劉二俠

(南陽理工學院 體育教學部，河南 南陽 473004)

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緊身針織服對田徑運動員下肢肌肉活動的影響

劉二俠

(南陽理工學院 體育教學部，河南 南陽 473004)

為促進田徑運動員更好發(fā)揮身體機能，提高田徑項目的賽事成績，通過分析緊身針織服對田徑運動員下肢肌肉活動受力關系模型，從運動服裝的改良和優(yōu)化設計方面，提出一種基于多模旋轉(zhuǎn)自由度運動學分解的田徑運動員下肢肌肉活動力學分析模型.首先構(gòu)建緊身針織服對田徑運動員下肢肌肉運動學關系模型，進行田徑運動員下肢7個自由度肌肉活動空間重構(gòu).然后分析緊身針織服對田徑運動員下肢肌肉活動的力學模型，實現(xiàn)力學關系模型改進.仿真結(jié)果表明，采用該模型進行緊身針織服對田徑運動員下肢肌肉活動影響受力行為特征分析，能準確反映運動員下肢肌肉活動特征，有效提高田徑運動員的運動效果和成績．

緊身針織服；田徑運動員；下肢肌肉

0 引 言

隨著服裝設計工藝的發(fā)展，設計優(yōu)化的田徑運動服能有效改善體育運動的訓練效果.在田徑運動中，多以跳躍、投擲、跑步等項目組合而成，田徑比賽由田賽、徑賽、公路路跑、競走和越野跑組成，分為競走、跑、跳躍、投擲、全能五大類.可見，在田徑運動中，對身體肌肉和爆發(fā)力的要求較高，需要一種促進身體機能有效發(fā)揮的田徑運動服來調(diào)節(jié)運動員身體機能，更好地發(fā)揮運動中身體爆發(fā)水平.田徑運動員身著緊身針織衣有利于降低風阻，短跑選擇緊身衣能促進下肢肌肉的能量發(fā)揮，分析緊身針織服對田徑運動員下肢肌肉活動的影響，構(gòu)建緊身針織服對田徑運動員下肢肌肉活動的力學關系模型，一方面能促進田徑運動服的服裝改良設計，另一方面能起到事半功倍的運動訓練效果，相關的數(shù)學模型構(gòu)建和力學分析方法受到人們的重視．

傳統(tǒng)方法中，緊身針織服對田徑運動員下肢肌肉活動受力活動分析模型建立在線性動力學規(guī)劃模型基礎上，通過構(gòu)建田徑運動員運動學結(jié)構(gòu)模型進行運動員下肢行為動力學分析和重構(gòu)，實現(xiàn)肌肉的受力行為特征分解，取得較好研究成果[1-5].文獻[6]提出一種基于旋轉(zhuǎn)自由度穩(wěn)定性控制的田徑運動員下肢肌肉受力行為分析模型，分析不同的緊身針織衣對田徑運動員下肢爆發(fā)力促進性影響，實現(xiàn)力學模型構(gòu)建，提高下肢肌肉活動的力學預測性能，但是，該模型在矢量空間重構(gòu)中計算開銷較大，運動規(guī)劃實時性不好，文獻[7]提出一種基于線性規(guī)劃模型的緊身針織服，對田徑運動員下肢肌肉活動的受力進行分析，解決田徑運動員在不同運動變換過程中力學分解問題，但是該方法容易出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差，在下肢肌肉活動控制中的性能不穩(wěn)定.因此，本文提出一種基于多模旋轉(zhuǎn)自由度運動學分解的田徑運動員下肢肌肉活動力學分析模型，通過構(gòu)建緊身針織服對田徑運動員下肢肌肉運動學關系模型，分析緊身針織服對田徑運動員下肢肌肉活動的力學模型，并改進力學關系模型仿真實驗.測試證明了文中設計的緊身針織服對建立田徑運動員下肢肌肉活動力學關系模型的有效性和可靠性．

