人体运动生物力学建模与仿真——从基础到应用

人体运动科学是人类最关注的研究内容之一。生物力学能够阐明人体的运动运动如何发生，以及人体结构、形态和功能与力学之间动态关系。本书较系统地阐述了人体运动生物力学建模与仿真研究的基本理论和方法，及其在多种领域内中的应用现状，预计能有效地促进生物力学建模与仿真研究的深入发展，有利于人们疾病预防、健康促进，运动员比赛成绩提高及损伤预防，特殊环境下安全保障。

目录
第1部分 基础理论与方法
第1章 人体运动的生理解剖学基础 3
1.1 人体骨骼肌肉系统概况 3
1.1.1 骨 3
1.1.2 关节 5
1.1.3 骨骼肌 9
1.2 肌肉活动与肌肉力学 12
1.2.1 肌肉收缩原理 12
1.2.2 肌肉收缩的力学特征 15
1.2.3 肌肉力与关节力矩 19
1.3 神经系统对躯体运动的调控 22
1.3.1 运动与神经 22
1.3.2 肌电图 27
1.3.3 躯体姿势和动作的神经调节 33
参考文献 36
第2章 人体运动的力学基础 38
2.1 引言 38
2.2 经典力学基础 40
2.2.1 刚体平面运动的力学 40
2.2.2 分析动力学 45
2.2.3 多体系统动力学 47
2.3 固体力学基础 52
2.3.1 基本概念 52
2.3.2 基本原理 54
2.3.3 有限元简介 57
2.4 人体测量学 59
2.4.1 人体环节几何尺寸 60
2.4.2 人体环节的质量和质心位置 60
2.4.3 人体环节的转动惯量 61
2.5 人体骨和软组织力学性质 63
2.5.1 骨组织力学性质 63
2.5.2 韧带和肌腱力学性质 69
2.5.3 生物组织力学性质的变化 74
参考文献 74
第3章 人体运动的生物力学建模与仿真的基本原理 77
3.1 建模与仿真的基本理论 77
3.1.1 模型的概念 77
3.1.2 数学模型与计算机仿真 79
3.1.3 建模与仿真的意义 80
3.2 建模与仿真的方法与步骤 81
3.2.1 建模与仿真的方法 81
3.2.2 建模与仿真的步骤 84
3.3 人体运动生物力学模型的建立 86
3.3.1 引言 86
3.3.2 简化模型 87
3.3.3 模型组成 87
3.3.4 肌肉模型 89
3.3.5 模型构建 89
3.3.6 参数确定 91
3.3.7 模型评估 92
3.3.8 模型设计原则 94
3.4 人体运动的计算机仿真 94
3.4.1 计算机模型的建立及可视化 95
3.4.2 软件系统 95
3.4.3 计算机仿真的应用 96
3.5 神经肌肉骨骼的数学模型 98
3.5.1 肌肉模型 98
3.5.2 骨骼几何特征与关节模型 100
3.5.3 关节被动性质 101
3.5.4 肌肉路径模型 102
3.5.5 正向动力学与逆向动力学 104
3.5.6 肌肉力的优化计算 104
3.6 人体运动的控制 108
3.6.1 控制的基本概念 108
3.6.2 动作的神经控制 109
3.6.3 体育动作的控制 112
3.7 模型仿真的检验与验证 113
3.7.1 检验与验证的流程 114
3.7.2 模型仿真的验证 117
参考文献 119
第2部分 应 用 研 究
第4章 人体基本动作的生物力学建模与仿真 125
4.1 站立平衡控制 125
4.1.1 人体平衡系统 125
4.1.2 站立平衡的力学条件 128
4.1.3 站立倒立摆模型 129
4.1.4 站立双倒立摆模型 134
4.1.5 站立模型的反馈控制 137
4.2 步态分析及其简单模型 142
4.2.1 人体步态分析基础 142
4.2.2 简单步态模型 144
4.2.3 简单步态模型的应用 148
4.3 步态多体系统动力学模型 158
4.3.1 步行多环节模型 158
4.3.2 步态肌骨模型 162
4.4 跑步肌肉力优化算法比较分析 166
4.4.1 静态优化算法和计算肌肉控制算法 167
4.4.2 实验数据与仿真计算方法 169
4.4.3 两种算法结果的比较 170
4.4.4 结语 173
4.5 跳远和跳高动作的建模与仿真 174
4.5.1 跳跃的基本力学特征 174
4.5.2 跳远和跳高动作模型 175
4.5.3 古奥林匹克跳远助推哑铃 178
4.6 跌倒 181
4.6.1 动态稳定性理论 182
4.6.2 动态稳定区域的应用 185
4.6.3 结语 190
参考文献 191
第5章 体操项目起跳动作生物力学建模与仿真 195
5.1 竞技体操项目概况 195
5.1.1 体操运动简史 195
5.1.2 体操运动技术研究的发展 196
5.2 建立面向运动场景的人体建模仿真方法 197
5.2.1 跳马项目概况 198
5.2.2 运动学参数的采集 199
5.2.3 个性化人体模型和体操器械的建立 201
5.2.4 模型中关节、肌肉力和接触力的定义 202
5.2.5 仿真流程 204
5.2.6 体操器械力学参数的优化与模型验证 204
5.2.7 结语 208
5.3 体操跳马踏跳动作动力学及其影响因素的研究 209
5.3.1 引言 209
5.3.2 建模与仿真方法 210
5.3.3 运动员-助跳板动力学特征 210
5.3.4 助跳板力学特性的影响 211
