基于人體動(dòng)力學(xué)與網(wǎng)面有限元耦聯(lián)模擬的蹦床起跳動(dòng)作仿真分析方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種基于人體動(dòng)力學(xué)與網(wǎng)面有限元耦聯(lián)模擬的蹦床起跳動(dòng)作仿真分析方法，屬于蹦床運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練輔助技術(shù)領(lǐng)域。該方法包括：建立蹦床的網(wǎng)面有限元模型；建立人體動(dòng)力學(xué)模型，并將人體動(dòng)力學(xué)模型與網(wǎng)面有限元模型耦合；通過(guò)仿真分析獲得目標(biāo)運(yùn)動(dòng)員蹦床起跳動(dòng)作的人體動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)。本發(fā)明能準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)人、網(wǎng)耦合的動(dòng)力學(xué)模擬，并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)員蹦床網(wǎng)面起跳動(dòng)作的動(dòng)力學(xué)仿真分析，進(jìn)而獲得運(yùn)動(dòng)員蹦床起跳動(dòng)作的人體動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)，為指導(dǎo)運(yùn)動(dòng)員蹦床起跳動(dòng)作技術(shù)提供依據(jù)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
基于人體動(dòng)力學(xué)與網(wǎng)面有限元耦聯(lián)模擬的蹦床起跳動(dòng)作仿真 分析方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于人體動(dòng)力學(xué)與網(wǎng)面有限元耦聯(lián)模擬的蹦床起跳動(dòng)作仿真分 析方法，尤其適用于研究運(yùn)動(dòng)員的技術(shù)動(dòng)作，屬于蹦床運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練輔助技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 據(jù)
【申請(qǐng)人】所知，蹦床運(yùn)動(dòng)早已成為奧運(yùn)會(huì)的正式比賽項(xiàng)目，在該項(xiàng)運(yùn)動(dòng)中，人體在 蹦床上的跳躍是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，屬于動(dòng)力學(xué)范疇。
[0003]
【申請(qǐng)人】曾于2013年發(fā)表了兩篇會(huì)議論文:《蹦床網(wǎng)面的載荷實(shí)驗(yàn)和有限元建?！泛?《蹦床的有限元建模及最佳起跳周期的模擬計(jì)算》，在文中介紹了先將蹦床網(wǎng)面進(jìn)行有限元 建模，再以模型進(jìn)行模擬計(jì)算得出結(jié)果的基本方法。該方法結(jié)合動(dòng)力學(xué)仿真和計(jì)算機(jī)模擬 方法來(lái)研究起跳動(dòng)作最佳化的問(wèn)題，能指導(dǎo)優(yōu)化蹦床運(yùn)動(dòng)員起跳動(dòng)作。
[0004]此后，
【申請(qǐng)人】把研究重點(diǎn)集中在人體的動(dòng)力學(xué)建模上，通過(guò)人、網(wǎng)模型的耦合研 究，探索改進(jìn)運(yùn)動(dòng)員的起跳技術(shù)、并使之達(dá)到最佳化的途徑和方法。
[0005] ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System)軟件是由美國(guó)機(jī) 械動(dòng)力公司(Mechanical System)開(kāi)發(fā)的機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真軟件，是目前應(yīng)用最廣泛的動(dòng) 力學(xué)軟件之一。利用ADAMS軟件，用戶可以方便、快速的建立完全參數(shù)的機(jī)械模型。LifeMOD 軟件是ADAMS關(guān)于生物力學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)插件，可用于建立包含肌肉系統(tǒng)的人體動(dòng)力學(xué)模型。
【申請(qǐng)人】曾發(fā)表多篇與此相關(guān)的文獻(xiàn)： 蘇楊，錢(qián)競(jìng)光，宋雅偉.LifeMOD在運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)中的應(yīng)用[J].南京體育學(xué)院學(xué)報(bào)：自 然科學(xué)版，2007, 6(4): 1-3。
[0006] 張健馳，錢(qián)競(jìng)光.女子蹦床"811團(tuán)"動(dòng)作生物力學(xué)分析[J].南京體育學(xué)院學(xué)報(bào)：自 然科學(xué)版，2012，11(5) :45-48。
[0007] 李廣凱，錢(qián)競(jìng)光.江蘇省蹦床運(yùn)動(dòng)員周馨怡網(wǎng)上起跳動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析[A].全國(guó) 運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)學(xué)術(shù)交流大會(huì)[C], 2012。
[0008] 陳敏，王濤，錢(qián)競(jìng)光.我國(guó)優(yōu)秀男子蹦床運(yùn)動(dòng)員網(wǎng)上起跳動(dòng)作技術(shù)特征分析[J].南 京體育學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2014，13(4) :44-48。
[0009] 戎科，錢(qián)競(jìng)光.運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)仿真建模軟件LifeMOD和OpenSim的建模比較[J].南 京體育學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2015(5) :38-42。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是:克服現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，提供一種基于人體動(dòng) 力學(xué)與網(wǎng)面有限元耦聯(lián)模擬的蹦床起跳動(dòng)作仿真分析方法，獲得運(yùn)動(dòng)員蹦床起跳動(dòng)作的人 體動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)(如肌肉力量等），為指導(dǎo)運(yùn)動(dòng)員蹦床起跳動(dòng)作技術(shù)提供依據(jù)。