圖 1 田徑運動員下肢肌肉活動空間的運動關系模型Fig.1 Relationship model of lower limb muscle activity space of track and field athletes

1 模型的構(gòu)建

1.1 田徑運動員下肢肌肉活動空間力學建模

為研究緊身針織服對田徑運動員下肢肌肉活動的影響關系模型，首先進行緊身針織服對田徑運動員下肢肌肉運動學關系模型構(gòu)建.為了實現(xiàn)對田徑運動員行為的穩(wěn)定控制，田徑運動員穿著緊身針織服裝運動的下肢肌肉分布在7自由度運動空間中，采用7自由度空間重構(gòu)，實現(xiàn)田徑運動員的運動學分析，田徑運動員的下肢肌肉活動空間運動規(guī)劃中，需要對田徑運動員的下肢肌肉及各個運動關節(jié)，包括田徑運動員的雙足、小腿、大腿及上肢等7大部位進行運動學行為特征分解[8-12]，構(gòu)建田徑運動員下肢肌肉活動空間的運動關系模型，如圖1所示．

根據(jù)圖1所示的田徑運動員下肢肌肉活動空間運動關系模型，田徑運動員在穿著緊身針織服運動時的運動規(guī)劃空間分布在世界坐標系Oxyz中，其中，下肢肌肉的運動坐標為(xa，0)，運動員的肢體質(zhì)心位置為Gi(xi，zi)，由此得到田徑運動員下肢肌肉的運動鏈模型表述為

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

式(1)～(14)描述了下肢肌肉活動空間內(nèi)下肢各肢體連桿結(jié)構(gòu)的運動鏈行為模型，采用自適應特征分解方法，分析緊身針織服對田徑運動員下肢爆發(fā)能量的影響，得到在運動規(guī)劃空間內(nèi)下肢的爆發(fā)動能為

(15)

其中，Ii為轉(zhuǎn)動慣量.分析緊身針織服對田徑運動員下肢肌肉活動逆運動學的解析形式，得到緊身針織服運動著裝下的下肢助力運動勢能為

(16)

假設緊身針織服運動著裝下田徑運動員的初始位姿pobj和穩(wěn)定控制的參量集合gc，給定緊身針織服運動著裝下田徑運動員初始的下肢肌肉位形θstart∈Cfree(自由C-空間)，在田徑運動員跑步或者跳躍過程中，關節(jié)位姿T4在t時刻的姿態(tài)量化特征E[MB]=1，在C-空間中尋找一個旋轉(zhuǎn)運動平面，得到緊身針織服運動著裝下田徑運動員下肢肌肉穩(wěn)定性控制約束空間矢量，由此構(gòu)建田徑運動員下肢肌肉活動空間力學模型，在此基礎上，進行下肢肌肉力學分析．

1.2 田徑運動員下肢7個自由度肌肉活動空間重構(gòu)

圖 2 緊身針織服著裝下田徑運動員的肌肉活動 空間重構(gòu)模型Fig.2 Sketch map of muscle activity space reconstruction model of track and field athletes under tight knit suit

在上述緊身針織服對田徑運動員下肢肌肉運動學關系模型構(gòu)建的基礎上，為分析緊身針織服對田徑運動員下肢肌肉活動的影響，進行田徑運動員下肢7個自由度肌肉活動空間重構(gòu)，結(jié)合田徑運動員全身肢體關節(jié)和肌肉模型，得到田徑運動員肌肉活動空間重構(gòu)模型示意圖，如圖2所示．

在緊身針織服著裝下，田徑運動員下肢運動三維空間中相對于固定在下肢慣性參考系ΣI的運動可用4×4坐標系表述，得到逆向運動學的Lagrange函數(shù)為

(17)

采用關節(jié)位姿變換模型，得到緊身針織服著裝下的田徑運動員下肢助力運動的Lagrange動力學方程為

(18)

