Біомеханічне Імітаційне моделювання як метод вивчення рухових дій людини

Завдання кінематичних характеристик локомоцій. При моделюванні  руху людини з допомогою ЕОМ розробили  наступний алгоритм:

а) моделі тіла людини надавали форму, відповідну початку/закінчення фаз, наприклад для бігу на ковзанах такі положення як "початок вільного прокату "," початок одноопорного "і" закінчення двухопорного положення "(мал. 1), назвали їх" базисні кінематичні положення ";

б) задавали час  між фазами і середню швидкість  полюса моделі (кульшового суглоба) в фазах;

в) як інтерполюється функції - математичної залежності, яка  дає кінематичну послідовність  між базисними точками, застосовували  сплайни (кубічний згладжує або інтерполяційний). Використання сплайн дозволяє отримати кінетограмму руху з будь-яким тимчасовим інтервалом між пунктами.

При виборі математичної залежності, що зв'язує час і кінематику руху, необхідно враховувати:

1) наявність  "розривів" в похідних, тобто  таких елементів у фазах, при  яких відбуваються швидкі зміни  у швидкості. Наприклад, при постановці стопи на опору під час ходьби, бігу, стрибках відбувається різка зміна вертикального прискорення. Отже, якщо розглядати локомоції з швидко змінюється швидкістю за апроксимуючих функцію, слід взяти тригонометричні поліноми або кусково-Поліноміальні функції, що дають найкраще наближення модельної кінематики до реальної у точках "розриву" швидкостей ;

2) в тому  випадку, якщо моделюються руху, у яких відсутні швидкі зміни  швидкостей, наприклад: біг на  ковзанах, плавання, біг на лижах, то при побудові кінетограмми подібних локомоцій на ЕОМ можна використовувати гладкі функції типу поліномів: алгебраїчного або інтерполяційного сплайн , згладжує сплайнів 3-й або 5-го ступеня.

Початок вільного прокату (А)

Початок одноопорного відштовхування (Б)

Початок двухопорного відштовхування (В)

Рис. 1. Базисні  кінематичні положення при моделюванні  бігу на ковзанах

Рис. 2. Позитивне  напрямок моментів у суглобах поштовховою  ноги

Рис. 3. Механічна  робота в суглобах поштовховою ноги щодо осі X інерціальній базису при різній швидкості бігу на ковзанах

Необхідно відзначити, що математичні залежності, що описують кінематику моделі (сплайни, тригонометричні  поліноми), дуже чутливі до способу  завдання початкових (базисних) кінематичних даних і до крайових умов. Наприклад, довільність за часом між базисними точками може призвести до того, що кінетограмма моделі стане істотно відрізнятися від реального руху.

Для того щоб  уникнути спотворення кінематики в  імітаційної моделі перед її створенням надійшли в такий спосіб:

а) досліджували кінематику моделюється локомоції (біг на ковзанах по прямій) з допомогою  відеорегістрірующей методики. Наявність  вихідних кінематичних даних з дискретністю 40 мс (частота відеорежиму PAL) дає  можливість за прийнятною точністю визначити кінематичні параметри моделі;

б) щоб крайові  умови не впливали на швидкість і  прискорення досліджуваного руху, праворуч і ліворуч від тієї, за циклу  задавали додатково не менше трьох фаз.

Тривимірна  імітаційна модель локомоцій людини (на прикладі бігу на ковзанах). Просторова імітаційна модель локомоцій людини була реалізована для бігу на ковзанах по прямій. Рівняння моделі, що описують тривимірне рух ланок тіла, дані в. Побудова імітаційної моделі проходило в декілька етапів:

1. На першому етапі визначили мас-інерційні характеристики сегментів тіла ковзанярі: маси, моменти інерції ланок, положення центрів мас і біомеханічні довжини ланок.

2. На другому  етапі досліджували особливості  руху ковзанярів в двухопорной  фазі. Для цього оцінили величину поперечного зміщення ланок тіла ковзанярі, розрахували відцентрову силу, що діє на толчковый коник, і тим самим ввели обмеження на "розвантаження поштовховою ноги" в двухопорной фазі. При розрахунку завантаження опорної ноги і моментів у суглобах застосовували рівняння з роботи.

