人體運動生物力學建模與仿真·從基礎到應用

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《人體運動生物力學建模與仿真·從基礎到應用》，郝衛亞 等 著，出版社： 科學出版社。

內容簡介

《人體運動生物力學建模與仿真——從基礎到應用》系統、全面地論述了人體運動的生物力學建模與仿真的基礎理論，以及部分應用研究。《人體運動生物力學建模與仿真——從基礎到應用》*先從人體運動的生理解剖學基礎、力學基礎理論和系統建模與仿真三個方面，綜合論述人體運動的生物力學建模與仿真的基礎理論與方法；然後介紹了人體基本運動動作，以及體操、跳水、跳台滑雪和自由式滑雪空中技巧運動專項中運動員動作技術的生物力學建模仿真研究。特別在應用研究中介紹了作者團隊長期研究的結果，部分代表性的研究內容注重人體運動的生物力學建模與仿真在體育運動中的應用。

目錄

第1部分基礎理論與方法

第1章人體運動的生理解剖學基礎3

1.1人體骨骼肌肉系統概況3

1.1.1骨3

1.1.2關節5

1.1.3骨骼肌9

1.2肌肉活動與肌肉力學12

1.2.1肌肉收縮原理12

1.2.2肌肉收縮的力學特徵15

1.2.3肌肉力與關節力矩19

1.3神經系統對軀體運動的調控22

1.3.1運動與神經22

1.3.2肌電圖27

1.3.3軀體姿勢和動作的神經調節33

參考文獻36

第2章人體運動的力學基礎38

2.1引言38

2.2**力學基礎40

2.2.1剛體平面運動的力學40

2.2.2分析動力學45

2.2.3多體系統動力學47

2.3固體力學基礎52

2.3.1基本概念52

2.3.2基本原理54

2.3.3有限元簡介57

2.4人體測量學59

2.4.1人體環節幾何尺寸60

2.4.2人體環節的質量和質心位置60

2.4.3人體環節的轉動慣量61

2.5人體骨和軟組織力學性質63

2.5.1骨組織力學性質63

2.5.2韌帶和肌腱力學性質69

2.5.3生物組織力學性質的變化74

參考文獻74

第3章人體運動的生物力學建模與仿真的基本原理77

3.1建模與仿真的基本理論77

3.1.1模型的概念77

3.1.2數學模型與計算機仿真79

3.1.3建模與仿真的意義80

3.2建模與仿真的方法與步驟81

3.2.1建模與仿真的方法81

3.2.2建模與仿真的步驟84

3.3人體運動生物力學模型的建立86

3.3.1引言86

3.3.2簡化模型87

3.3.3模型組成87

3.3.4肌肉模型89

3.3.5模型構建89

3.3.6參數確定91

3.3.7模型評估92

3.3.8模型設計原則94

3.4人體運動的計算機仿真94

3.4.1計算機模型的建立及可視化95

3.4.2軟件系統95

3.4.3計算機仿真的應用96

3.5神經肌肉骨骼的數學模型98

3.5.1肌肉模型98

3.5.2骨骼幾何特徵與關節模型100

3.5.3關節被動性質101

3.5.4肌肉路徑模型102

3.5.5正向動力學與逆向動力學104

3.5.6肌肉力的優化計算104

3.6人體運動的控制108

3.6.1控制的基本概念108

3.6.2動作的神經控制109

3.6.3體育動作的控制112

3.7模型仿真的檢驗與驗證113

3.7.1檢驗與驗證的流程114

3.7.2模型仿真的驗證117

參考文獻119

第2部分應用研究

第4章人體基本動作的生物力學建模與仿真125

4.1站立平衡控制125

4.1.1人體平衡系統125

4.1.2站立平衡的力學條件128

4.1.3站立倒立擺模型129

4.1.4站立雙倒立擺模型134

4.1.5站立模型的反饋控制137

4.2步態分析及其簡單模型142

4.2.1人體步態分析基礎142

4.2.2簡單步態模型144

4.2.3簡單步態模型的應用148

4.3步態多體系統動力學模型158

4.3.1步行多環節模型158

4.3.2步態肌骨模型162

4.4跑步肌肉力優化算法比較分析166

4.4.1靜態優化算法和計算肌肉控制算法167

4.4.2實驗數據與仿真計算方法169

4.4.3兩種算法結果的比較170

4.4.4結語173

4.5跳遠和跳高動作的建模與仿真174

4.5.1跳躍的基本力學特徵174

4.5.2跳遠和跳高動作模型175

4.5.3古奧林匹克跳遠助推啞鈴178

4.6跌倒181

4.6.1動態穩定性理論182

4.6.2動態穩定區域的應用185

4.6.3結語190

參考文獻191

第5章體操項目起跳動作生物力學建模與仿真195

5.1競技體操項目概況195

5.1.1體操運動簡史195

5.1.2體操運動技術研究的發展196

5.2建立面向運動場景的人體建模仿真方法197

5.2.1跳馬項目概況198

5.2.2運動學參數的採集199

5.2.3個性化人體模型和體操器械的建立201

5.2.4模型中關節、肌肉力和接觸力的定義202

5.2.5仿真流程204

5.2.6體操器械力學參數的優化與模型驗證204

5.2.7結語208

