关键词:
深蹲
运动生物力学
OpenSim
多体动力学模型
计算机仿真
摘要:
研究目的与意义:通过Open Sim平台构建高位杠负重深蹲、颈前负重深蹲、高位自重深蹲及颈前自重深蹲等4种深蹲模式的人体动力学模型,并通过仿真优化的方法计算4种深蹲过程种下肢运动学、动力学、肌肉力量及肌肉应变等生物力学变量的差异,为大众健身人群和专业运动员筛选针对性的训练动作以及动作技术指导提供一定的理论依据,并为深蹲动作的生物力学研究提供了方法学上的选择。研究方法:选择1名专业男性举重运动员完成4种深蹲深蹲动作(2种自重深蹲和2种负重深蹲模式),通过三维红外摄像捕捉系统(Vicon,100Hz)、三维测力台(AMTI,1000Hz)和表面肌电信号采集系统(Delsys,2000Hz)采集下肢的运动学、动力学以及EMG信号,并将4种深蹲模式的运动学与动力学数据带入Open Sim中进行动力学仿真,得出4种深蹲模式下肢关节运动角度、力矩及肌肉力量的差异,通过EMG线性包络线与Open Sim激活曲线进行比较,以验证模型的准确性。研究结果:1)高位自重深蹲髋、膝、踝关节和躯干活动角度的峰值时刻均出现在深蹲期间58%阶段,其峰值角度大约在131°、128°、23°和-5°;颈前自重深蹲髋、膝、踝关节和躯干活动角度的峰值出现时刻出现在深蹲期间的56%左右阶段,其峰值角度大约在129°、126°、30°和-12°;高位杠负重深蹲髋、膝、踝关节和躯干活动角度的峰值阶段出现在54%-57%左右阶段,其峰值角度大约在117°、115°、19°和-36°;颈前负重深蹲髋、膝、踝关节和躯干活动角度的峰值阶段大约出现在50%左右阶段,其峰值角度大约在114°、133°、29°和-15°。2)高位自重深蹲模式地面垂直反作用力峰值出现在深蹲期间的48%阶段,峰值力为607N,髋、膝、踝关节力矩峰值时刻出现在深蹲期间的56%-58%左右时刻,其值分别为-113Nm、-92Nm、-67Nm;颈前自重深蹲模式的地面垂直反作用力峰值出现在深蹲期间的40%阶段,峰值力为593N,髋、踝关节力矩峰值时刻均出现在深蹲期间的35%左右阶段,其值为-87Nm和-71Nm,膝关节力矩峰值时刻出现在70%左右阶段,其值为-84Nm;高位负重深蹲模式的地面垂直反作用力峰值出现在深蹲期间的57%阶段,峰值力为1110N,髋、膝、踝关节力矩峰值时刻出现在深蹲期间的52%-55%左右时刻,其值分别为-170Nm、-149Nm、-102Nm;颈前负重深蹲模式的地面垂直反作用力峰值出现在深蹲期间的45%阶段,峰值力为1144N,髋、膝、踝关节力矩峰值时刻分别出现在41%、49%、46%左右阶段,其值分别为-176Nm、-239Nm、-106Nm。3)高位自重深蹲股四头肌、腘绳肌、腓肠肌峰值时刻出现在深蹲期间的50%-51%左右阶段,其峰值力约为2066N、1243N、1975N;臀大肌峰值时刻出现在深蹲期间的39%左右阶段,其峰值力约为263N;颈前自重深蹲股四头肌、臀大肌、腘绳肌、腓肠肌峰值出现时刻分别在深蹲期间的42%、30%、57%、36%左右阶段;其峰值为2742N、813N、1429N、1531N;高位负重深蹲股四头肌、臀大肌、腘绳肌、腓肠肌峰值时刻出现在深蹲期间的39%、43%、56%、53%左右阶段,其值为8890N、2494N、2244N、2784N;颈前负重深蹲股四头肌、臀大肌、腘绳肌、腓肠肌峰值出现时刻分别在深蹲期间的26%、32%、39%、37%左右阶段,其值为8928N、2463N、3675N、3458N。4)高位自重深蹲、颈前自重深蹲、高位负重深蹲的股四头肌肌肉长度变化均从40%左右阶段开始出现峰值,并持续到80%左右阶段时刻结束,三种动作的峰值肌肉长度变化也在1.45-1.51m左右,颈前负重深蹲股四头肌肌肉长度变化峰值出现时刻在50%阶段左右,且超过了1.55m;4种深蹲模式的臀大肌曲线活动及峰值变化长度较为一致;4种深蹲模式的腓肠肌肌肉长度变化峰值及曲线较为一致,但无明显峰值出现时刻;高位自重深蹲、颈前自重深蹲、高位负重深蹲的腘绳肌肌肉长度曲线活动、峰值及峰值出现时刻较为一致;颈前负重深蹲的腘绳肌肌肉长度变化呈双峰曲线,两次峰值出现时刻分别在深蹲期间的15%和85%左右阶段,其余阶段较为平稳,未出现明显峰值阶段。研究结论:1)本研究为国内外首次建立了包含人体骨骼肌肉-杠铃系统的负重蹲起模型,并首次获得下肢肌肉力大小数据。RRA计算结果和EMG线性包络线均表明仿真计算的结果具有一定的可靠性。其静态优化算法在基于肌肉力-长度,力-速度等生理特征上进行肌力计算,弥补了表面肌电、传统逆向动力学算法以及多刚体动力学模型的不足。2)本研究运动学结果表明,4种深蹲动作的上升期与下蹲期活动较为一致,髋、膝、踝关节在准备下蹲时同时屈曲,顺序不分先后;踝关节活动到一定范围后