目錄
第1部分 基礎(chǔ)理論與方法
第1章 人體運動的生理解剖學(xué)基礎(chǔ) 3
1.1 人體骨骼肌肉系統(tǒng)概況 3
1.1.1 骨 3
1.1.2 關(guān)節(jié) 5
1.1.3 骨骼肌 9
1.2 肌肉活動與肌肉力學(xué) 12
1.2.1 肌肉收縮原理 12
1.2.2 肌肉收縮的力學(xué)特征 15
1.2.3 肌肉力與關(guān)節(jié)力矩 19
1.3 神經(jīng)系統(tǒng)對軀體運動的調(diào)控 22
1.3.1 運動與神經(jīng) 22
1.3.2 肌電圖 27
1.3.3 軀體姿勢和動作的神經(jīng)調(diào)節(jié) 33
參考文獻 36
第2章 人體運動的力學(xué)基礎(chǔ) 38
2.1 引言 38
2.2 經(jīng)典力學(xué)基礎(chǔ) 40
2.2.1 剛體平面運動的力學(xué) 40
2.2.2 分析動力學(xué) 45
2.2.3 多體系統(tǒng)動力學(xué) 47
2.3 固體力學(xué)基礎(chǔ) 52
2.3.1 基本概念 52
2.3.2 基本原理 54
2.3.3 有限元簡介 57
2.4 人體測量學(xué) 59
2.4.1 人體環(huán)節(jié)幾何尺寸 60
2.4.2 人體環(huán)節(jié)的質(zhì)量和質(zhì)心位置 60
2.4.3 人體環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)動慣量 61
2.5 人體骨和軟組織力學(xué)性質(zhì) 63
2.5.1 骨組織力學(xué)性質(zhì) 63
2.5.2 韌帶和肌腱力學(xué)性質(zhì) 69
2.5.3 生物組織力學(xué)性質(zhì)的變化 74
參考文獻 74
第3章 人體運動的生物力學(xué)建模與仿真的基本原理 77
3.1 建模與仿真的基本理論 77
3.1.1 模型的概念 77
3.1.2 數(shù)學(xué)模型與計算機仿真 79
3.1.3 建模與仿真的意義 80
3.2 建模與仿真的方法與步驟 81
3.2.1 建模與仿真的方法 81
3.2.2 建模與仿真的步驟 84
3.3 人體運動生物力學(xué)模型的建立 86
3.3.1 引言 86
3.3.2 簡化模型 87
3.3.3 模型組成 87
3.3.4 肌肉模型 89
3.3.5 模型構(gòu)建 89
3.3.6 參數(shù)確定 91
3.3.7 模型評估 92
3.3.8 模型設(shè)計原則 94
3.4 人體運動的計算機仿真 94
3.4.1 計算機模型的建立及可視化 95
3.4.2 軟件系統(tǒng) 95
3.4.3 計算機仿真的應(yīng)用 96
3.5 神經(jīng)肌肉骨骼的數(shù)學(xué)模型 98
3.5.1 肌肉模型 98
3.5.2 骨骼幾何特征與關(guān)節(jié)模型 100
3.5.3 關(guān)節(jié)被動性質(zhì) 101
3.5.4 肌肉路徑模型 102
3.5.5 正向動力學(xué)與逆向動力學(xué) 104
3.5.6 肌肉力的優(yōu)化計算 104
3.6 人體運動的控制 108
3.6.1 控制的基本概念 108
3.6.2 動作的神經(jīng)控制 109
3.6.3 體育動作的控制 112
3.7 模型仿真的檢驗與驗證 113
3.7.1 檢驗與驗證的流程 114
3.7.2 模型仿真的驗證 117
參考文獻 119
第2部分 應(yīng) 用 研 究
第4章 人體基本動作的生物力學(xué)建模與仿真 125
4.1 站立平衡控制 125
4.1.1 人體平衡系統(tǒng) 125
4.1.2 站立平衡的力學(xué)條件 128
4.1.3 站立倒立擺模型 129
4.1.4 站立雙倒立擺模型 134
4.1.5 站立模型的反饋控制 137
4.2 步態(tài)分析及其簡單模型 142
4.2.1 人體步態(tài)分析基礎(chǔ) 142
4.2.2 簡單步態(tài)模型 144
4.2.3 簡單步態(tài)模型的應(yīng)用 148
