59
• 4.2.6 仿真精度分析59-60
• 4.2.7 膝關(guān)節(jié)沖擊動力學指標60
• 4.3 結(jié)果60-62
• 4.4 分析與討論62-64
• 4.5 小結(jié)64-65
• 第5章 自由操落地墊力學特性與踝負荷的關(guān)系研究65-72
• 5.1 前言65-66
• 5.2 研究方法66
• 5.2.1 受試者66
• 5.2.2 計算機仿真66
• 5.2.3 踝關(guān)節(jié)沖擊動力學評估66
• 5.3 結(jié)果66-69
• 5.4 分析與討論69-71
• 5.5 小結(jié)71-72
• 第6章 體操落地踝背伸與膝負荷的關(guān)系研究72-79
• 6.1 前言72-73
• 6.2 研究方法73-74
• 6.2.1 受試者73
• 6.2.2 計算機仿真73-74
• 6.2.3 膝關(guān)節(jié)沖擊動力學評估74
• 6.3 結(jié)果74-76
• 6.4 分析與討論76-78
• 6.5 小結(jié)78-79
• 第7章 自由操起跳速度與踝負荷的關(guān)系研究79-87
• 7.1 前言79
• 7.2 研究方法79-81
• 7.2.1 受試者79-80
• 7.2.2 三維運動學數(shù)據(jù)采集80
• 7.2.3 計算機仿真80-81
• 7.2.4 踝關(guān)節(jié)落地生物力學評估81
• 7.3 結(jié)果81-84
• 7.4 分析與討論84-86
• 7.5 小結(jié)86-87
• 第8章 下肢膝、踝關(guān)節(jié)剛度與膝、踝負荷的關(guān)系研究87-94
• 8.1 前言87-88
• 8.2 研究方法88-89
• 8.2.1 受試者88
• 8.2.2 三維運動學數(shù)據(jù)采集88-89
• 8.2.3 計算機仿真89
• 8.2.4 膝、踝關(guān)節(jié)沖擊動力學評估89
• 8.3 結(jié)果89-91
• 8.4 分析與討論91-93
• 8.5 小結(jié)93-94
• 第9章 結(jié)束語94-98
• 9.1 現(xiàn)實意義94
• 9.2 特色與創(chuàng)新點94-95
• 9.3 結(jié)論與建議95-97
• 9.4 不足與未來的研究方向97-98
• 參考文獻98-112
• 致謝112-113
• 個人科研經(jīng)歷113

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中國博士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 肖曉飛;體操自由操落地下肢負荷及影響因素研究[D];上海體育學院;2015年

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本文編號：953118