紧身针织服对田径运动员下肢肌肉活动的影响

刘二侠

(南阳理工学院 体育教学部，河南 南阳 473004)



紧身针织服对田径运动员下肢肌肉活动的影响

刘二侠

(南阳理工学院 体育教学部，河南 南阳 473004)

为促进田径运动员更好发挥身体机能，提高田径项目的赛事成绩，通过分析紧身针织服对田径运动员下肢肌肉活动受力关系模型，从运动服装的改良和优化设计方面，提出一种基于多模旋转自由度运动学分解的田径运动员下肢肌肉活动力学分析模型.首先构建紧身针织服对田径运动员下肢肌肉运动学关系模型，进行田径运动员下肢7个自由度肌肉活动空间重构.然后分析紧身针织服对田径运动员下肢肌肉活动的力学模型，实现力学关系模型改进.仿真结果表明，采用该模型进行紧身针织服对田径运动员下肢肌肉活动影响受力行为特征分析，能准确反映运动员下肢肌肉活动特征，有效提高田径运动员的运动效果和成绩．

紧身针织服；田径运动员；下肢肌肉

0 引 言

随着服装设计工艺的发展，设计优化的田径运动服能有效改善体育运动的训练效果.在田径运动中，多以跳跃、投掷、跑步等项目组合而成，田径比赛由田赛、径赛、公路路跑、竞走和越野跑组成，分为竞走、跑、跳跃、投掷、全能五大类.可见，在田径运动中，对身体肌肉和爆发力的要求较高，需要一种促进身体机能有效发挥的田径运动服来调节运动员身体机能，更好地发挥运动中身体爆发水平.田径运动员身着紧身针织衣有利于降低风阻，短跑选择紧身衣能促进下肢肌肉的能量发挥，分析紧身针织服对田径运动员下肢肌肉活动的影响，构建紧身针织服对田径运动员下肢肌肉活动的力学关系模型，一方面能促进田径运动服的服装改良设计，另一方面能起到事半功倍的运动训练效果，相关的数学模型构建和力学分析方法受到人们的重视．

传统方法中，紧身针织服对田径运动员下肢肌肉活动受力活动分析模型建立在线性动力学规划模型基础上，通过构建田径运动员运动学结构模型进行运动员下肢行为动力学分析和重构，实现肌肉的受力行为特征分解，取得较好研究成果[1-5].文献[6]提出一种基于旋转自由度稳定性控制的田径运动员下肢肌肉受力行为分析模型，分析不同的紧身针织衣对田径运动员下肢爆发力促进性影响，实现力学模型构建，提高下肢肌肉活动的力学预测性能，但是，该模型在矢量空间重构中计算开销较大，运动规划实时性不好，文献[7]提出一种基于线性规划模型的紧身针织服，对田径运动员下肢肌肉活动的受力进行分析，解决田径运动员在不同运动变换过程中力学分解问题，但是该方法容易出现稳态跟踪误差，在下肢肌肉活动控制中的性能不稳定.因此，本文提出一种基于多模旋转自由度运动学分解的田径运动员下肢肌肉活动力学分析模型，通过构建紧身针织服对田径运动员下肢肌肉运动学关系模型，分析紧身针织服对田径运动员下肢肌肉活动的力学模型，并改进力学关系模型仿真实验.测试证明了文中设计的紧身针织服对建立田径运动员下肢肌肉活动力学关系模型的有效性和可靠性．

图 1 田径运动员下肢肌肉活动空间的运动关系模型Fig.1 Relationship model of lower limb muscle activity space of track and field athletes

1 模型的构建

1.1 田径运动员下肢肌肉活动空间力学建模

为研究紧身针织服对田径运动员下肢肌肉活动的影响关系模型，首先进行紧身针织服对田径运动员下肢肌肉运动学关系模型构建.为了实现对田径运动员行为的稳定控制，田径运动员穿着紧身针织服装运动的下肢肌肉分布在7自由度运动空间中，采用7自由度空间重构，实现田径运动员的运动学分析，田径运动员的下肢肌肉活动空间运动规划中，需要对田径运动员的下肢肌肉及各个运动关节，包括田径运动员的双足、小腿、大腿及上肢等7大部位进行运动学行为特征分解[8-12]，构建田径运动员下肢肌肉活动空间的运动关系模型，如图1所示．

