基于OpenSim对负重蹲起动作的多体动力学仿真及验证

摘要

目的:通过开源多体动力学软件OpenSim仿真计算负重蹲起动作的肌力变化规律。方法:选择一名男性田径运动员为研究对象,同步Vicon红外捕捉系统、AMTI测力台和表面肌电记录运动学、动力学与肌电数据,通过SoildWorks、Matlab及OpenSim软件建立人体负重蹲起的数学模型,并优化计算出相关肌肉群肌力。结果:股四头肌分别在30%与70%左右时刻出现两次峰值,其值为10000N和9060N;腘绳肌在31%和70%左右时刻出现两次峰值,其值为2046N和3901N;臀大肌与腓肠肌肌力(1803N、1514N)没有明显的峰值,但在整个深蹲过程中都有持续的收缩。结论:屈髋角度、伸髋力矩及主动屈膝力矩是准备阶段人-杠平衡的关键因素;在下降阶段和膝屈曲向膝伸展的转换阶段,下肢关节肌肉发力顺序应一致;股四头肌峰值出现在半蹲状态,此后股四肌力便不遵循肌肉-长度关系最佳化原理,此时腘绳肌为主要发力肌群;OpenSim动态优化算法在基于肌肉兴奋收缩耦联的基础上进行肌力计算,弥补了表面肌电与多刚体力学模型的不足。