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        基于3DSSPP的扎馬步姿勢(shì)分析

        2017-10-13 05:01:49韓帥磊溫藝曼
        海外文摘·藝術(shù) 2017年6期
        關(guān)鍵詞:椎間盤姿勢(shì)受力

        韓帥磊 溫藝曼

        (南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院,江蘇南京 210031)

        基于3DSSPP的扎馬步姿勢(shì)分析

        韓帥磊 溫藝曼

        (南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院,江蘇南京 210031)

        隨著人們生活水平的提高,大家越來(lái)越注意身體健康情況。扎馬步由于對(duì)空間條件限制較小而廣受大眾推崇。但是很多人并不知道扎馬步的正確姿勢(shì),從而造成了一些肌體損傷。而且隨著近期對(duì)傳統(tǒng)武術(shù)的打假行動(dòng),使公眾開始對(duì)這一傳統(tǒng)武術(shù)訓(xùn)練方式產(chǎn)生了質(zhì)疑。因此本文通過(guò)網(wǎng)絡(luò)信息采集以及實(shí)地對(duì)傳統(tǒng)武術(shù)練習(xí)者的采訪,確定標(biāo)準(zhǔn)的扎馬步的姿勢(shì),進(jìn)而采用人體受力仿真軟件3DSSPP對(duì)這一姿勢(shì)進(jìn)行建模分析,詳細(xì)介紹扎馬步的正確姿勢(shì)以及受力分析。

        扎馬步;3DSSPP;仿真分析;人因工程

        武諺“未學(xué)打先扎馬”、“要習(xí)打,先站馬”、“練拳先蹲馬,馬功到家、不怕刀槍”等,道出了武術(shù)基本功馬步的地位及重要作用(蔣德龍,2016)。而且扎馬步不僅可以改變肌肉空間和肌肉組群,還可以對(duì)椎間盤突出等有輔助治療作用。扎馬步時(shí)腹式呼吸,可以對(duì)內(nèi)臟以及所處的經(jīng)絡(luò)進(jìn)行按摩。上班族在工作的間歇扎上5分鐘的馬步,疲勞感會(huì)降低很多,肌肉疼痛感也會(huì)消除。因此扎馬步逐漸受到越來(lái)越多的追捧。但是由于扎馬步需要循序漸進(jìn)以及姿勢(shì)可能不正確的原因造成了很多人以不正確的姿勢(shì)扎馬步并產(chǎn)生了肌肉拉傷或者膝關(guān)節(jié)半月板損傷等問(wèn)題。使得這一傳統(tǒng)武術(shù)中的基本功備受爭(zhēng)議。本文嘗試從人因工程學(xué)的角度結(jié)合3DSSPP軟件對(duì)扎馬步進(jìn)行科學(xué)的分析與評(píng)價(jià)。

        1 建立模型

        本實(shí)驗(yàn)需要在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行之前搜集大量資料明確扎馬步的正確姿勢(shì),但是由于我們搜集到的關(guān)于扎馬步的正確姿勢(shì)說(shuō)法不一導(dǎo)致我們無(wú)法盡快的得出結(jié)論。最終,我們通過(guò)查閱大量網(wǎng)頁(yè)資料、數(shù)據(jù)庫(kù)文檔、權(quán)威認(rèn)證資料以及對(duì)形意拳南京青年組冠軍的采訪確定正確的姿勢(shì)。通過(guò)實(shí)地演示之后測(cè)量了一些關(guān)鍵數(shù)據(jù)。最終確定的扎馬步的正確姿勢(shì)為四平馬:

        ①兩腳分開與肩同寬,腳尖向前,且處在同一線上。屈膝下蹲,膝蓋不超過(guò)足尖。兩腳著地,重心在腳跟,雙膝外展,小腿外側(cè)與腳外側(cè)成同一垂直線,大腿與小腿之間夾角為150度。

        ②塌腰、松胯、檔要圓,略提肛收腹,含胸拔背,上身正直,如坐凳狀。

        ③沉肩墜肘。

        ④雙目平視,視線不宜遠(yuǎn),頭要正略收額,不要低頭,也不要仰頭聳肩,或左傾右斜。(王立利,2011)

        如圖1所示,通過(guò)前期姿勢(shì)確立以及數(shù)據(jù)采集之后,采用先利用posture prediction(姿勢(shì)預(yù)測(cè)法)簡(jiǎn)單做出模型,而后再通過(guò)body segment angles(身體各部位角度法)精準(zhǔn)建立模型,最終建立起3 D模型。

        2 報(bào)告分析

        在仿真模型建立之后,利用軟件產(chǎn)生了一系列的實(shí)驗(yàn)報(bào)告,著重選擇了一下五張反映疲勞程度以及可接受程度的報(bào)告進(jìn)行分析:

        圖1 四平馬

        圖2 總報(bào)告分析

        圖3 疲勞強(qiáng)度分析

        2.1 總報(bào)告

        如圖2總報(bào)告分析中所示,本實(shí)驗(yàn)包括一般用到的幾個(gè)基本結(jié)論,包括群眾對(duì)于身體各個(gè)部位的受力情況的可接受程度、下背部壓力、左右下肢承載受力情況以及平衡狀況。由于下面會(huì)有各個(gè)報(bào)告的詳細(xì)解釋,在這里不再贅述,只做簡(jiǎn)單的說(shuō)明。只是這里的條形圖可以讓我們更直觀的看到,90%以上的人能夠接受現(xiàn)有的各個(gè)部分的受力情況;下背部受力情況為2858.6也在3425的強(qiáng)度設(shè)計(jì)極限之內(nèi)。其中SDL和SUL分別是強(qiáng)度設(shè)計(jì)極限和力量上限,默認(rèn)情況下適用于NIOSH行動(dòng)限制和最大容許極限。其他限制可以是用戶自己設(shè)定的。SDL的指定在程序表格中由從綠到黃的顏色過(guò)渡分隔開,并且被設(shè)置為99%男性或75%的女性。SUL的指定,則是由黃色到紅色顏色過(guò)渡分割開,25%男性或1%的女性;左右腿受力平衡;支撐力量的中點(diǎn)在綠色BOS區(qū)域內(nèi),姿態(tài)是穩(wěn)定的,平衡可以接受。

        圖4 3D下背部疲勞分析

        圖5 矢量下背部疲勞分析

        2.2 疲勞強(qiáng)度分析

        如圖3疲勞強(qiáng)度分析中所示,疲勞強(qiáng)度分析顯示了每一個(gè)關(guān)節(jié)所需要的最大自由收縮(MVC)百分比。計(jì)算了三個(gè)百分位數(shù)人群的力量能力:5、25和50百分位對(duì)應(yīng)于很弱,弱和平均力量的工人。這些值可以用于頻率和持續(xù)時(shí)間的信息來(lái)估計(jì)局部肌肉疲勞。可以理解為需要發(fā)揮多大的肌肉收縮能力。由結(jié)果數(shù)據(jù)可以看出,按照50%也就是平均力量工人的情況來(lái)分析,除肩部外各個(gè)位置需要的肌肉收縮能力都不算太大。說(shuō)明多數(shù)人都是可以完成的,符合成為全民健身方式條件。

        圖6 強(qiáng)度及可接受程度分析

        圖7 平衡能力分析

        2.3 下背部分析報(bào)告

        從圖4,3D下背部疲勞分析中可以看出,腰椎間盤突出是十分常見的對(duì)工作人員造成的公共損傷,而造成腰椎間盤突出的直接原因就是腰椎壓力過(guò)大。分析總結(jié)屏幕中的關(guān)于椎間盤壓力的預(yù)測(cè)在3D下背部分析中很詳細(xì)的展現(xiàn)出來(lái)。該報(bào)告列出了L4/ L5椎間盤壓力,3D下背部分析采用線性規(guī)劃優(yōu)化算法,計(jì)算L4/L5旋轉(zhuǎn)力矩和力量,根據(jù)三維分析上半身十大肌肉的收縮力量,加上造成椎間盤的壓力的體重和手的力量,優(yōu)化合成椎間盤壓力。在圖中我們可以看到上半身十大肌肉的受力情況以及L4/L5椎間盤壓力為2859,評(píng)比標(biāo)準(zhǔn)中SDL和SUL分別是強(qiáng)度設(shè)計(jì)極限和力量上限,默認(rèn)情況下適用于NIOSH行動(dòng)限制和最大容許極限。其他限制可以是用戶自己設(shè)定的。SDL被設(shè)置為99%男性或75%的女性,其數(shù)值為3425。S U L則被設(shè)置為2 5%男性或1%的女性,其數(shù)值為6361。因此可見扎馬步的椎間盤受力情況在強(qiáng)度設(shè)計(jì)極限之內(nèi),符合生理學(xué)要求。

        在圖5,矢量下背部疲勞分析中,顯示了選定姿勢(shì)下的下背部數(shù)據(jù)。正的肌肉力量值或部分重量表明了下行椎盤上的力的方向。椎盤的剪切力是由于上半身的重量,姿勢(shì),和水平手的力量。在已知+/ -且適當(dāng)?shù)臅r(shí)候,會(huì)顯示一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差。即扎馬步是椎盤所受的總的剪切力在2926+/-192。在報(bào)告的底部,是既定性別下的估計(jì)的L5/S1韌帶應(yīng)變。這代表了腰部筋膜的應(yīng)變,是附加在L5和S1椎骨中間的,在抵抗向前彎曲過(guò)程中起著重要作用。由于觀察的腰部筋膜的彈性極限是30%,估計(jì)L5/S1韌帶應(yīng)變值,若這個(gè)值超過(guò)30%表明存在受傷的風(fēng)險(xiǎn)。而本實(shí)驗(yàn)中的12%說(shuō)明,正確姿勢(shì)的扎馬步是不會(huì)造成腰部勞損的。