[0011] 本發(fā)明解決前述技術(shù)問(wèn)題的技術(shù)方案如下： 一種基于人體動(dòng)力學(xué)與網(wǎng)面有限元耦聯(lián)模擬的蹦床起跳動(dòng)作仿真分析方法，其特征 是，包括以下步驟： 第一步、建立蹦床的網(wǎng)面有限元模型： 51. 統(tǒng)計(jì)蹦床網(wǎng)面周?chē)鷱椈傻姆N類(lèi)、數(shù)量以及位置，并測(cè)量各種類(lèi)彈簧的彈性系數(shù);對(duì) 蹦床網(wǎng)面中心處進(jìn)行靜載荷力學(xué)特性測(cè)試，得到靜載荷與蹦床網(wǎng)面中心處下沉位移的關(guān) 系； 52. 采用ANSYS軟件和ADAMS軟件聯(lián)合建立蹦床的網(wǎng)面有限元模型，其中，在該模型所 模擬蹦床網(wǎng)面的中心區(qū)域建立預(yù)設(shè)尺寸的模擬的剛性板； 第二步、建立人體動(dòng)力學(xué)模型，并將人體動(dòng)力學(xué)模型與網(wǎng)面有限元模型耦合： T1.采用兩數(shù)碼攝像機(jī)，固定各數(shù)碼攝像機(jī)的拍攝位置，并設(shè)定各數(shù)碼攝像機(jī)的拍攝 速度； T2.將解析框架放置于蹦床網(wǎng)面上，兩數(shù)碼攝像機(jī)同時(shí)對(duì)解析框架進(jìn)行拍攝，并得到 解析框架視頻;之后撤下解析框架，由目標(biāo)運(yùn)動(dòng)員在同一蹦床網(wǎng)面上做蹦床運(yùn)動(dòng)動(dòng)作，同時(shí) 由兩數(shù)碼攝像機(jī)分別進(jìn)行拍攝，并得到運(yùn)動(dòng)視頻;該運(yùn)動(dòng)視頻中包含目標(biāo)運(yùn)動(dòng)員的壓網(wǎng)過(guò) 程，所述壓網(wǎng)過(guò)程為從該運(yùn)動(dòng)員開(kāi)始觸網(wǎng)到蹦床網(wǎng)面降至最低點(diǎn)的過(guò)程； T3.采用APAS解析軟件，對(duì)解析框架視頻和運(yùn)動(dòng)視頻分別進(jìn)行解析，并用解析框架的 所有預(yù)設(shè)標(biāo)記點(diǎn)標(biāo)定目標(biāo)運(yùn)動(dòng)員各關(guān)節(jié)的坐標(biāo)，進(jìn)而獲得目標(biāo)運(yùn)動(dòng)員各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù) 據(jù);將所述運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)ifeMOD軟件能識(shí)別的slf格式文件； T4.運(yùn)行LifeMOD軟件并輸入T3所得文件中的運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)、并建立目標(biāo)運(yùn)動(dòng)員的人體 動(dòng)力學(xué)模型，然后把人體動(dòng)力學(xué)模型所含人體模型的腳與第一步所模擬的蹦床網(wǎng)面創(chuàng)建接 觸，實(shí)現(xiàn)人體動(dòng)力學(xué)模型與網(wǎng)面有限元模型的耦合； 第三步、通過(guò)仿真分析獲得目標(biāo)運(yùn)動(dòng)員蹦床起跳動(dòng)作的人體動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)： U1.采用LifeMOD軟件在人體動(dòng)力學(xué)模型所含人體模型上添加重力，之后根據(jù)第二步 T3所得運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行反向動(dòng)力學(xué)仿真，并由人體模型的各關(guān)節(jié)單元以及各肌肉單元分別 記錄自身的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)； U2.采用LifeMOD軟件在人體模型上建立跟蹤因子，之后根據(jù)U1所記錄數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)人體 模型進(jìn)行正向動(dòng)力學(xué)仿真分析，并獲得人體動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù);仿真分析方法結(jié)束。
[0012] 本發(fā)明進(jìn)一步完善的技術(shù)方案如下： 優(yōu)選地，第一步S2的具體過(guò)程為： 首先，采用ANSYS軟件模擬蹦床網(wǎng)面，并得到MNF格式的模態(tài)中性文件； 然后，將模態(tài)中性文件導(dǎo)入ADAMS軟件的ADAMS/F1 ex模塊，使ADAMS軟件根據(jù)該模態(tài)中 性文件模擬蹦床網(wǎng)面； 接著，采用ADAMS軟件，在模擬的蹦床網(wǎng)面周?chē)⑷舾蓸?biāo)記點(diǎn)，在該蹦床網(wǎng)面邊緣建 立與各標(biāo)記點(diǎn)對(duì)應(yīng)的結(jié)點(diǎn)，并以模擬彈簧連接對(duì)應(yīng)的標(biāo)記點(diǎn)和結(jié)點(diǎn);這些模擬彈簧的種類(lèi)、 數(shù)量以及位置與S1的統(tǒng)計(jì)結(jié)果相同，且各種類(lèi)模擬彈簧的彈性系數(shù)與S1的測(cè)量結(jié)果相同； 最后，采用ADAMS軟件，在該蹦床網(wǎng)面的中心區(qū)域建立預(yù)設(shè)尺寸的模擬的剛性板，并將 該剛性板邊緣與該蹦床網(wǎng)面進(jìn)行鎖定。
[0013] 更優(yōu)選地，所述模態(tài)中性文件含有蹦床網(wǎng)面的構(gòu)件參數(shù);所述構(gòu)件參數(shù)包括:柔性 體的幾何參數(shù)，該幾何參數(shù)包括蹦床網(wǎng)面內(nèi)各節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)與連通性;蹦床網(wǎng)面內(nèi)各節(jié) 點(diǎn)的質(zhì)量與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;蹦床網(wǎng)面的各階模態(tài);蹦床網(wǎng)面的模態(tài)廣義質(zhì)量和廣義速度。
[0014] 采用以上優(yōu)選方案，即能更好地建立蹦床的網(wǎng)面有限元模型，利于在后續(xù)步驟中 獲得更加準(zhǔn)確的人體動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)。
[0015] 采用ADAMS軟件，在模擬的蹦床網(wǎng)面中心處加載靜載荷A，并模擬蹦床網(wǎng)面的下沉 過(guò)程，得出該蹦床網(wǎng)面中心處的下沉位移知;之后，根據(jù)S1所得靜載荷與蹦床網(wǎng)面中心處下 沉位移的關(guān)系，得出加載靜載荷A時(shí)靜載實(shí)驗(yàn)的蹦床網(wǎng)面中心處實(shí)際下沉位移δ?;最后，計(jì)
，.誤差ε小于8%。
[0016] 采用以上優(yōu)選方案，可進(jìn)一步確保所建立模型的準(zhǔn)確性。
[0017]優(yōu)選地，第二步Τ1的具體過(guò)程為： 采用兩數(shù)碼攝像機(jī)，固定各數(shù)碼攝像機(jī)的拍攝位置，使各數(shù)碼攝像機(jī)的主光軸分別平 行于蹦床網(wǎng)面、且分別與過(guò)蹦床網(wǎng)面中心點(diǎn)的垂向直線相交，并使兩數(shù)碼攝像機(jī)主光軸之 間的夾角為90 °，且一數(shù)碼攝像機(jī)位于蹦床正面，另一數(shù)碼攝像機(jī)位于蹦床側(cè)面;同時(shí)，將各 數(shù)碼攝像機(jī)的拍攝速度分別設(shè)定為100幀/秒。
