人体运动生物力学建模与仿真:从基础到应用9787030774675

第1部分 基础理论与方法

第1章 人体运动的生理解剖学基础 3

1.1 人体骨骼肌肉系统概况 3

1.1.1 骨 3

1.1.2 关节 5

1.1.3 骨骼肌 9

1.2 肌肉活动与肌肉力学 12

1.2.1 肌肉收缩原理 12

1.2.2 肌肉收缩的力学特征 15

1.2.3 肌肉力与关节力矩 19

1.3 神经系统对躯体运动的调控 22

1.3.1 运动与神经 22

1.3.2 肌电图 27

1.3.3 躯体姿势和动作的神经调节 33

参考文献 36

第2章 人体运动的力学基础 38

2.1 引言 38

2.2 **力学基础 40

2.2.1 刚体平面运动的力学 40

2.2.2 分析动力学 45

2.2.3 多体系统动力学 47

2.3 固体力学基础 52

2.3.1 基本概念 52

2.3.2 基本原理 54

2.3.3 有限元简介 57

2.4 人体测量学 59

2.4.1 人体环节几何尺寸 60

2.4.2 人体环节的质量和质心位置 60

2.4.3 人体环节的转动惯量 61

2.5 人体骨和软组织力学性质 63

2.5.1 骨组织力学性质 63

2.5.2 韧带和肌腱力学性质 69

2.5.3 生物组织力学性质的变化 74

参考文献 74

第3章 人体运动的生物力学建模与仿真的基本原理 77

3.1 建模与仿真的基本理论 77

3.1.1 模型的概念 77

3.1.2 数学模型与计算机仿真 79

3.1.3 建模与仿真的意义 80

3.2 建模与仿真的方法与步骤 81

3.2.1 建模与仿真的方法 81

3.2.2 建模与仿真的步骤 84

3.3 人体运动生物力学模型的建立 86

3.3.1 引言 86

3.3.2 简化模型 87

3.3.3 模型组成 87

3.3.4 肌肉模型 89

3.3.5 模型构建 89

3.3.6 参数确定 91

3.3.7 模型评估 92

3.3.8 模型设计原则 94

3.4 人体运动的计算机仿真 94

3.4.1 计算机模型的建立及可视化 95

3.4.2 软件系统 95

3.4.3 计算机仿真的应用 96

3.5 神经肌肉骨骼的数学模型 98

3.5.1 肌肉模型 98

3.5.2 骨骼几何特征与关节模型 100

3.5.3 关节被动性质 101

3.5.4 肌肉路径模型 102

3.5.5 正向动力学与逆向动力学 104

3.5.6 肌肉力的优化计算 104

3.6 人体运动的控制 108

3.6.1 控制的基本概念 108

3.6.2 动作的神经控制 109

3.6.3 体育动作的控制 112

3.7 模型仿真的检验与验证 113

3.7.1 检验与验证的流程 114

3.7.2 模型仿真的验证 117

参考文献 119

第2部分 应 用 研 究

第4章 人体基本动作的生物力学建模与仿真 125

4.1 站立平衡控制 125

4.1.1 人体平衡系统 125

4.1.2 站立平衡的力学条件 128

4.1.3 站立倒立摆模型 129

4.1.4 站立双倒立摆模型 134

4.1.5 站立模型的反馈控制 137

4.2 步态分析及其简单模型 142

4.2.1 人体步态分析基础 142

4.2.2 简单步态模型 144

4.2.3 简单步态模型的应用 148

4.3 步态多体系统动力学模型 158

4.3.1 步行多环节模型 158

4.3.2 步态肌骨模型 162

4.4 跑步肌肉力优化算法比较分析 166

4.4.1 静态优化算法和计算肌肉控制算法 167

4.4.2 实验数据与仿真计算方法 169

4.4.3 两种算法结果的比较 170

4.4.4 结语 173

4.5 跳远和跳高动作的建模与仿真 174

4.5.1 跳跃的基本力学特征 174

4.5.2 跳远和跳高动作模型 175

4.5.3 古奥林匹克跳远助推哑铃 178

4.6 跌倒 181

4.6.1 动态稳定性理论 182

4.6.2 动态稳定区域的应用 185

4.6.3 结语 190

参考文献 191

第5章 体操项目起跳动作生物力学建模与仿真 195

