基于ADAMS.LifeMoD人體落地動(dòng)作的動(dòng)力學(xué)仿真與驗(yàn)證

李旭鴻，郝衛(wèi)亞，肖曉飛，吳成亮

(1.浙江體育科學(xué)研究所，浙江 杭州 310004；2.國(guó)家體育總局 體育科學(xué)研究所，北京 100061)

·運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)·

基于ADAMS.LifeMoD人體落地動(dòng)作的動(dòng)力學(xué)仿真與驗(yàn)證

李旭鴻1，郝衛(wèi)亞2，肖曉飛2，吳成亮2

(1.浙江體育科學(xué)研究所，浙江 杭州 310004；2.國(guó)家體育總局 體育科學(xué)研究所，北京 100061)

摘要：基于人體運(yùn)動(dòng)仿真軟件LifeMoD建立人體個(gè)性化的三維多剛體動(dòng)力學(xué)模型，該模型包括19個(gè)環(huán)節(jié)和50個(gè)自由度。對(duì)受試者的落地過(guò)程進(jìn)行動(dòng)作捕捉、運(yùn)動(dòng)學(xué)解析、動(dòng)力學(xué)仿真，并完成仿真結(jié)果與三維測(cè)力臺(tái)的驗(yàn)證。結(jié)果表明該模型具有很好的可信度，可以用來(lái)研究人體落地沖擊過(guò)程的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)特性。

關(guān)鍵詞：LifeMoD；地面反作用力；運(yùn)動(dòng)捕捉；仿真與驗(yàn)證

收稿日期：2014-07-09

作者簡(jiǎn)介：李旭鴻(1976-)，男，副研究員，博士，主要從事人體運(yùn)動(dòng)的生物力學(xué)仿真.

文章編號(hào)：1004-3624(2015)01-0114-03

中圖分類號(hào):G804.66

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract:A three dimensional multi-body dynamic model of the subject-specific human was developed using the software ADAMS and LifeMoD, and this model include 19 segments and 50 degree of freedom. Jump landing of the subject was captured, kinematic parsed and dynamics simulation. The results was tested and proved to valid and feasible with 3D force-plate. It is shown that the simulation model has a good reliability, and it can be used to study the kinematics and dynamics of the human landing under impact loads.

基金項(xiàng)目：浙江省體育局備戰(zhàn)2012奧運(yùn)和2013全運(yùn)會(huì)體育科研攻關(guān)課題項(xiàng)目

Simulation and Validation of Human Model in Landings

Based on ADAMS.LifeMoD

LI Xu-hong1, HAO Wei-ya2，XIAO Xiao-fei2,WU Chen-liang2

(1.Zhejiang Research Institute of Sport Science， Hangzhou 310004， China；

2.China Institute of Sport Science, Beijing 100061， China)

Key words:LifeMoD; ground reaction force; motion capture; simulation and validation