[0018]優(yōu)選地，第二步Τ4的具體過(guò)程為： 采用Li feMOD軟件依次進(jìn)行:根據(jù)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)員的人體形態(tài)參數(shù)建立人體骨骼模型;在人 體骨骼模型上建立關(guān)節(jié)連接和肌肉，得到人體模型；將T3所得文件中的運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)加載至 人體模型上，在人體模型上添加運(yùn)動(dòng)因子、并驅(qū)動(dòng)人體模型中各個(gè)節(jié)點(diǎn)和模型塊沿著由運(yùn) 動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)形成的軌跡線進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，從而建立運(yùn)動(dòng)副;運(yùn)行平衡分析，使人體模型能按照運(yùn)動(dòng) 副的軌跡運(yùn)動(dòng)，從而獲得人體動(dòng)力學(xué)模型；創(chuàng)建人體動(dòng)力學(xué)模型中人體的腳和第一步所模 擬的蹦床網(wǎng)面之間的接觸，實(shí)現(xiàn)人體動(dòng)力學(xué)模型與網(wǎng)面有限元模型的耦合。
[0019] 更優(yōu)選地，T2中，解析框架為三維DLT輻射框架；T3中，APAS解析軟件為Ariel Dynamics公司開(kāi)發(fā)的Ariel Performance Analysis System動(dòng)作分析系統(tǒng)；T4中，目標(biāo)運(yùn) 動(dòng)員的人體形態(tài)參數(shù)包括性別、身高、體重、年齡。
[0020] 優(yōu)選地，第三步U2中，所述人體動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)均為隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù);所述人體動(dòng)力 學(xué)數(shù)據(jù)包括目標(biāo)運(yùn)動(dòng)員與蹦床網(wǎng)面的接觸力數(shù)據(jù)；目標(biāo)運(yùn)動(dòng)員的下肢關(guān)節(jié)力數(shù)據(jù)；目標(biāo)運(yùn) 動(dòng)員的下肢肌肉力和肌肉拉伸長(zhǎng)度數(shù)據(jù)。
[0021 ]更優(yōu)選地，接觸力包括左腳接觸力和右腳接觸力； 下肢關(guān)節(jié)力包括左髖關(guān)節(jié)力、右髖關(guān)節(jié)力、左膝關(guān)節(jié)力、右膝關(guān)節(jié)力、左踝關(guān)節(jié)力以及 右踩關(guān)節(jié)力； 下肢肌肉力和肌肉拉伸長(zhǎng)度包括左臀大肌肌肉力和肌肉拉伸長(zhǎng)度、右臀大肌肌肉力和 肌肉拉伸長(zhǎng)度、左股四頭肌群內(nèi)側(cè)肌肉力和肌肉拉伸長(zhǎng)度、左股四頭肌群外側(cè)肌肉力和肌 肉拉伸長(zhǎng)度、右股四頭肌群內(nèi)側(cè)肌肉力和肌肉拉伸長(zhǎng)度、右股四頭肌群外側(cè)肌肉力和肌肉 拉伸長(zhǎng)度、左腓腸肌內(nèi)側(cè)肌肉力和肌肉拉伸長(zhǎng)度、左腓腸肌外側(cè)肌肉力和肌肉拉伸長(zhǎng)度、右 腓腸肌內(nèi)側(cè)肌肉力和肌肉拉伸長(zhǎng)度、右腓腸肌外側(cè)肌肉力和肌肉拉伸長(zhǎng)度、左比目魚(yú)肌肌 肉力和肌肉拉伸長(zhǎng)度以及右比目魚(yú)肌肌肉力和肌肉拉伸長(zhǎng)度。
[0022]優(yōu)選地，第二步T3中，采用APAS解析軟件解析后還得到了目標(biāo)運(yùn)動(dòng)員髖關(guān)節(jié)和膝 關(guān)節(jié)的角度變化數(shù)據(jù)。
[0023]
【申請(qǐng)人】經(jīng)深入實(shí)踐研究發(fā)現(xiàn)，雖然現(xiàn)有技術(shù)中已經(jīng)存在了采用LifeMOD軟件建立 人體動(dòng)力學(xué)模型的技術(shù)手段，但是這并不能滿足蹦床運(yùn)動(dòng)研究的需求，還需要能準(zhǔn)確模擬 蹦床網(wǎng)面、并確保蹦床模型與人體模型耦合后能得出準(zhǔn)確人體動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)的技術(shù)手段。在 此基礎(chǔ)上，
【申請(qǐng)人】在反復(fù)實(shí)踐研究后終于得出了本發(fā)明技術(shù)方案，既能準(zhǔn)確模擬蹦床網(wǎng)面， 又能確保蹦床模型與人體模型耦合后能得出準(zhǔn)確的人體動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)。
[0024] 本發(fā)明能準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)人、網(wǎng)耦合的動(dòng)力學(xué)模擬，并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)員蹦床網(wǎng)面起跳動(dòng)作的 動(dòng)力學(xué)仿真分析，進(jìn)而獲得運(yùn)動(dòng)員蹦床起跳動(dòng)作的人體動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)，為指導(dǎo)運(yùn)動(dòng)員蹦床起 跳動(dòng)作技術(shù)提供依據(jù)。
【附圖說(shuō)明】
[0025] 圖1為本發(fā)明【具體實(shí)施方式】試驗(yàn)案例的網(wǎng)面有限元模型。
[0026] 圖2為本發(fā)明【具體實(shí)施方式】試驗(yàn)案例的解析框架圖。
[0027] 圖3為本發(fā)明【具體實(shí)施方式】試驗(yàn)案例中運(yùn)動(dòng)員壓網(wǎng)過(guò)程的遠(yuǎn)角圖。
[0028] 圖4為本發(fā)明【具體實(shí)施方式】試驗(yàn)案例中在人體骨骼模型上建立關(guān)節(jié)連接后的模型 示意圖。
[0029] 圖5為本發(fā)明【具體實(shí)施方式】試驗(yàn)案例中在人體骨骼模型上建立肌肉后的模型示意 圖。
[0030] 圖6為本發(fā)明【具體實(shí)施方式】試驗(yàn)案例中人體模型建立運(yùn)動(dòng)副后的模型示意圖。
[0031] 圖7為本發(fā)明【具體實(shí)施方式】試驗(yàn)案例中人體動(dòng)力學(xué)模型與網(wǎng)面有限元模型耦合后 的示意圖。
[0032] 圖8為本發(fā)明【具體實(shí)施方式】試驗(yàn)案例中運(yùn)動(dòng)員與網(wǎng)面的接觸力隨時(shí)間變化圖。
[0033] 圖9、圖10為本發(fā)明【具體實(shí)施方式】試驗(yàn)案例中運(yùn)動(dòng)員的下肢關(guān)節(jié)力隨時(shí)間變化圖。
[0034] 圖11至圖14為本發(fā)明【具體實(shí)施方式】試驗(yàn)案例中運(yùn)動(dòng)員的下肢肌肉力和肌肉拉伸 長(zhǎng)度隨時(shí)間變化圖。
【具體實(shí)施方式】
[0035] 下面參照附圖并結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。但是本發(fā)明不限于所給 出的例子。