根据图1所示的田径运动员下肢肌肉活动空间运动关系模型，田径运动员在穿着紧身针织服运动时的运动规划空间分布在世界坐标系Oxyz中，其中，下肢肌肉的运动坐标为(xa，0)，运动员的肢体质心位置为Gi(xi，zi)，由此得到田径运动员下肢肌肉的运动链模型表述为

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

式(1)～(14)描述了下肢肌肉活动空间内下肢各肢体连杆结构的运动链行为模型，采用自适应特征分解方法，分析紧身针织服对田径运动员下肢爆发能量的影响，得到在运动规划空间内下肢的爆发动能为

(15)

其中，Ii为转动惯量.分析紧身针织服对田径运动员下肢肌肉活动逆运动学的解析形式，得到紧身针织服运动着装下的下肢助力运动势能为

(16)

假设紧身针织服运动着装下田径运动员的初始位姿pobj和稳定控制的参量集合gc，给定紧身针织服运动着装下田径运动员初始的下肢肌肉位形θstart∈Cfree(自由C-空间)，在田径运动员跑步或者跳跃过程中，关节位姿T4在t时刻的姿态量化特征E[MB]=1，在C-空间中寻找一个旋转运动平面，得到紧身针织服运动着装下田径运动员下肢肌肉稳定性控制约束空间矢量，由此构建田径运动员下肢肌肉活动空间力学模型，在此基础上，进行下肢肌肉力学分析．

1.2 田径运动员下肢7个自由度肌肉活动空间重构

图 2 紧身针织服着装下田径运动员的肌肉活动 空间重构模型Fig.2 Sketch map of muscle activity space reconstruction model of track and field athletes under tight knit suit

在上述紧身针织服对田径运动员下肢肌肉运动学关系模型构建的基础上，为分析紧身针织服对田径运动员下肢肌肉活动的影响，进行田径运动员下肢7个自由度肌肉活动空间重构，结合田径运动员全身肢体关节和肌肉模型，得到田径运动员肌肉活动空间重构模型示意图，如图2所示．

在紧身针织服着装下，田径运动员下肢运动三维空间中相对于固定在下肢惯性参考系ΣI的运动可用4×4坐标系表述，得到逆向运动学的Lagrange函数为

(17)

采用关节位姿变换模型，得到紧身针织服着装下的田径运动员下肢助力运动的Lagrange动力学方程为

(18)

其中，Ti为下肢绕y 轴的旋转角;向量G表示田径运动员的肌肉活动重力矢量，得到紧身针织服对田径运动员各肢体部分的关节提升力矩为

(19)

根据下肢助力空间轨迹重构模型，采用反运动学变换分析紧身针织服对田径运动员的下肢肌肉运动的轨迹匹配特征，用θi(i=1，2，…，6)表示下肢肌肉运动的爆发动能相位，即

(20)

根据上述分析，K表示下肢肌肉的状态特征矩阵;向量P表示重力矢量，实现田径运动员下肢7个自由度肌肉活动空间重构，为构建力学关系改进模型提供准确的数据基础．

2 模型分析

在上述进行田径运动员下肢7个自由度肌肉活动空间重构的基础上，通过分析紧身针织服对田径运动员下肢肌肉活动受力关系模型，从运动服装的改良和优化设计方面促进田径运动员充分发挥身体机能，提高田径项目比赛成绩.提出一种基于多模旋转自由度运动学分解的田径运动员下肢肌肉活动力学分析模型，结合疲劳加载条件下下肢肌肉动能转化模式，得到紧身针织服对田径运动员下肢肌肉活动的疲劳加载应力拟合拉格朗日方程为

(21)

