艺术体操Attitude旋转难度动作的地面反作用力特征分析

目的Attitude是艺术体操项目中最基本的旋转难度动作之一。追求高旋转难度分值是获得优异运动成绩的有效途径。明确Attitude旋转难度动作的生物力学特征是保障其高质量成功完成的理论基础。研究通过对高、低分值Attitude动作的地面反作用力特征进行探讨,试图了解Attitude动作的技术特征,发现不同动作阶段的地面反作用力的一般规律。方法应用8镜头Qualisys-MCU500红外光点高速运动捕捉系统、两台Kistler三维测力台。依据动作入选标准,将转体周数≥3周/<1周的Attitude动作分为高分值组(10人次)和低分值组(11人次)。利用独立样本t检验分析确定高/低分值组之间在地面反作用力等指标中的差异。结果当自由腿地面反作用力水平分量Fx达到峰值时,合旋转力矩与围绕Y轴的地面反作用力矩也同时达到其峰值。在双支撑阶段,支撑脚产生比自由脚更大的Fz。此时,COP的位置将更靠近于支撑脚。高分值组具有较大的合旋转力矩和自由腿旋转力矩。在合旋转力矩峰值时刻,高分值组的峰值Fx大于低分值组(P<0.05)。在起动阶段,高分值组分配于支撑腿的体重比例为60.06%±4.03%。结论在Attitude起动阶段,运动员的身体重心更靠近于支撑腿。但为了保证自由腿产生更大的地面反作用力水平分力,应保证自由腿要至少承担39%的体重分配。在双支撑向单支撑过渡期间,高分值组具有更优的重心转移技术。

不同速度跑步着地缓冲时下肢关节角度与地面反作用力的关系

目的本研究旨在探讨跑步着地缓冲阶段下肢关节角度变化与垂直地面反作用力(v GRF)之间的关系,比较不同跑速下人体肌肉骨骼负荷和冲击强度。方法招募1名受试者在慢速(2.23±0.2 m/s)、中速(3.34±0.2 m/s)、快速(4.45±0.2 m/s)3种状态下跑步,采集后的数据经Visual 3D软件计算,得到矢状面上下肢三关节角度、关节力矩、v GRF和胫骨加速度,以评估肌肉骨骼负荷和冲击强度。采用SPSS 27.0软件进行单因素方差分析对比3种跑速下各变量的差异,再通过一元线性回归分析分别建立下肢三关节角度与地面反作用力之间的关系。结果在慢速跑下,v GRF(F)与髋关节角度(θ1)、膝关节角度(θ2)、踝关节角度(θ3)之间的回归方程分别为F=13.739+17.812·θ1、F=-2143.512+62.724·θ2、F=-1836.541+33.285·θ3;在中速跑下分别为F=-70.806+19.887·θ1、F=-1649.415+50.316·θ2、F=-737.243+21.812·θ3;在快速跑下分别为F=179.662+17.878·θ1、F=-2448.669+58.746·θ2、F=-1485.809+32.185·θ3。结论了解不同速度下跑步着地缓冲时v GRF与髋、膝、踝关节屈曲角度之间的关系,可以为应对跑步冲击力对人体运动损伤提供策略。

应用人体不同部位坐标对神经网络估算侧切动作地面反作用力的影响

目的对比神经网络分别以全身和下肢关节点三维坐标为输入变量估算足球运动员侧切变向动作中地面反作用力效果,探究上肢关节点对估算效果的影响,为简化神经网络模型输入提供依据。方法受试者为71名男性大学生足球运动员,使用动作捕捉系统(200 Hz)以及测力台(1000 Hz)同步采集其12次侧切变向动作中的运动学和动力学数据。数据集划分为训练集61人,验证集6人,测试集4人。建立神经网络,以支撑阶段18个全身关节点坐标和11个下肢关节点三维坐标作为输入,估算侧切变向动作支撑阶段的三维地面反作用力。采用除以实测值变化范围的标准化均方根误差(n RMSE)评价神经网络模型估算效果。结果(1)两种输入变量神经网络估算地面反作用力n RMSE在前后方向(全身点:11.19±2.84%,下肢点:11.21±2.66%,P=0.877),左右方向(全身点:13.49±5.20%,下肢点:13.95±5.96%,P=0.242),垂直方向(全身点:11.52±3.46%,下肢点:11.47±4.32%,P=0.869)均无显著差异;(2)两种神经网络估算和测力台实测所得地面反作用力峰值三者之间在前后方向(F=3.190,P=0.053),左右方向(F=2.782,P=0.072)以及垂直方向(F=1.461,P=0.243)均无显著差异。结论移除上肢关节点不会影响神经网络基于关节点坐标估算足球运动员侧切变向地面反作用力的效果。

