三维运动学分析

关键词： 开封人 运动学 起跳 跳远

三维运动学分析（精选十篇）

三维运动学分析 篇1

现在的推铅球技术,有背向滑步投和旋转投两种。女子铅球正式比赛的重量为4Kg,直径9.5-11cm。目前女子铅球世界纪录是22.63m(前苏联人纳塔丽亚-里索斯卡娅,1987年6月7日)。女子铅球奥运会纪录是22.41m(前民主德国人斯卢皮亚内克,1980年7月24日莫斯科)。女子铅球的亚洲纪录及全国纪录是21.76m(李梅素,1988年4月23日,石家庄石径精英赛)。

我国女子铅球项目自20世纪80～90年代出现了李梅素(1988年,21.76m) 、黄志红(1990年,21.52m)和隋新梅(1990年,21.66m )等多位著名运动员,并且她们在国际大赛中屡次争金夺银,成为中国田径的一大亮点,并且多次进人世界大赛的前3名及年度世界排名的前8名,形成了我国女子铅球项目在国际田坛中的优势地位。此后20多年间, 我国女子铅球运动水平处于停滞状态。目前我国女子铅球出现巩立娇(2009年,20.35m)等一批优秀运动员,使我国女子铅球在世界上重新树立了优势地位。

国内外很多学者对铅球项目的运动技术特征进行了大量的研究和分析,所获得的运动学参数包括出手速度,出手角度,出手高度,相对于抵制板的水平距离,身体重心速度变化特征,运动员在不同动作阶段运动时间参数,在不同的关键时相的各主要环节的角度参数,不同阶段铅球的移动轨迹和距离,足底三维压力特征和压力分布特征,铅球和人体质心移动轨迹,三维数字铅球,出手阶段专项爆发力大小和做功大小等多项运动学参数进行了广泛的研究和探讨,也得出很多较有价值的科研结论。

但对影响铅球项目成绩的关键技术参数的研究和建立上,目前还没有人进行过有益的尝试。本文在研究和总结前人对铅球主要技术参数上,有选择地筛选了出手速度、出手角度、出手高度和离抵制板的水平距离、不同技术阶段的时间参数、铅球和身体质心移动轨迹等关键运动学参数进行了三维录像研究分析,并取得较为理想的研究成果。

2 研究方法

2.1 研究对象

全运会女子铅球前8名,平均最好成绩为18.33±1.15m;平均年龄21.63±3.93岁;平均身高为1.79±0.04;平均体重为100.00±8.02Kg。见表1所示。

2.2 研究方法

2.2.1 文献资料法

查阅研究大量国内、外有关铅球项目的文献资料,了解目前世界女子铅球技术研究的基本现状和采用的主要运动技术研究参数根据大多数的文献资料研究和对教练员的技术咨询结果,选取出手速度,出手角度,出手高度,相对于抵制板的水平距离,身体重心和铅球全程速度变化曲线特征,运动员在不同动作阶段运动时间参数等作为本次研究的关键技术参数进行分析研究。

2.2.2 三维录像解析法

使用两部同一型号的Sony-DCR-TRV-75E摄像机,对运动员现场比赛进行定点拍摄,拍摄频率为50Hz,拍摄范围是以铅球比赛场地为中心的平面约4x3m范围,标准运动档拍摄模式,比赛结束后在投掷圈内同时拍下Peak三维标定框架,机高约1.20m。采用Peak Motus9.0运动录像三维解析系统进行关键运动技术参数分析和研究。身体质心采用松井秀治人体模型进行合成,解析后的参数点采用低通滤波进行平滑,截断频率为6Hz。

2.2.3 数理统计分析法

采用Excell2003统计软件包进行相关数理统计分析。

3 研究结果

3.1 出手速度和出手角度情况

表2为第11届全运会女子铅球前8名成绩、出手速度和出手角度参数,从表中可以看出,巩立娇比赛的六次试投成绩均超过19.00m的大关,最差成绩为19.04m,最好成绩为20.35m,平均成绩为19.60±0.46m,平均出手速度为13.47±0.24m/s;平均出手角度为33.99±1.23°。第2～8名运动员最好成绩平均值为18.05±0.88;出手速度平均为12.68±0.39m/s;出手角度平均为34.95±3.27°。巩立娇和第2～8名运动员在成绩出手的水平速度和合速度之间存在显著差异,而在出手角度之间差异不显著。这说明女子铅球比赛成绩的差异主要由出手速度决定的,出手速度的差异主要是出手水平速度之间的差异决定。