3. На третьому  етапі визначили аеродинамічний  опір сегментів тіла ковзанярі.  Включення в модель аеродинамічних  сил необхідно, тому що аеродинамічний  опір - основна гальмуюча сила, яка  діє на ковзанярів. Коефіцієнти  аеродинамічного опору Сх для різних форм посадки ковзанярів залежно від швидкості і види бігу: з руками або без рук, по прямій або по повороту - склали від 0,75 до 1,2. Сумарна величина опору повітря для всього тіла ковзанярів (сила, прикладена до ОЦМ) залежно від форми посадки при швидкості бігу 15 м/c становить 45-61 Н. Найбільше вплив сили аеродинамічного опору припадає на тулуб - близько 30% від сумарної сили. Аеродинамічний опір гомілки і стегна ніг не перевищує 10 Н.

4. На четвертому  етапі розрахували кінематичні характеристики імітаційної моделі бігу на ковзанах. До них відносяться: довжина кроку, тривалість фаз: вільного прокату, одноопорного відштовхування і двухопорного відштовхування; середня швидкість по фазах, ширина "ялинки", форми посадки ковзанярів.

Вище було сказано, що спосіб завдання базисних точок  кінетограмми істотно впливає на швидкості і прискорення досліджуваного руху і, значить, на результати вирішення  Озд. При моделюванні бігу на ковзанах для більш точного завдання лінійних і кутових характеристик локомоцій використовували дані відеозйомки ковзанярів. Перед тим як створити кінетограмму бігу на ЕОМ, спочатку методом біомеханічної відеозйомки і комп'ютерних програм визначали кути, кутові швидкості в суглобах у трьох положеннях: на початку фази "вільного прокату"; на початку одноопорного відштовхування; на початку двухопорного відштовхування; в завершенні двухопорного відштовхування.

Знаючи відстань між масштабними мітками на доріжці, визначали шлях і середню швидкість  кульшового суглоба (полюса моделі) між базисними точками в поздовжньому напрямку.

Аналогічну  послідовність в обробці кадрів застосовували і для відеоряду  поперечних рухів ковзанярів.

5. На п'ятому  етапі в комп'ютерну модель  включили дані по анатомічною  будовою м'язів нижньої кінцівки ковзанярів - точки кріплення м'язи до кісток, фізіологічний поперечник, довжини м'язової і сухожильно частин, склад волокон; кут пір'ясто.

6. На шостому  етапі вирішували зворотну задачу - визначення динаміки для 16-ланка  просторової моделі тіла людини.

Вихідні параметри  моделі. В результаті комп'ютерного моделювання бігу на ковзанах визначали  наступні біомеханічні параметри:

а) керуючі (суглобові) моменти;

б) механічну  роботу і потужність, що розвивається в суглобах;

в) швидкості 7 м'язів нижньої кінцівки і

г) сили тяги 7 м'язів ноги.

Застосування  імітаційного моделювання для визначення біомеханічних характеристик бігу на ковзанах з рекордною швидкістю. Продемонструємо можливості методу імітаційного моделювання з метою  визначення модельних динамічних характеристик бігу на ковзанах з рекордною швидкістю. Для цього визначили динамічні та енергетичні параметри, такі, як: а) механічна робота і б) потужність при різних швидкостях бігу, включаючи рекордну швидкість 15 м/с.

Середню швидкість  бігу в фазах, кути в суглобах, фазовий склад руху визначили на основі результатів біомеханічного дослідження темпо-ритмовий характеристик бігу на прямий учасників забігів на дистанціях 1500 і 5000 м зимових Олімпійських ігор в Нагано і Солт-Лейк-Сіті.

Механічна робота в залежності від швидкості бігу. Моменти, спрямовані на розгинання в суглобах (моменти стосовно поперечних осей), надають прискорений рух ОЦМ тіла (мал. 2). Розрахунок механічної роботи в тазостегновому, колінному і гомілковостопному суглобах поштовховою ноги при різній швидкості бігу проводили в проекції на вісь X інерціальній базису. Результати розрахунків представлені на рис. 3.

