体育运动中统一的人体多刚体模型及动力学分析方法

本文介绍了人体的多种多刚体模型及在体育中的应用，提出了统一的人体多刚体模 型，讨论了该模型的自由度、广义坐标、人体参数等。在比较了多种动力学分析方法后，建 议采用ＫＡＮＥ方法。

四刚体人体行走模型及其人行荷载分析

为模拟人体行走过程中的力学行为,运用多刚体模型对人体进行简化建模,建立了四刚体‑四自由度的人体动力学模型。运用欧拉‑拉格朗日方程的方法推导了动力系统摆动阶段动力学方程。为了使四刚体模型的行走具有拟人性,使用贝塞尔曲线对驱动自由度的运动轨迹进行了规划,从而将多自由度的运动方程简化为求解单自由度常微分方程的边界值问题。将数值模拟结果与试验和荷载模型进行对比,验证了所建立模型的可行性。

汽车正面碰撞过程人体建模与损伤研究

针对汽车碰撞事故的频发对道路交通安全产生巨大的危害的问题,该模型基于运动生物力学综合考虑车辆约束力、人体骨骼关节内力和人体各部分所受惯性力3个因素,将非线性车辆约束系统等效成具有一定刚度的弹性单元,建立汽车正面碰撞过程人体多刚体等效模型。通过数值方法对100%正碰、40%正碰、柱碰和钻入式碰撞4种不同碰撞假设下人体模型进行仿真研究,得到在不同碰撞条件下人体各部分的运动变化规律;并利用头部损伤评价指标、胸部压缩量指标和完全损伤评价指标讨论不同正碰形式对人体的损伤程度。研究结果对预测车辆正碰过程人体运动状态和减小车辆碰撞系统对人体造成的损伤具有指导意义。

手工提放重物操作技术优化的生物力学研究

目的:采用16个刚体39个自由度的环节链多刚体模型,以多刚体动力学的Kane法计算身体各关节的受力情况,明确手工提放操作的运动学与动力学机理,优化手工操作技术。方法:Vicon运动分析系统与Kistler测力台同步,40名男大学生在BTE PrimusRS系统上进行两次手工提放重物能力测试,尽力持续至疲劳;频率12次/min,木箱重13 kg,蹲举与半蹲举交替,间歇30 min;记录人体各环节的运动学与足底受力参数,据多刚体系统动力学理论以逆向动力学法计算各关节的受力。结果:与半蹲举相比,蹲举因增加了下肢部的转动幅度,相对减少了躯干部的转动幅度;使腰骶部承受的不平衡力与切力峰值降低,转化为下肢部承受的不平衡力与切力峰值增加。半蹲举承受的切力集中在下背部,而蹲举切力分散至上背与下背部,半蹲举切力的增大要高于蹲举压力的增大。结论:与半蹲举相比,蹲举是一种优势的手工操作技术。