双杖滑雪手部施力模型仿真分析

崔金鹏，高兴华，李建永，刘晓飞，孙其龙

(北华大学机械工程学院，吉林 吉林 132021)

近年来，我国滑雪运动相关研究呈现上升态势[1-2].王素改等[3]通过大数据调研法总结了滑雪运动平衡方式、转弯技术、动作技术；周君一等[4]从速度、力量方面分析了滑雪运动员体能训练现状，探究了体能训练方法；刘瑞等[5]利用文献检索法探寻了滑雪运动员的专项体能特征；耿宇等[6]研究了血流限制与高强度力量组合训练对运动员下肢最大肌力的影响；唐琨[7]提出了身体肌肉力量的训练建议，为滑雪运动员专项训练提供了参考.虽然手部施力已在中医骨科[8]、挖掘机操作手柄设计[9]、双手拉车肌肉疲劳分析[10]等方面开展了研究，但缺少针对双杖滑雪[11]手部施力的系统性理论分析.

滑雪运动前进动力主要源于滑雪杖的推进力，双杖推进的推进力由手部、上肢和躯干产生，并通过滑雪杖传递到地面[12].手部握持握柄施力方法是双杖推进技术的关键，影响滑雪状态.本文以专业滑雪运动员为研究对象，捕捉多组滑雪姿态，使用AnyBody软件[13-14]进行生物力学仿真分析[15-16]，研究手部肌肉施力特征，以获得最优施力方法.本文提出的方法有望作为一种安全科学的双杖滑雪握持施力方法加以推广，可为滑雪运动训练提供参考.

1 研究方法

基于人体动作捕捉方法，应用Kinect骨骼追踪技术[17-19]捕捉双杖滑雪运动员撑杖、推进和滑行3种滑雪姿态，获取人体运动骨骼数据.通过骨骼关节点角度计算理论与MATLAB软件[20-21]求解滑雪运动关节点角度，为AnyBody人体模型关节点角度设定提供参数.基于生物力学和人机工程学理论，以AnyBody站立模型与手部骨骼肌肉结构特征为基础，设定关节点角度参数，构建滑雪模型.以滑雪姿态和手部载荷为研究变量，应用控制变量法进行仿真：1)保持滑雪姿态不变，调整手部载荷；2)保持手部载荷不变，调整滑雪姿态.对比分析仿真结果，研究滑雪手部肌肉施力特征与滑雪姿态、手部载荷之间的关系.

2 滑雪运动姿态捕捉

使用Kinect感应器采集滑雪运动员人体信息，运行上位机软件SDK Browser例程Body Badics-WPF实现身体成帧读取.跟踪感应器视角下运动员滑雪姿态骨骼信息，追踪骨骼和关节点位置，获取3组滑雪姿态的人体骨骼图，见图1.

以髋骨和脊髓交点为二维坐标系中心原点O(图1 a)，选取与人体仿真模型相对应的盂肱、肘部、手腕、髋、膝盖、脚踝6个关节点，以二维坐标(x，y)格式记录骨骼关节点数据，见表1.

表1 不同姿态关节点坐标

在滑雪姿态人体骨骼图中人体由关节点和骨骼组成.从撑杖姿态身体左侧标定骨骼关节点，见图2.其中，A为盂肱关节点，B为肘关节点，C为手腕关节点，D为髋关节点，E为膝关节点，F为脚踝关节点，AB为锁骨，BC为肱骨.

图2 撑杖姿态肩关节点矢量

设定撑杖姿态时间点为t1，A点坐标为(x1t1，y1t1)，B点坐标为(x2t1，y2t1)，C点坐标为(x3t1，y3t1).

(1)

(2)

式中：ABt1、BCt1、ACt1分别为t1时刻肱骨、锁骨和辅助骨骼长度；θt1为t1时刻滑行姿态盂肱关节角.根据式(1)、式(2)编写MATLAB 3点坐标求解程序，获得3组滑雪姿态关节点角度，见表2.

表2 不同姿态关节点角度

3 滑雪运动仿真

3.1 仿真模型构建

模型包括身体模型和边界条件(几何模型).通过AnyScript 编译程序调用AnyBody站立模型，添加边界条件.参照表3几何模型尺寸，绘制滑雪杖和滑雪板3D模型，将几何模型STL格式文件导入AnyBody站立模型中.