从出手速度和出手角度与成绩的相关性来看,出手合速度与成绩相关系数达到0.95,成高度相关,而出手角度与成绩的相关系数为0.08,这说明出手速度对成绩影响巨大,而出手角度在一定范围内对成绩的影响不是太大,但良好的出手角度也是取得优异成绩的关键因素。

3.2 出手高度和离抵制板的距离

表3为第11届全运会女子铅球前八名运动员出手高度和出手点距离抵制板的水平距离,从表中可以看出第一名巩立娇六次出手高度平均值为2.03 ±0.03m,出手距离抵制板的水平距离平均值为-0.03± 0.08m。第2～8名运动员最好成绩出手高度平均值为2.03 ±0.06m,出手距离抵制板的水平距离为-0.12± 0.14m。

出手高度和距离抵制板的水平距离与成绩之间为低度相关。第一名巩立娇和后2～8名运动员之间在出手高度和距离抵制板水平距离之间无显著性差异。

注:p<0.001显著性差异;p<0.005显著差异;p<0.01明显差异;p<0.05有差异。P>0.05差异不显著性。

注:距离抵制板水平距离正值为超出抵制板零点在投掷圈外出手;负值为不到抵制板零点在投掷圈内出手。

3.3 背向滑步转身跳投技术动作的阶段划分

为了能更好地研究女子铅球不同动作阶段的时域参数特征,特此根据主动腿与地面接触情况和整体动作技术结构来划分,可以将背向滑步转身跳投推铅球技术划分为以下5个阶段。每个阶段划分的起止时相规定为。各阶段划分见图1所示。

a.后摆阶段:左腿开始从最低点积极后摆到右足离地瞬间

b.滑步阶段:右腿离地瞬间到右腿着地瞬间

c.过渡阶段:右腿着地瞬间到左腿着地瞬间

d.双支撑阶段:左腿着地到右腿再次离地瞬间

e.投掷阶段:右腿离地阶段到铅球出手瞬间

表4为第11届全运会女子铅球决赛前8名成绩和各动作阶段时间参数特征,从表中可以看出不同动作阶段的时间参数大小,同时各阶段时间参数与成绩之间的相关性均为低度相关,显然女子铅球项目成绩与运动员的在不同动作阶段的时间参数之间相关性不大。各个技术动作阶段都是为最后爆发用力做好积极准备。

3.4 背向滑步推铅球技术身体质心的速度变化特征

图2为冠军巩立娇六次试投身体质心从后摆摆动腿,开始进行完整技术动作开始的身体质心速度变化特征图,从图中可以明显看出整个投掷过程身体重心有两个明显的加速波峰。身体质心的两个加速波峰分别出现在滑步阶段和双支撑的最后用力阶段,这与背向滑步推铅球技术动作结构的用力形式相一致。图3为本次比赛前3名运动员最好成绩投次身体质心速度变化曲线,从图3中也能很好地证实在整个投掷过程中身体质心出现两个明显的加速过程。

表5为巩立娇六次试投身体质心最大速度特征,从表中可以看出,身体质心最大速度和成绩之间存在低度负相关,这说明运动员自身质心移动最大速度能力与成绩之间相关性不大。运动员自身移动速度对成绩的贡献不大。铅球的比赛成绩与“人体和铅球”系统的合速度大小关系较大。

3.5 背向滑步推铅球全程的铅球速度变化特征

图4和图5为冠军巩立娇六次试投全程和前3名运动员最好成绩投次铅球合速度变化曲线特征。从这两个图中可以很好地观察到在最后出手阶段铅球合速度的快速增大,而在滑步阶段铅球合速度明显增加。这些都是与背向滑步推铅球技术结构相吻合的。并且从速度变化曲线的斜率大小上,可以判断运动员加速能力的大小。但铅球最终出手速度的大小是与运动员对铅球全程的加速能力和时间长短等因素决定的。