5.1 竞技体操项目概况 195

5.1.1 体操运动简史 195

5.1.2 体操运动技术研究的发展 196

5.2 建立面向运动场景的人体建模仿真方法 197

5.2.1 跳马项目概况 198

5.2.2 运动学参数的采集 199

5.2.3 个性化人体模型和体操器械的建立 201

5.2.4 模型中关节、肌肉力和接触力的定义 202

5.2.5 仿真流程 204

5.2.6 体操器械力学参数的优化与模型验证 204

5.2.7 结语 208

5.3 体操跳马踏跳动作动力学及其影响因素的研究 209

5.3.1 引言 209

5.3.2 建模与仿真方法 210

5.3.3 运动员-助跳板动力学特征 210

5.3.4 助跳板力学特性的影响 211

5.3.5 踏跳位置的影响 217

5.3.6 分析和讨论 219

5.3.7 结语 221

5.4 体操跳马推手动作动力学及其影响因素的研究 222

5.4.1 引言 222

5.4.2 模型与计算机仿真 223

5.4.3 运动员-跳桌动力学特征 223

5.4.4 跳桌力学特性的影响 225

5.4.5 分析和讨论 230

5.4.6 结语 232

5.5 体操跳马“程菲跳”踏板起跳动作 233

5.5.1 “程菲跳”动作建模仿真 233

5.5.2 “程菲跳”起跳动作的动力学特征 234

5.5.3 “程菲跳”推手动作的动力学特征 235

5.5.4 分析和讨论 235

5.5.5 结语 237

5.6 体操平衡木起跳动作 238

5.6.1 平衡木项目概况 238

5.6.2 平衡木前空翻起跳动作的建模仿真 238

5.6.3 起跳动作的动力学特征 240

5.6.4 分析和讨论 242

5.6.5 结语 243

参考文献 244

第6章 体操项目落地动作生物力学建模与仿真 247

6.1 落地动作地面反作用力的建模与仿真方法 248

6.1.1 引言 248

6.1.2 实验设计 248

6.1.3 落地动作的数据采集 249

6.1.4 人体落地模型的建立 250

6.1.5 模型的验证 250

6.1.6 分析和讨论 254

6.1.7 结语 255

6.2 体操运动员后空翻落地与垂直落地的下肢生物力学比较 255

6.2.1 引言 255

6.2.2 研究对象和落地动作采集 256

6.2.3 数据处理和统计 258

6.2.4 下肢运动学比较 259

6.2.5 下肢动力学比较 260

6.2.6 下肢肌电学比较 262

6.2.7 分析和讨论 263

6.2.8 结语 264

6.3 体操跳马落地下肢负荷的生物力学建模仿真研究 265

6.3.1 引言 265

6.3.2 人体模型及其验证 266

6.3.3 实际比赛中跳马运动员三维运动学参数的采集 266

6.3.4 落地垫力学参数的简易优化 266

6.3.5 仿真流程及敏感性分析 267

6.3.6 落地阶段下肢负荷特征 267

6.3.7 落地垫力学特性影响的仿真研究 269

6.3.8 分析和讨论 272

6.3.9 结语 274

6.4 体操运动员落地神经力学特征研究 275

6.4.1 引言 275

6.4.2 研究对象和落地动作采集 275

6.4.3 实验数据处理 276

6.4.4 模型与计算机仿真 276

6.4.5 落地过程下肢运动的神经力学 277

6.4.6 分析和讨论 278

6.4.7 结语 282

6.5 面向自由操落地动作仿真的不同多体系统模型的比较 283

6.5.1 引言 283

6.5.2 研究对象与运动学数据采集 283

6.5.3 创建简化人体模型与计算机仿真 284

6.5.4 模型性能对比 286

6.5.5 分析和讨论 287

6.5.6 结语 290

6.6 自由操落地垫力学特性与踝关节负荷的关系研究 290

6.6.1 引言 290

6.6.2 人体动作与模型仿真 291

6.6.3 落地垫力学参数变化对踝关节负荷的影响 291

6.6.4 分析和讨论 295

6.6.5 结语 296

6.7 不同难度空翻动作的落地生物力学特征的比较 296

6.7.1 引言 296

6.7.2 研究对象与运动学数据采集 297