其中:τ=[τ1，τ2，...，τ5]，τ1，τ2和τ3分别表示紧身针织服对田径运动员下肢肌肉活动的极限承载力、中心力矩和损伤特征；τ4和τ5分别是下肢左右踝部位肌肉驱动力作用力矩，而且在纵向运动时，紧身针织服对田径运动员下肢肌肉活动的初始位形θstart∈Cfree(自由C-空间)，随着荷载的增加，在紧身针织服作用下，田径运动员的运动坐标系i和(i-1)之间的齐次矩阵i-1Ti(qi)表示为

(22)

由此得到田径运动员下肢肌肉在紧身针织服作用下纵向运动方程组为

(23)

(24)

(25)

在田径运动员下肢7个自由度肌肉活动空间中进行下肢肌肉活动的频率-振幅状态参量估计，表示为

(26)

其中:Ii为田径运动员下肢肢体部位杆件绕其质心转动惯量.由于下肢肌肉活动的频率-振幅曲线具有不规则性，采用相邻状态的活动特征进行分解，得到运动员下肢运动的纵向移动位移表达式为

(27)

同理，求出各关节爆发的驱动力作用力矩，田径运动员下肢肌肉活动的Lagrange动力学方程为

(28)

根据运动员的下肢右腿模型在世界坐标系的坐标变换分析，得到田径运动员在紧身针织服作用下的右腿动能表达式为

(29)

(30)

(31)

(32)

通过上述模型设计，进行紧身针织服对田径运动员下肢肌肉活动力学特征的定量分析，通过穿着紧身针织服，实现下肢肌肉的疲劳修复，提高运动爆发动能．

3 仿真实验与结果分析

为了测试本文设计的紧身针织服对田径运动员下肢肌肉活动力学关系模型的应用性能，进行仿真实验.其中，设计田径运动员下肢肌肉活动的力学加载采用ARM11 CPU加载模块，采用ADAMS软件进行受力行为特征分析，采用振动传感器对田径运动员的下肢肌肉和各个运动关节进行数据信号采集，使用加速度传感器采集田径运动员稳定性行为数据，经过数据预处理和行为特征提取，将田径运动员运动在身着紧身针织服下的田径运动项目如跑步、竞走、跳高、跳远等行为模型进行分解，田径运动员行走的稳定性振荡幅度fExtend设置为0.24，迭代次数设定为MaxCycles=1 024，力学分析模型的其他参数为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，根据上述仿真环境和参数设定，进行紧身针织服对田径运动员下肢肌肉活动的影响的受力行为特征分析，以田径运动员的左腿和右腿的肌肉活动受力特征为测试对象，得到仿真结果如图3所示．

(a) 左下肢 (b) 右下肢图 3 紧身针织服穿着对田径运动员的下肢双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

从图3可见，采用本文模型进行田径运动员下肢肌肉活动力学分析模型，能有效反映紧身针织服对田径运动员下肢肌肉活动的影响，通过构建紧身针织服对田径运动员下肢肌肉运动学关系模型，进行田径运动员下肢7个自由度肌肉活动空间重构，实现对田径运动员下肢肌肉活动受力行为的准确分析，指导紧身针织服的服装设计改进，提高田径运动员运动成绩．

4 结束语

本文分析了紧身针织服对田径运动员下肢肌肉活动受力关系模型，从运动服装的改良和优化设计方面促进田径运动员更好发挥身体机能，提高田径项目的赛事成绩，提出一种基于多模旋转自由度运动学分解的田径运动员下肢肌肉活动力学分析模型，分析紧身针织服对田径运动员下肢肌肉活动的影响，首先构建紧身针织服对田径运动员下肢肌肉运动学关系模型，进行田径运动员下肢7个自由度肌肉活动空间重构，分析紧身针织服对田径运动员下肢肌肉活动力学模型，实现力学关系模型改进构建.实验分析结果表明，采用本文模型进行紧身针织服对田径运动员下肢肌肉活动影响的受力行为特征分析，结果准确可靠，具有较好的指导意义和应用价值．

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编辑、校对：赵 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

刘二侠(1981—)，女，河南省平顶山市人，南阳理工学院讲师，研究方向为体育.E-mail:liuerxia@163.com

刘二侠.紧身针织服对田径运动员下肢肌肉活动的影响[J].西安工程大学学报，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