运动专项空中技术动作控制的建模与仿真研究

在体操、跳水、蹦床、花样滑冰等运动项目中，运动员完美地完成空中翻腾和转体为特征的高难度技术动作是取得最佳运动成绩的关键。影响运动员完成空中技术动作的因素很多，但其控制机制仍不清楚。本课题根据体操项目的空中技术动作特征和人体关节的生理解剖结构特点，建立空中技术动作的多刚体系统模型；结合实际运动员的空中技术动作、生理解剖和力学参量，进行动力学计算分析。在此基础上，通过计算机仿真方法，探讨运动员起跳或者离开运动器械时初始运动状态，空中上肢和下肢摆动的时机、速度和幅度等，不同环节惯性参量，相关关节肌肉力量，以及神经肌肉系统对肢体的控制等因素的改变，对空中技术动作的影响。研究结果将为理解空中技术动作的控制机制带来新的认识，形成基于生物力学规律的计算机仿真空中技术动作的方法，为空中技术动作的改进和难新动作的设计提供新的科学手段。

在体操、跳水等运动项目中，运动员完美地完成空中翻腾和转体为特征的空中技术动作是取得最佳运动成绩的关键。为探讨运动员完成空中动作的控制机制及其影响因素，本项目首先综合研究人体运动的生物力学建模与计算机仿真研究现状，然后进行了以下研究。①针对体操和跳水等项目的空中技术动作特点，建立19个环节，50个自由度的运动员多刚体系统模型。②利用所建立的模型，结合2名国际著名运动员在比赛中的跳马动作，进行计算机仿真研究；同时对仿真结果进行了验证。研究表明，运动员自身因素、踏板技术动作、推马动作以及空中屈体动作都是影响空中动作质量的主要因素。③为研究跳马起跳时踏跳动作对空中动作的影响机制，开展了有关踏跳板的两方面研究。（a）通过理论推导和实验，建立了踏板力-运动关系的方程。利用该方程，形成了基于高速摄像获得助跳板下压高度和速度的踏板反作用力的测量方法，该方法可快速简便地监测跳马踏板过程中运动员与助跳板相互作用力，为跳马技术动作科学保障提供新手段。（b）利用人体多刚体系统模型进行仿真实验，结合运动员跳马比赛中的技术动作，分析踏板结构的力学参数对体操运动员踏板过程中内外负荷的影响。结果表明，板面体和弹簧的弹性系数对起跳效果的影响要远比踏板阻尼系数大。④对14名体操运动员平衡木前空翻类动作（四个动作）的技术特征的研究表明，完成较大难度的动作，需要较高的助跑速度、较好的下肢爆发力、较大的腾空角度、较高的腾空高度；但是所有动作的空中水平速度基本相同。⑤运动员在完成空中动作中通过屈体、团身和摆臂等动作改变人体多体系统的转动惯量来控制翻腾和转体的角速度。对我国某著名跳水运动员完成四个不同类型的空中动作（5235B, 5136B, 107B和407C）过程中的总转动惯量张量和三个中心主转动惯量I1，I2和I3（分别反映运动员转体、翻腾和倾斜运动的转动惯量）的变化进行研究发现，运动员完成不同类型的空中动作时主转动惯量有较大的变化。四个动作的I2和I3总是比较接近，平均值约为I1的5倍；肢体展开时最大I1或者I2可以达到收缩时最小值的4倍。这说明运动员可以充分利用肢体动作控制空中翻腾和转体的角速度。总之，本项目研究为理解空中技术动作的控制机制带来新的认识，形成了基于生物力学规律的计算机仿真空中技术动作的方法。同时课题研究中还为我国运动员在伦敦奥运会取得良好成绩提供了科学支持。