0前言

在眾多的體育活動(dòng)中，不管是與人們?nèi)粘Ｉ钕⑾⑾嚓P(guān)的周期性落地(如走、跑、跳)，還是競(jìng)技比賽場(chǎng)上的制動(dòng)性落地(如體操)都面臨著一定的沖擊負(fù)荷。通常情況下，人體利用下肢關(guān)節(jié)屈曲過(guò)程中肌肉的主動(dòng)收縮和骨骼的變形來(lái)吸收和衰減承受的沖擊負(fù)荷，進(jìn)而避免運(yùn)動(dòng)損傷[1]。其實(shí)人體在體育鍛煉過(guò)程中每一次與地面接觸都需要承受1~3倍自身體重的地面反作用力[2]，而在高速跑跳過(guò)程中，這一沖擊力有時(shí)會(huì)高達(dá)自身體重的8倍以上。殊不知較大的沖擊力和較高的負(fù)載率(loading rate)有時(shí)會(huì)超出人體肌肉骨骼系統(tǒng)承受的生理極限，進(jìn)而增加了下肢損傷的發(fā)生率[3]。所以，過(guò)去幾十年間體育科學(xué)和運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的人們一直認(rèn)為跑跳過(guò)程中較高的沖擊載荷可能是導(dǎo)致下肢損傷的主要原因之一[4-6]。然而，近期的研究發(fā)現(xiàn)雖然較大的被動(dòng)沖擊對(duì)人體的肌肉骨骼系統(tǒng)造成潛在的影響，但并不足以成為運(yùn)動(dòng)損傷的根本原因[7-8]。 因此現(xiàn)階段，一些專家學(xué)者針對(duì)人體落地沖擊方面的生物力學(xué)研究開(kāi)始不僅僅局限于沖擊力本身，而是進(jìn)一步考慮沖擊力的作用效果以及人體肌肉骨骼系統(tǒng)對(duì)此的綜合反應(yīng)[9]。但目前對(duì)人體肌骨系統(tǒng)在沖擊過(guò)程中承受內(nèi)在負(fù)荷的研究，通常都是建構(gòu)在人體模型的基礎(chǔ)之上。所以，首先要確定人體模型的合理性和有效性，方能進(jìn)一步考慮獲取的內(nèi)在負(fù)荷是否真實(shí)、可信?；蛟S將理論模型與實(shí)驗(yàn)研究整合在一起，能更好地理解和探索落地沖擊引起人體下肢損傷的生物力學(xué)機(jī)制[10]。

本文通過(guò)人體運(yùn)動(dòng)仿真軟件ADAMS. LifeMoD建立人體模型，利用紅外高速捕捉系統(tǒng)和高速攝像完成不同高度落地動(dòng)作的采集，隨后計(jì)算機(jī)仿真獲取落地過(guò)程的地面反作用力，且與三維測(cè)力臺(tái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較和相似度研究，驗(yàn)證基于ADAMS. LifeMoD建立人體模型的有效性。

1研究方法

1.1運(yùn)動(dòng)捕捉

受試對(duì)象是1名體育院校學(xué)生(24歲，170cm，70kg)，如圖1所示。利用高速紅外運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)(Motion Analysis)和2臺(tái)高速攝像機(jī)(SONY)對(duì)其完成的落地跳實(shí)驗(yàn)進(jìn)行同步采集，兩者的采樣頻率均為200Hz，標(biāo)定框架為PEAK，落地高度分別為40cm和80cm。受試者首先穿鞋進(jìn)行準(zhǔn)備活動(dòng)，熟練后赤腳(barefoot)完成實(shí)驗(yàn)且無(wú)向上和向前的跳躍動(dòng)作。2塊三維測(cè)力臺(tái)(Kistler)置于厚度為20cm的落地墊下面記錄人體落地過(guò)程承受的地面反作用力，其采樣頻率為1 000Hz。人體關(guān)節(jié)點(diǎn)的選取如圖2所示，通過(guò)解析獲取人體運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)。

1.2建立模型

圖1　受試者落地實(shí)驗(yàn)示意圖

利用人體運(yùn)動(dòng)仿真軟件LifeMoD，創(chuàng)建19個(gè)環(huán)節(jié)50個(gè)自由度的人體模型[11,12]，通過(guò)基于Python腳本語(yǔ)言的接口插件，把三維運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)導(dǎo)入人體模型中，并對(duì)初始狀態(tài)進(jìn)行平衡分析和空間姿態(tài)的匹配，最終完成模型的建立。

圖2　人體關(guān)節(jié)點(diǎn)的選取示意圖

1.3仿真流程與簡(jiǎn)易優(yōu)化

從數(shù)據(jù)文件中讀取初始位置、載荷和邊界條件，設(shè)置仿真時(shí)間與步長(zhǎng)，進(jìn)行逆向動(dòng)力學(xué)運(yùn)算。隨后模型在關(guān)節(jié)力矩的驅(qū)動(dòng)下與地面產(chǎn)生交互作用，獲得人體落地的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。仿真結(jié)束后，將仿真結(jié)果(GRF)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，且對(duì)兩者的垂直方向上的GRF曲線開(kāi)展相似度(復(fù)相關(guān)系數(shù)CMC)評(píng)價(jià)[13]。其中復(fù)相關(guān)系數(shù)(公式1)定義為：