4 分析和讨论

4.1 我国及世界优秀女子铅球运动员比赛成绩和出手速度、出手角度比较

铅球的出手速度与成绩高度相关关系的重要性已经被很多国内外学者研究证实,因此可以说出手速度是铅球运动员获取优异成绩的最关键的运动学参数,而出手角度、出手高度和抵制板的水平距离等运动学参数对成绩有着重要的影响。也被很多研究人员确定为关键的运动学参数,因此在对运动员关键运动学参数进行研究分析时都会涉及到这些运动学参数的获取上。本研究同样给出了第11届全运会女子铅球决赛前8名运动员最好成绩的这些关键运动技术参数。

表6为部分世界级优秀女子铅球运动员关键运动技术参数情况。从表6中可以看出第11届全运会前8名运动员出手速度基本上都低于世界级优秀运动员,并且出手角度也低于世界级优秀运动员。可见我国优秀女子铅球运动员要想获得好成绩必须提高出手速度参数,同时需要再适当提高出手角度。

表7为我国部分退役优秀女子铅球运动员投出20.0m以上成绩时出手的关键运动学参数,从表中可以看出比赛成绩与出手合速度为高度相关,而与其他出手参数基本为中度和低度相关。再一次证明了出手速度对铅球成绩的重要影响。从表7中可以看出我国部分退役的优秀运动员在投出20.0m以上成绩时,对应的运动学参数基本达到世界级水平。而本届全运会除巩立娇外,其他运动员的出手速度与这些运动员相比还有一定差距,而巩立娇需要提高个人的出手角度。

4.2 关于铅球的最佳出手角度的研究和讨论

许多学者已经研究证实对铅球项目来说最佳出手角度为37°左右,而世界级优秀运动员的最佳出手角度范围为35～38°。很多学者研究也认为最佳出手角度与运动员的出手速度、上肢最后爆发用力形式、出手高度和空气阻力等因素有关,是一个范围值,不是一个确定值,每个运动员都有其个性化的最佳出手角度值。

铅球比赛中成绩测量是从抵制板内缘为零点开始,到铅球着地后在地面上留下的印记最内侧缘为止作为测量成绩的,这与实际推铅球运动产生的理论距离是不一致的。比赛中官方成绩测量示意图见图6所示。

其中铅球的水平飞行距离公式为:

undefined公式1

其中h=h出手高度-h着地高度。

从公式1中可以看出铅球成绩和出手角度之间明显存在着某种相关关系,但出手角度对成绩影响的程度到底多大,目前还没有人进行过科学的测试。

与世界级优秀女子铅球运动员相比,巩立娇在出手角度上还没有达到最佳的出手角度,低于世界级优秀运动员最佳出手角度;而全运会前8名中只有三位运动员的出手角度在世界级优秀运动员最佳角度范围内,其他选手也是相对较低。

4.3 铅球出手瞬间机械能分析

铅球的远度主要由铅球的出手速度、出手高度和出手角度决定。而在铅球出手瞬间其获得的机械能大小也是决定了铅球飞行远度的重要参数之一。

从公式2内可以看出在铅球出手瞬间,巩立娇投出20.35m成绩是机械能最大为463.84J,李梅菊投出19.38m时的铅球机械能为431.93J,李玲投出18.97m时的铅球机械能为404.00J。

公式2

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5 结论

1.根据背向滑步腿铅球的整体动作技术结构特征,可以将背向滑步转身跳投技术分为后摆、滑步、过渡、双支撑和最后出手投掷五个阶段。

2.本研究再次证明了出手速度与比赛成绩呈高度正相关,相关系数达到0.95。而出手角度和出手距离抵制板的水平距离与成绩呈中低度相关。

3.本届全运会中冠军巩立娇6次试投平均成绩为19.60±0.46m;平均出手速度为13.47±0.24 m/s,与世界级选手接近;平均出手角度为33.99±1.23°,低于世界级优秀运动员;平均出手高度为2.03 ±0.03m,距离抵制板的水平距离平均为-0.03± 0.08m。其他7名运动员平均最好成绩为18.05±0.88m,平均出手速度为12.68±0.39m/s,平均出手角度为34.95±3.27°,平均出手高度为2.03 ±0.06m,平均距离抵制板的水平距离为-0.12± 0.14m。