其中，Ti為下肢繞y 軸的旋轉(zhuǎn)角;向量G表示田徑運動員的肌肉活動重力矢量，得到緊身針織服對田徑運動員各肢體部分的關節(jié)提升力矩為

(19)

根據(jù)下肢助力空間軌跡重構(gòu)模型，采用反運動學變換分析緊身針織服對田徑運動員的下肢肌肉運動的軌跡匹配特征，用θi(i=1，2，…，6)表示下肢肌肉運動的爆發(fā)動能相位，即

(20)

根據(jù)上述分析，K表示下肢肌肉的狀態(tài)特征矩陣;向量P表示重力矢量，實現(xiàn)田徑運動員下肢7個自由度肌肉活動空間重構(gòu)，為構(gòu)建力學關系改進模型提供準確的數(shù)據(jù)基礎．

2 模型分析

在上述進行田徑運動員下肢7個自由度肌肉活動空間重構(gòu)的基礎上，通過分析緊身針織服對田徑運動員下肢肌肉活動受力關系模型，從運動服裝的改良和優(yōu)化設計方面促進田徑運動員充分發(fā)揮身體機能，提高田徑項目比賽成績.提出一種基于多模旋轉(zhuǎn)自由度運動學分解的田徑運動員下肢肌肉活動力學分析模型，結(jié)合疲勞加載條件下下肢肌肉動能轉(zhuǎn)化模式，得到緊身針織服對田徑運動員下肢肌肉活動的疲勞加載應力擬合拉格朗日方程為

(21)

其中:τ=[τ1，τ2，...，τ5]，τ1，τ2和τ3分別表示緊身針織服對田徑運動員下肢肌肉活動的極限承載力、中心力矩和損傷特征；τ4和τ5分別是下肢左右踝部位肌肉驅(qū)動力作用力矩，而且在縱向運動時，緊身針織服對田徑運動員下肢肌肉活動的初始位形θstart∈Cfree(自由C-空間)，隨著荷載的增加，在緊身針織服作用下，田徑運動員的運動坐標系i和(i-1)之間的齊次矩陣i-1Ti(qi)表示為

(22)

由此得到田徑運動員下肢肌肉在緊身針織服作用下縱向運動方程組為

(23)

(24)

(25)

在田徑運動員下肢7個自由度肌肉活動空間中進行下肢肌肉活動的頻率-振幅狀態(tài)參量估計，表示為

(26)

其中:Ii為田徑運動員下肢肢體部位桿件繞其質(zhì)心轉(zhuǎn)動慣量.由于下肢肌肉活動的頻率-振幅曲線具有不規(guī)則性，采用相鄰狀態(tài)的活動特征進行分解，得到運動員下肢運動的縱向移動位移表達式為

(27)

同理，求出各關節(jié)爆發(fā)的驅(qū)動力作用力矩，田徑運動員下肢肌肉活動的Lagrange動力學方程為

(28)

根據(jù)運動員的下肢右腿模型在世界坐標系的坐標變換分析，得到田徑運動員在緊身針織服作用下的右腿動能表達式為

(29)

(30)

(31)

(32)

通過上述模型設計，進行緊身針織服對田徑運動員下肢肌肉活動力學特征的定量分析，通過穿著緊身針織服，實現(xiàn)下肢肌肉的疲勞修復，提高運動爆發(fā)動能．

3 仿真實驗與結(jié)果分析

為了測試本文設計的緊身針織服對田徑運動員下肢肌肉活動力學關系模型的應用性能，進行仿真實驗.其中，設計田徑運動員下肢肌肉活動的力學加載采用ARM11 CPU加載模塊，采用ADAMS軟件進行受力行為特征分析，采用振動傳感器對田徑運動員的下肢肌肉和各個運動關節(jié)進行數(shù)據(jù)信號采集，使用加速度傳感器采集田徑運動員穩(wěn)定性行為數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)預處理和行為特征提取，將田徑運動員運動在身著緊身針織服下的田徑運動項目如跑步、競走、跳高、跳遠等行為模型進行分解，田徑運動員行走的穩(wěn)定性振蕩幅度fExtend設置為0.24，迭代次數(shù)設定為MaxCycles=1 024，力學分析模型的其他參數(shù)為Mp=1.6×104kg，mr=1.13×104kg，R=2.05m，l=1.87m，Km=0.050 8N·m/V，Ke=0.573 2Vs/rad，根據(jù)上述仿真環(huán)境和參數(shù)設定，進行緊身針織服對田徑運動員下肢肌肉活動的影響的受力行為特征分析，以田徑運動員的左腿和右腿的肌肉活動受力特征為測試對象，得到仿真結(jié)果如圖3所示．

