目錄
第1部分 基礎(chǔ)理論與方法
第1章 人體運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(duì)軀體運(yùn)動(dòng)的調(diào)控 22
1.3.1 運(yùn)動(dòng)與神經(jīng) 22
1.3.2 肌電圖 27
1.3.3 軀體姿勢(shì)和動(dòng)作的神經(jīng)調(diào)節(jié) 33
參考文獻(xiàn) 36
第2章 人體運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)的力學(xué) 40
2.2.2 分析動(dòng)力學(xué) 45
2.2.3 多體系統(tǒng)動(dòng)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(jiǎn)介 57
2.4 人體測(cè)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(dòng)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(xiàn) 74
第3章 人體運(yùn)動(dòng)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(jì)算機(jī)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(yùn)動(dòng)生物力學(xué)模型的建立 86
3.3.1 引言 86
3.3.2 簡(jiǎn)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(píng)估 92
3.3.8 模型設(shè)計(jì)原則 94
3.4 人體運(yùn)動(dòng)的計(jì)算機(jī)仿真 94
3.4.1 計(jì)算機(jī)模型的建立及可視化 95
3.4.2 軟件系統(tǒng) 95
3.4.3 計(jì)算機(jī)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(dòng)性質(zhì) 101
3.5.4 肌肉路徑模型 102
3.5.5 正向動(dòng)力學(xué)與逆向動(dòng)力學(xué) 104
3.5.6 肌肉力的優(yōu)化計(jì)算 104
3.6 人體運(yùn)動(dòng)的控制 108
3.6.1 控制的基本概念 108
3.6.2 動(dòng)作的神經(jīng)控制 109
3.6.3 體育動(dòng)作的控制 112
3.7 模型仿真的檢驗(yàn)與驗(yàn)證 113
3.7.1 檢驗(yàn)與驗(yàn)證的流程 114
3.7.2 模型仿真的驗(yàn)證 117
參考文獻(xiàn) 119
第2部分 應(yīng) 用 研 究
第4章 人體基本動(dòng)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(jiǎn)單模型 142
4.2.1 人體步態(tài)分析基礎(chǔ) 142
4.2.2 簡(jiǎn)單步態(tài)模型 144
4.2.3 簡(jiǎn)單步態(tài)模型的應(yīng)用 148
4.3 步態(tài)多體系統(tǒng)動(dòng)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(jì)算肌肉控制算法 167
4.4.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真計(jì)算方法 169
4.4.3 兩種算法結(jié)果的比較 170
4.4.4 結(jié)語(yǔ) 173
4.5 跳遠(yuǎn)和跳高動(dòng)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(dòng)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(dòng)態(tài)穩(wěn)定性理論 182
4.6.2 動(dòng)態(tài)穩(wěn)定區(qū)域的應(yīng)用 185
4.6.3 結(jié)語(yǔ) 190
參考文獻(xiàn) 191
第5章 體操項(xiàng)目起跳動(dòng)作生物力學(xué)建模與仿真 195
5.1 競(jìng)技體操項(xiàng)目概況 195
5.1.1 體操運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)史 195
5.1.2 體操運(yùn)動(dòng)技術(shù)研究的發(fā)展 196
5.2 建立面向運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景的人體建模仿真方法 197
5.2.1 跳馬項(xiàng)目概況 198
5.2.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)的采集 199
5.2.3 個(gè)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(yàn)證 204
5.2.7 結(jié)語(yǔ) 208
5.3 體操跳馬踏跳動(dòng)作動(dòng)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(yùn)動(dòng)員-助跳板動(dòng)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(yǔ) 221
5.4 體操跳馬推手動(dòng)作動(dòng)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(jì)算機(jī)仿真 223
5.4.3 運(yùn)動(dòng)員-跳桌動(dòng)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(yǔ) 232
5.5 體操跳馬“程菲跳”踏板起跳動(dòng)作 233
5.5.1 “程菲跳”動(dòng)作建模仿真 233
5.5.2 “程菲跳”起跳動(dòng)作的動(dòng)力學(xué)特征 234
5.5.3 “程菲跳”推手動(dòng)作的動(dòng)力學(xué)特征 235
5.5.4 分析和討論 235
5.5.5 結(jié)語(yǔ) 237
5.6 體操平衡木起跳動(dòng)作 238
5.6.1 平衡木項(xiàng)目概況 238
