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        基于三維動態(tài)捕捉系統(tǒng)的運動護腕防護性能研究

        2013-12-03 05:48:02吳旭波王燕珍汪世奎曹蕊超
        山東紡織科技 2013年4期
        關鍵詞:護具動量籃球

        吳旭波,謝 紅,王燕珍,汪世奎,曹蕊超

        (上海工程技術大學,上海201620)

        手腕是人體活動最頻繁的關節(jié)之一,也是在運動過程中較易受傷的關節(jié)之一,正是因為手腕的頻繁活動以及易受傷等特性,人們在運動過程中都會通過佩戴護腕來保護手腕?,F(xiàn)階段市場上有各種品牌的護腕在售賣,但是在護腕的商品介紹中只有關于材料成分以及符合GB 18401《國家紡織產(chǎn)品基本安全技術規(guī)范》標準的介紹,而對于護腕實際的防護性能的參數(shù)并沒有介紹,而實際上在目前對護腕以及護具等研究中,也只是從面料的性能角度來進行研究,從生物力學角度出發(fā)研究護具防護性能的還較少。本文通過三維動態(tài)捕捉系統(tǒng),以球撞擊人體為例,從生物力學角度初步研究護腕對人體的防護性能。

        1 實驗部分

        1.1 實驗護腕

        通過對比市場所售的護腕面料及款式,挑選三種相同厚度不同彈性的護腕作為本次實驗的研究對象,1號實驗護腕是現(xiàn)在市場上最常見的棉質(zhì)護腕,2號實驗護腕為國內(nèi)某品牌生產(chǎn)的彈性護腕,3號實驗護腕為美國某知名護具品牌生產(chǎn)的纏繞式護腕,在實驗之前對于三款護腕的基本參數(shù)進行了測量(見表1)。

        從表1中可以看出,三款護腕中只有2號護腕中加入了彈性纖維氨綸,因此這款護腕的彈性回復率明顯優(yōu)于其余兩款護腕,而另外兩款護腕的彈性回復率幾乎相同。

        表1 三款護腕的基本參數(shù)

        1.2 實驗對象

        因為護腕對人體的防護性能并不因人體身材尺寸的變化而變化,因此,本實驗選取一名中等身材男子來模擬球撞擊人體實驗,男子身高175 cm,體重65kg。

        1.3 實驗設備

        本實驗選取NDI三維運動測量系統(tǒng),此系統(tǒng)可以通過高速攝像頭捕捉人體運動,并通過標記在人體上的發(fā)光點來測得人體關節(jié)在運動過程中的運動軌跡,以三維坐標數(shù)據(jù)形式直接輸出到Excel表進行數(shù)據(jù)分析。其高速攝像頭的精度可達到0.1mmRMS,分辨率為0.01mmRMS,可同時采集512個mark點以及170個剛體,并且一個高速攝像頭的攝像空間約在26m3左右,因此完全可以滿足人體進行正常的運動而不受限制,此三維運動測量系統(tǒng)可以在精確的程度下進行對人體運動過程中人體各關節(jié)的三維坐標數(shù)據(jù)采集。

        1.4 實驗設計

        實驗包括運動過程中三維數(shù)據(jù)捕捉以及數(shù)據(jù)的客觀計算分析。

        本實驗主要探究護腕對人體手腕的防護性能,因此在人體手腕內(nèi)外側(cè)黏貼兩個mark點標記為mark1,mark2;并且在籃球朝向測量系統(tǒng)一邊的表面中心位置黏貼一個mark點標記為mark3。

        測試者以不帶護腕以及佩戴護腕1、2、3號模擬籃球撞擊人體實驗,籃球在離手腕1.5m高處自由落體撞擊人體,一共進行4組人體測量實驗,每組實驗設定捕捉時間為1s(1s=100幀),每組實驗設定重復10次,從中選取數(shù)據(jù)最穩(wěn)定的5次進行數(shù)據(jù)分析。

        1.5 實驗原理

        籃球在下落過程中進行自由落體運動,在接觸人體的瞬間被反彈進行加速度為重力加速度(9.8m/s2)的勻減速運動,直至籃球速度為0后下落至地面。在整個籃球運動過程中,滿足牛頓第二定律-動量守恒定律。因此,運用動量守恒定律即可計算出籃球在接觸人體后的動量,從而反映出人體對籃球的動量吸收大小,通過佩戴不同性能的護腕來進行重復實驗,通過動量被吸收的大小來反應護腕對人體的保護效果。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 數(shù)據(jù)預處理

        三維動態(tài)捕捉系統(tǒng)原點定義在攝像頭探測范圍內(nèi)的空間某一點,規(guī)定人體面向攝像頭站立是前后方向為X軸,左右方向為Y軸,上下方向為Z軸。在此次模擬實驗中,籃球下落做自由落體運動撞擊人體,主要在垂直方向即Z軸上的數(shù)據(jù)有大的變動,并且經(jīng)過前期計算,籃球在1.5m高處進行自由落體運動,根據(jù)牛頓第二定律可以計算出籃球在下落的0.55s后接觸人體,并且在接觸人體前的垂直方向的末速度為5.42m/s,因此,本實驗數(shù)據(jù)截取0.5~0.6s時間段內(nèi)球接觸人體以及反彈過程垂直方向數(shù)據(jù)進行分析。

        2.2 籃球運動過程中相關參數(shù)提取

        在整個模擬實驗中,籃球的運動狀態(tài)為自由落體運動,接觸人體后進行加速度為9.8m/s2的勻減速運動,直至速度為0再次掉落地面。依據(jù)牛頓第二定律,計算籃球在進行自由落體及反彈過程中速度隨時間變化的情況(見圖1~圖5)。

        根據(jù)籃球反彈過程初速度,依據(jù)動量守恒定律,計算籃球在接觸人體后的動量以及人體在被撞擊時產(chǎn)生的動量(見表2)。

        實驗數(shù)據(jù)表明:

        (1)在沒有佩戴護腕的情況下,籃球反彈過程的初速度是最大的,佩戴2號護腕時,籃球反彈過程的初速度最小,佩戴1號3號護腕時,籃球反彈過程的初速度基本相同。

        表2 觸體后人體與籃球動量變化

        (2)三款護腕佩戴后,籃球在觸體后的動量相比于沒有帶護腕都有一定量的減小,說明護腕對人體起到了一定的效果,不難看出,佩戴2號護腕時籃球的動量減少的最多。

        (3)人體在沒有佩戴護腕以及佩戴護腕后,在被球撞擊的瞬間人體自身產(chǎn)生的動量大小也不同,相較于沒有佩戴護腕來說,佩戴2號護腕時人體產(chǎn)生的動量最大。

        3 結(jié)論

        本文測量了沒有佩戴護腕,佩戴三款不同護腕4種狀態(tài)下人體受球撞擊過程中人體與球的三維坐標數(shù)據(jù),通過牛頓第二定律以及動量守恒定律計算數(shù)據(jù)并進行分析,得到以下結(jié)論:

        (1)在相同的撞擊條件下,佩戴護腕對人體的確有一定的防護效果。

        (2)僅從護腕的彈性參數(shù)方面考慮,護腕對人體的防護性能與護腕的彈性回復率呈正相關。

        本文通過實驗和數(shù)據(jù)分析,初步探究了運動護腕的彈性回復率與對人體的防護性能之間的關系,為研究運動護腕對人體的防護性能提供了一種客觀的研究方法,并為消費者在挑選運動護腕時提供一定的參考。后續(xù)可以通過結(jié)合研究運動護腕的尺寸,面料厚薄等參數(shù)來進一步完善對運動護腕防護性能的研究。

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