雙杖滑雪手部施力模型仿真分析

崔金鵬，高興華，李建永，劉曉飛，孫其龍

(北華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，吉林 吉林 132021)

近年來(lái)，我國(guó)滑雪運(yùn)動(dòng)相關(guān)研究呈現(xiàn)上升態(tài)勢(shì)[1-2].王素改等[3]通過(guò)大數(shù)據(jù)調(diào)研法總結(jié)了滑雪運(yùn)動(dòng)平衡方式、轉(zhuǎn)彎技術(shù)、動(dòng)作技術(shù)；周君一等[4]從速度、力量方面分析了滑雪運(yùn)動(dòng)員體能訓(xùn)練現(xiàn)狀，探究了體能訓(xùn)練方法；劉瑞等[5]利用文獻(xiàn)檢索法探尋了滑雪運(yùn)動(dòng)員的專項(xiàng)體能特征；耿宇等[6]研究了血流限制與高強(qiáng)度力量組合訓(xùn)練對(duì)運(yùn)動(dòng)員下肢最大肌力的影響；唐琨[7]提出了身體肌肉力量的訓(xùn)練建議，為滑雪運(yùn)動(dòng)員專項(xiàng)訓(xùn)練提供了參考.雖然手部施力已在中醫(yī)骨科[8]、挖掘機(jī)操作手柄設(shè)計(jì)[9]、雙手拉車(chē)肌肉疲勞分析[10]等方面開(kāi)展了研究，但缺少針對(duì)雙杖滑雪[11]手部施力的系統(tǒng)性理論分析.

滑雪運(yùn)動(dòng)前進(jìn)動(dòng)力主要源于滑雪杖的推進(jìn)力，雙杖推進(jìn)的推進(jìn)力由手部、上肢和軀干產(chǎn)生，并通過(guò)滑雪杖傳遞到地面[12].手部握持握柄施力方法是雙杖推進(jìn)技術(shù)的關(guān)鍵，影響滑雪狀態(tài).本文以專業(yè)滑雪運(yùn)動(dòng)員為研究對(duì)象，捕捉多組滑雪姿態(tài)，使用AnyBody軟件[13-14]進(jìn)行生物力學(xué)仿真分析[15-16]，研究手部肌肉施力特征，以獲得最優(yōu)施力方法.本文提出的方法有望作為一種安全科學(xué)的雙杖滑雪握持施力方法加以推廣，可為滑雪運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練提供參考.

1 研究方法

基于人體動(dòng)作捕捉方法，應(yīng)用Kinect骨骼追蹤技術(shù)[17-19]捕捉雙杖滑雪運(yùn)動(dòng)員撐杖、推進(jìn)和滑行3種滑雪姿態(tài)，獲取人體運(yùn)動(dòng)骨骼數(shù)據(jù).通過(guò)骨骼關(guān)節(jié)點(diǎn)角度計(jì)算理論與MATLAB軟件[20-21]求解滑雪運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)點(diǎn)角度，為AnyBody人體模型關(guān)節(jié)點(diǎn)角度設(shè)定提供參數(shù).基于生物力學(xué)和人機(jī)工程學(xué)理論，以AnyBody站立模型與手部骨骼肌肉結(jié)構(gòu)特征為基礎(chǔ)，設(shè)定關(guān)節(jié)點(diǎn)角度參數(shù)，構(gòu)建滑雪模型.以滑雪姿態(tài)和手部載荷為研究變量，應(yīng)用控制變量法進(jìn)行仿真：1)保持滑雪姿態(tài)不變，調(diào)整手部載荷；2)保持手部載荷不變，調(diào)整滑雪姿態(tài).對(duì)比分析仿真結(jié)果，研究滑雪手部肌肉施力特征與滑雪姿態(tài)、手部載荷之間的關(guān)系.

2 滑雪運(yùn)動(dòng)姿態(tài)捕捉

使用Kinect感應(yīng)器采集滑雪運(yùn)動(dòng)員人體信息，運(yùn)行上位機(jī)軟件SDK Browser例程Body Badics-WPF實(shí)現(xiàn)身體成幀讀取.跟蹤感應(yīng)器視角下運(yùn)動(dòng)員滑雪姿態(tài)骨骼信息，追蹤骨骼和關(guān)節(jié)點(diǎn)位置，獲取3組滑雪姿態(tài)的人體骨骼圖，見(jiàn)圖1.