5.6.2 平衡木前空翻起跳動(dòng)作的建模仿真 238
5.6.3 起跳動(dòng)作的動(dòng)力學(xué)特征 240
5.6.4 分析和討論 242
5.6.5 結(jié)語(yǔ) 243
參考文獻(xiàn) 244
第6章 體操項(xiàng)目落地動(dòng)作生物力學(xué)建模與仿真 247
6.1 落地動(dòng)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 248
6.1.3 落地動(dòng)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(yàn)證 250
6.1.6 分析和討論 254
6.1.7 結(jié)語(yǔ) 255
6.2 體操運(yùn)動(dòng)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(duì)象和落地動(dòng)作采集 256
6.2.3 數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì) 258
6.2.4 下肢運(yùn)動(dòng)學(xué)比較 259
6.2.5 下肢動(dòng)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(yǔ) 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(yàn)證 266
6.3.3 實(shí)際比賽中跳馬運(yùn)動(dòng)員三維運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)的采集 266
6.3.4 落地墊力學(xué)參數(shù)的簡(jiǎn)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(yǔ) 274
6.4 體操運(yùn)動(dòng)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(duì)象和落地動(dòng)作采集 275
6.4.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理 276
6.4.4 模型與計(jì)算機(jī)仿真 276
6.4.5 落地過(guò)程下肢運(yùn)動(dòng)的神經(jīng)力學(xué) 277
6.4.6 分析和討論 278
6.4.7 結(jié)語(yǔ) 282
6.5 面向自由操落地動(dòng)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(duì)象與運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)采集 283
6.5.3 創(chuàng)建簡(jiǎn)化人體模型與計(jì)算機(jī)仿真 284
6.5.4 模型性能對(duì)比 286
6.5.5 分析和討論 287
6.5.6 結(jié)語(yǔ) 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(dòng)作與模型仿真 291
6.6.3 落地墊力學(xué)參數(shù)變化對(duì)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(yǔ) 296
6.7 不同難度空翻動(dòng)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(duì)象與運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)采集 297
6.7.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理 297
6.7.4 計(jì)算機(jī)建模與仿真 298
6.7.5 身體中心時(shí)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(yǔ) 305
6.8 不同落地動(dòng)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(duì)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(yàn)證 307
6.8.4 落地沖擊的有限元計(jì)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(yǔ) 315
參考文獻(xiàn) 315
第7章 運(yùn)動(dòng)專項(xiàng)空中動(dòng)作的生物力學(xué)建模與仿真 318
7.1 運(yùn)動(dòng)專項(xiàng)空中動(dòng)作特征及其力學(xué)規(guī)律 318
7.1.1 空中動(dòng)作特征 318
7.1.2 人體空中動(dòng)作的運(yùn)動(dòng)學(xué) 320
7.1.3 空中翻騰和轉(zhuǎn)體動(dòng)作多體系統(tǒng)模型 322
7.1.4 空中技術(shù)動(dòng)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(guò)程中的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的變化 327
7.1.6 結(jié)語(yǔ) 330
7.2 跳水空中動(dòng)作生物力學(xué)建模與仿真 330
7.2.1 跳臺(tái)跳水空中運(yùn)動(dòng)的計(jì)算機(jī)仿真研究 331
7.2.2 跳板跳水空中運(yùn)動(dòng)的計(jì)算機(jī)仿真研究 337
7.2.3 結(jié)語(yǔ) 344
7.3 體操自由操空中動(dòng)作的建模與仿真 345
7.3.1 動(dòng)力學(xué)建模 346
7.3.2 優(yōu)化策略的改變對(duì)運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)的影響 349
7.3.3 結(jié)語(yǔ) 354
7.4 跳臺(tái)滑雪和自由式滑雪空中技巧空中動(dòng)作的建模與仿真 354
7.4.1 跳臺(tái)滑雪空中運(yùn)動(dòng)的計(jì)算機(jī)仿真研究 354
7.4.2 自由式滑雪空中技巧動(dòng)作的計(jì)算機(jī)仿真研究 361
7.4.3 結(jié)語(yǔ) 371
參考文獻(xiàn) 372
后記 375