运动生物力学参数测量

第二章运动生物力学参数测量一、人体惯性参数测量人体惯性参数是指人体整体及环节质量、质心位置、转动惯量及转动半径。人体环节惯性参数是建立人体模型、进行人体运动技术影像解析的基础数据，其准确程度直接影响着影像解析结果的精度，因而对人体环节惯性参数的测量研究一直是运动生物力学学科中的一个重大的基础性课题，同时也是工效学、人类学及人体科学研究的重要组成部分，具有重要的学术价值和应用背景。（一）人体惯性参数质量（mass）：物体含物质的多少。人体各环节的质量为各环节的绝对质量，与人体质量之比为各环节相对质量。重量（weight）：重力（gravity）的大小。人体质心（centerofmass，COM/CM）:人体质量中心。人体重心（centerofgravity，COG/CG）:人体所受重力的集中点。环节质心（重心）位置转动惯量（inertia）：转动物体的惯性量度。回转半径（转动半径）人体环节的划分方法以人体的结构功能为依据：分割环节的切面通过关节转动中心，以关节质心的连线为环节长度。以人体体表骨性标志为依据：以关节上主要的骨性标志点来确定环节的长度。易于测量，但误差太大。人体惯性参数标准化的依据（二）人体惯性参数的测量尸体测量法：肢解-环节参数测定。采用称重法和悬挂法。活体研究法：水浸法（分为浸入法和注入法）称重法（又称平衡板法）放射性同位素法（γ射线扫描法，1978扎齐奥尔斯基）

CT法（计算机X射线断层扫描照相术，1992郑秀媛）

MRI法（核磁共振成像法）数字模型计算法：Hanavan称重法用于一维、二维重心的测定示意图人体转动惯量的测定1．摆动法（双悬点悬吊法）2．旋转法3．振动法等4.三线摆（郑秀媛《现代生物力学》）布拉温-菲舍尔模型（三具尸体，14环节）松井秀治模型（一具尸体，15环节，头两部分）昌特勒模型（六具尸体，14环节）汉纳范模型（15个环节，将躯干分上下2个环节）扎齐奥尔斯基模型（100名男性和15名女性，16环节，将躯干分成上中下3个环节）郑秀媛模型（男女青年各50人，16个环节，头、颈两部分，躯干分成2个环节）（三）人体惯性参数模型（松井秀治，15）（汉纳范，15）（扎齐奥尔斯基，16）（郑秀媛，16）二、运动学参数测量质点位置矢量（位矢、矢径）：用来确定某时刻质点位置（用矢端表示）的矢量。运动函数机械运动是物体（质点）位置随时间的改变。在坐标系中配上一套同步时钟，可以给出质点位置坐标和时间的函数关系—运动函数（functionofmotion）

。

或是对运动进行定量描述的基础，也是获得各种运动规律的基本方法。（一）运动学参数（指标）时间（time）：终末时刻与起始时刻之差。位移(displacement）:

