基于ADAMS.LifeMoD人體落地動作的動力學仿真與驗證

李旭鴻，郝衛亞，肖曉飛，吳成亮

(1.浙江體育科學研究所，浙江 杭州 310004；2.國家體育總局 體育科學研究所，北京 100061)

·運動生物力學·

基于ADAMS.LifeMoD人體落地動作的動力學仿真與驗證

李旭鴻1，郝衛亞2，肖曉飛2，吳成亮2

(1.浙江體育科學研究所，浙江 杭州 310004；2.國家體育總局 體育科學研究所，北京 100061)

摘要：基于人體運動仿真軟件LifeMoD建立人體個性化的三維多剛體動力學模型，該模型包括19個環節和50個自由度。對受試者的落地過程進行動作捕捉、運動學解析、動力學仿真，并完成仿真結果與三維測力臺的驗證。結果表明該模型具有很好的可信度，可以用來研究人體落地沖擊過程的動力學響應特性。

關鍵詞：LifeMoD；地面反作用力；運動捕捉；仿真與驗證

收稿日期：2014-07-09

作者簡介：李旭鴻(1976-)，男，副研究員，博士，主要從事人體運動的生物力學仿真.

文章編號：1004-3624(2015)01-0114-03

中圖分類號:G804.66

文獻標識碼：獻標識碼：A

Abstract:A three dimensional multi-body dynamic model of the subject-specific human was developed using the software ADAMS and LifeMoD, and this model include 19 segments and 50 degree of freedom. Jump landing of the subject was captured, kinematic parsed and dynamics simulation. The results was tested and proved to valid and feasible with 3D force-plate. It is shown that the simulation model has a good reliability, and it can be used to study the kinematics and dynamics of the human landing under impact loads.

基金項目：浙江省體育局備戰2012奧運和2013全運會體育科研攻關課題項目

Simulation and Validation of Human Model in Landings

Based on ADAMS.LifeMoD

LI Xu-hong1, HAO Wei-ya2，XIAO Xiao-fei2,WU Chen-liang2

(1.Zhejiang Research Institute of Sport Science， Hangzhou 310004， China；

2.China Institute of Sport Science, Beijing 100061， China)

Key words:LifeMoD; ground reaction force; motion capture; simulation and validation

0前言

在眾多的體育活動中，不管是與人們日常生活息息相關的周期性落地(如走、跑、跳)，還是競技比賽場上的制動性落地(如體操)都面臨著一定的沖擊負荷。通常情況下，人體利用下肢關節屈曲過程中肌肉的主動收縮和骨骼的變形來吸收和衰減承受的沖擊負荷，進而避免運動損傷[1]。其實人體在體育鍛煉過程中每一次與地面接觸都需要承受1~3倍自身體重的地面反作用力[2]，而在高速跑跳過程中，這一沖擊力有時會高達自身體重的8倍以上。殊不知較大的沖擊力和較高的負載率(loading rate)有時會超出人體肌肉骨骼系統承受的生理極限，進而增加了下肢損傷的發生率[3]。所以，過去幾十年間體育科學和運動醫學領域的人們一直認為跑跳過程中較高的沖擊載荷可能是導致下肢損傷的主要原因之一[4-6]。然而，近期的研究發現雖然較大的被動沖擊對人體的肌肉骨骼系統造成潛在的影響，但并不足以成為運動損傷的根本原因[7-8]。 因此現階段，一些專家學者針對人體落地沖擊方面的生物力學研究開始不僅僅局限于沖擊力本身，而是進一步考慮沖擊力的作用效果以及人體肌肉骨骼系統對此的綜合反應[9]。但目前對人體肌骨系統在沖擊過程中承受內在負荷的研究，通常都是建構在人體模型的基礎之上。所以，首先要確定人體模型的合理性和有效性，方能進一步考慮獲取的內在負荷是否真實、可信?；蛟S將理論模型與實驗研究整合在一起，能更好地理解和探索落地沖擊引起人體下肢損傷的生物力學機制[10]。

本文通過人體運動仿真軟件ADAMS. LifeMoD建立人體模型，利用紅外高速捕捉系統和高速攝像完成不同高度落地動作的采集，隨后計算機仿真獲取落地過程的地面反作用力，且與三維測力臺的數據進行比較和相似度研究，驗證基于ADAMS. LifeMoD建立人體模型的有效性。

