全民健身下OpenSim仿真預(yù)測三種健身方式的健身效益

摘要：以一名專業(yè)運(yùn)動員從事慢跑、快走、跳繩三種健身方式在相同運(yùn)動量前提下所做機(jī)械功以及關(guān)節(jié)承受載荷為前提進(jìn)行逆向動力學(xué)計算，以此評估不同運(yùn)動帶來的健身效益與運(yùn)動損傷風(fēng)險。將vicon光電系統(tǒng)、Kistler三維測力臺采集到的不同動作的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)數(shù)據(jù)輸入開源軟件OpenSim中進(jìn)行仿真，以仿真結(jié)果為邊界條件反復(fù)進(jìn)行動力學(xué)迭代計算，得到各項指標(biāo)的收斂值。結(jié)果表明：跳繩帶來的健身效益更好；快走與跳繩造成的損傷風(fēng)險更少。從健身效益和損傷風(fēng)險兩個角度對比分析結(jié)果表明：三種健身方式中，跳繩是最佳健身方式。

關(guān)鍵詞：OpenSim 損傷風(fēng)險 機(jī)械功 沖量

中圖分類號：G804 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8902-（2024）-21-104-3-JF

近幾十年，隨著全民健身方針的不斷優(yōu)化升級，全國各地都掀起了一股全民健身運(yùn)動的熱潮。本文根據(jù)北京市體育局推薦的大眾健身指導(dǎo)項目，以慢跑、快走、跳繩三種健身方式為主要研究方向。快走和慢跑受眾極廣，只有部分患有嚴(yán)重疾病的群體不適宜用這兩種方式進(jìn)行鍛煉；跳繩是中國《國家學(xué)生體質(zhì)健康標(biāo)準(zhǔn)》測試的重要指標(biāo)之一，具有簡單易學(xué)的優(yōu)勢，并對練習(xí)者的協(xié)調(diào)平衡能力有一定的提升作用。這三種健身方式在簡單易行地達(dá)到維持身體機(jī)能水平的同時，對練習(xí)者的適用性也最高。但是長期的運(yùn)動也有帶來慢性損傷的風(fēng)險。

動作技術(shù)仿真是當(dāng)下一種新穎的技術(shù)診斷、動作優(yōu)化方法，它通過計算機(jī)建模，建立人體運(yùn)動仿真模型，加以理論力學(xué)與計算機(jī)結(jié)合，得到人體在運(yùn)動過程中完成指定動作時身體環(huán)節(jié)所受的關(guān)節(jié)力、肌肉力等相關(guān)的運(yùn)動學(xué)指標(biāo)以及神經(jīng)肌肉控制模式等，最終結(jié)合生物力學(xué)的理論對人體的運(yùn)動進(jìn)行深入剖析?；诖?，我們使用OpenSim仿真模擬軟件對這三種健身方式進(jìn)行計算機(jī)仿真模擬計算，通過仿真結(jié)果，使鍛煉者量化這三種健身方式帶來的健身效益以及對人體帶來損傷的風(fēng)險。為更好地發(fā)揮健身項目的良好促進(jìn)作用以及有效預(yù)防運(yùn)動損傷提供意見。

1、研究對象與方法

1.1、研究對象

為確保實(shí)驗(yàn)的可靠性，選取1名能標(biāo)準(zhǔn)完成三種運(yùn)動測試動作的高水平運(yùn)動員參與本次研究，實(shí)驗(yàn)開始之前記錄受試者人體形態(tài)學(xué)測量值，具體情況為：性別女性，年齡25歲，體重60kg，BMI22.7。受試者在進(jìn)行正式測試之前有實(shí)驗(yàn)人員對實(shí)驗(yàn)流程進(jìn)行講解，簽署知情同意書，并經(jīng)武漢體育學(xué)院醫(yī)學(xué)倫理委員會批準(zhǔn)（受理編號：2021001）。