(1)

式中是曲線的條數(shù)，是每條曲線中含有數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)，是第條曲線的第個(gè)數(shù)據(jù)，是條曲線的第個(gè)數(shù)據(jù)的平均值，是條曲線個(gè)數(shù)據(jù)的總體均值。最后，如果仿真結(jié)果不合理則需要調(diào)整相關(guān)參數(shù)，進(jìn)行簡(jiǎn)易的優(yōu)化最終得到最優(yōu)的仿真效果[12]。

2結(jié)果與分析

首先，利用高速攝像機(jī)和高速紅外運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)對(duì)人體40cm高度的落地過(guò)程進(jìn)行同步采集，分別展開(kāi)仿真后得到垂直方向上的GRF(高速攝像機(jī)和motion系統(tǒng))并與三維測(cè)力臺(tái)上記錄的數(shù)據(jù)(Kistler)進(jìn)行比較和相似度描述，結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩者的仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)試之間的相似度CMC分別為0.906和0.964。同時(shí)，兩者的GRF峰值與測(cè)力臺(tái)最大差值為13.93N，到達(dá)GRF峰值的時(shí)間平均相差3ms(圖3所示)。表明兩種攝像系統(tǒng)采集到的運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)可以有效的應(yīng)用到人體運(yùn)動(dòng)仿真研究中，且能較好地呈現(xiàn)出人體實(shí)際的落地動(dòng)作。

其次，僅使用高速攝像機(jī)對(duì)人體40cm和80cm高度的落地過(guò)程進(jìn)行運(yùn)動(dòng)捕捉，并對(duì)仿真獲取垂直方向上的GRF與三維測(cè)力臺(tái)上記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較與相似度描述。結(jié)果發(fā)現(xiàn)， 40cm和80cm高度上的仿真結(jié)果與測(cè)力臺(tái)之間的相似度分別為0.935和0.967。在40cm 的高度上仿真的GRF峰值與測(cè)力臺(tái)的數(shù)據(jù)非常接近，僅相差6.29N，到達(dá)峰值的時(shí)間比測(cè)力臺(tái)提前6ms。而在80cm的高度上兩者的GRF峰值相差144.87N，是實(shí)測(cè)GRF峰值的3.3%，到達(dá)峰值的時(shí)間卻滯后2ms(圖4所示)。

圖3　兩種采集系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)仿真與測(cè)力臺(tái)上的力值

圖4　三維人工解析數(shù)據(jù)仿真與測(cè)力臺(tái)的力值

最后在運(yùn)動(dòng)學(xué)方面的驗(yàn)證上，課題組還利用Motion計(jì)算80cm高度落地過(guò)程中膝關(guān)節(jié)(以左側(cè)為例)角度變化與其仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩者CMC值為0.98。同時(shí)，兩者均在0.24s達(dá)到最小膝角，且屈曲角度相差8°左右[15]。

綜上所述，無(wú)論利用紅外高速運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)還是高速攝像機(jī)都可以準(zhǔn)確地解析出人體關(guān)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡，并應(yīng)用到人體運(yùn)動(dòng)仿真研究中，且在運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)上都高度相似。另外，從不同的落地高度上也能較好地反映人體運(yùn)動(dòng)過(guò)程，從而進(jìn)一步表明建立的人體模型是合理、可信的。

3結(jié)論與建議

3.1利用高速攝像或高速紅外運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)采集到的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)均可以較好地應(yīng)用到人體運(yùn)動(dòng)仿真研究中，而基于LifeMoD建立19個(gè)環(huán)節(jié)的人體模型是可行和合理的。

3.2通過(guò)簡(jiǎn)易優(yōu)化，結(jié)合外部環(huán)境與人體形成系統(tǒng)模型能較好地反映人體落地動(dòng)作的實(shí)際運(yùn)動(dòng)，并對(duì)高水平運(yùn)動(dòng)員在實(shí)際訓(xùn)練或比賽中的GRF進(jìn)行有效估算。

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