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基于平衡板测量人体运动环节重量参数的理论与实验研究

李世明  
【摘要】: 人体环节惯性参数是建立人体模型、进行人体运动技术影像解析的基础数据,其准确程度直接影响着影像解析结果的精度,因而,对人体环节惯性参数的测量研究一直是运动生物力学学科中的一个重大的基础性课题,同时也是工效学、人类学及人体科学研究的重要组成部分,具有重要的学术价值和应用背景。人体运动环节的重量参数是惯性参数中的重要组成部分,包括环节重量、环节重心半径及本文增补的环节重量矩,是能够反映人体形态结构和质量分布特征的基本参量。 近一百多年来,从尸体解剖发展到活体测量,先后曾出现过多种活体测量方法,促进了人体环节测量研究的不断进步。然而,从目前的研究现状来看,人体环节参数模型还多为对称型,且数据多来源于对正常成年人的测量,不适于特殊群体;另外,精度高的人体环节参数模型均采用了带有放射性的射线法(Zatsiorsky等采用γ射线扫描法,郑秀瑗等采用CT法),难以应用于对青少年的环节参数研究。 事实上,人体的形态结构和质量分布特征具有鲜明的个体性,尤其是特殊群体个性特征更加明显,譬如运动员群体,不同竞技项目的运动员形体差异很大。因而,不论采用何种形式的人体环节惯性参数进行影像解析都无疑会在很大程度上抹杀受试者的个体特征。由此看来,提供更加个性化的人体环节惯性参数是人体运动分析精化与细化的首要条件。 我们在前人研究的基础上,从运动生物力学角度出发,以经典力学为基础、以人体解剖学为依据,1)对人体各环节重心与人体总重心的联动关系进行深入的探讨,首次提出了一种测量人体运动环节重量参数的创新理论—平衡板测量理论;2)并以该理论为指导,基于目前先进的传感器技术与计算机技术,首次研制了一组测量仪器(R-Ⅱ型、R-Ⅰ型平衡板)以探索创新理论框架下基本人体模型运动环节(链)重量参数的测量程序与方法;3)首次引入最优化原理与方法对细化人体模型细化环节的重量参数进行最优化计算。 概括起来,本研究的创新之处在于:提出了一个概念(人体运动环节)、增补了一个参数(环节重量矩)、研制了一组仪器(两种相配套的平衡板)和探索了一种方法(平衡板测量法)。另外,本研究共开发了4个计算机软件进行数据采集与计算,并利用Matlab编写最优化计算程序以实现本研究的原创性构想。 本研究结论如下: 1)本研究开拓了一个经济可行且保证一定精度的测量人体运动环节(链)重量参数的方法,对今后开展特体和青少年人体环节惯性参数的测量找到了一个安全可靠的途径。 2)人体运动环节(链)概念的引入,重量矩参数的增补是提出平衡板测量理论的必然要求,前者体现了人体参与运动的客观存在的环节质量;后者是平衡板测量的直接参量,在某些应用中可以减少合成误差的引入。 3)总重心圆原理高度概括了运动环节(链)重心与人体总重心之间存在的严格联动关系,是测量环节(链)重量矩的理论基础;稳定平衡状态、有限稳定平衡状态和不稳定状态3个顺次发生的阶段真实体现了合成重心位置测定的物理过程,提供了环节(链)重心半径的测量思路。环节(链)重量矩测量与环节(链)重心半径测量相结合,首次解决了平衡板实际测量人体运动环节重量、重心半径这个重大的基础理论问题,为人体运动环节重量参数的深入研究提供了理论平台。 北京体育大学博l:研究生学位(毕业)论文 4)刀一11型平衡板的研制及《尸一11型平衡板测量数据采集软件》的开发实现了人体运动 环节(链)重量矩的测量,尸一I型平衡板的研制及《尸一I型平衡板测量数据采集软件》的开 发实现了环节(链)重心半径的测量;对两种仪器的精度范围、重复性、线性度3个指标的 检验说明了仪器测量的可靠程度,对两种仪器的测量原理进行验证表明了环节(链)重量矩 测量和环节(链)重心半径测量的可行性;R一11型、尸一I型平衡板为基本人体模型各运动环 节(链)重量、重心半径的实测提供了实验基础,同时也为人体运动环节重量参数的深入研 究提供了实验平台。 5)最优化原理与方法的引入为细化人体模型细化环节重量参数的计算提供了有效途 径。以郑秀缓教授提供的3种中国人体数据模型为基础建立目标函数、以平衡板的实际测量 为准则确定约束条件,首次解决了人体细化环节重量参数的最优化计算问题;蒯rLAB的优 化工具箱为最优化算法的实现提供了计算基础,是环节参数最优化计算的有力工具。 6)测量仪器的误差是尸一11型平衡板测量人体总重心圆失真的根本原因,减少失真的途 径有两条:一是增大总重心圆的圆心角,二是增大总重心圆的半径,为此,可以在人体实验 中进行有限制的增加运动环节在个11型平衡板上的移动幅度和为运动环节(链)配加重量 以在现有实验条件下最大程度地减少总重心圆的失真;《尸一11型平衡板总重心圆失真分析》 软件的编制作为总重心圆失真分析的手段为人体实验过程中各种措施的选择与采用提供了 可靠的定量依据。 7)静态图像采集系统的设置及《静态图像人体重心分析软件》的编制实现了各种数据 模型合成人体总重心的计算,为比较各种数据对受试者的适用程度提供了实用的手段。 8)在人体实验


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