1.2、研究方法

（1）實(shí)驗(yàn)設(shè)備。

運(yùn)動學(xué)數(shù)據(jù)采集使用9個攝像頭的Vicon紅外高速攝影系統(tǒng)（Vicon Oxford Metrics，Oxford，簡稱UK），采集頻率200Hz。動力學(xué)數(shù)據(jù)采集使用4塊Kistler測力臺（Kistler Corporation，Ohio，USA），采集地面反作用力（GroundepwaOUIIMAW2N7f4rvEMgw== Reaction Force，GRF），頻率為1000Hz。肌電信號用Noraxon表面肌電系統(tǒng)進(jìn)行采集，采集頻率為1500Hz。三個系統(tǒng)均接入同步控制器，控制設(shè)備對受試者的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行同步采集。并使用Microgate分段計時器和節(jié)拍器控制測試動作的速度和節(jié)奏。

（2）實(shí)驗(yàn)設(shè)計。

受試者在測試環(huán)境下分別完成慢跑、快走、跳繩，每項動作采集三個頻率，每種頻率最少采集三次有效數(shù)據(jù)。其中，慢跑速度分別為：1.5m/s、2.0m/s、3.0m/s、自由速度（2.78m/s），其中速度為3.0m/s的慢跑頻率為120/min；快走速度分別為：0.7m/s、1.4m/s、2.0m/s、自由速度（1.36m/s），其中速度為2.0m/s的快走頻率為120/min；跳繩三組頻率為：110/min、120/min、130/min。

實(shí)驗(yàn)開始前，受試者先進(jìn)行10min的熱身活動，然后依次進(jìn)行慢跑、快走、跳繩測試，每次測試保持20s，一次測試結(jié)束后休息至心率恢復(fù)到安靜水平再進(jìn)行下一項目測試。

（3）數(shù)據(jù)處理與仿真計算。

將VICON動作捕捉系統(tǒng)、Kistler測力臺采集到的不同健身方式受試者下肢的運(yùn)動學(xué)數(shù)據(jù)與地面反作用力（GRF）的值，輸入開源軟件OpenSim4.0中進(jìn)行動作仿真，經(jīng)過仿真，得到不同健身方式受試者下肢膝關(guān)節(jié)力距、股直肌肌力以及仿真模型下肢肌肉募集率等相關(guān)數(shù)據(jù)，確保在仿真過程中OpenSim4.0計算反饋的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的差值在可靠性范圍內(nèi)。

其次，通過Noraxon采集到的肌電信號來驗(yàn)證仿真得到結(jié)果的準(zhǔn)確性，對原始肌電信號在100Hz處進(jìn)行高通濾波，對合成信號進(jìn)行全波整流，在4Hz處進(jìn)行低通濾波，并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，然后與仿真結(jié)果進(jìn)行對比。為驗(yàn)證所選用的模型是否能夠進(jìn)行跳繩動作仿真，根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)，采用表面肌電信號與OpenSim4.0中Computed Muscle Control Tool（簡稱：CMC）工具計算的肌肉激活程度進(jìn)行對比，顯示該模型對跳繩動作的仿真結(jié)果與表面肌電測試系統(tǒng)采集的結(jié)果具有相一致的趨勢，該模型可用于跳繩動作的仿真。

1.3、數(shù)據(jù)計算

（1）機(jī)械功計算。

下肢運(yùn)動時肌肉中ATP被激活，產(chǎn)生收縮力，并通過環(huán)節(jié)運(yùn)動作用于地面產(chǎn)生蹬伸力和機(jī)械功，通過用此機(jī)械功間接反映人體能量消耗的趨勢。從仿真結(jié)果中直接獲取人體重心的運(yùn)動學(xué)數(shù)據(jù)，根據(jù)牛頓第二定律： ，分別從水平（x，水平向前）、垂直（y，垂直地面向上）和橫向（z，垂直x、y軸水平向右）計算不同健身方式下外力的大小，即得到各健身方式的Fxi、Fyi、Fzi系列值；依據(jù)仿真結(jié)果得到Xi、Yi、Zi為不同健身方式分別在水平（x）、垂直（y）、橫向（z）的微小位移；又根據(jù)功的定義計算不同健身方式下外力所做機(jī)械功的大小，即