[0036] 本發(fā)明具體實(shí)施時(shí)采用的基于人體動(dòng)力學(xué)與網(wǎng)面有限元耦聯(lián)模擬的蹦床起跳動(dòng) 作仿真分析方法，包括： 第一步、建立蹦床的網(wǎng)面有限元模型： S1.統(tǒng)計(jì)蹦床網(wǎng)面周?chē)鷱椈傻姆N類(lèi)、數(shù)量以及位置，并測(cè)量各種類(lèi)彈簧的彈性系數(shù);對(duì) 蹦床網(wǎng)面中心處進(jìn)行靜載荷力學(xué)特性測(cè)試，得到靜載荷與蹦床網(wǎng)面中心處下沉位移的關(guān) 系。
[0037] S2.采用ANSYS軟件和ADAMS軟件聯(lián)合建立蹦床的網(wǎng)面有限元模型，其中，在該模 型所模擬蹦床網(wǎng)面的中心區(qū)域建立預(yù)設(shè)尺寸的模擬的剛性板。
[0038] S2的具體過(guò)程為： 首先，采用ANSYS軟件模擬蹦床網(wǎng)面，并得到MNF格式的模態(tài)中性文件； 該模態(tài)中性文件含有蹦床網(wǎng)面的構(gòu)件參數(shù);所述構(gòu)件參數(shù)包括:柔性體的幾何參數(shù)，該 幾何參數(shù)包括蹦床網(wǎng)面內(nèi)各節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)與連通性;蹦床網(wǎng)面內(nèi)各節(jié)點(diǎn)的質(zhì)量與轉(zhuǎn)動(dòng)慣 量;蹦床網(wǎng)面的各階模態(tài);蹦床網(wǎng)面的模態(tài)廣義質(zhì)量和廣義速度。
[0039] 然后，將模態(tài)中性文件導(dǎo)入ADAMS軟件的ADAMS/Flex模塊，使ADAMS軟件根據(jù)該模 態(tài)中性文件模擬蹦床網(wǎng)面； 接著，采用ADAMS軟件，在模擬的蹦床網(wǎng)面周?chē)⑷舾蓸?biāo)記點(diǎn)，在該蹦床網(wǎng)面邊緣建 立與各標(biāo)記點(diǎn)對(duì)應(yīng)的結(jié)點(diǎn)，并以模擬彈簧連接對(duì)應(yīng)的標(biāo)記點(diǎn)和結(jié)點(diǎn);這些模擬彈簧的種類(lèi)、 數(shù)量以及位置與S1的統(tǒng)計(jì)結(jié)果相同，且各種類(lèi)模擬彈簧的彈性系數(shù)與S1的測(cè)量結(jié)果相同； 最后，采用ADAMS軟件，在該蹦床網(wǎng)面的中心區(qū)域建立預(yù)設(shè)尺寸的模擬的剛性板，并將 該剛性板邊緣與該蹦床網(wǎng)面進(jìn)行鎖定。
[0040] S2所建立的網(wǎng)面有限元模型符合如下條件： 采用ADAMS軟件，在模擬的蹦床網(wǎng)面中心處加載靜載荷A，并模擬蹦床網(wǎng)面的下沉過(guò)程， 得出該蹦床網(wǎng)面中心處的下沉位移Sa;之后，根據(jù)S1所得靜載荷與蹦床網(wǎng)面中心處下沉位 移的關(guān)系，得出加載靜載荷A時(shí)靜載實(shí)驗(yàn)的蹦床網(wǎng)面中心處實(shí)際下沉位移δ?;最后，計(jì)算誤
，.誤差ε小于8%。
[0041] 第二步、建立人體動(dòng)力學(xué)模型，并將人體動(dòng)力學(xué)模型與網(wǎng)面有限元模型耦合： Τ1.采用兩數(shù)碼攝像機(jī)，固定各數(shù)碼攝像機(jī)的拍攝位置，并設(shè)定各數(shù)碼攝像機(jī)的拍攝 速度。
[0042] Τ1的具體過(guò)程為： 采用兩數(shù)碼攝像機(jī)，固定各數(shù)碼攝像機(jī)的拍攝位置，使各數(shù)碼攝像機(jī)的主光軸分別平 行于蹦床網(wǎng)面、且分別與過(guò)蹦床網(wǎng)面中心點(diǎn)的垂向直線相交，并使兩數(shù)碼攝像機(jī)主光軸之 間的夾角為90 °，且一數(shù)碼攝像機(jī)位于蹦床正面，另一數(shù)碼攝像機(jī)位于蹦床側(cè)面;同時(shí)，將各 數(shù)碼攝像機(jī)的拍攝速度分別設(shè)定為100幀/秒。
[0043] Τ2.將解析框架放置于蹦床網(wǎng)面上，兩數(shù)碼攝像機(jī)同時(shí)對(duì)解析框架進(jìn)行拍攝，并 得到解析框架視頻;之后撤下解析框架，由目標(biāo)運(yùn)動(dòng)員在同一蹦床網(wǎng)面上做蹦床運(yùn)動(dòng)動(dòng)作， 同時(shí)由兩數(shù)碼攝像機(jī)分別進(jìn)行拍攝，并得到運(yùn)動(dòng)視頻;該運(yùn)動(dòng)視頻中包含目標(biāo)運(yùn)動(dòng)員的壓 網(wǎng)過(guò)程，所述壓網(wǎng)過(guò)程為從該運(yùn)動(dòng)員開(kāi)始觸網(wǎng)到蹦床網(wǎng)面降至最低點(diǎn)的過(guò)程。
[0044] Τ3.采用APAS解析軟件，對(duì)解析框架視頻和運(yùn)動(dòng)視頻分別進(jìn)行解析，并用解析框 架的所有預(yù)設(shè)標(biāo)記點(diǎn)標(biāo)定目標(biāo)運(yùn)動(dòng)員各關(guān)節(jié)的坐標(biāo)，進(jìn)而獲得目標(biāo)運(yùn)動(dòng)員各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)學(xué) 數(shù)據(jù);將所述運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)ifeMOD軟件能識(shí)別的slf格式文件。
[0045] 此外，T3中，采用APAS解析軟件解析后還得到了目標(biāo)運(yùn)動(dòng)員髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的角 度變化數(shù)據(jù)。
[0046] T4.運(yùn)行LifeMOD軟件并輸入T3所得文件中的運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)、并建立目標(biāo)運(yùn)動(dòng)員的 人體動(dòng)力學(xué)模型，然后把人體動(dòng)力學(xué)模型所含人體模型的腳與第一步所模擬的蹦床網(wǎng)面創(chuàng) 建接觸，實(shí)現(xiàn)人體動(dòng)力學(xué)模型與網(wǎng)面有限元模型的耦合。
[0047] T4的具體過(guò)程為： 采用Li feMOD軟件依次進(jìn)行:根據(jù)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)員的人體形態(tài)參數(shù)建立人體骨骼模型;在人 體骨骼模型上建立關(guān)節(jié)連接和肌肉，得到人體模型；將T3所得文件中的運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)加載至 人體模型上，在人體模型上添加運(yùn)動(dòng)因子、并驅(qū)動(dòng)人體模型中各個(gè)節(jié)點(diǎn)和模型塊沿著由運(yùn) 動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)形成的軌跡線進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，從而建立運(yùn)動(dòng)副;運(yùn)行平衡分析，使人體模型能按照運(yùn)動(dòng) 副的軌跡運(yùn)動(dòng)，從而獲得人體動(dòng)力學(xué)模型；創(chuàng)建人體動(dòng)力學(xué)模型中人體的腳和第一步所模 擬的蹦床網(wǎng)面之間的接觸，實(shí)現(xiàn)人體動(dòng)力學(xué)模型與網(wǎng)面有限元模型的耦合。