5.3.5 踏跳位置的影响 217
5.3.6 分析和讨论 219
5.3.7 结语 221
5.4 体操跳马推手动作动力学及其影响因素的研究 222
5.4.1 引言 222
5.4.2 模型与计算机仿真 223
5.4.3 运动员-跳桌动力学特征 223
5.4.4 跳桌力学特性的影响 225
5.4.5 分析和讨论 230
5.4.6 结语 232
5.5 体操跳马“程菲跳”踏板起跳动作 233
5.5.1 “程菲跳”动作建模仿真 233
5.5.2 “程菲跳”起跳动作的动力学特征 234
5.5.3 “程菲跳”推手动作的动力学特征 235
5.5.4 分析和讨论 235
5.5.5 结语 237
5.6 体操平衡木起跳动作 238
5.6.1 平衡木项目概况 238
5.6.2 平衡木前空翻起跳动作的建模仿真 238
5.6.3 起跳动作的动力学特征 240
5.6.4 分析和讨论 242
5.6.5 结语 243
参考文献 244
第6章 体操项目落地动作生物力学建模与仿真 247
6.1 落地动作地面反作用力的建模与仿真方法 248
6.1.1 引言 248
6.1.2 实验设计 248
6.1.3 落地动作的数据采集 249
6.1.4 人体落地模型的建立 250
6.1.5 模型的验证 250
6.1.6 分析和讨论 254
6.1.7 结语 255
6.2 体操运动员后空翻落地与垂直落地的下肢生物力学比较 255
6.2.1 引言 255
6.2.2 研究对象和落地动作采集 256
6.2.3 数据处理和统计 258
6.2.4 下肢运动学比较 259
6.2.5 下肢动力学比较 260
6.2.6 下肢肌电学比较 262
6.2.7 分析和讨论 263
6.2.8 结语 264
6.3 体操跳马落地下肢负荷的生物力学建模仿真研究 265
6.3.1 引言 265
6.3.2 人体模型及其验证 266
6.3.3 实际比赛中跳马运动员三维运动学参数的采集 266
6.3.4 落地垫力学参数的简易优化 266
6.3.5 仿真流程及敏感性分析 267
6.3.6 落地阶段下肢负荷特征 267
6.3.7 落地垫力学特性影响的仿真研究 269
6.3.8 分析和讨论 272
6.3.9 结语 274
6.4 体操运动员落地神经力学特征研究 275
6.4.1 引言 275
6.4.2 研究对象和落地动作采集 275
6.4.3 实验数据处理 276
6.4.4 模型与计算机仿真 276
6.4.5 落地过程下肢运动的神经力学 277
6.4.6 分析和讨论 278
6.4.7 结语 282
6.5 面向自由操落地动作仿真的不同多体系统模型的比较 283
6.5.1 引言 283
6.5.2 研究对象与运动学数据采集 283
6.5.3 创建简化人体模型与计算机仿真 284
6.5.4 模型性能对比 286
6.5.5 分析和讨论 287
6.5.6 结语 290
6.6 自由操落地垫力学特性与踝关节负荷的关系研究 290
6.6.1 引言 290
6.6.2 人体动作与模型仿真 291
6.6.3 落地垫力学参数变化对踝关节负荷的影响 291
6.6.4 分析和讨论 295
6.6.5 结语 296
6.7 不同难度空翻动作的落地生物力学特征的比较 296
6.7.1 引言 296
6.7.2 研究对象与运动学数据采集 297
6.7.3 实验数据处理 297
6.7.4 计算机建模与仿真 298
6.7.5 身体中心时空特征 298
6.7.6 下肢关节角度和负荷 299
6.7.7 下肢刚度和肌电 301
6.7.8 分析和讨论 302
6.7.9 结语 305
6.8 不同落地动作踝关节负荷的有限元分析 305
6.8.1 引言 305
6.8.2 研究对象与原始数据采集 307
6.8.3 三维有限元模型的建立与验证 307
6.8.4 落地冲击的有限元计算 309
6.8.5 站立平衡状态足底表面压力分布 310
6.8.6 落地冲击的踝关节面受力情况 311
6.8.7 分析和讨论 313
6.8.8 结语 315
参考文献 315
第7章 运动专项空中动作的生物力学建模与仿真 318
7.1 运动专项空中动作特征及其力学规律 318
7.1.1 空中动作特征 318
7.1.2 人体空中动作的运动学 320
7.1.3 空中翻腾和转体动作多体系统模型 322
7.1.4 空中技术动作的数据采集与分析 324
7.1.5 空中翻腾和转体姿态控制过程中的转动惯量的变化 327
7.1.6 结语 330
7.2 跳水空中动作生物力学建模与仿真 330
7.2.1 跳台跳水空中运动的计算机仿真研究 331
7.2.2 跳板跳水空中运动的计算机仿真研究 337
7.2.3 结语 344
7.3 体操自由操空中动作的建模与仿真 345
7.3.1 动力学建模 346
7.3.2 优化策略的改变对运动表现的影响 349
7.3.3 结语 354
7.4 跳台滑雪和自由式滑雪空中技巧空中动作的建模与仿真 354
7.4.1 跳台滑雪空中运动的计算机仿真研究 354
7.4.2 自由式滑雪空中技巧动作的计算机仿真研究 361
7.4.3 结语 371
参考文献 372
后记 375