以髖骨和脊髓交點(diǎn)為二維坐標(biāo)系中心原點(diǎn)O(圖1 a)，選取與人體仿真模型相對(duì)應(yīng)的盂肱、肘部、手腕、髖、膝蓋、腳踝6個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)，以二維坐標(biāo)(x，y)格式記錄骨骼關(guān)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，見(jiàn)表1.

表1 不同姿態(tài)關(guān)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)

在滑雪姿態(tài)人體骨骼圖中人體由關(guān)節(jié)點(diǎn)和骨骼組成.從撐杖姿態(tài)身體左側(cè)標(biāo)定骨骼關(guān)節(jié)點(diǎn)，見(jiàn)圖2.其中，A為盂肱關(guān)節(jié)點(diǎn)，B為肘關(guān)節(jié)點(diǎn)，C為手腕關(guān)節(jié)點(diǎn)，D為髖關(guān)節(jié)點(diǎn)，E為膝關(guān)節(jié)點(diǎn)，F(xiàn)為腳踝關(guān)節(jié)點(diǎn)，AB為鎖骨，BC為肱骨.

圖2 撐杖姿態(tài)肩關(guān)節(jié)點(diǎn)矢量

設(shè)定撐杖姿態(tài)時(shí)間點(diǎn)為t1，A點(diǎn)坐標(biāo)為(x1t1，y1t1)，B點(diǎn)坐標(biāo)為(x2t1，y2t1)，C點(diǎn)坐標(biāo)為(x3t1，y3t1).

(1)

(2)

式中：ABt1、BCt1、ACt1分別為t1時(shí)刻肱骨、鎖骨和輔助骨骼長(zhǎng)度；θt1為t1時(shí)刻滑行姿態(tài)盂肱關(guān)節(jié)角.根據(jù)式(1)、式(2)編寫(xiě)MATLAB 3點(diǎn)坐標(biāo)求解程序，獲得3組滑雪姿態(tài)關(guān)節(jié)點(diǎn)角度，見(jiàn)表2.

表2 不同姿態(tài)關(guān)節(jié)點(diǎn)角度

3 滑雪運(yùn)動(dòng)仿真

3.1 仿真模型構(gòu)建

模型包括身體模型和邊界條件(幾何模型).通過(guò)AnyScript 編譯程序調(diào)用AnyBody站立模型，添加邊界條件.參照表3幾何模型尺寸，繪制滑雪杖和滑雪板3D模型，將幾何模型STL格式文件導(dǎo)入AnyBody站立模型中.

表3 幾何模型尺寸

修正幾何模型，匹配人體模型尺寸和位置.設(shè)定ScaleXYZ={0.9，0.9，0.9}，調(diào)整滑雪杖和滑雪板模型尺寸，縮小為原模型的90%；設(shè)定相對(duì)旋轉(zhuǎn)變換矩陣ARel={cos45，sin45，0；-sin45，cos45，0；0，0，1}，調(diào)整幾何模型的相對(duì)方向，使幾何模型角度對(duì)應(yīng)實(shí)際滑雪狀態(tài)；調(diào)整幾何模型重心Jii參數(shù)和SRel相對(duì)位置參數(shù)，得到滑雪運(yùn)動(dòng)模型，見(jiàn)圖3.

圖3 滑雪運(yùn)動(dòng)模型

3.2 姿態(tài)載荷設(shè)定

通過(guò)AnyScript編譯程序，按照表2設(shè)置撐杖姿態(tài)、推進(jìn)姿態(tài)和滑行姿態(tài)關(guān)節(jié)點(diǎn)角度，見(jiàn)圖4.AnyBody站立模型按照真實(shí)人體構(gòu)建，姿態(tài)設(shè)定分為人體的右側(cè)部分和左側(cè)部分，雙杖滑雪運(yùn)動(dòng)屬于人體兩側(cè)協(xié)同運(yùn)動(dòng)，設(shè)置身體左、右關(guān)節(jié)點(diǎn)角度對(duì)稱，完成人體所有關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)置.

滑雪姿態(tài)設(shè)定后，運(yùn)動(dòng)仿真還需要添加手部載荷.人體模型中任意列出的點(diǎn)可以設(shè)定三維力向量，力向量作用范圍是全局坐標(biāo)系，生物力學(xué)仿真可以分析全身肌肉變化.健康成人握力一般能達(dá)到300～500 N，因此，設(shè)定模型撐杖姿態(tài)、推進(jìn)姿態(tài)和滑行姿態(tài)手部施加的載荷分別為300 N和500 N.在模型右手重心點(diǎn)O處添加z軸負(fù)方向的載荷F，見(jiàn)圖5.加載生物力學(xué)仿真程序，手部各肌肉在載荷作用下自由收縮運(yùn)動(dòng)，模擬滑雪手部握持滑雪杖的施力狀態(tài)，進(jìn)行生物力學(xué)仿真，得到手部各肌肉施力大小.