[0048] 具體而言，T2中，解析框架為三維DLT輻射框架；T3中，APAS解析軟件為Ariel Dynamics公司開(kāi)發(fā)的Ariel Performance Analysis System動(dòng)作分析系統(tǒng)；T4中，目標(biāo)運(yùn) 動(dòng)員的人體形態(tài)參數(shù)包括性別、身高、體重、年齡。
[0049] 第三步、通過(guò)仿真分析獲得目標(biāo)運(yùn)動(dòng)員蹦床起跳動(dòng)作的人體動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)： U1.采用LifeMOD軟件在人體動(dòng)力學(xué)模型所含人體模型上添加重力，之后根據(jù)第二步 T3所得運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行反向動(dòng)力學(xué)仿真，并由人體模型的各關(guān)節(jié)單元以及各肌肉單元分別 記錄自身的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。
[0050] U2.采用LifeMOD軟件在人體模型上建立跟蹤因子，之后根據(jù)U1所記錄數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng) 人體模型進(jìn)行正向動(dòng)力學(xué)仿真分析，并獲得人體動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù);仿真分析方法結(jié)束。
[0051] U2中，所述人體動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)均為隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù);所述人體動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)包括目 標(biāo)運(yùn)動(dòng)員與蹦床網(wǎng)面的接觸力數(shù)據(jù)；目標(biāo)運(yùn)動(dòng)員的下肢關(guān)節(jié)力數(shù)據(jù)；目標(biāo)運(yùn)動(dòng)員的下肢肌 肉力和肌肉拉伸長(zhǎng)度數(shù)據(jù)。
[0052]其中，接觸力包括左腳接觸力和右腳接觸力； 下肢關(guān)節(jié)力包括左髖關(guān)節(jié)力、右髖關(guān)節(jié)力、左膝關(guān)節(jié)力、右膝關(guān)節(jié)力、左踝關(guān)節(jié)力以及 右踩關(guān)節(jié)力； 下肢肌肉力和肌肉拉伸長(zhǎng)度包括左臀大肌肌肉力和肌肉拉伸長(zhǎng)度、右臀大肌肌肉力和 肌肉拉伸長(zhǎng)度、左股四頭肌群內(nèi)側(cè)肌肉力和肌肉拉伸長(zhǎng)度、左股四頭肌群外側(cè)肌肉力和肌 肉拉伸長(zhǎng)度、右股四頭肌群內(nèi)側(cè)肌肉力和肌肉拉伸長(zhǎng)度、右股四頭肌群外側(cè)肌肉力和肌肉 拉伸長(zhǎng)度、左腓腸肌內(nèi)側(cè)肌肉力和肌肉拉伸長(zhǎng)度、左腓腸肌外側(cè)肌肉力和肌肉拉伸長(zhǎng)度、右 腓腸肌內(nèi)側(cè)肌肉力和肌肉拉伸長(zhǎng)度、右腓腸肌外側(cè)肌肉力和肌肉拉伸長(zhǎng)度、左比目魚(yú)肌肌 肉力和肌肉拉伸長(zhǎng)度以及右比目魚(yú)肌肌肉力和肌肉拉伸長(zhǎng)度。
[0053]試驗(yàn)案例： 針對(duì)某運(yùn)動(dòng)員在預(yù)定蹦床上做蹦床運(yùn)動(dòng)，采用前述方法進(jìn)行仿真分析： (1)執(zhí)行第一步S1，其中： 經(jīng)統(tǒng)計(jì)，蹦床網(wǎng)面周?chē)鷱椈晒?12根，且分粗彈簧和細(xì)彈簧兩種;其中，細(xì)彈簧有104根， 分布在蹦床網(wǎng)面的四邊，粗彈簧有8根，分布于蹦床網(wǎng)面的四角;經(jīng)拉伸實(shí)驗(yàn)測(cè)量粗細(xì)兩種 彈簧的彈性系數(shù)分別是1. l〇KN/m、0.70KN/m。
[0054] (2)執(zhí)行第一步S2,其中： 采用ADAMS軟件在模擬的蹦床網(wǎng)面周?chē)?12個(gè)Marker標(biāo)記點(diǎn)，用1號(hào)彈簧和2號(hào)彈簧 分別連接對(duì)應(yīng)的Marker標(biāo)記點(diǎn)和網(wǎng)面結(jié)點(diǎn)。1號(hào)彈簧和2號(hào)彈簧的彈性系數(shù)分別為 0.6952KN/m、1.109KN/m。
[0055] 采用ADAMS軟件在蹦床中心區(qū)域建立長(zhǎng)寬高為40〇11、20〇11、0.2〇11的剛性板。由于 LifeMOD建立的接觸只能定義剛性接觸，而蹦床網(wǎng)面為尼龍繩編制的彈性網(wǎng)，為了解決模型 的接觸問(wèn)題，在蹦床中心區(qū)域建立了剛性板。
[0056] 最終S2建立的網(wǎng)面有限元模型如圖1所示。經(jīng)驗(yàn)證，該模型符合誤差本小于8%的條 件。
[0057] (3)執(zhí)行第二步T1，其中： 數(shù)碼攝像機(jī)型號(hào)為Casio EX700。
[0058] (4)執(zhí)行第二步T2,其中： 解析框架如圖2所示。運(yùn)動(dòng)員壓網(wǎng)過(guò)程的遠(yuǎn)角圖如圖3所示。運(yùn)動(dòng)視頻為運(yùn)動(dòng)員從人體 最高點(diǎn)時(shí)刻到觸網(wǎng)最低點(diǎn)時(shí)刻的視頻圖像。
[0059] (5)執(zhí)行第二步 Τ3。
[0060] (6)執(zhí)行第二步Τ4,其中： 在人體骨骼模型上建立關(guān)節(jié)連接后的模型如圖4所示。其中骨骼間相連的圓形部分即 為關(guān)節(jié)。
[0061] 在人體骨骼模型上建立肌肉后的模型如圖5所示。把人體軟組織簡(jiǎn)化成118個(gè)肌 群，附著在骨骼上的解剖學(xué)標(biāo)志點(diǎn)上。
[0062] 人體模型建立運(yùn)動(dòng)副后如圖6所示。
[0063]人體動(dòng)力學(xué)模型與網(wǎng)面有限元模型耦合后如圖7所示。
[0064] (7)執(zhí)行第三步譏和1]2。
[0065]所得結(jié)果分析如下。
[0066]執(zhí)行第二步Τ3后，影像解析數(shù)據(jù)表明，運(yùn)動(dòng)員著網(wǎng)瞬間已經(jīng)處于屈髖屈膝姿勢(shì)， 髖、膝角度分別為140，5度和141.1度，并在保持一定剛度的情況下入網(wǎng)，這樣能夠有效避免 緩沖動(dòng)作引起的能量損耗，有利于充分利用人體高空落下的動(dòng)能，沖擊式壓網(wǎng)，加大網(wǎng)面向 下的變形。
[0067]執(zhí)行第三步U2后，可得到運(yùn)動(dòng)員在此次運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的人體動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)，本試驗(yàn)案 例定義垂直軸(y方向）是與身體長(zhǎng)軸平行，垂直于地面的軸;矢狀軸(ζ方向）是呈前后方向， 與身體長(zhǎng)軸垂直相交;額狀軸(X方向）呈左右方向，與身體的垂直軸和矢狀軸垂直相交的 軸。以運(yùn)動(dòng)員觸網(wǎng)時(shí)刻為t〇時(shí)刻。
