基于三維動(dòng)態(tài)捕捉系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)護(hù)腕防護(hù)性能研究

吳旭波，謝 紅，王燕珍，汪世奎，曹蕊超

（上海工程技術(shù)大學(xué)，上海201620）

手腕是人體活動(dòng)最頻繁的關(guān)節(jié)之一，也是在運(yùn)動(dòng)過程中較易受傷的關(guān)節(jié)之一，正是因?yàn)槭滞蟮念l繁活動(dòng)以及易受傷等特性，人們在運(yùn)動(dòng)過程中都會(huì)通過佩戴護(hù)腕來保護(hù)手腕?，F(xiàn)階段市場上有各種品牌的護(hù)腕在售賣，但是在護(hù)腕的商品介紹中只有關(guān)于材料成分以及符合GB 18401《國家紡織產(chǎn)品基本安全技術(shù)規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)的介紹，而對于護(hù)腕實(shí)際的防護(hù)性能的參數(shù)并沒有介紹，而實(shí)際上在目前對護(hù)腕以及護(hù)具等研究中，也只是從面料的性能角度來進(jìn)行研究，從生物力學(xué)角度出發(fā)研究護(hù)具防護(hù)性能的還較少。本文通過三維動(dòng)態(tài)捕捉系統(tǒng)，以球撞擊人體為例，從生物力學(xué)角度初步研究護(hù)腕對人體的防護(hù)性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)護(hù)腕

通過對比市場所售的護(hù)腕面料及款式，挑選三種相同厚度不同彈性的護(hù)腕作為本次實(shí)驗(yàn)的研究對象，1號實(shí)驗(yàn)護(hù)腕是現(xiàn)在市場上最常見的棉質(zhì)護(hù)腕，2號實(shí)驗(yàn)護(hù)腕為國內(nèi)某品牌生產(chǎn)的彈性護(hù)腕，3號實(shí)驗(yàn)護(hù)腕為美國某知名護(hù)具品牌生產(chǎn)的纏繞式護(hù)腕，在實(shí)驗(yàn)之前對于三款護(hù)腕的基本參數(shù)進(jìn)行了測量（見表1）。

從表1中可以看出，三款護(hù)腕中只有2號護(hù)腕中加入了彈性纖維氨綸，因此這款護(hù)腕的彈性回復(fù)率明顯優(yōu)于其余兩款護(hù)腕，而另外兩款護(hù)腕的彈性回復(fù)率幾乎相同。

表1 三款護(hù)腕的基本參數(shù)

1.2 實(shí)驗(yàn)對象

因?yàn)樽o(hù)腕對人體的防護(hù)性能并不因人體身材尺寸的變化而變化，因此，本實(shí)驗(yàn)選取一名中等身材男子來模擬球撞擊人體實(shí)驗(yàn)，男子身高175 cm，體重65kg。

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)選取NDI三維運(yùn)動(dòng)測量系統(tǒng)，此系統(tǒng)可以通過高速攝像頭捕捉人體運(yùn)動(dòng)，并通過標(biāo)記在人體上的發(fā)光點(diǎn)來測得人體關(guān)節(jié)在運(yùn)動(dòng)過程中的運(yùn)動(dòng)軌跡，以三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)形式直接輸出到Excel表進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。其高速攝像頭的精度可達(dá)到0.1mmRMS，分辨率為0.01mmRMS，可同時(shí)采集512個(gè)mark點(diǎn)以及170個(gè)剛體，并且一個(gè)高速攝像頭的攝像空間約在26m3左右，因此完全可以滿足人體進(jìn)行正常的運(yùn)動(dòng)而不受限制，此三維運(yùn)動(dòng)測量系統(tǒng)可以在精確的程度下進(jìn)行對人體運(yùn)動(dòng)過程中人體各關(guān)節(jié)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)采集。

1.4 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)包括運(yùn)動(dòng)過程中三維數(shù)據(jù)捕捉以及數(shù)據(jù)的客觀計(jì)算分析。

本實(shí)驗(yàn)主要探究護(hù)腕對人體手腕的防護(hù)性能，因此在人體手腕內(nèi)外側(cè)黏貼兩個(gè)mark點(diǎn)標(biāo)記為mark1，mark2；并且在籃球朝向測量系統(tǒng)一邊的表面中心位置黏貼一個(gè)mark點(diǎn)標(biāo)記為mark3。

測試者以不帶護(hù)腕以及佩戴護(hù)腕1、2、3號模擬籃球撞擊人體實(shí)驗(yàn)，籃球在離手腕1.5m高處自由落體撞擊人體，一共進(jìn)行4組人體測量實(shí)驗(yàn)，每組實(shí)驗(yàn)設(shè)定捕捉時(shí)間為1s（1s＝100幀），每組實(shí)驗(yàn)設(shè)定重復(fù)10次，從中選取數(shù)據(jù)最穩(wěn)定的5次進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

