| 单词 | 人体运动的计算机仿真 |
| 释义 | 【人体运动的计算机仿真】 拼译：the computer emulation of human body motion 运动生物力学常采用高速摄影、数据处理、力学分析的方法对运动动作进行研究。但用这种方法设计或修改动作，容易使整体失真，产生成功率不高、运动员受伤等不良后果。80年代，发展了另一条研究途径，即人体运动姿态的计算机仿真。它将人体简化成一个刚体系统，按多刚体系统动力学理论编制计算程序，用计算机求解，在计算机上预先模拟人的运动姿态，通过反复修改，找到较理想的动作技术，为优化设计体操、跳水等动作，为制定宇航员动作规范开创了新局面。 人体运动仿真是多刚体运动仿真研究中一个新的领域。最早把人体运动看成多刚体运动进行研究的是德国弗希尔(O．Fischer)，他用树状多刚体系统的三维运动方程组，研究人了体在铅直平面内运动的步态，并于1906年发表著作《活体机构的力学理论基础》。弗希尔的开创性研究限于历史条件，没有引起人们注意而被搁置起来，60年代中期，由于研制飞行器的需要，以及电子计算机和数值计算方法的迅速发展，使多刚体动力学研究步入一个新的发展时期，并迅速扩大到运动生物力学领域。1969年凯恩(T．R．Kane)对猫下落时的翻身现象作了仔细研究，视猫体为双刚体，建立了双刚体运动微分方程组，作了计算机数值仿真，其结果与摄影记录吻合。凯恩的仿真研究为解释、设计人体运动打开了新的一页。1970年他发表《依靠肢体运动实现人体的自旋》，1972年发表《宇航员机动性方案的实验研究》。1968年史密斯(P．G．Smith)在研究人体腾空状态运动时，引入内外坐标的概念，使独立坐标数减少，方程降阶，解决了动力学方程数少于未知变量个数而无法求解的矛盾。他们把描述人体位形的广义坐标分成两类：决定人体主体位置的叫外坐标，通常选上躯干质心的3个位置坐标和3个姿态角坐标作为外坐标；决定各肢体相对主体的位置坐标为内坐标。已知内坐标的运动规律探讨主体运动规律已成为运动仿真的一个重要研究课题。建模是仿真研究的第一步。1964年汉纳凡(E．P．Hanavan)将人体看成15个刚体(椭球、椭圆柱台或圆锥台)通过14个铰连接起来的树形多刚体系统。1988年陈延正在高低杠大回环动作仿真中，将人体模拟成9个刚体组成的有根树状刚体系统。1990年陈延正在侧空翻转体动作仿真中，将人体模拟成11个刚体组成的悬空树状刚体系统。建立一种通用性较强并且又很适合计算机求数值解的动力学方程组，一直是仿真研究的主题。60年代中期，罗伯逊(R．E．Roberson)和威腾勃格(J．Wittenburg)利用计算机能方便地进行矩阵运算的特点，建立起球铰连接的多刚体系统动力学方程，由于把过程的建立和随后的计算机求解联系起来考虑，使R-W方程成为编制仿真程序的一个重要方法。稍后，凯恩建立的动力学方程，兼有拉格朗日及牛顿－欧拉方程二者的优点，且便于上机运算，得到广泛的应用。1983年他和莱文森(D．A．Levinson)合作得到的新算法，需646次乘法运算和394次加法运算，1984年万普勒(C．W．Wampler)予以改进后，计算量分别为468次和332次。仿真研究的应用领域很广泛。1981年哈茨(H．Hatze)建立了人体肌肉骨骼系统模型，列出了动力学及神经控制的微分方程组，模拟一名24岁男运动员的跳运动作，仿真结果与实验相吻合。1981年雷米(M．R．Ramey)等把人体分成9个刚体，研究走步式跳远和滚翻式跳远的腾空过程。1990年休斯顿(R．L．Huston)采用凯恩方程编制的计算程序研究投掷及游泳，这些程序已被目前所能得到的实验数据所证实。洪嘉振在通用动力学计算程序方面做了大量工作，1988年他采用R-W方法，编制了多刚体系统微机通用程序DASRB，还开发了“人体腾空运动仿真软件系统”提供给用户使用。他们对某运动员跳高过杆动作实现了仿真，发现该运动员过杆时低头及收腹都过早。他们还对失重状态下人体姿态控制进行过仿真，对凯恩方案作了修改，减少了偏航、俯仰及滚动三者之间的互相干扰。陈延正近年来在仿真软件开发方面也做了不少工作，1987年他根据R-W方法编制的程序DSRB，可用于空翻转体及宇航员姿态控制，计算表明，各瞬时动量矩误差在5%～7%以内，基本符合动量矩守恒，他认为误差主要是计算步长偏长引起。他还对高低杆大回环动作(1988)，背越式跳高(1990)及侧空翻转体动作作了仿真研究。仿真研究今后的工作将着重在：(1)建立通用性和灵活性的计算程序，以适应设计方案的改变；(2)改进和完善符号运算系统，直接用计算机进行公式推导，得出符号形式的动力学方程，以利快速优化设计；(3)提高绘图速度，以便在屏幕上观看仿真动画，更直观地设计修改动作，为教练员运动员提供方便。【参考文献】：1 Kane TR，et al．J．Biomechanics，1972，5：313～3202 Wittenburg J．Dynamcs of systems of rigid，B．G．Teubner，stattgart，1977，107～1143 Huston R L，et al．J．of Applied Mechanics，1978，45：889～8944 周起钊．力学与实践，1983，5：15 刘伯勋．力学与实践，1989，11(3)：15～166 贾书惠．力学与实践，1990，12(3)：10～157 洪嘉振，等．生物力学研究与应用．广州：华南理工大学出版社，1990．389～3928 休斯顿R L，等．力学与实践，1990，12(6)：21～28(浙江师范大学葛隆祺副教授撰) |
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