(a) 左下肢 (b) 右下肢圖 3 緊身針織服穿著對田徑運動員的下肢雙腿肌肉受力特征分析Fig.3 Analysis of the force characteristics of the lower limb muscles and tight knit dress of athletes in tight knit dress

從圖3可見，采用本文模型進行田徑運動員下肢肌肉活動力學分析模型，能有效反映緊身針織服對田徑運動員下肢肌肉活動的影響，通過構(gòu)建緊身針織服對田徑運動員下肢肌肉運動學關系模型，進行田徑運動員下肢7個自由度肌肉活動空間重構(gòu)，實現(xiàn)對田徑運動員下肢肌肉活動受力行為的準確分析，指導緊身針織服的服裝設計改進，提高田徑運動員運動成績．

4 結(jié)束語

本文分析了緊身針織服對田徑運動員下肢肌肉活動受力關系模型，從運動服裝的改良和優(yōu)化設計方面促進田徑運動員更好發(fā)揮身體機能，提高田徑項目的賽事成績，提出一種基于多模旋轉(zhuǎn)自由度運動學分解的田徑運動員下肢肌肉活動力學分析模型，分析緊身針織服對田徑運動員下肢肌肉活動的影響，首先構(gòu)建緊身針織服對田徑運動員下肢肌肉運動學關系模型，進行田徑運動員下肢7個自由度肌肉活動空間重構(gòu)，分析緊身針織服對田徑運動員下肢肌肉活動力學模型，實現(xiàn)力學關系模型改進構(gòu)建.實驗分析結(jié)果表明，采用本文模型進行緊身針織服對田徑運動員下肢肌肉活動影響的受力行為特征分析，結(jié)果準確可靠，具有較好的指導意義和應用價值．

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編輯、校對：趙 放

Effect of tight knit suit on lower limb muscle activity of athletes

LIU Erxia

(Physical Education Department， Nanyang Institute of Technology， Nanyang 473004，Henan, China)

In order to promote athletes function of the body and improve their competition performance, through the analysis of tight knitted clothing for track and field athletes lower extremity muscle activity force relation model， from sportswear for improving and optimizing design, a lower limb muscle activity mechanics analysis model is put foward based on multimode rotational degrees of freedom kinematic decomposition. First of all a tight knitted clothing for athletes muscles of the lower limb kinematics model is bulit，athletes lower limbs seven freedom muscle activity spaces are reconstructied，the mechanical model is analyzed，and the mechanics model is achieved. Simulation results show that using the model to conduct influence force behavior analysis can accurately reflect the characteristics of athletes lower limb muscle activity; through tight knit wear design optimization， the athlete′s movement effect and performance can be improved．

tight knit clothing; athlete; lower limb muscle

1674-649X(2016)04-0427-06

10.13338/j.issn.1674-649x.2016.04.004

2016-02-18

劉二俠(1981—)，女，河南省平頂山市人，南陽理工學院講師，研究方向為體育.E-mail:liuerxia@163.com

劉二俠.緊身針織服對田徑運動員下肢肌肉活動的影響[J].西安工程大學學報，2016，30(4)：427-432.

LIU Erxia.Effect of tight knit suit on lower limb muscle activity of athletes[J].Journal of Xi′an Polytechnic University,2016，30(4)：427-432.

TS 941.2

A