[0068] 1、運(yùn)動(dòng)員與網(wǎng)面的接觸力 運(yùn)動(dòng)員與網(wǎng)面的接觸力就是運(yùn)動(dòng)員在蹦床運(yùn)動(dòng)中所受的外力，接觸過(guò)程中運(yùn)動(dòng)員的重 力勢(shì)能逐步轉(zhuǎn)為網(wǎng)面的彈性勢(shì)能。圖8顯示了運(yùn)動(dòng)員與網(wǎng)面接觸時(shí)的足底應(yīng)力，也即接觸 力。數(shù)據(jù)表明，運(yùn)動(dòng)員左右腳與網(wǎng)面接觸時(shí)接觸力并不相等，隨著與網(wǎng)面接觸過(guò)程，左右腳 接觸力依次增大。左腳接觸力最大時(shí)約為3400N，右腳接觸力最大時(shí)約為2900N。左、右腳接 觸力最大時(shí)分別達(dá)到其體重的6.6倍和5.6倍。顯然，運(yùn)動(dòng)員通過(guò)兩腳不同用力方式為起跳 后轉(zhuǎn)體動(dòng)作提供動(dòng)力。
[0069] 2、運(yùn)動(dòng)員的下肢關(guān)節(jié)力 LifeMOD軟件給出了髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)的受力，分別如圖9、圖10所示。
[0070] 由圖9、圖10可以看出，運(yùn)動(dòng)員在此次跳躍過(guò)程中下肢髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)的關(guān) 節(jié)力，可以看出右下肢的關(guān)節(jié)力大于左下肢的關(guān)節(jié)力。右下肢各關(guān)節(jié)力在姿勢(shì)調(diào)整過(guò)程中 逐漸變大，與網(wǎng)面接觸時(shí)達(dá)到最大值3000-4000N，后又慢慢減小。左下肢各關(guān)節(jié)中，踝關(guān)節(jié) 受的力最小約為550N，且沒(méi)有大幅度變化。膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)的力在與網(wǎng)面接觸前逐步減小， 觸網(wǎng)瞬間達(dá)到最小值1050N和1450N，與網(wǎng)面接觸后迅速增大到1600N。
[0071] 數(shù)據(jù)表明，運(yùn)動(dòng)員在著網(wǎng)瞬間，右下肢各關(guān)節(jié)力達(dá)到最大值，這種整個(gè)人體保持一 定剛度的入網(wǎng)技術(shù)，能夠有效避免任何緩沖動(dòng)作引起的能量損耗，有利于充分利用人體高 空落下的動(dòng)能，形成沖擊式壓網(wǎng)，加大網(wǎng)面向下的變形。因?yàn)樵撨\(yùn)動(dòng)員完成的動(dòng)作是空翻加 轉(zhuǎn)體的動(dòng)作，所以其左右用力不均衡，左腿在著網(wǎng)瞬間，各關(guān)節(jié)力達(dá)到最小值，有明顯的緩 沖現(xiàn)象，著網(wǎng)后發(fā)力蹬網(wǎng)關(guān)節(jié)力增加到最大值。兩腳網(wǎng)面壓力不均等形成轉(zhuǎn)體的動(dòng)力。
[0072] 3、下肢主要肌肉力量 研究運(yùn)動(dòng)員下肢的主要肌肉力量，有助于分析其動(dòng)作規(guī)律。在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，運(yùn)動(dòng)員臀大 肌受力如圖11所示。
[0073] 可以看出臀大肌在此次跳躍過(guò)程中的肌肉拉伸力和肌肉的拉伸長(zhǎng)度。在運(yùn)動(dòng)開(kāi)始 是左右臀大肌保持在50N，隨著動(dòng)作進(jìn)入著網(wǎng)階段，臀大肌的拉伸力逐漸增大，觸網(wǎng)瞬間，達(dá) 到最大值380N，這有利于保持入網(wǎng)時(shí)人體的剛度。與網(wǎng)面接觸后，臀大肌的拉伸力逐漸減小 到100N。在臀大肌肌肉拉伸力最大時(shí)，臀大肌伸長(zhǎng)約28mm。左右臀大肌的拉伸力、拉伸長(zhǎng)度 基本均衡。
[0074] 股四頭肌群有外側(cè)肌和內(nèi)側(cè)肌，從圖12可以看出股四頭肌群在此次跳躍過(guò)程中的 肌肉拉伸力和肌肉的拉伸長(zhǎng)度。開(kāi)始時(shí)，股四頭肌群內(nèi)外側(cè)的拉伸力較小，隨著姿勢(shì)調(diào)整逐 漸變化。觸網(wǎng)瞬間肌力達(dá)到壓網(wǎng)過(guò)程的低值點(diǎn)，肌群表現(xiàn)出退讓性收縮特征，在與網(wǎng)面接觸 后，股四頭肌群的拉伸力迅速增大，進(jìn)入克制性收縮狀態(tài)，兩腿該肌群的發(fā)力時(shí)機(jī)、運(yùn)動(dòng)趨 勢(shì)和用力程度趨于同步。股四頭肌是壓網(wǎng)階段的主要發(fā)力肌群，其拉伸力較其他肌肉大，最 大約為780N，此時(shí)拉伸長(zhǎng)度約為60mm。
[0075] 腓腸肌有外側(cè)肌和內(nèi)側(cè)肌，從圖13可以看出腓腸肌肌群在此次跳躍過(guò)程中的肌肉 拉伸力和肌肉的拉伸長(zhǎng)度。左腓腸肌內(nèi)側(cè)的拉伸力一直是190N。在姿勢(shì)調(diào)整的過(guò)程中，腓腸 肌由拉力變?yōu)槭湛s力后又變?yōu)槔炝?，肌肉呈現(xiàn)退讓性工作狀態(tài)。在觸網(wǎng)瞬間拉伸力達(dá)到 峰值220N，入網(wǎng)后，肌肉轉(zhuǎn)入克制性收縮，肌力由拉伸力逐漸減小轉(zhuǎn)為收縮力，最小達(dá)到-300N，加強(qiáng)踝關(guān)節(jié)背屈，把網(wǎng)面壓向最底點(diǎn)。此時(shí)的肌肉長(zhǎng)度變化為25_。
[0076] 從圖14可以看出，比目魚(yú)肌在此次跳躍過(guò)程中的肌肉拉伸力和肌肉的拉伸長(zhǎng)度。 在運(yùn)動(dòng)開(kāi)始是右比目魚(yú)肌保持在75N，隨著姿勢(shì)的調(diào)整逐漸增大，在觸網(wǎng)瞬間達(dá)到到380N， 與網(wǎng)面接觸后進(jìn)入克制性收縮階段，肌肉長(zhǎng)度縮短，拉伸力逐漸減小到75N，參與踝關(guān)節(jié)背 屈的壓網(wǎng)動(dòng)作，其拉伸長(zhǎng)度最長(zhǎng)為28mm。左比目魚(yú)肌的肌肉拉力一直維持在75N的低拉伸力 狀態(tài)。
[0077] 綜上所述，影像解析數(shù)據(jù)表明，運(yùn)動(dòng)員著網(wǎng)瞬間膝、髖、肩關(guān)節(jié)保持一定的彎曲姿 勢(shì)，即身體保持一定剛度的入網(wǎng)技術(shù)。模擬數(shù)據(jù)表明，運(yùn)動(dòng)員腳底與網(wǎng)面接觸力左右不均 等，左腳腳接觸力最大時(shí)約為3400N，右腳接觸力最大時(shí)約為2900N。分別達(dá)到體重的6.6倍 和5.6倍。壓網(wǎng)過(guò)程中，左右下肢各關(guān)節(jié)力呈現(xiàn)不同的特征，著網(wǎng)瞬間，右腿各關(guān)節(jié)力達(dá)到最 大值，具有剛性入網(wǎng)特征，左腿各關(guān)節(jié)力達(dá)到最小值，有明顯的緩沖現(xiàn)象。兩腿臀大肌、股四 頭肌、腓腸肌的發(fā)力時(shí)機(jī)、運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)和用力程度趨于同步，臀大肌、股四頭肌最大力值分別 達(dá)到380N和780N，是壓網(wǎng)階段的主要發(fā)力肌群。腓腸肌由拉力變?yōu)槭湛s力后又變?yōu)槔炝Γ?拉伸力峰值達(dá)到220N，收縮力達(dá)到-300N。兩腿的比目魚(yú)肌用力程度、時(shí)機(jī)和方式都有明顯 不同，是造成兩腿關(guān)節(jié)力和網(wǎng)面接觸力不同的原因，為騰空后的轉(zhuǎn)體動(dòng)作提供了動(dòng)力。