质点在一段时间内位置的改变。路程（path）：质点实际运动轨迹的长度。也用距离。速度（velocity）：质点位矢对时间的变化率。包括平均速度(averagevelocity)和（瞬时）速度（instantaneousvelocity）。与速率之差别。加速度（acceleration）：质点速度对时间的变化率。角位移：(angulardisplacement)：转动的角度。角速度(angularvelocity)：单位时间的角位移。角加速度(angularacceleration)：角速度的变化率。部分参数的简单测量：秒表测量时间、皮尺测量位移和距离等、量角仪测量角度、和角位移等。（二）运动学参数测量手段简介照片记录：红外、频闪摄影记录轨迹、角度等。专用仪器测量：雷达测速、激光测距、关节角度仪测量关节角位移、加速度仪测量环节加速度。卫星定位系统测量大范围项目位置和位移等。电子测角仪加速度计常速和高速摄影、常速和高速摄像测量多种参数。（a）（b）（c）（d）(a)确定拍摄范围(b)摄像机按要求选用合适参数并固定在三角架上；拍摄比例尺和运动动作(c)录像解析并数据处理(d)分析运动技术录像运动技术分析工作流程平面跟踪摄像方法：把摄像机架在三角架上后，采用非固定连接方法，摄像机可在三角架上左右、上下转动。拍摄时，摄像机的主光轴始终对准受测体，跟踪受测体的运动而转动。该方法可以测量运动范围大、动作周期距离长的运动项目，例如三级跳远、撑竿跳高运动的全程、赛艇的一个划桨周期等。立体摄像测量方法：采用两台或多台摄像机，从不同角度对同一研究对象进行同步拍摄，然后把两台或多台摄像机所拍摄的平面录像进行数字化并把二维像坐标转换成实际空间的三维坐标，计算有关的运动学参数。目前三维运动捕获系统（立体测量）在体育运动技术分析中的应用日益广泛，其中红外光点摄像系统由于其自动化程度、速度及精度方面的优势成为目前实验室研究的主流测量系统。红外光点摄像系统（左为反射标志点配置示例，右为摄像头）Vicon多机同步运动数据收集系统结构录像解析获得的参数举例（跳高倒一步及起跳技术运动学分析）：1.时间参数：缓冲时间、起跳时间；肢体摆动时相2.空间参数：步长，H1/H2/H3；身体倾角、缓冲过程和起跳过程的各关节角度；起跳角、腾起角等3.时空参数：助跑重心速度（水平、垂直、合）；各环节的转动速度；等等。三、动力学参数测量（一）动力学参数力（force）：物体间的相互作用。力矩（moment，toque）：力和力臂的乘积。冲量（impulse）：力在时间上的累积效应。动量（momentum）：运动物体所具有的“运动量”。冲量矩：外力矩对物体转动的累积效应动量矩：转动惯量和角速度的乘积。机械功：力的空间累积效应，功率是单位时间做功的多少。机械能：物体做功的本领，有动能和势能Howtomeasureforceapplication?ForceplatformMountonthefloorStepontheplatform1.地面反作用力测量三维测力台外观及坐标系（a）实验测量（b）数据处理（c）结果分析原地纵跳测量实验示意图三维测力系统示意图Whatwegetfromforceplatform?FzFootFxFootFyFootFxPlatFzPlatFyPlatMzPlatMxPlatMyPlat瑞士奇石乐KISTLER美国艾里尔AMTI2.肌肉力测量实验室肌肉力量测量运动现场肌肉力量测量简单测力计力量测量系统Cybex6000Biodex、ContrexIsomed2000

AKM/BKM上下肢肌力测量系统……握力计、背力计、钢丝绳张力计训练器械测量简单测力计举重（1RM）……专项力量训练手段，如纵跳、立定跳远.。……运动时的肌力大小和肌肉力矩一般用加速度大小推算；偶见用肌电图推算Isomed2000（750NM）等速肌肉力量测试/训练系统BIODEX瑞士CON-TREXCYBEXWhatwegetfromstrengthmeasurement?人体关节主要肌肉群的等张力量大小人体的绝对力量和相对力量、上下肢的爆发力、力量耐力、等长收缩力量大小和耐力主要关节肌肉收缩力矩、峰值力矩；各关节伸肌、屈肌力矩比值；总功、功率、加速能；3.压力分布测量测力台测量压力中心鞋底压力分布动态测量COP（a）鞋垫式（b）平板式（c）测量结果分析压力分布测量系统：是测量单位面积上（典型的为0.5cm2）压力（主要应用于足底压力）的测量系统，可输出整个接触面上的压力分布。分布式足底压力测量系统常见的有：平板式和鞋垫式足底压力测量系统。脚底各个区域的压力、压强情况压力中心及压力中心轨迹美国Tekscan=F-scan德国Novel=Pedar4.肌电测量（a）表面肌电极（b）便携式信号接收器（存储卡）（c）台式信号接收器肌电测试通过对不同肌肉在运动过程中所表现出来的时域、频域上的不同特征的分析，可以了解人体在完成运动动作时，不同部位的肌肉参与活动的强度、时间顺序及相互协作关系，为运动技术分析提供依据。现在应用较多有4通道、8通道肌电测量分析系统。根据信号传输方式，可分为有线和无线两类系统；根据数据接收和储存方式，可分为便携式大容量储存卡存储和无线信号实时接收两种。肌电测量系统肌电测量在高尔夫击球动作分析中的应用肌电应用非常广泛，如射击、射箭、举重、步态、自行车、乒乓球、高尔夫球…等均有较好的应用。下图是肌电测量与分析应用于高尔夫击球动作的案例。时域分析：积分肌电（IEMG）、均方根振幅（RMS