其中，WX、WY、WZ分別為不同健身方式在水平（x）、垂直（y）、橫向（z）外力所做機(jī)械功，為不同健身方式在三個方向外力所做機(jī)械功絕對值之和。在進(jìn)行機(jī)械功計算時，為方便比較進(jìn)行歸一化處理，對不同健身方式首先選取一個周期的運(yùn)動狀態(tài)進(jìn)行計算，其次在單位時間（1h）內(nèi)進(jìn)行周期性循環(huán)迭代計算，得到時間區(qū)間內(nèi)不同健身方式外力所做機(jī)械功的大小。

（2）峰值負(fù)荷率計算。

動作采集過程中，使用Kistler測力臺測得不同動作腳觸地時地面反作用力的峰值（即GRFv）和GRFv出現(xiàn)的時間（即GRFvt），并通過GRFv出現(xiàn)的斜率計算峰值負(fù)荷率，即GRFv/GRFvt。

（3）沖量計算。

沖量通過力值曲線計算而來，是力值曲線的積分。根據(jù)動作結(jié)構(gòu)的不同，采用分段積分分別討論。本文選取各動作環(huán)節(jié)中單個周期中的被動沖量進(jìn)行比較分析，被動沖量指著地動作中，腳觸地后（即測力臺開始收到GRF的瞬間）50ms內(nèi)地面反作用力與時間的積分值。被動沖量過大會使骨骼關(guān)節(jié)等組織承受過多負(fù)荷，可能會使下肢在運(yùn)動中發(fā)生損傷。根據(jù)VICON結(jié)合Kistler測力臺測得的地面反作用力，計算不同健身方式下被動沖量的值。計算得到的被動沖量均為各運(yùn)動項目在運(yùn)動過程中單個周期中的沖量大小。

2、結(jié)果

2.1、OpenSim仿真結(jié)果

（1）力矩結(jié)果。

使用OpenSim4.0中的lnverse Dynamics Tool（簡稱ID）工具計算膝關(guān)節(jié)力矩值，詳情見表1。所述健身方式中，頻率為1.5m/s的慢跑在運(yùn)動中膝關(guān)節(jié)力矩最大，最大值為286.516 N·m。跳繩運(yùn)動中頻率為110/min的跳繩在運(yùn)動中膝關(guān)節(jié)力矩值最大；快走運(yùn)動中頻率為2.0m/s的快走在運(yùn)動中膝關(guān)節(jié)力矩值最大。

（2）肌肉力結(jié)果。

仿真發(fā)現(xiàn)所述健身方式中股直肌肌力最大的是速度為3.0m/s的慢跑運(yùn)動，最大值為1513.010N。跳繩運(yùn)動中頻率為120/min的跳繩在運(yùn)動中股直肌肌力最大；快走運(yùn)動中頻率為2.0m/s的快走在運(yùn)動中股直肌肌力最大，詳情見表1。

（3）肌肉募集率。

肌肉募集率是不同健身方式在一個動作周期中仿真模型下肢肌肉激活的百分比，OpenSim中CMC工具計算的肌肉募集率詳情見表1。所述健身方式中肌肉募集率最大的是頻率為130/min的跳繩運(yùn)動，最大值為23.433%。慢跑運(yùn)動中頻率為3.0m/s的慢跑在運(yùn)動中肌肉募集率最大；快走運(yùn)動中頻率為2.0m/s的快走在運(yùn)動中肌肉募集率最大。

