| 单词 | 生物力学中计算机模拟方法 |
| 释义 | 【生物力学中计算机模拟方法】 拼译：computer simulation research of human motions in biomechanics 计算机模拟人体运动是生物力学重要研究方法之一，它借助计算机，对人体运动用数字和图形进行模拟，从中探索运动的规律，寻找提高运动技术水平的途径。这种研究方法也称为计算机仿真。 该方法的研究内容主要包括两个方面：一是建立人体形态的力学模型，即对人体各个环节的几何物理特征用数学模型来确定；二是模拟人体运动，即用数学化的语言对运动进行表述，便于用数学力学的理论对运动规律进行深入的研究和探讨。对人体形态的模拟起始于1889年通过对猫下落时转体运动的研究认识到测定人体各环节力学参数的需求。德费舍尔(O．Fischer)通过对尸体的解剖，首先发现了人体各环节的重心数据，为进一步研究人体运动做了重要的基础工作。随着计算机科学、生物科学及航天科学的发展，在机器人制造、人工假肢研究及宇航员和运动员运动姿态分析等领域研究中，要求进一步完善人体仿真模型。许多国家的研究者在这方面作出了有价值的研究，其中有日本的松井秀治模型，原苏联的扎齐奥尔斯基模型，使用较广泛并最有代表性的是美国Hanavan模型，它载于1964年美国AD报告，原为分析宇航员空中运动，后来在体育科学人体运动分析研究中得到广泛的应用。该模型将人体分为15个部分(头、上下躯干、左右上下臂、左右手、左右上下腿、左右足)，结合25项标准工作测量学指标，用回归方程可测得某一个体各环节的力学参数，其中包括各部分重量、重心位置、几何形状及惯性性张量参数。经多年应用验证，该模型模拟人体比较真实有效。近年来由于人体科学研究的深入，测定人体惯性参数又有了新的进展。解剖尸体积累数据的方法已渐被医学上用CT测定人体体内密度分布的新技术所代替；用多刚体系统模拟也逐渐不适应研究深入的需要，对人体肌肉、骨胳甚至神经控制系统的模拟研究已取得初步成果。波兰的比莎诺夫斯卡用弹簧、阻尼器、内能源等部件模拟肌肉作功，将人体肌肉结构模拟为连续弹性肌元、平行弹性肌元、粘性元、收缩肌元等四种基本肌元。南非的Hazte用更复杂的模拟，在肌肉模拟的基础上加上了神经控制系统模拟。这样的模拟理论使人体科学研究推进了一大步，但实际上因过于浩繁而带来应用的困难。计算机模拟的另一内容是对人体运动姿态及过程的模拟。这项研究与数学、力学、计算机技术等学科密切相关，在体育科研中得到广泛的应用。它在将人体模拟成多体模型的基础上，根据运动和受力两者之间的关系建立动力学方程，在解方程过程中根据测得的已知参数(运动学参数或力参数)去求未知参数，这样对运动规律能有全面深入的了解，并在应用中解决实际的运动技术问题。运动模拟在应用中能否有效，关键在于方程建立的理论方法正确运用、计算机程序编制技巧、减小模拟和计算机误差的有效手段等诸方面因素处理得合理与否。许多研究者运用各种不同的方法模拟人体运动，这项研究起始于70年代，在80年代初成为国外运动生物力学界的热点课题。著名的研究者有Kane(美)、Wittnburg(德)、Huston(美)、Hazte(南非)等。他们运用不同的力学方法，均取得了成功的研究结果。按方法分类上述研究大致可分为两类：1．Kane研究方法 将人体假设为多刚体模型，将表示主刚体位置的6个广义坐标称为系统外坐标，其它分体相对于主刚体的广义坐标为系统内坐标，内坐标由人体相对运动姿态确定，可用数学表达式描述，外坐标运动由牛顿定律确定，这样就将人体运动问题转化为带有各种完整或非完整约束条件的多刚体动力学问题。这种方法被广泛采用，有效地解决了体育运动中的实际问题，如跳水、跳高、跳远、滑雪、跑步等。Witlenbnrg．Huston的研究基本属这类，但运用方法稍有不同。2．Hazte研究方法 将人体看作由神经、肌肉、骨胳3部分组成的复杂系统，并为这3部分分别建立相应的力学模型。这样，神经系统的意念传递和反馈、肌肉纤维的收缩和舒张及骨胳系统的运动均可按模型进行数学描述。这种方法能精确地探索人体运动内部规律，具体重大理论价值，但失之于浩繁，实际应用比较困难。国内的研究起始于80年代初，从事该项研究的有刘延柱、洪嘉振、钟奉俄、赵志成及洪友廉等人。目前基本上限于理论研究，其中洪嘉振所作的人体腾空运动的仿真研究比较完整，能运用计算机实现人体运动显示，可设计腾空运动新动作并演示运动结果。人体运动模拟应用在体育运动中目的是研究各种运动项目普遍性的运动规律，它配合了高速摄影和录像的手段，为竞技体育运动的研究和探索作出了有价值的贡献，也促进了体育科研与其他学科进一步的结合，是一项应用前景广泛的科研内容。【参考文献】：1 Hanavan E P，A mathematical model of the human body，19642 Kane T R．J Biomechanics，1972，5：313～3203 Huston R L，et al．On Human Body Dynamics，19764 Wuttenbyrg J．Dynamics of systems of rigid Bodies，Stuttgart．Teubner，19775 Hazte H．J Biomechanics，1981，146 忻鼎亮．体育科研，1987，47 洪嘉振．生物力学，1990，7(5)(上海体育科研所忻鼎亮副研究员撰；洪嘉振审) |
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