基于统计参数映射分析不同注意焦点对立定跳远蹬地时地面反作用力的影响

目的检验不同注意焦点对大学生立定跳远结果指标距离的影响,并从动力学角度分析下肢发力情况,探讨注意焦点在立定跳远动作技能教学中的作用和机制。方法随机招募24名受试者(男女各12名),采集不同注意焦点条件下立定跳远动作下肢生物力学数据,采用单因素重复测量方差分析检验所采集数据,采用统计参数映射分析地反力时间序列数据,显著性水平α设为0.05。结果不同注意焦点条件下,前后方向地反力在9%~15%(P=0.001)、20%~32%(P=0.007)、75%~85%阶段(P<0.001)具有显著性差异,进行事后比较结果显示,无焦点和内部焦点在0%~8%和90%~93%阶段具有显著性差异,无焦点和外部焦点在0%~4%、12%~16%、81%~85%和87%~90%阶段具有显著性差异,内部焦点和外部焦点在12%~15%、22%~30%和82%~85%阶段具有显著性差异。外部焦点使地反力增大,前后、垂直方向负载率增大。然而,不同注意焦点条件下,垂直方向地反力没有显著性差异,但对立定跳远距离具有显著性差异(P<0.001),且外部焦点使立定跳远的距离增加。结论相较于内部焦点,外部焦点使距离增加,并提高了下肢爆发力。在教学中,教师可以通过使用外部焦点指令来提高整体的运动表现,从而提高运动成绩和优化技术动作。

具射流反作用力喷砂除锈并联机构自抗扰控制

针对由喷砂除锈并联机构末端喷枪射流反作用力造成的非匹配干扰问题,提出一种喷砂除锈并联机构非线性自抗扰控制方法。采用解析法对并联机构进行运动学分析,采用拉格朗日法建立考虑非匹配干扰的并联机构动力学模型;通过应用等效输入干扰技术将系统的非匹配干扰转换为位于控制输入通道的匹配干扰,并与建模误差、关节摩擦力及外部干扰等集总为系统总干扰;设计非线性扩张状态观测器对系统集总干扰进行实时精确估计和补偿,进一步设计基于扩张状态观测器的自抗扰控制,以增强系统对集总干扰的鲁棒性,同时提高其轨迹跟踪控制性能。最后证明闭环系统的稳定性,并基于MATLAB软件和具射流反作用力喷砂除锈并联机构样机,对所提出控制方法进行仿真和样机实验,实验结果验证了所提出方法的有效性。

采用电磁分流阻尼的反作用飞轮隔振方法设计与分析

反作用飞轮是重要的卫星姿态控制执行机构,也是星上最主要的微振动源。针对反作用飞轮转速范围宽的工作特点,本文提出采用六脚隔振装置结合电磁分流阻尼技术的隔振方法。考虑陀螺效应的耦合作用,建立了反作用飞轮与隔振装置的一体化动力学模型。通过理论分析和数值仿真,研究了陀螺效应对系统的模态、固有频率以及隔振性能的影响,并分析了关键参数对系统隔振性能的影响。开展了隔振优化设计,对优化后的隔振性能进行分析,并对隔振装置中的单个隔振单元进行实验验证,验证了电磁分流阻尼和弹簧刚度对隔振性能的影响。

基于扰动观测的小型反作用飞轮高精度控制

反作用飞轮是卫星姿态控制系统的关键部件,其性能指标直接关系到光学遥感卫星的控制精度。为了实现高精度的反作用飞轮转速控制,提出了一种基于扰动观测器的非线性控制方法。首先,建立了基于无刷直流电机的反作用飞轮数学模型,分析了影响转速控制精度的因素,并构建了用于控制器设计的非线性模型。然后,结合扰动观测器和非线性控制理论设计了基于扰动观测的非线性控制器,并利用李雅普诺夫理论证明了控制方法的稳定性。最后,通过数值仿真证明飞轮转速可以平稳达到控制目标值,精度优于传统的PI控制方法,并在飞轮实体上验证了本文方法的有效性。