1.5 實(shí)驗(yàn)原理

籃球在下落過程中進(jìn)行自由落體運(yùn)動(dòng)，在接觸人體的瞬間被反彈進(jìn)行加速度為重力加速度（9.8m／s2）的勻減速運(yùn)動(dòng)，直至籃球速度為0后下落至地面。在整個(gè)籃球運(yùn)動(dòng)過程中，滿足牛頓第二定律－動(dòng)量守恒定律。因此，運(yùn)用動(dòng)量守恒定律即可計(jì)算出籃球在接觸人體后的動(dòng)量，從而反映出人體對籃球的動(dòng)量吸收大小，通過佩戴不同性能的護(hù)腕來進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn)，通過動(dòng)量被吸收的大小來反應(yīng)護(hù)腕對人體的保護(hù)效果。

2 結(jié)果與分析

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

三維動(dòng)態(tài)捕捉系統(tǒng)原點(diǎn)定義在攝像頭探測范圍內(nèi)的空間某一點(diǎn)，規(guī)定人體面向攝像頭站立是前后方向?yàn)閄軸，左右方向?yàn)閅軸，上下方向?yàn)閆軸。在此次模擬實(shí)驗(yàn)中，籃球下落做自由落體運(yùn)動(dòng)撞擊人體，主要在垂直方向即Z軸上的數(shù)據(jù)有大的變動(dòng)，并且經(jīng)過前期計(jì)算，籃球在1.5m高處進(jìn)行自由落體運(yùn)動(dòng)，根據(jù)牛頓第二定律可以計(jì)算出籃球在下落的0.55s后接觸人體，并且在接觸人體前的垂直方向的末速度為5.42m／s，因此，本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)截取0.5～0.6s時(shí)間段內(nèi)球接觸人體以及反彈過程垂直方向數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2.2 籃球運(yùn)動(dòng)過程中相關(guān)參數(shù)提取

在整個(gè)模擬實(shí)驗(yàn)中，籃球的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為自由落體運(yùn)動(dòng)，接觸人體后進(jìn)行加速度為9.8m／s2的勻減速運(yùn)動(dòng)，直至速度為0再次掉落地面。依據(jù)牛頓第二定律，計(jì)算籃球在進(jìn)行自由落體及反彈過程中速度隨時(shí)間變化的情況（見圖1～圖5）。

根據(jù)籃球反彈過程初速度，依據(jù)動(dòng)量守恒定律，計(jì)算籃球在接觸人體后的動(dòng)量以及人體在被撞擊時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)量（見表2）。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：

（1）在沒有佩戴護(hù)腕的情況下，籃球反彈過程的初速度是最大的，佩戴2號護(hù)腕時(shí)，籃球反彈過程的初速度最小，佩戴1號3號護(hù)腕時(shí)，籃球反彈過程的初速度基本相同。

表2 觸體后人體與籃球動(dòng)量變化

（2）三款護(hù)腕佩戴后，籃球在觸體后的動(dòng)量相比于沒有帶護(hù)腕都有一定量的減小，說明護(hù)腕對人體起到了一定的效果，不難看出，佩戴2號護(hù)腕時(shí)籃球的動(dòng)量減少的最多。

（3）人體在沒有佩戴護(hù)腕以及佩戴護(hù)腕后，在被球撞擊的瞬間人體自身產(chǎn)生的動(dòng)量大小也不同，相較于沒有佩戴護(hù)腕來說，佩戴2號護(hù)腕時(shí)人體產(chǎn)生的動(dòng)量最大。

3 結(jié)論

本文測量了沒有佩戴護(hù)腕，佩戴三款不同護(hù)腕4種狀態(tài)下人體受球撞擊過程中人體與球的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，通過牛頓第二定律以及動(dòng)量守恒定律計(jì)算數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：

（1）在相同的撞擊條件下，佩戴護(hù)腕對人體的確有一定的防護(hù)效果。

（2）僅從護(hù)腕的彈性參數(shù)方面考慮，護(hù)腕對人體的防護(hù)性能與護(hù)腕的彈性回復(fù)率呈正相關(guān)。

本文通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析，初步探究了運(yùn)動(dòng)護(hù)腕的彈性回復(fù)率與對人體的防護(hù)性能之間的關(guān)系，為研究運(yùn)動(dòng)護(hù)腕對人體的防護(hù)性能提供了一種客觀的研究方法，并為消費(fèi)者在挑選運(yùn)動(dòng)護(hù)腕時(shí)提供一定的參考。后續(xù)可以通過結(jié)合研究運(yùn)動(dòng)護(hù)腕的尺寸，面料厚薄等參數(shù)來進(jìn)一步完善對運(yùn)動(dòng)護(hù)腕防護(hù)性能的研究。

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