[0078] 本試驗(yàn)案例采用綜合建立蹦床的網(wǎng)面有限元模型和人體動(dòng)力學(xué)模型方法，實(shí)現(xiàn)了 人、網(wǎng)耦合的動(dòng)力學(xué)模擬，成功進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)員蹦床網(wǎng)面起跳動(dòng)作的動(dòng)力學(xué)仿真分析，同時(shí)獲 得運(yùn)動(dòng)員相關(guān)肌肉力量數(shù)據(jù)和網(wǎng)面應(yīng)力響應(yīng)數(shù)據(jù)，為研究運(yùn)動(dòng)員蹦床起跳動(dòng)作技術(shù)提供依 據(jù)。
[0079] 除上述實(shí)施例外，本發(fā)明還可以有其他實(shí)施方式。凡采用等同替換或等效變換形 成的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明要求的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于人體動(dòng)力學(xué)與網(wǎng)面有限元耦聯(lián)模擬的蹦床起跳動(dòng)作仿真分析方法，其特征 是，包括以下步驟： 第一步、建立蹦床的網(wǎng)面有限元模型：51. 統(tǒng)計(jì)蹦床網(wǎng)面周?chē)鷱椈傻姆N類(lèi)、數(shù)量以及位置，并測(cè)量各種類(lèi)彈簧的彈性系數(shù);對(duì) 蹦床網(wǎng)面中心處進(jìn)行靜載荷力學(xué)特性測(cè)試，得到靜載荷與蹦床網(wǎng)面中心處下沉位移的關(guān) 系；52. 采用ANSYS軟件和ADAMS軟件聯(lián)合建立蹦床的網(wǎng)面有限元模型，其中，在該模型所 模擬蹦床網(wǎng)面的中心區(qū)域建立預(yù)設(shè)尺寸的模擬的剛性板； 第二步、建立人體動(dòng)力學(xué)模型，并將人體動(dòng)力學(xué)模型與網(wǎng)面有限元模型耦合： T1.采用兩數(shù)碼攝像機(jī)，固定各數(shù)碼攝像機(jī)的拍攝位置，并設(shè)定各數(shù)碼攝像機(jī)的拍攝 速度； T2.將解析框架放置于蹦床網(wǎng)面上，兩數(shù)碼攝像機(jī)同時(shí)對(duì)解析框架進(jìn)行拍攝，并得到 解析框架視頻;之后撤下解析框架，由目標(biāo)運(yùn)動(dòng)員在同一蹦床網(wǎng)面上做蹦床運(yùn)動(dòng)動(dòng)作，同時(shí) 由兩數(shù)碼攝像機(jī)分別進(jìn)行拍攝，并得到運(yùn)動(dòng)視頻;該運(yùn)動(dòng)視頻中包含目標(biāo)運(yùn)動(dòng)員的壓網(wǎng)過(guò) 程，所述壓網(wǎng)過(guò)程為從該運(yùn)動(dòng)員開(kāi)始觸網(wǎng)到蹦床網(wǎng)面降至最低點(diǎn)的過(guò)程； T3.采用APAS解析軟件，對(duì)解析框架視頻和運(yùn)動(dòng)視頻分別進(jìn)行解析，并用解析框架的 所有預(yù)設(shè)標(biāo)記點(diǎn)標(biāo)定目標(biāo)運(yùn)動(dòng)員各關(guān)節(jié)的坐標(biāo)，進(jìn)而獲得目標(biāo)運(yùn)動(dòng)員各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù) 據(jù);將所述運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)ifeMOD軟件能識(shí)別的slf格式文件； T4.運(yùn)行LifeMOD軟件并輸入T3所得文件中的運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)、并建立目標(biāo)運(yùn)動(dòng)員的人體 動(dòng)力學(xué)模型，然后把人體動(dòng)力學(xué)模型所含人體模型的腳與第一步所模擬的蹦床網(wǎng)面創(chuàng)建接 觸，實(shí)現(xiàn)人體動(dòng)力學(xué)模型與網(wǎng)面有限元模型的耦合； 第三步、通過(guò)仿真分析獲得目標(biāo)運(yùn)動(dòng)員蹦床起跳動(dòng)作的人體動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)： U1.采用LifeMOD軟件在人體動(dòng)力學(xué)模型所含人體模型上添加重力，之后根據(jù)第二步 T3所得運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行反向動(dòng)力學(xué)仿真，并由人體模型的各關(guān)節(jié)單元以及各肌肉單元分別 記錄自身的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)； U2.采用LifeMOD軟件在人體模型上建立跟蹤因子，之后根據(jù)U1所記錄數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)人體 模型進(jìn)行正向動(dòng)力學(xué)仿真分析，并獲得人體動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù);仿真分析方法結(jié)束。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于人體動(dòng)力學(xué)與網(wǎng)面有限元耦聯(lián)模擬的蹦床起跳動(dòng)作仿真 分析方法，其特征是，第一步S2的具體過(guò)程為： 首先，采用ANSYS軟件模擬蹦床網(wǎng)面，并得到MNF格式的模態(tài)中性文件； 然后，將模態(tài)中性文件導(dǎo)入ADAMS軟件的ADAMS/Flex模塊，使ADAMS軟件根據(jù)該模態(tài)中 性文件模擬蹦床網(wǎng)面； 接著，采用ADAMS軟件，在模擬的蹦床網(wǎng)面周?chē)⑷舾蓸?biāo)記點(diǎn)，在該蹦床網(wǎng)面邊緣建 立與各標(biāo)記點(diǎn)對(duì)應(yīng)的結(jié)點(diǎn)，并以模擬彈簧連接對(duì)應(yīng)的標(biāo)記點(diǎn)和結(jié)點(diǎn);這些模擬彈簧的種類(lèi)、 數(shù)量以及位置與S1的統(tǒng)計(jì)結(jié)果相同，且各種類(lèi)模擬彈簧的彈性系數(shù)與S1的測(cè)量結(jié)果相同； 最后，采用ADAMS軟件，在該蹦床網(wǎng)面的中心區(qū)域建立預(yù)設(shè)尺寸的模擬的剛性板，并將 該剛性板邊緣與該蹦床網(wǎng)面進(jìn)行鎖定。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于人體動(dòng)力學(xué)與網(wǎng)面有限元耦聯(lián)模擬的蹦床起跳動(dòng)作仿真 分析方法，其特征是，所述模態(tài)中性文件含有蹦床網(wǎng)面的構(gòu)件參數(shù);所述構(gòu)件參數(shù)包括:柔 性體的幾何參數(shù)，該幾何參數(shù)包括蹦床網(wǎng)面內(nèi)各節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)與連通性;蹦床網(wǎng)面內(nèi)各 節(jié)點(diǎn)的質(zhì)量與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;蹦床網(wǎng)面的各階模態(tài);蹦床網(wǎng)面的模態(tài)廣義質(zhì)量和廣義速度。