基于深度学习的楼梯行走地面反作用力及压力中心预测

目的地面反作用力(GRFs)及足底压力中心(COPs)是生物力学动力学分析以及姿势控制研究的重要指标。在楼梯行走中需要使用配备至少两块测力台的特制楼梯采集完整的GRF和COP数据。该楼梯并非标准配置,且在实验室外场景也较难实现。因此,本研究将基于深度学习算法开发GRF和COP估算模型,使得在没有测力台的情况下能够进行楼梯行走的动力学分析。方法基于一维卷积神经网络(CNN)架构构建了一个深度学习模型,使用运动学数据作为输入来估算楼梯行走任务中的三维GRFs和二维COPs。构建了一个大型数据集训练该模型,包括从172名受试者中采集到的3782个楼梯行走实验数据。受试者包括健康人、膝骨性关节炎患者以及中高风险心血管疾病患者。使用十折交叉验证来评估模型的性能。通过比较测试集中整个步态周期估算的GRFs和COPs与测力台金标准数据得出的归一化均方根误差(n RMSE)来评估模型性能。结果所建模型在上下楼梯任务中达到了最先进的估计性能,其中三维GRFs和二维COPs的n RMSE分别为2.525%~7.518%和5.012%~19.434。结论所建模型基于运动学数据,在估计上下楼梯任务中的地面反作用力(GRFs)和压力中心(Co Ps)方面达到了最先进的准确性,可以满足临床使用或生物力学研究的要求。使用本研究提出的模型,可以在不配备测力台的楼梯行走场景中估计上下楼梯时的GRFs和Co Ps。

自反作用垫圈在多晶硅生产中的防泄漏作用分析

随着全球对清洁、可持续能源需求的增长,多晶硅作为太阳能电池的主要原料,其生产过程中的安全性和效率尤为重要。针对多晶硅生产中在设备密封性方面面临的挑战,尤其是高温高压条件下法兰的泄漏风险,本文分析了自反作用垫圈在提高螺栓预紧力和均匀性方面的作用。自反作用垫圈通过消除多余的翻转力矩和偏置力矩,使得紧固扭矩更有效地转化为螺栓预紧力,提高了法兰连接的密封性能。自反作用力垫圈的应用显著提高了螺栓预紧力的均匀性和稳定性,降低了因温度变化导致的泄漏风险,从而提高了多晶硅的生产效率。本文还通过仿真研究,验证了自反力垫圈在提升预紧力和密封性能方面的有效性,并探讨了高温对螺栓紧固力的影响。这些研究对于优化多晶硅生产工艺、提高设备安全性具有重要意义,有助于推动现代工业的持续发展。

反作用轮密封罩结构的稳定性研究

反作用轮外壳体结构是反作用轮工作的载体,对保证反作用轮正常工作具有重要的作用。壳体由底座和密封罩两部分组成。文章基于通用有限元分析软件,利用特征值屈曲分析和非线性屈曲分析两种方法,研究了反作用轮密封罩结构的稳定性能,分析了壳面形态对结构稳定性能的影响。研究结果为反作用飞轮密封罩结构的设计和制造提供理论依据。

火力发电厂磨煤机反作用力油站改造对系统稳定性与节能效果的影响

随着我国经济的飞速发展,我国火力发电厂的建设规模也越来越大,但同时也伴随着严重的能源浪费问题。在火力发电厂中,磨煤机是燃煤机组的主要设备,同时也是火电厂发电的关键设备,其运行情况对于电厂生产效率与供电效率都具有十分重要的影响。在实际生产中,为了有效地提高磨煤机运行效率与效率,需要对其进行必要的技术改造。但在对磨煤机进行改造过程中,往往会出现一些问题,从而导致磨煤机运行过程中出现系统稳定性差、能耗过高等问题。本文以某火力发电厂为例,就磨煤机反作用力油站改造对系统稳定性与节能效果的影响展开分析。

JRC系统中反作用力的计算

喷气反作用控制(JRC)是依靠气体从喷嘴中高速喷出产生的反作用力来控制某种装置的方法。它可以应用于高空低动压条件下或者低速飞行条件下飞行器的姿态控制。十字梁实验系统是JRC的实验平台,可以用来验证喷气反作用控制有效性,并进行各种控制算法的实验。但仿真时喷气反作用力的大小通常使用经验值,误差较大,从而造成控制器设计的不准确。该文根据动量定理和电磁阀的流量公式,在一定的假设条件下,详细推导了十字梁实验系统中喷气反作用力的计算公式。最后给出了仿真结果,证明了计算的反作用力的大小的正确性。