З збільшенням  швидкості бігу механічна робота в суглобах не має односпрямованої  тенденції до зростання. Так, робота в тазостегновому суглобі майже не змінюється - 74-69 Дж, в колінному - зростає з 52 (V = 11 м/с) до 92 Дж (V = 15 м/с), а в гомілковостопному - збільшується в 2,8 рази - з 55 (V = 11 м/с) до 159 Дж (V = 15 м/с).

Механічна потужність в суглобах поштовховою ноги. Крім механічної роботи розглянемо ще один показник силовий активності м'язів - потужність (також у проекції на вісь X інерціальній базису). Потужність за своїми складовими: кутової швидкості та моменту - більшою мірою відповідає фізіологічним особливостям функціонування м'язи, а саме залежності "сила-швидкість". Збільшення швидкості бігу з 11 до 15 м/с змінює екстремум потужності в тазостегновому суглобі на 24%. У колінному і гомілковостопному суглобах із збільшенням швидкості бігу максимальна потужність зросте в два рази.

Висновок. Застосували  метод імітаційного моделювання  до завдань, пов'язаних з вивченням  рухової діяльності людини в екстремальних  умовах. На прикладі бігу на ковзанах з  рекордною швидкістю 15 м/с були визначені "провідні" суглоби, в яких розвивається максимальна потужність і відбувається найбільша механічна робота. Такими суглобами є колінний і гомілковостопний. З зростанням швидкості бігу з 11 до 15 м/с механічна робота збільшується в колінному суглобі майже в два рази - з 52 до 92 Дж, в гомілковостопному - у три рази - з 55 до 159 Дж. Механічна суглобова потужність - непрямий показник напруженості м'язової роботи - свідчить про те, що гомілковостопний суглоб за рахунок шарніра між лезом коника і черевиком стає провідним суглобом, що забезпечує зростання швидкості бігу до 15 м/с.

Список літератури

1. Агапов Б.Т.  Імітаційне моделювання скорочувальної  функції поперечно-смугастої серцевого  м'яза: Автореф. докт. дисс. М., 1993.

2. Алешінскій  С.Ю. Результати рішення основного завдання біодинаміка. - В кн.: Удосконалення управління системою підготовки спортсменів вищої кваліфікації. Біодинаміка спортивної техніки/Под ред. В.М. Заціорского. - М.: ГЦОЛІФК, 1978, с. 87-117.

3. Білецький  В.В. Двоногий ходьба: модельні  задачі динаміки і управління. - М.: Наука. 1984. - 288 с.

4. Бернштейн  Н.А. Про побудову рухів. - М.: Медгиз, 1947 .- 252 с. 

5. Воронов А.В., Лаврівський Е.К. Моделювання  на ЕОМ двухопорной фази відштовхування  ковзанярів на прямий// Теорія  і практика фіз. культури. 1989, № 2, с. 29-32.

6. Воронов А.В., Лаврівський Е.К. Про моделюванні  раціональних варіантів техніки  бігу на ковзанах. - В кн.: Сучасні  проблеми біомеханіки, 1992, вип. 7, с. 144-163.

7. Воронов А.В., Селуянов В.Н., Чугунова Л.Г. Розподіл  маси тіла ковзанярів різної кваліфікації// Ковзанярський спорт: Щорічник. - М.: ФиС, 1983, с. 43-44.

8. Воронов А.В., Юдін Г.В., Белякова З.М. Дослідження  властивостей обтікання і величини  лобового опору плохообтекаемого  тіла на прикладі спортсмена-ковзанярів. - Вими, депонована рукопис, 23 грудня 1986 р., № Д07075, серія "СВ" випуск 04 за 1986 г.

9. Воронов А.В.  Анатомічна будова і біомеханічні  характеристики м'язів і суглобів  нижньої кінцівки. - М.: Фізкультура,  освіта і наука, 2003. - 203 с. 

10. Вукобратовіч  М. Шагал роботи і антропоморфні механізми. - М.: Світ, 1976. -- 541 с.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

       

 

 

 

            Міністерство овіти і науки України

            Сумський державний університет

                        Медичний інститут

 

 

 

 

 

 

                                  Реферат на тему:

«Біомеханічне моделювання  як метод вивчення рухових дій  людини»

 

 

 

 

 

 

 

 

                                  Виконала студентка

1-го курсу

групи ЛС-207

   Рудь В.О.

 

 

 

 

 

                      

 

 

 

 

                      Суми 2012р.