4.3 步態(tài)多體系統(tǒng)動力學(xué)模型 158
4.3.1 步行多環(huán)節(jié)模型 158
4.3.2 步態(tài)肌骨模型 162
4.4 跑步肌肉力優(yōu)化算法比較分析 166
4.4.1 靜態(tài)優(yōu)化算法和計算肌肉控制算法 167
4.4.2 實驗數(shù)據(jù)與仿真計算方法 169
4.4.3 兩種算法結(jié)果的比較 170
4.4.4 結(jié)語 173
4.5 跳遠(yuǎn)和跳高動作的建模與仿真 174
4.5.1 跳躍的基本力學(xué)特征 174
4.5.2 跳遠(yuǎn)和跳高動作模型 175
4.5.3 古奧林匹克跳遠(yuǎn)助推啞鈴 178
4.6 跌倒 181
4.6.1 動態(tài)穩(wěn)定性理論 182
4.6.2 動態(tài)穩(wěn)定區(qū)域的應(yīng)用 185
4.6.3 結(jié)語 190
參考文獻 191
第5章 體操項目起跳動作生物力學(xué)建模與仿真 195
5.1 競技體操項目概況 195
5.1.1 體操運動簡史 195
5.1.2 體操運動技術(shù)研究的發(fā)展 196
5.2 建立面向運動場景的人體建模仿真方法 197
5.2.1 跳馬項目概況 198
5.2.2 運動學(xué)參數(shù)的采集 199
5.2.3 個性化人體模型和體操器械的建立 201
5.2.4 模型中關(guān)節(jié)、肌肉力和接觸力的定義 202
5.2.5 仿真流程 204
5.2.6 體操器械力學(xué)參數(shù)的優(yōu)化與模型驗證 204
5.2.7 結(jié)語 208
5.3 體操跳馬踏跳動作動力學(xué)及其影響因素的研究 209
5.3.1 引言 209
5.3.2 建模與仿真方法 210
5.3.3 運動員-助跳板動力學(xué)特征 210
5.3.4 助跳板力學(xué)特性的影響 211
5.3.5 踏跳位置的影響 217
5.3.6 分析和討論 219
5.3.7 結(jié)語 221
5.4 體操跳馬推手動作動力學(xué)及其影響因素的研究 222
5.4.1 引言 222
5.4.2 模型與計算機仿真 223
5.4.3 運動員-跳桌動力學(xué)特征 223
5.4.4 跳桌力學(xué)特性的影響 225
5.4.5 分析和討論 230
5.4.6 結(jié)語 232
5.5 體操跳馬“程菲跳”踏板起跳動作 233
5.5.1 “程菲跳”動作建模仿真 233
5.5.2 “程菲跳”起跳動作的動力學(xué)特征 234
5.5.3 “程菲跳”推手動作的動力學(xué)特征 235
5.5.4 分析和討論 235
5.5.5 結(jié)語 237
5.6 體操平衡木起跳動作 238
5.6.1 平衡木項目概況 238
5.6.2 平衡木前空翻起跳動作的建模仿真 238
5.6.3 起跳動作的動力學(xué)特征 240
5.6.4 分析和討論 242
5.6.5 結(jié)語 243
參考文獻 244
第6章 體操項目落地動作生物力學(xué)建模與仿真 247
6.1 落地動作地面反作用力的建模與仿真方法 248
6.1.1 引言 248
6.1.2 實驗設(shè)計 248
6.1.3 落地動作的數(shù)據(jù)采集 249
6.1.4 人體落地模型的建立 250
6.1.5 模型的驗證 250
6.1.6 分析和討論 254
6.1.7 結(jié)語 255
6.2 體操運動員后空翻落地與垂直落地的下肢生物力學(xué)比較 255
6.2.1 引言 255
6.2.2 研究對象和落地動作采集 256
6.2.3 數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計 258
6.2.4 下肢運動學(xué)比較 259
6.2.5 下肢動力學(xué)比較 260
6.2.6 下肢肌電學(xué)比較 262
6.2.7 分析和討論 263
6.2.8 結(jié)語 264
6.3 體操跳馬落地下肢負(fù)荷的生物力學(xué)建模仿真研究 265