1研究方法

1.1運動捕捉

受試對象是1名體育院校學生(24歲，170cm，70kg)，如圖1所示。利用高速紅外運動捕捉系統(Motion Analysis)和2臺高速攝像機(SONY)對其完成的落地跳實驗進行同步采集，兩者的采樣頻率均為200Hz，標定框架為PEAK，落地高度分別為40cm和80cm。受試者首先穿鞋進行準備活動，熟練后赤腳(barefoot)完成實驗且無向上和向前的跳躍動作。2塊三維測力臺(Kistler)置于厚度為20cm的落地墊下面記錄人體落地過程承受的地面反作用力，其采樣頻率為1 000Hz。人體關節點的選取如圖2所示，通過解析獲取人體運動學參數。

1.2建立模型

圖1　受試者落地實驗示意圖

利用人體運動仿真軟件LifeMoD，創建19個環節50個自由度的人體模型[11,12]，通過基于Python腳本語言的接口插件，把三維運動學數據導入人體模型中，并對初始狀態進行平衡分析和空間姿態的匹配，最終完成模型的建立。

圖2　人體關節點的選取示意圖

1.3仿真流程與簡易優化

從數據文件中讀取初始位置、載荷和邊界條件，設置仿真時間與步長，進行逆向動力學運算。隨后模型在關節力矩的驅動下與地面產生交互作用，獲得人體落地的動力學響應。仿真結束后，將仿真結果(GRF)與實驗結果進行比較，且對兩者的垂直方向上的GRF曲線開展相似度(復相關系數CMC)評價[13]。其中復相關系數(公式1)定義為：

(1)

式中是曲線的條數，是每條曲線中含有數據的個數，是第條曲線的第個數據，是條曲線的第個數據的平均值，是條曲線個數據的總體均值。最后，如果仿真結果不合理則需要調整相關參數，進行簡易的優化最終得到最優的仿真效果[12]。

2結果與分析

首先，利用高速攝像機和高速紅外運動捕捉系統對人體40cm高度的落地過程進行同步采集，分別展開仿真后得到垂直方向上的GRF(高速攝像機和motion系統)并與三維測力臺上記錄的數據(Kistler)進行比較和相似度描述，結果發現兩者的仿真結果與實驗測試之間的相似度CMC分別為0.906和0.964。同時，兩者的GRF峰值與測力臺最大差值為13.93N，到達GRF峰值的時間平均相差3ms(圖3所示)。表明兩種攝像系統采集到的運動學數據可以有效的應用到人體運動仿真研究中，且能較好地呈現出人體實際的落地動作。

其次，僅使用高速攝像機對人體40cm和80cm高度的落地過程進行運動捕捉，并對仿真獲取垂直方向上的GRF與三維測力臺上記錄的數據進行比較與相似度描述。結果發現， 40cm和80cm高度上的仿真結果與測力臺之間的相似度分別為0.935和0.967。在40cm 的高度上仿真的GRF峰值與測力臺的數據非常接近，僅相差6.29N，到達峰值的時間比測力臺提前6ms。而在80cm的高度上兩者的GRF峰值相差144.87N，是實測GRF峰值的3.3%，到達峰值的時間卻滯后2ms(圖4所示)。

圖3　兩種采集系統運動學數據仿真與測力臺上的力值

圖4　三維人工解析數據仿真與測力臺的力值

最后在運動學方面的驗證上，課題組還利用Motion計算80cm高度落地過程中膝關節(以左側為例)角度變化與其仿真結果進行對比，結果發現兩者CMC值為0.98。同時，兩者均在0.24s達到最小膝角，且屈曲角度相差8°左右[15]。

綜上所述，無論利用紅外高速運動捕捉系統還是高速攝像機都可以準確地解析出人體關節點的運動軌跡，并應用到人體運動仿真研究中，且在運動學和動力學上都高度相似。另外，從不同的落地高度上也能較好地反映人體運動過程，從而進一步表明建立的人體模型是合理、可信的。

3結論與建議

3.1利用高速攝像或高速紅外運動捕捉系統采集到的運動學參數均可以較好地應用到人體運動仿真研究中，而基于LifeMoD建立19個環節的人體模型是可行和合理的。

3.2通過簡易優化，結合外部環境與人體形成系統模型能較好地反映人體落地動作的實際運動，并對高水平運動員在實際訓練或比賽中的GRF進行有效估算。

參考文獻

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[15]于佳彬，郝衛亞，周興龍.基于LifeMoD系統對縱跳落地動作仿真方法的研究[C].第十五屆全國運動生物力學學術交流大會論文摘要匯編，2012:44.