6.7.3 实验数据处理 297

6.7.4 计算机建模与仿真 298

6.7.5 身体中心时空特征 298

6.7.6 下肢关节角度和负荷 299

6.7.7 下肢刚度和肌电 301

6.7.8 分析和讨论 302

6.7.9 结语 305

6.8 不同落地动作踝关节负荷的有限元分析 305

6.8.1 引言 305

6.8.2 研究对象与原始数据采集 307

6.8.3 三维有限元模型的建立与验证 307

6.8.4 落地冲击的有限元计算 309

6.8.5 站立平衡状态足底表面压力分布 310

6.8.6 落地冲击的踝关节面受力情况 311

6.8.7 分析和讨论 313

6.8.8 结语 315

参考文献 315

第7章 运动专项空中动作的生物力学建模与仿真 318

7.1 运动专项空中动作特征及其力学规律 318

7.1.1 空中动作特征 318

7.1.2 人体空中动作的运动学 320

7.1.3 空中翻腾和转体动作多体系统模型 322

7.1.4 空中技术动作的数据采集与分析 324

7.1.5 空中翻腾和转体姿态控制过程中的转动惯量的变化 327

7.1.6 结语 330

7.2 跳水空中动作生物力学建模与仿真 330

7.2.1 跳台跳水空中运动的计算机仿真研究 331

7.2.2 跳板跳水空中运动的计算机仿真研究 337

7.2.3 结语 344

7.3 体操自由操空中动作的建模与仿真 345

7.3.1 动力学建模 346

7.3.2 优化策略的改变对运动表现的影响 349

7.3.3 结语 354

7.4 跳台滑雪和自由式滑雪空中技巧空中动作的建模与仿真 354

7.4.1 跳台滑雪空中运动的计算机仿真研究 354

7.4.2 自由式滑雪空中技巧动作的计算机仿真研究 361

7.4.3 结语 371

参考文献 372

后记 375

第1部分 基础理论与方法

第1章 人体运动的生理解剖学基础

人体在生活和劳动中的运动都是由人体的运动系统在神经控制下完成的。人体运动系统

由骨、关节和骨骼肌构成，约占成人体重的60%。全身各骨借助关节连接构成骨架，形成人体基本形态，具有支持体重、保护内脏和运动的功能。骨骼肌附着于骨，在神经系统调控下收缩和舒张，牵引骨移动和转动，产生运动。从力学角度来看，在运动过程中，骨的作用是杠杆，关节为运动的支点，骨骼肌起着动力作用。三者互相制约，互相依存，缺一不可。

1.1 人体骨骼肌肉系统概况

1.1.1 骨

骨是运动系统的重要组成部分，是在膜性或软骨组织的基础上经过长时间的发育形成的。活体骨是以骨组织为主要成分构成的器官，具有新陈代谢和生长发育的特点，其内部物质保持不断地更新再建，受损时还具有很强的修复与再生能力。

成年人全身共有206 块骨（图1-1）。按照骨所在部位可分为中轴骨和附肢骨两部分。中轴骨共有80 块，包括颅骨和躯干骨，其中颅骨29 块，躯干骨51 块；附肢骨包括上肢骨和下肢骨，共126 块，其中上肢骨64 块，下肢骨62 块。

1.1.1.1 骨的分类

按照形态，人体全身骨可分为长骨、短骨、扁骨和不规则骨4 类（图1-2）。长骨主要分布在四肢，呈管状，中部为骨干活体骨，两端膨大称为骺。短骨近似立方体，通常分布在腕部和足踝部。扁骨呈板状，薄而略显弯*。不规则骨为不规则形状，如椎骨。

1.1.1.2 骨的表面形态特征

骨的表面由于受到韧带、肌腱的附着和牵拉，同时还受血管、神经通过等因素的影响，形成了各种突起、凹陷和粗隆等形态特征。人体每一块骨都具有各自的形态特征和名称。

1.1.1.3 骨的结构

活体骨是由骨膜、骨质、骨髓、血管、神经等组成，图1-3 所示为长骨的构造。骨膜由结缔组织构成，分为骨内膜和骨外膜。骨内膜衬于骨髓腔的内面，骨外膜在骨外表面覆盖。骨质由骨组织构成，根据其不同的结构、分布和功能，可分为骨松质和骨密质。骨髓存在于骨髓腔和骨松质的网眼内，分为黄骨髓和红骨髓，成年人的黄骨髓和红骨髓约各占一半。

图1-2 骨的形态分类

图1-3 长骨的构造

1.1.1.4 骨的化学成分与物理特性

骨由无机物和有机物构成。成年人干骨（脱水骨）中的有机物占总质量的30%～40%，其成分主要为骨胶原纤维和黏多糖蛋白。无机物占干骨总质量的60%～70%，其成分主要是磷酸钙和碳酸钙等。