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于人體動(dòng)力學(xué)與網(wǎng)面有限元耦聯(lián)模擬的蹦床起跳動(dòng)作仿真 分析方法，其特征是，第一步S2所建立的網(wǎng)面有限元模型符合如下條件： 采用ADAMS軟件，在模擬的蹦床網(wǎng)面中心處加載靜載荷A，并模擬蹦床網(wǎng)面的下沉過(guò)程， 得出該蹦床網(wǎng)面中心處的下沉位移Sa;之后，根據(jù)S1所得靜載荷與蹦床網(wǎng)面中心處下沉位 移的關(guān)系，得出加載靜載荷A時(shí)靜載實(shí)驗(yàn)的蹦床網(wǎng)面中心處實(shí)際下沉位移δ?;最后，計(jì)算誤 差β ~ ^ /^ U-，誤差ε小于8%。 d t5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于人體動(dòng)力學(xué)與網(wǎng)面有限元耦聯(lián)模擬的蹦床起跳動(dòng)作仿真 分析方法，其特征是，第二步T1的具體過(guò)程為： 采用兩數(shù)碼攝像機(jī)，固定各數(shù)碼攝像機(jī)的拍攝位置，使各數(shù)碼攝像機(jī)的主光軸分別平 行于蹦床網(wǎng)面、且分別與過(guò)蹦床網(wǎng)面中心點(diǎn)的垂向直線相交，并使兩數(shù)碼攝像機(jī)主光軸之 間的夾角為90 °，且一數(shù)碼攝像機(jī)位于蹦床正面，另一數(shù)碼攝像機(jī)位于蹦床側(cè)面;同時(shí)，將各 數(shù)碼攝像機(jī)的拍攝速度分別設(shè)定為100幀/秒。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于人體動(dòng)力學(xué)與網(wǎng)面有限元耦聯(lián)模擬的蹦床起跳動(dòng)作仿真 分析方法，其特征是，第二步T4的具體過(guò)程為： 采用LifeMOD軟件依次進(jìn)行:根據(jù)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)員的人體形態(tài)參數(shù)建立人體骨骼模型;在人 體骨骼模型上建立關(guān)節(jié)連接和肌肉，得到人體模型；將T3所得文件中的運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)加載至 人體模型上，在人體模型上添加運(yùn)動(dòng)因子、并驅(qū)動(dòng)人體模型中各個(gè)節(jié)點(diǎn)和模型塊沿著由運(yùn) 動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)形成的軌跡線進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，從而建立運(yùn)動(dòng)副;運(yùn)行平衡分析，使人體模型能按照運(yùn)動(dòng) 副的軌跡運(yùn)動(dòng)，從而獲得人體動(dòng)力學(xué)模型；創(chuàng)建人體動(dòng)力學(xué)模型中人體的腳和第一步所模 擬的蹦床網(wǎng)面之間的接觸，實(shí)現(xiàn)人體動(dòng)力學(xué)模型與網(wǎng)面有限元模型的耦合。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于人體動(dòng)力學(xué)與網(wǎng)面有限元耦聯(lián)模擬的蹦床起跳動(dòng)作仿真 分析方法，其特征是，T2中，解析框架為三維DLT輻射框架；T3中，APAS解析軟件為Ariel Dynamics公司開(kāi)發(fā)的Ariel Performance Analysis System動(dòng)作分析系統(tǒng)；T4中，目標(biāo)運(yùn) 動(dòng)員的人體形態(tài)參數(shù)包括性別、身高、體重、年齡。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于人體動(dòng)力學(xué)與網(wǎng)面有限元耦聯(lián)模擬的蹦床起跳動(dòng)作仿真 分析方法，其特征是，第三步U2中，所述人體動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)均為隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù);所述人體 動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)包括目標(biāo)運(yùn)動(dòng)員與蹦床網(wǎng)面的接觸力數(shù)據(jù)；目標(biāo)運(yùn)動(dòng)員的下肢關(guān)節(jié)力數(shù)據(jù)；目 標(biāo)運(yùn)動(dòng)員的下肢肌肉力和肌肉拉伸長(zhǎng)度數(shù)據(jù)。9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于人體動(dòng)力學(xué)與網(wǎng)面有限元耦聯(lián)模擬的蹦床起跳動(dòng)作仿真 分析方法，其特征是，接觸力包括左腳接觸力和右腳接觸力； 下肢關(guān)節(jié)力包括左髖關(guān)節(jié)力、右髖關(guān)節(jié)力、左膝關(guān)節(jié)力、右膝關(guān)節(jié)力、左踝關(guān)節(jié)力以及 右踩關(guān)節(jié)力； 下肢肌肉力和肌肉拉伸長(zhǎng)度包括左臀大肌肌肉力和肌肉拉伸長(zhǎng)度、右臀大肌肌肉力和 肌肉拉伸長(zhǎng)度、左股四頭肌群內(nèi)側(cè)肌肉力和肌肉拉伸長(zhǎng)度、左股四頭肌群外側(cè)肌肉力和肌 肉拉伸長(zhǎng)度、右股四頭肌群內(nèi)側(cè)肌肉力和肌肉拉伸長(zhǎng)度、右股四頭肌群外側(cè)肌肉力和肌肉 拉伸長(zhǎng)度、左腓腸肌內(nèi)側(cè)肌肉力和肌肉拉伸長(zhǎng)度、左腓腸肌外側(cè)肌肉力和肌肉拉伸長(zhǎng)度、右 腓腸肌內(nèi)側(cè)肌肉力和肌肉拉伸長(zhǎng)度、右腓腸肌外側(cè)肌肉力和肌肉拉伸長(zhǎng)度、左比目魚(yú)肌肌 肉力和肌肉拉伸長(zhǎng)度以及右比目魚(yú)肌肌肉力和肌肉拉伸長(zhǎng)度。10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于人體動(dòng)力學(xué)與網(wǎng)面有限元耦聯(lián)模擬的蹦床起跳動(dòng)作仿 真分析方法，其特征是，第二步T3中，采用APAS解析軟件解析后還得到了目標(biāo)運(yùn)動(dòng)員髖關(guān)節(jié) 和膝關(guān)節(jié)的角度變化數(shù)據(jù)。
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK105868506SQ201610269087
【公開(kāi)日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2016年4月25日
【發(fā)明人】錢(qián)競(jìng)光, 李兆霞
【申請(qǐng)人】錢(qián)競(jìng)光, 李兆霞