2.2、機(jī)械功及下肢負(fù)荷率結(jié)果

（1）機(jī)械功。

外力所做機(jī)械功詳情見表1。所述健身方式中，外力所做機(jī)械功最大的是頻率為110/min的跳繩運(yùn)動，最大值為2318.189kJ。慢跑運(yùn)動中頻率為3.0m/s的慢跑在運(yùn)動中外力所做機(jī)械功最大；快走運(yùn)動中頻率為2.0m/s的快走在運(yùn)動中外力所做機(jī)械功最大。

（2）峰值負(fù)荷率。

峰值負(fù)荷率詳情見表1。所述健身方式中，峰值負(fù)荷率最大的是頻率為3.0m/s的慢跑運(yùn)動，最大值為33755.390 N/s。跳繩運(yùn)動中頻率為110/min的跳繩在運(yùn)動中峰值負(fù)荷率最大；快走運(yùn)動中頻率為2.0m/s的快走在運(yùn)動中峰值負(fù)荷率最大。

（3）被動沖量。

被動沖量詳情見表1。所述健身方式中，被動沖量最大的是頻率為2.0m/s的慢跑運(yùn)動，最大值為30.047N·s。跳繩運(yùn)動中頻率為110/min的跳繩在運(yùn)動中被動沖量最大；快走運(yùn)動中頻率為2.0m/s的快走在運(yùn)動中被動沖量最大。

3、分析與討論

對于大眾健身方式的選擇，需要考慮增進(jìn)健康和預(yù)防損傷兩個方面的問題。本文從不同健身方式在運(yùn)動中股直肌肌力大小、單個運(yùn)動周期中肌肉募集情況、單位運(yùn)動時間內(nèi)對外所做機(jī)械功大小，評估不同健身方式帶來的健身效益；另一方面，從不同健身方式在運(yùn)動中膝關(guān)節(jié)力矩大小、腳觸地被動沖量大小、峰值負(fù)荷率大小評估不同健身方式可能造成損傷的風(fēng)險。量化不同健身方式帶來的健身效益以及帶來損傷的風(fēng)險，為更好地發(fā)揮健身項目的良好促進(jìn)作用以及有效預(yù)防運(yùn)動損傷提供參考意見。

三種健身方式中，快走帶來的健身效益最小；慢跑運(yùn)動肌肉募集率相對較高，可以達(dá)到良好的熱身效果；跳繩運(yùn)動外力所做機(jī)械功最大，意味著達(dá)到人體所需日能量消耗量所用時間更短。在慢跑運(yùn)動和快走運(yùn)動的研究中發(fā)現(xiàn)，慢跑帶來的健身效益優(yōu)于快走，這與前人研究結(jié)果一致；且這種效益不僅存在于慢跑速度大于快走時；在相同速度下，實(shí)現(xiàn)慢跑時外力所做機(jī)械功也遠(yuǎn)大于快走，這是因?yàn)樵谂懿竭^程中，重心上下起伏更為明顯，表明人體在慢跑時需募集更多肌肉去完成蹬地動作以實(shí)現(xiàn)重心的轉(zhuǎn)移，同時慢跑需要的股直肌肌力也更大，即對下肢肌肉的鍛煉效果更好。