4.冠军巩立娇6次试投平均后摆时间为0.29±0.03s,平均滑步时间为0.14±0.00s,平均过渡时间为0.14±0.01s,平均双支撑时间为0.11±0.03 平均出手时间为0.11±0.01。最好投次的出手时间最短为0.09s。其他7名选手平均后摆时间为0.35±0.10s,平均滑步时间为0.14±0.02s,平均过渡时间为0.13±0.03s,平均双支撑时间为0.10±0.02s,平均投掷时间为0.12±0.03s。

5.前3名运动员李玲、李梅菊和巩立娇最好成绩投次质心最大分别为速度为2.84m/s、2.65m/s和2.91m/s,质心最大速度与成绩相关性不大。铅球的出手速度为12.69m/s,13.31m/s和13.84m/s,铅球的出手角度为38.5°、35.5°和33.9°,铅球的出手高度为2.09m、1.98m和2.06m。由此说明巩立娇与世界级优秀运动员相比出手角度较小,出手速度和出手高度较好;李梅菊和世界级优秀选手相近;李玲的出手角度较好,但出手速度较低。

6.人体质心和铅球的速度变化曲线特征符合铅球项目的运动技术结构。在特定的出手角度和高度情况下铅球的远度是由整个投掷过程人体对铅球所做的总功决定的。

摘要：本文采用文献研究法、三维录像解析法和统计分析法对第11届全运会女子铅球决赛前八名运动员最好成绩投次进行关键运动技术研究,获取她们的部分关键运动学参数,同时和世界级优秀运动员的相应参数进行比较分析,得出相应的研究结果。本论文的主要研究结论为1.背向滑步转身跳投技术按整体动作结构可分为后摆、滑步、过渡、双支撑和最后出手投掷五个阶段。2本研究再次证明了出手速度与比赛成绩呈高度正相关,相关系数达到0.95。而出手角度和其他运动学参数与成绩呈中低度相关。3.本届全运会中冠军巩立娇6次试投平均成绩为19.60±0.46m;平均出手速度为13.47±0.24m/s,与世界级选手接近;平均出手角度为33.99±1.23°,低于世界级优秀运动员;平均出手高度为2.03±0.03m,距离抵制板的水平距离平均为-0.03±0.08m。4.前3名运动员李玲、李梅菊和巩立娇最好成绩投次质心最大分别为速度为2.84m/s、2.65m/s和2.91m/s,质心最大速度与成绩相关性不大。铅球的出手速度为12.69m/s,13.31m/s和13.84m/s,出手角度为38.5°、35.5°和33.9°,铅球的出手高度为2.09m、1.98m和2.06m。

三维运动学分析 篇2

；杨合适2(1982年－), 性别, 男，河南开封人,硕士，研究方向,体育教育训练学。

作者单位: 2.，；2杨合适，中原工学院，郑州，450007。

Yang He-shi，2.Zhong yuan University of Technology ,Zheng Zhou450007,China;

22摘 要：选取8名男子跳远运动员为研究对象，主要采用文献资料法、三维运动录像解析法、访问调查法、数理统计法等。通过分析跳远起跳过程各阶段下肢摆动腿与送髋技术特征；起跳过程中下肢摆动与送髋技术与跳远成绩相关性的研究；下肢摆动与送髋技术和上板速度、身体重心腾起初速度、起跳水平速度、垂直分速度及腾起高度等之间关系的研究。研究结果表明：起跳着板瞬间，起跳腿髋角较小，向上向前送髋不积极；摆动腿髋角较大，摆动腿侧以髋带腿的摆动幅度小、摆动速度慢；摆动腿侧髋关节明显滞后于腿的前摆，导致摆动腿的前摆不能适应起跳节奏；起跳缓冲阶段，起跳腿髋角较小，送髋相对积极，身体重心高度整体上呈上升趋势，但摆动腿只是一味强调加快摆腿而没有意识到髋关节这一发动机的重要性，忽略了以髋带腿加速前摆动作；起跳蹬伸阶段，起跳腿侧向前送髋速度慢、幅度小、蹬地不够充分、不能将起跳时蕴积的力量凝聚在一起，与送髋、蹬地和伸膝的运动方向保持一致，协助身体重心的交换由下到向上向前转移。