6.3.1 引言 265
6.3.2 人體模型及其驗證 266
6.3.3 實際比賽中跳馬運動員三維運動學(xué)參數(shù)的采集 266
6.3.4 落地墊力學(xué)參數(shù)的簡易優(yōu)化 266
6.3.5 仿真流程及敏感性分析 267
6.3.6 落地階段下肢負(fù)荷特征 267
6.3.7 落地墊力學(xué)特性影響的仿真研究 269
6.3.8 分析和討論 272
6.3.9 結(jié)語 274
6.4 體操運動員落地神經(jīng)力學(xué)特征研究 275
6.4.1 引言 275
6.4.2 研究對象和落地動作采集 275
6.4.3 實驗數(shù)據(jù)處理 276
6.4.4 模型與計算機仿真 276
6.4.5 落地過程下肢運動的神經(jīng)力學(xué) 277
6.4.6 分析和討論 278
6.4.7 結(jié)語 282
6.5 面向自由操落地動作仿真的不同多體系統(tǒng)模型的比較 283
6.5.1 引言 283
6.5.2 研究對象與運動學(xué)數(shù)據(jù)采集 283
6.5.3 創(chuàng)建簡化人體模型與計算機仿真 284
6.5.4 模型性能對比 286
6.5.5 分析和討論 287
6.5.6 結(jié)語 290
6.6 自由操落地墊力學(xué)特性與踝關(guān)節(jié)負(fù)荷的關(guān)系研究 290
6.6.1 引言 290
6.6.2 人體動作與模型仿真 291
6.6.3 落地墊力學(xué)參數(shù)變化對踝關(guān)節(jié)負(fù)荷的影響 291
6.6.4 分析和討論 295
6.6.5 結(jié)語 296
6.7 不同難度空翻動作的落地生物力學(xué)特征的比較 296
6.7.1 引言 296
6.7.2 研究對象與運動學(xué)數(shù)據(jù)采集 297
6.7.3 實驗數(shù)據(jù)處理 297
6.7.4 計算機建模與仿真 298
6.7.5 身體中心時空特征 298
6.7.6 下肢關(guān)節(jié)角度和負(fù)荷 299
6.7.7 下肢剛度和肌電 301
6.7.8 分析和討論 302
6.7.9 結(jié)語 305
6.8 不同落地動作踝關(guān)節(jié)負(fù)荷的有限元分析 305
6.8.1 引言 305
6.8.2 研究對象與原始數(shù)據(jù)采集 307
6.8.3 三維有限元模型的建立與驗證 307
6.8.4 落地沖擊的有限元計算 309
6.8.5 站立平衡狀態(tài)足底表面壓力分布 310
6.8.6 落地沖擊的踝關(guān)節(jié)面受力情況 311
6.8.7 分析和討論 313
6.8.8 結(jié)語 315
參考文獻 315
第7章 運動專項空中動作的生物力學(xué)建模與仿真 318
7.1 運動專項空中動作特征及其力學(xué)規(guī)律 318
7.1.1 空中動作特征 318
7.1.2 人體空中動作的運動學(xué) 320
7.1.3 空中翻騰和轉(zhuǎn)體動作多體系統(tǒng)模型 322
7.1.4 空中技術(shù)動作的數(shù)據(jù)采集與分析 324
7.1.5 空中翻騰和轉(zhuǎn)體姿態(tài)控制過程中的轉(zhuǎn)動慣量的變化 327
7.1.6 結(jié)語 330
7.2 跳水空中動作生物力學(xué)建模與仿真 330
7.2.1 跳臺跳水空中運動的計算機仿真研究 331
7.2.2 跳板跳水空中運動的計算機仿真研究 337
7.2.3 結(jié)語 344
7.3 體操自由操空中動作的建模與仿真 345
7.3.1 動力學(xué)建模 346
7.3.2 優(yōu)化策略的改變對運動表現(xiàn)的影響 349
7.3.3 結(jié)語 354
7.4 跳臺滑雪和自由式滑雪空中技巧空中動作的建模與仿真 354
7.4.1 跳臺滑雪空中運動的計算機仿真研究 354
7.4.2 自由式滑雪空中技巧動作的計算機仿真研究 361
7.4.3 結(jié)語 371
參考文獻 372
后記 375