5.3體操跳馬踏跳動作動力學及其影響因素的研究209

5.3.1引言209

5.3.2建模與仿真方法210

5.3.3運動員-助跳板動力學特徵210

5.3.4助跳板力學特性的影響211

5.3.5踏跳位置的影響217

5.3.6分析和討論219

5.3.7結語221

5.4體操跳馬推手動作動力學及其影響因素的研究222

5.4.1引言222

5.4.2模型與計算機仿真223

5.4.3運動員-跳桌動力學特徵223

5.4.4跳桌力學特性的影響225

5.4.5分析和討論230

5.4.6結語232

5.5體操跳馬「程菲跳」踏板起跳動作233

5.5.1「程菲跳」動作建模仿真233

5.5.2「程菲跳」起跳動作的動力學特徵234

5.5.3「程菲跳」推手動作的動力學特徵235

5.5.4分析和討論235

5.5.5結語237

5.6體操平衡木起跳動作238

5.6.1平衡木項目概況238

5.6.2平衡木前空翻起跳動作的建模仿真238

5.6.3起跳動作的動力學特徵240

5.6.4分析和討論242

5.6.5結語243

參考文獻244

第6章體操項目落地動作生物力學建模與仿真247

6.1落地動作地面反作用力的建模與仿真方法248

6.1.1引言248

6.1.2實驗設計248

6.1.3落地動作的數據採集249

6.1.4人體落地模型的建立250

6.1.5模型的驗證250

6.1.6分析和討論254

6.1.7結語255

6.2體操運動員後空翻落地與垂直落地的下肢生物力學比較255

6.2.1引言255

6.2.2研究對象和落地動作採集256

6.2.3數據處理和統計258

6.2.4下肢運動學比較259

6.2.5下肢動力學比較260

6.2.6下肢肌電學比較262

6.2.7分析和討論263

6.2.8結語264

6.3體操跳馬落地下肢負荷的生物力學建模仿真研究265

6.3.1引言265

6.3.2人體模型及其驗證266

6.3.3實際比賽中跳馬運動員三維運動學參數的採集266

6.3.4落地墊力學參數的簡易優化266

6.3.5仿真流程及敏感性分析267

6.3.6落地階段下肢負荷特徵267

6.3.7落地墊力學特性影響的仿真研究269

6.3.8分析和討論272

6.3.9結語274

6.4體操運動員落地神經力學特徵研究275

6.4.1引言275

6.4.2研究對象和落地動作採集275

6.4.3實驗數據處理276

6.4.4模型與計算機仿真276

6.4.5落地過程下肢運動的神經力學277

6.4.6分析和討論278

6.4.7結語282

6.5面向自由操落地動作仿真的不同多體系統模型的比較283

6.5.1引言283

6.5.2研究對象與運動學數據採集283

6.5.3創建簡化人體模型與計算機仿真284

6.5.4模型性能對比286

6.5.5分析和討論287

6.5.6結語290

6.6自由操落地墊力學特性與踝關節負荷的關係研究290

6.6.1引言290

6.6.2人體動作與模型仿真291

6.6.3落地墊力學參數變化對踝關節負荷的影響291

6.6.4分析和討論295

6.6.5結語296

6.7不同難度空翻動作的落地生物力學特徵的比較296

6.7.1引言296

6.7.2研究對象與運動學數據採集297

6.7.3實驗數據處理297

6.7.4計算機建模與仿真298

6.7.5身體中心時空特徵298

6.7.6下肢關節角度和負荷299

6.7.7下肢剛度和肌電301

6.7.8分析和討論302

6.7.9結語305

6.8不同落地動作踝關節負荷的有限元分析305

6.8.1引言305

6.8.2研究對象與原始數據採集307

6.8.3三維有限元模型的建立與驗證307

6.8.4落地衝擊的有限元計算309

6.8.5站立平衡狀態足底表面壓力分布310

6.8.6落地衝擊的踝關節面受力情況311

6.8.7分析和討論313

6.8.8結語315

參考文獻315

第7章運動專項空中動作的生物力學建模與仿真318

7.1運動專項空中動作特徵及其力學規律318

7.1.1空中動作特徵318

7.1.2人體空中動作的運動學320

7.1.3空中翻騰和轉體動作多體系統模型322

7.1.4空中技術動作的數據採集與分析324

7.1.5空中翻騰和轉體姿態控制過程中的轉動慣量的變化327

7.1.6結語330

7.2跳水空中動作生物力學建模與仿真330

7.2.1跳台跳水空中運動的計算機仿真研究331

7.2.2跳板跳水空中運動的計算機仿真研究337

7.2.3結語344

7.3體操自由操空中動作的建模與仿真345

7.3.1動力學建模346

7.3.2優化策略的改變對運動表現的影響349

7.3.3結語354

7.4跳台滑雪和自由式滑雪空中技巧空中動作的建模與仿真354

7.4.1跳台滑雪空中運動的計算機仿真研究354

7.4.2自由式滑雪空中技巧動作的計算機仿真研究361

7.4.3結語371

參考文獻372

後記375