        2.4 強(qiáng)度及可接受程度分析

        圖6強(qiáng)度及可接受程度分析表明了強(qiáng)度模型的結(jié)果。由負(fù)載和體重所產(chǎn)生的每個(gè)關(guān)節(jié)所需的扭矩,是通過(guò)基于靜態(tài)鏈接算法的生物力學(xué)模型算得的,并且依賴于人體測(cè)量學(xué),姿勢(shì),手負(fù)載。由于對(duì)于扭矩的具體數(shù)值我們并沒(méi)有太大的概念,所以暫時(shí)不加以分析。而能力百分比是有力量能力來(lái)產(chǎn)生比聯(lián)合力矩更大力矩的人所占的百分比。它使用正態(tài)分布,被當(dāng)作合力矩,平均強(qiáng)度,和平均強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)偏差的的功能來(lái)計(jì)算的。也就是說(shuō)能完成這項(xiàng)工作的人有多少。我們可以看到,這就很直接的反映了每個(gè)部位都有95%以上的人能完成,說(shuō)明這是一個(gè)所有人都能去做的姿勢(shì),符合大眾練習(xí)的要求。

        2.5 平衡能力分析

        在圖7平衡能力分析中,身體質(zhì)量的中心被定義為體重的中心,投影向下,也可以稱為重心(COG)。在3 dsspp中,只計(jì)算身體的部分重量,不包括對(duì)象手中所持物體的質(zhì)量,不包括外力或力矩。身體質(zhì)量的中心示在平衡圖形中表示為一個(gè)黃色的圓點(diǎn)。壓力的中心(COP)被定義為支撐力量的中點(diǎn)。它的計(jì)算類似于C O G,但包括所有外力和力矩以及身體部位的質(zhì)量。壓力中心在平衡圖形中表示為一個(gè)紅點(diǎn)。為獲得平衡,壓力中心必須保持在支撐表面的一個(gè)穩(wěn)定的地點(diǎn)。兩個(gè)穩(wěn)定區(qū)域被確定和考慮。地面支持(BOS,綠色區(qū)域),是一個(gè)根據(jù)支撐表面的大小和位置定義的區(qū)域。例如,在站立模式,只有壓力中心在腳的輪廓以內(nèi),腳才能支持一個(gè)姿勢(shì),否則人會(huì)跌倒。但是實(shí)際表明,人們通常不會(huì)讓壓力中心靠近BOS的邊緣,只能作為一個(gè)安全系數(shù)。因此功能穩(wěn)定區(qū)域(FSR,淺綠色區(qū)域)被定義和實(shí)驗(yàn)出來(lái),因?yàn)槿藗儍A向于保持壓力的中心。這兩個(gè)區(qū)域邊界之間的區(qū)域是一個(gè)關(guān)于平衡不太好的地區(qū),在這里一個(gè)人可能覺(jué)得沒(méi)有安全感。平衡穩(wěn)定的條件取決于壓力中心相對(duì)于支撐地面的位置。分為可接受的、有缺點(diǎn)的或不可接受的。

        可接受的CP平衡:壓力中心位于FSR范圍內(nèi),姿態(tài)是穩(wěn)定的。

        有缺點(diǎn)的CP平衡:壓力中心的位置在不在FSR范圍內(nèi)但在BOS范圍內(nèi)。姿勢(shì)是穩(wěn)定的,但人缺乏安全感。

        不可接受的CP平衡:壓力的中心不在BOS范圍內(nèi),姿勢(shì)無(wú)法維持。

        因此由實(shí)驗(yàn)報(bào)告可以得出,扎馬步是壓力中心在FSR區(qū)域內(nèi),姿態(tài)是穩(wěn)定的。

        3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

        通過(guò)以人因工程學(xué)的專業(yè)知識(shí)分析以及3DSSPP的報(bào)告,發(fā)現(xiàn)如果姿勢(shì)正確,對(duì)于扎馬步的各項(xiàng)分析均在正常范圍之內(nèi)并不會(huì)對(duì)人的身體造成傷害,而且是一項(xiàng)有益的運(yùn)動(dòng)。傳統(tǒng)武術(shù)留下來(lái)的四平馬也是有其科學(xué)依據(jù)的。只要我們能找到正確的方法持之以恒,必將有益于保持良好的身體狀況。

        [1]蔣德龍,譚廣鑫.古代巫風(fēng)的現(xiàn)代延續(xù):武術(shù)基本功馬步之“馬”的探源及啟示[J].體育科研,2016,37(04):42-48.

        [2]王立利.馬步站樁對(duì)下肢力量影響實(shí)驗(yàn)的分析[J].宜春學(xué)院學(xué)報(bào),2011,33(08):169-170.

        TP391.9

        A

        1003-2177(2017)06-0056-04

        韓帥磊(1996—),男,漢族,河北石家莊人,本科,研究方向:流程優(yōu)化。

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