表3 几何模型尺寸

修正几何模型，匹配人体模型尺寸和位置.设定ScaleXYZ={0.9，0.9，0.9}，调整滑雪杖和滑雪板模型尺寸，缩小为原模型的90%；设定相对旋转变换矩阵ARel={cos45，sin45，0；-sin45，cos45，0；0，0，1}，调整几何模型的相对方向，使几何模型角度对应实际滑雪状态；调整几何模型重心Jii参数和SRel相对位置参数，得到滑雪运动模型，见图3.

图3 滑雪运动模型

3.2 姿态载荷设定

通过AnyScript编译程序，按照表2设置撑杖姿态、推进姿态和滑行姿态关节点角度，见图4.AnyBody站立模型按照真实人体构建，姿态设定分为人体的右侧部分和左侧部分，双杖滑雪运动属于人体两侧协同运动，设置身体左、右关节点角度对称，完成人体所有关节点设置.

滑雪姿态设定后，运动仿真还需要添加手部载荷.人体模型中任意列出的点可以设定三维力向量，力向量作用范围是全局坐标系，生物力学仿真可以分析全身肌肉变化.健康成人握力一般能达到300～500 N，因此，设定模型撑杖姿态、推进姿态和滑行姿态手部施加的载荷分别为300 N和500 N.在模型右手重心点O处添加z轴负方向的载荷F，见图5.加载生物力学仿真程序，手部各肌肉在载荷作用下自由收缩运动，模拟滑雪手部握持滑雪杖的施力状态，进行生物力学仿真，得到手部各肌肉施力大小.

4 结果与分析

通过AnyBody生物力学仿真得到手部肌肉在不同姿态和载荷下的施力结果.选择撑杖姿态、模型手部添加z轴负方向500 N载荷下的仿真结果来举例分析，见图6.结果可知：在此情况下，大拇指拇长屈肌施力达到39.70 N、中指浅表肌达到25.80 N，起主要施力作用；食指和无名指肌肉施力略小，起辅助施力作用；小拇指肌肉施力较小，起到手部握姿保持作用.可见，滑雪运动中手部不同手指肌肉施力相差较大.

多组仿真结果见图7.由图7可知：不同滑雪姿态和手部载荷对手部肌肉施力有影响，但手部各肌肉施力相对合力的占比相对稳定，主要施力肌肉位于大拇指和中指；大拇指拇长屈肌与大拇指其他两类肌肉相比施力最大；其他4指浅表肌与指伸肌和深表肌相比施力最大.由于人体机体结构、生物力学的原因，滑雪运动姿态、手部载荷变化会对手部肌肉施力产生影响，仿真结果证明了该结论.

滑雪运动周期包括撑杖姿态、推进姿态和滑行姿态，不同姿态手部肌肉施力存在明显差异.由图8可知：在由撑杖、推进到滑行的运动周期内，手部各肌肉施力呈现减小趋势，分析认为，运动员前进需要借助手部撑杖的推力，因此，撑杖姿态手部肌肉施力最大，随后，手部肌肉施力逐渐变小.综合多组仿真分析可知，滑雪运动手部各肌肉施力特征明显，大拇指和中指位置各肌肉施力占比大，是主要施力区域.滑雪运动周期内手部各肌肉施力逐渐减小，各部分肌肉的最大自主收缩伸展趋势基本一致.

图8 运动周期肌肉施力

5 小 结

本文通过生物力学软件进行滑雪运动仿真，可为分析手部施力提供理论依据.结果可知：1)滑雪运动手部施力主要源于大拇指和中指的肌肉；2)在滑雪运动周期内，手部各肌肉施力呈现减小的趋势；3)滑雪运动手部大拇指拇长屈肌和其他4指浅表肌在每个手指的3类肌肉中施力最大.

手部各肌肉施力仿真分析结果符合人机工程学和生物运动学理论，具有普适性.依据研究结论，建议在滑雪运动中，手部施力以大拇指和中指肌肉为主要发力点，在撑杖、推进、滑行运动周期中手部施力由大到小，该方法有助于滑雪运动员提高训练效率，降低发生意外的风险.本文的研究结果符合滑雪运动人体肌肉施力的实际情况，但局限于是软件仿真，还需要进一步开展人体手部施力检测试验，测定滑雪运动中手部的实际施力情况，进一步验证研究结果，提升可信度，为在滑雪运动手部施力研究提供更加系统的理论依据，以推广安全、科学、有效的双杖滑雪握持施力方法.