從損傷發(fā)生的風(fēng)險分析，快走運(yùn)動相對于慢跑運(yùn)動而言損傷發(fā)生的風(fēng)險更低。在相同速度下，快走被動沖量約為慢跑的一半，快走運(yùn)動峰值負(fù)荷率遠(yuǎn)小于慢跑運(yùn)動，而慢跑與跳繩相比，實(shí)現(xiàn)慢跑外力所做機(jī)械功并不高，側(cè)面反映出慢跑時機(jī)體的能耗相對較小，健身效益與跳繩相比略差。而且，本文仿真結(jié)果表明慢跑過程中造成運(yùn)動損傷的風(fēng)險高于跳繩，速度為2.0m/s以上的慢跑膝關(guān)節(jié)力矩、峰值負(fù)荷率、被動沖量均大于跳繩；慢跑和跳繩均具有騰空期，根據(jù)仿真結(jié)果：在相同頻率，即3.0m/s慢跑和120/min的跳繩，慢跑的損傷風(fēng)險均大于跳繩，這可能是因?yàn)樘K時重心主要在垂直方向進(jìn)行運(yùn)動，而慢跑要求重心在向前和垂直方向進(jìn)行運(yùn)動，使得地面反作用力的方向與垂直方向成一個較大的夾角作用于人體，這一夾角會增加膝關(guān)節(jié)力矩，使得慢跑膝關(guān)節(jié)力矩加大，導(dǎo)致峰值負(fù)荷率以及被動沖量均大于跳繩。綜上所述，三種健身方式中對于大眾健身而言，跳繩運(yùn)動更為適合。

對于跳繩而言，本文選取三種頻率，以110/min的頻率跳繩時身體對外所做機(jī)械功最大，是因?yàn)楫?dāng)進(jìn)行更快頻率的跳繩時，需要降低重心在垂直方向上的波動幅度以實(shí)現(xiàn)更快頻率的跳動；但在此頻率下峰值負(fù)荷率、被動沖量最大，膝關(guān)節(jié)力矩也較大，這會使損傷的風(fēng)險增加。以130/min的頻率跳繩時，運(yùn)動中能募集到較多的下肢肌肉，但外力所做機(jī)械功小于120/min。以120/min的頻率跳繩時造成損傷的風(fēng)險因子的值都較小，同時股直肌肌力較大，以此頻率跳繩時，可以在起到良好鍛煉效果的同時將下肢運(yùn)動損傷的風(fēng)險控制在最低值。

4、結(jié)論

大眾健身方式中快走和慢跑不適用于可支配運(yùn)動時間較短的人群，短時間地快走或慢跑并不能達(dá)到良好的健身效果；跳繩在起到良好鍛煉效果的同時可以將下肢運(yùn)動損傷的風(fēng)險控制在最低值。據(jù)此，三種健身方式在同等頻率下，推薦跳繩作為日常健身方式。

參考文獻(xiàn)：

[1]丁一.運(yùn)動康復(fù)護(hù)理對老年冠心病合并糖尿病患者糖脂代謝的影響[J].實(shí)用糖尿病雜志，2019，15（05）.

[2]Zhao Q R，Wang Y F，Niu Y T， et al.Jumping Rope Improves the Physical Fitness of Preadolescents AGED 10-12 Years： A Meta-Analysis[J].Journal of Sports Science Medicine，2023，22（2）.

[3]李永超.淺析運(yùn)動生物力學(xué)在競技體育中的應(yīng)用價值[J].醫(yī)用生物力學(xué)，2024，39（01）.

[4] Li R， Liu H， Guo M， et al. Differences in Loading Patterns Between Fast Walking and Jogging at the Same Speed in Male Adults[J]. Journal of Leath6c7f6d345c9eb239c653b9d31432976533efaf778f8e6855e5771c5c405c9f88er Science and Engineering， 2020， 2（1）.

[5]Chen Y，Qiu J Q，Li Y X， et al.Assessment of Characteristics of Energy Expenditure of Rope Jumping at Different Paces： 267[J].Medicine Science in Sports Exercise，2021，53（8S Suppl 1）.

[6]閆慧云，鄧云鋒，楊威，等.OpenSim對跳躍動作上下肢肌肉協(xié)調(diào)性的仿真分析[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2023，42（04）.

[7]Dasa M S，Oddgeir F，Morten K，et al.Accuracy of Tracking Devices’Ability to Assess Exercise Energy Expenditure in Professional Female Soccer Players： Implications for Quantifying Energy Availability[J].International Journal of Environmental Research and Public Health，2022，19（8）.