人间的作用与反作用

力学定律中有一条:作用力与反作用力相等,而方向则相反。这是物质世界的定律。在精神世界,在人的意识世界里也有类似的情形吗?虽然不完全雷同,但是也有类似之处。比如,你去读(作用于)一部著作,这部著作就会给予(反作用于)你,告诉你知识,告诉你思考问题的方法,还会扩大你的眼界,看到历史和未来,看到中国和世界,看到传统和现代。你读得(作用得)越深、越精,它很可能让你(反作用于你)看得更深、更精。读书是如此,写书也类似,唱歌也有作用与反作用发生。

正确理解反作用力的几个例子

初学力学时,举反作用力常见的例子是:人推墙壁时,墙壁也给人一个反作用力。并由此知道,人推车时也同样受到车的反作用力。这时再多问一句,如果车子在运动,人还受到车子的反作用力吗?有些同学就会认为,既然车子已经动了,人对车子的力有了运动效应,大概这时人不再受到车子的反作用力了吧！这样想就错了。其实,无论车子是静止还是运动,只要人给车子作用力。

空间机械臂全局反作用优化及其地面试验研究

针对空间机械臂在运动过程中对其基座产生力/力矩反作用这一问题进行了分析,并提出一种关节轨迹参数化的全局反作用优化方法,用于减小机械臂的反作用力/力矩.基于气浮轴承方法,建立了3自由度空间机械臂反作用优化地面实验系统.最后,采用3自由度机械臂验证了该方法的有效性.

50Nms磁悬浮反作用飞轮转子优化设计方法的研究

介绍了一种额定工作转速为-5000rpm^5000rpm,额定角动量为50Nms的五自由度磁悬浮反作用飞轮。利用多学科设计优化软件iSIGHT及有限元分析软件ANSYS,通过序列二次规划法对飞轮转子进行了多学科设计优化研究:以转子质量为优化目标,以转子、静力学、共振频率、转子动力学、角动量、几何尺寸等多学科要求同时作为约束条件进行了优化设计。结果表明,通过多学科设计优化,在满足设计要求的同时,使转子重量达到了最小化(4.09kg),提高了设计效率和设计质量,在航天器姿态控制系统的设计中具有现实意义。

反作用飞轮驱动电机的电磁设计

为解决反作用飞轮用永磁无刷直流电机的电磁设计问题,提出了一种采用有限元法与磁路法相结合方式进行电机电磁设计的目标设计法。根据飞轮电机有效电磁气隙宽、径长比大的结构特点,推导了电枢尺寸与机械特性、有效电磁气隙、径长比等参数间的关系表达式,得到新的电枢尺寸计算公式;利用磁场逆问题求解策略结合等效气隙磁通密度方法,给出磁钢尺寸的计算模型;最后描述了整个电磁设计过程。与一台最高转速为6000r/min、角动量为5Nms的反作用飞轮驱动电机的对比验证表明,该方法最大设计误差为2.89%,精度较高。该方法不受传统方法取值思想的限制,目标明确,速度快,适用于大的有效电磁气隙,大径长比结构的飞轮电机的电磁设计。

反作用飞轮结构的动态优化设计

在综合考虑飞轮执行机构的动量容量、输出力矩、质量、体积、功耗、成本及复杂性等因素的基础上,基于优化设计软件ISIGHT及结构有限元分析软件ANSYS,对基于磁悬浮轴承技术的反作用飞轮的结构外形尺寸进行动态优化设计,在确保反作用飞轮结构在给定设计转速下能达到一定的角动量,同时满足结构强度、刚度、形态等方面的要求的前提下,使反作用飞轮的质量最小,优化结果令人满意。设计思路和方法可以用于系列反作用飞轮结构的设计和研制。

航天器反作用轮扰动建模及参数辨识

为预测反作用轮微振动对航天器产生的影响,提出了一种改进的扰动模型.由于共振造成的扰动放大是反作用轮扰动对卫星姿态精度的最重要影响,改进模型通过引入放大系数体现结构固有频率对扰动的影响.鉴于改进模型的非线性特性,应用模拟退火遗传算法对改进模型进行了参数辨识.设计刚性六分量力测试平台对反作用轮扰动进行测试,并利用实测数据对改进模型及参数辨识结果进行验证.验证结果表明:改进模型准确地反映了反作用轮的扰动特点,模拟退火遗传算法可以提高参数辨识的精度.