骨的力学性质由无机物和有机物的比例关系决定，无机物使骨具有很强的硬度，有机物使骨具有很强的韧性，两者相结合则使骨既有一定的硬度，又有一定的韧性，能承受很大的压力。

1.1.1.5 骨的生长、修复与功能

骨既坚硬又不笨重，而且是个活的组织。当骨遭受到机械损伤后，可自行修复和生长完善。它会根据受力的情况调整自身的形态和结构，在一些受力过大的部位，还能在厚度和强度上进行重塑和加固。另外，骨是一个重要的矿物质（如钙）储存库，同时红骨髓还具有制造新鲜血细胞的能力。

骨的功能主要包括支架作用、保护作用、杠杆作用、造血作用和储存钙、磷等。骨与骨相互连接，构成人体的支架，支持人体的软组织，承担身体质量；骨骼构成颅腔、胸腔、腹腔和骨盆的容器框架，对脑、心脏、大血管，以及消化、呼吸、泌尿、生殖等器官起着重要的保护作用；骨还为骨骼肌提供附着面，在人体各种机械运动中起着杠杆的作用；骨髓腔中的红骨髓有造血功能；骨中富含钙、磷离子，是人体的钙、磷储藏库。

1.1.2 关节

骨与骨之间借助结缔组织相连接称为骨连结。按连接组织的性质和活动情况，骨连结可分为有腔隙骨连结和无腔隙骨连结（图1-4）。有腔隙骨连结通常称为关节，在骨连结中占大部分，是人体运动的枢纽。无腔隙骨连结仅占小部分，包括纤维连接、软骨连接和骨性结合三种类型，运动幅度很小。

图1-4 骨连结的分类

1.1.2.1 关节的结构

关节面是参与组成关节的各相关骨的接触面，每一个关节至少包括两个关节面，一般为一凸一凹，凸者为关节头，凹者为关节窝。关节面上有终生覆盖的关节软骨。多数关节软骨由透明软骨构成，少数为纤维软骨，其厚薄因不同的关节和年龄而异，通常为2～7mm。关节软骨使关节面光滑，在运动时可减少关节面的摩擦，同时具有缓冲振荡和冲击的作用。关节囊是由纤维结缔组织膜构成的囊，附着于关节的周围，并与骨膜融合连接。它包围关节，使关节腔封闭，可分为内外两层（图1-5）。

图1-5 典型关节的构造

外层为纤维膜，由致密结缔组织构成，厚而坚韧，含有丰富的血管和神经。纤维膜的厚度通常与关节的功能有关，如下肢关节的负重较大，要求其相对稳固，关节囊的纤维膜则紧张而坚韧。而上肢关节运动灵活、运动范围大，则纤维膜薄而松弛。纤维膜的有些部分增厚形成韧带，以增强关节的稳固性，并限制其过度运动。

内层为滑膜，由薄而柔润的疏松结缔组织膜构成，衬贴于纤维膜的内面，其边缘附着于关节软骨的周缘，包裹着关节内除关节软骨、关节唇和关节盘以外的所有结构。滑膜表面有时形成许多小突起，称为滑膜绒毛，常见于关节囊附着处的附近。滑膜富含血管网，能产生滑液。滑液是透明的蛋白样液体，呈弱碱性，为关节内提供了液态环境，不仅具有润滑作用，而且也是关节软骨、半月板等新陈代谢的重要媒介。

关节腔为关节囊滑膜层和关节面共同围成的密闭腔，腔内含有少量滑液，关节腔呈负压，具有一定的稳定关节作用。

关节除具有上述基本结构外，部分关节为适应其功能，还形成了一些特殊的结构，以增加关节的稳固性或灵活性。这些特殊结构包括关节唇、关节内软骨、韧带、滑膜囊和滑膜襞等。

《人体运动生物力学建模与仿真——从基础到应用》系统、全面地论述了人体运动的生物力学建模与仿真的基础理论，以及部分应用研究。《人体运动生物力学建模与仿真——从基础到应用》*先从人体运动的生理解剖学基础、力学基础理论和系统建模与仿真三个方面，综合论述人体运动的生物力学建模与仿真的基础理论与方法；然后介绍了人体基本运动动作，以及体操、跳水、跳台滑雪和自由式滑雪空中技巧运动专项中运动员动作技术的生物力学建模仿真研究。特别在应用研究中介绍了作者团队长期研究的结果，部分代表性的研究内容注重人体运动的生物力学建模与仿真在体育运动中的应用。