基于LifeMod对跳马过程中体操运动员-落地垫动力学关系的计算机仿真

摘要

体操运动员跳马落地时下肢受到较大的冲击负荷,通常会导致关节损伤,探寻运动员落地垫力学特性的改变对下肢关节负荷的影响,旨在为下肢关节损伤的预防提供科学依据.首先,通过人体运动仿真软件LifeMod/ADAMS构建19个环节的个性化人体模型,之后,通过受试者落地过程的动作捕捉、高速摄像和测力台实验对模型加以验证,证明所建立模型的有效性.利用所建的模型,对高水平运动员在实际比赛中完成跳马技术动作进行捕捉,随后改变跳马落地垫的力学参数进行仿真研究.结果发现,人体落地冲击分为冲击和平衡两个阶段,人体肌肉骨骼系统具有缓冲减震的功能,踝、膝和髋关节分别延迟15 ms、17ms和19ms达到关节反作用力峰值.另外,落地过程中膝关节的伸肌力矩和髋关节的外展力矩分别在矢状面、额状面内起主导作用.当增加落地垫的阻尼导致踝关节在矢状面内受到的负荷明显增大,但增加刚度对体操运动员负荷的影响相对较小.而在额状面内,增加落地垫的刚度和阻尼导致下肢各关节的力矩明显增大,将增加下肢损伤的风险.