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体操自由操落地下肢负荷及影响因素研究

【摘要】:研究目的:体操自由操落地阶段产生重复且巨大的冲击力诱发了70%的下肢损伤,然而落地冲击力施加于下肢的负荷尚不清楚。本研究结合我国优秀体操运动员自由操项目落地动作,建立个性化的14环节多刚体人体模型和自由操落地垫模型,完成自由操落地计算机仿真。目的在于量化落地阶段运动员下肢关节的负荷,探讨外部环境因素(落地垫力学特性)和运动员自身可调整因素(踝关节屈曲角度、起跳速度、下肢刚度)对膝、踝关节负荷的影响。研究方法:利用2台高速摄像机(CASIO EX-F1,快门速度1/320秒,采样频率300Hz)采集我国三名优秀男子体操运动员自由操训练和比赛的落地动作(后团、后直540、后直1080接后直540、后团720旋)的三维运动学数据。用SIMI motion对Peak框架28个标志点和人体16个主要关节点进行三维标定和数字化解析,用Python脚本语言编写程序实现三维运动学参数和人体运动仿真软件Lifemod的链接。结合测量的运动员个性化人体形态学参数,在Lifemod中创建14环节多刚体人体模型,在ADAMS中创建自由操落地垫模型,在完成模型有效性验证的基础上,实现自由操落地冲击动力学的仿真。使用类似方法,分别模拟了落地垫的不同力学特性,运动员不同踝关节屈曲角度、起跳速度和膝、踝关节刚度等条件下的落地动作,获得自由操落地的下肢动力学特征。研究结果:自由操落地冲击可分为冲击前期、冲击后期、缓冲期3个阶段。后团一周落地外部负荷:冲击前期,人体承受最大冲击力约为5倍体重,冲量和峰值负荷率最大。内部负荷:冲击前期,左踝关节的峰值功率最大(168W/kg),髋、膝、踝关节承受的冲击能量百分比为21:21:58;冲击后期,矢状面,膝关节伸肌力矩峰值最大(161 N?m),冠状面,髋关节外展力矩峰值最大(154N?m)。自由操相同落地动作不同多刚体人体模型的仿真,综合对比髋、膝、踝关节角度、GRF及到达时间,模型3重现自由操落地实际运动表现效果最好。后直540落地,右膝关节伸肌力矩峰值从模型1到模型5依次降低,模型1最大(281N·m);屈肌力矩峰值从模型1到模型5依次增大,模型5最大(48 N·m)。自由操落地,踝关节运动学角度对落地垫刚度、阻尼特性的变化比较敏感,落地垫刚度增加30%会导致峰值负荷率增加26%,落地垫阻尼对水平GRF和水平速度有一定影响;但踝关节反作用力峰值和矢状面踝关节力矩峰值对摩擦系数比较敏感,增加落地垫摩擦30%可导致踝关节肌肉承受的冲击能量增加89%。自由操落地,减小踝关节背伸,下肢外部负荷、膝关节外展角度以及膝关节冠状面外展力矩增加,但膝关节矢状面屈伸力矩峰值降低。触垫时,增加踝关节背伸6度,膝关节冠状面峰值功率至少会增加22%。串连接动作,后直1080落地,垂直地面反作用力峰值负荷率和峰值负荷衰减率分别为172.09 BW/s、157.45 BW/s;后直540落地则分别为125 BW/s、53.57BW/s。后直1080,垂直起跳度增加10%,踝关节冠状面力矩峰值增加7.7%,水平面力矩峰值增加15.1%;水平起跳速度则对踝关节负荷影响不大。后直540,水平起跳速度增加10%,踝关节矢状面的背伸力矩峰值增加12.8%;垂直速度增加10%,踝关节矢状面背伸力矩峰值反而会降低8.8%。空翻带转体动作落地,足尖触垫后30ms,膝、踝关节外展/外翻角速度较大。后团720旋落地的峰值负荷率约219.5BW/s,峰值负荷率衰减为88.6BW/s。膝、踝关节刚度变化对GRF峰值及踝关节力矩影响不大。膝、踝关节刚度增加40%,膝关节伸肌力矩峰值增加11.6%,屈肌力矩峰值降低5.2%。膝、踝关节刚度降低40%,膝关节伸肌力矩峰值降低21.9%,但膝关节冠状面力矩峰值会增加。结论:利用高速摄像采集高水平体操运动员训练和比赛中落地动作,运动学数据真实且对运动员训练和比赛无干扰,通过计算机仿真方法评估GRF,从外部负荷和内部负荷两个维度,采用多个指标较为系统的量化自由操落地过程中下肢负荷,具有较好的方法学意义。14环节多刚体人体模型重现实际运动学表现效果最好,仿真精度最高。自由操落地,主受力腿的踝关节肌肉峰值功率最高,极易出现外翻而诱发踝韧带损伤;串连接动作的落地,初次落地峰值负荷衰减时间较短,下肢(尤其是踝)承受的冲击负荷较高;空翻带转体动作的落地具有较大的GRF水平分量,给膝、踝关节带来较大的横向作用力,冠状面和水平面具有较大的关节力矩。不同因素对下肢负荷影响敏感度不同。落地垫摩擦特性、下肢关节角度对下肢负荷比较敏感,虽然起跳速度和关节刚度对下肢负荷影响一般,但二者对运动员提高落地质量很重要。增加落地垫刚度,踝关节屈曲角度降低,且到达踝外部负荷峰值时间缩短,峰值负荷率随之增加;增加落地垫阻尼,踝关节屈曲角度增加;增加落地垫摩擦,不会影响踝关节矢状面屈曲角度,但踝关节内部负荷将急剧增加。增加垂直起跳速度,初次落地时身体姿态角降低,有助于完成后续连接动作,且对踝关节负荷影响不大;增加二次起跳水平速度,会增加落地身体姿态角,有助于提高落地稳定性,同时也会增加踝关节内部负荷。较大的膝屈曲角度范围有利于降低膝屈肌力矩峰值,但会增加膝伸肌力矩峰值。增加踝关节趾屈,会大大增加膝关节矢状面的负荷;增加踝关节背伸,膝关节矢状面负荷降低较为明显,冠状面负荷略有增加,且会大大增加水平面负荷。膝、踝关节刚度改变,对踝关节力矩峰值影响不大。增加膝、踝关节刚度,会增加膝关节伸肌力矩峰值,降低外展力矩峰值。

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1 肖晓飞;体操自由操落地下肢负荷及影响因素研究[D];上海体育学院;2015年
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