4 結(jié)果與分析

通過(guò)AnyBody生物力學(xué)仿真得到手部肌肉在不同姿態(tài)和載荷下的施力結(jié)果.選擇撐杖姿態(tài)、模型手部添加z軸負(fù)方向500 N載荷下的仿真結(jié)果來(lái)舉例分析，見(jiàn)圖6.結(jié)果可知：在此情況下，大拇指拇長(zhǎng)屈肌施力達(dá)到39.70 N、中指淺表肌達(dá)到25.80 N，起主要施力作用；食指和無(wú)名指肌肉施力略小，起輔助施力作用；小拇指肌肉施力較小，起到手部握姿保持作用.可見(jiàn)，滑雪運(yùn)動(dòng)中手部不同手指肌肉施力相差較大.

多組仿真結(jié)果見(jiàn)圖7.由圖7可知：不同滑雪姿態(tài)和手部載荷對(duì)手部肌肉施力有影響，但手部各肌肉施力相對(duì)合力的占比相對(duì)穩(wěn)定，主要施力肌肉位于大拇指和中指；大拇指拇長(zhǎng)屈肌與大拇指其他兩類肌肉相比施力最大；其他4指淺表肌與指伸肌和深表肌相比施力最大.由于人體機(jī)體結(jié)構(gòu)、生物力學(xué)的原因，滑雪運(yùn)動(dòng)姿態(tài)、手部載荷變化會(huì)對(duì)手部肌肉施力產(chǎn)生影響，仿真結(jié)果證明了該結(jié)論.

滑雪運(yùn)動(dòng)周期包括撐杖姿態(tài)、推進(jìn)姿態(tài)和滑行姿態(tài)，不同姿態(tài)手部肌肉施力存在明顯差異.由圖8可知：在由撐杖、推進(jìn)到滑行的運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)，手部各肌肉施力呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，分析認(rèn)為，運(yùn)動(dòng)員前進(jìn)需要借助手部撐杖的推力，因此，撐杖姿態(tài)手部肌肉施力最大，隨后，手部肌肉施力逐漸變小.綜合多組仿真分析可知，滑雪運(yùn)動(dòng)手部各肌肉施力特征明顯，大拇指和中指位置各肌肉施力占比大，是主要施力區(qū)域.滑雪運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)手部各肌肉施力逐漸減小，各部分肌肉的最大自主收縮伸展趨勢(shì)基本一致.

圖8 運(yùn)動(dòng)周期肌肉施力

5 小 結(jié)

本文通過(guò)生物力學(xué)軟件進(jìn)行滑雪運(yùn)動(dòng)仿真，可為分析手部施力提供理論依據(jù).結(jié)果可知：1)滑雪運(yùn)動(dòng)手部施力主要源于大拇指和中指的肌肉；2)在滑雪運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)，手部各肌肉施力呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)；3)滑雪運(yùn)動(dòng)手部大拇指拇長(zhǎng)屈肌和其他4指淺表肌在每個(gè)手指的3類肌肉中施力最大.

手部各肌肉施力仿真分析結(jié)果符合人機(jī)工程學(xué)和生物運(yùn)動(dòng)學(xué)理論，具有普適性.依據(jù)研究結(jié)論，建議在滑雪運(yùn)動(dòng)中，手部施力以大拇指和中指肌肉為主要發(fā)力點(diǎn)，在撐杖、推進(jìn)、滑行運(yùn)動(dòng)周期中手部施力由大到小，該方法有助于滑雪運(yùn)動(dòng)員提高訓(xùn)練效率，降低發(fā)生意外的風(fēng)險(xiǎn).本文的研究結(jié)果符合滑雪運(yùn)動(dòng)人體肌肉施力的實(shí)際情況，但局限于是軟件仿真，還需要進(jìn)一步開(kāi)展人體手部施力檢測(cè)試驗(yàn)，測(cè)定滑雪運(yùn)動(dòng)中手部的實(shí)際施力情況，進(jìn)一步驗(yàn)證研究結(jié)果，提升可信度，為在滑雪運(yùn)動(dòng)手部施力研究提供更加系統(tǒng)的理論依據(jù)，以推廣安全、科學(xué)、有效的雙杖滑雪握持施力方法.