关键词:跳远 摆动 送髋 三维运动学

Key word: Long jump Swing Sent Hip Three-dimension Kinematics i 1 研究对象与方法 1.1研究对象

样本选取近三年来全国田径锦标赛前8名男子跳远运动员为研究对象，运动水平均为国家级健将，代表了现阶段我国男子跳远最高水平。运动员基本情况如表1。

表1 前8名男子跳远运动员基本信息 姓名 单位

成绩（m）

苏雄锋 湖北 翁永锋 福建 唐功臣 河北 李鑫 蔡鹏 丁杰 山东 山东 江苏 王敏生 山东

8.07 7.88 7.80 7.99 7.79 7.72 7.66 7.48

运动 级别 健将 健将 健将 健将 健将 健将 健将 健将

年龄身高(岁)21 20 19 26 26 25 21 21

181 183 186 189 185 190 189 177

体重67 75 74 84 75 81 74 75

（cm）(kg)高宏伟 黑龙江

1.2 研究方法

主要采用文献资料法、三维运动录像解析法、访问调查法、数理统计法等。1.2.1录像拍摄法

图1 现场拍摄机位图

采用高速摄像机对八名男子跳远运动员比赛现场定点拍摄，记录跳远起跳前一步至腾空过程。1号机高度1.25米，距起跳点16.5米，放置位置与动作平面垂直，记录助跑最后一步和起跳至腾空过程；2号机高1.25米，距起跳点16.5米，放置位置于沙坑前方。两摄像机主光轴约成90度，与摄像机主光轴垂直放置25个标志点的PEAR框架，为3D-DLT运动学分析系统定标[1] [2]。

图2 三维peak框架图 图3 人体模型图

图4 不同角度起跳拍摄图

1.2.2三维运动录像解析法

采用美国Ariel运动生物力学三维运动录像快速反馈分析系统，选用苏联扎齐奥尔斯基人体模型，进行图像分析和数据计算，用三维标准DLT测量，采用低通数字滤波法对原始数据进行平滑处理[3]。获数平滑处理截断频率为8.0。手工标记最后一步助跑和腾空起跳过程中运动员全身17个标志和头部）。

[4] [5]

（身体双侧的腕、肘、肩、髋、膝、踝、脚尖、2

图5 翁永锋起跳过程三维棍图 结果与分析

2.1 跳远起跳过程摆动技术分析

2.1.1 下肢摆动技术对腾起角度影响的分析

表2 8名运动员腾起角与摆动腿相关性参数统计

结果

相关系数 双尾T检验概率 ① 0.670 0．045 ② 0.797 0.035

③ 0.489 0.032

④ 0.768 0.047

⑤ 0.360 0.000

⑥-0.635 0.017

⑦-0.575 0.003

⑧-.579 0.000（注：①表示起跳腿最大缓冲瞬间摆动腿髋关节角；②表示离板瞬间摆动腿髋关节角；③表示起跳腿最大缓冲瞬间摆动腿膝关节角；④表示离板瞬间摆动腿膝关节角；⑤表示起跳腿髋关节缓冲角速度；⑥表示起跳腿髋关节蹬伸角速度；⑦表示摆动腿大腿前摆角速度；⑧表示蹬伸时间。）

由表2看出，在最大缓冲阶段，腾起角度与起跳腿最大缓冲瞬间摆动腿髋关节角度相关系数R=0.670，与起跳腿最大缓冲瞬间摆动腿膝关节角度相关系数R=0.489，与离板瞬间摆动腿膝关节角相关系数R=0.768，说明在跳远起跳过程中摆动腿的摆动角度与腾起角的角度呈显著相关，也就是说在跳远起跳过程中摆动腿摆动角速度越大起跳时的腾起角度也就越大。

由表2看出，在离板瞬间，腾起角度与起跳腿髋关节角度之间的相关系数R=0.797，与离板瞬间摆动腿膝关节角相关系数R=0.768。说明在跳远起跳过程中离板阶段摆动腿的摆动角度大小与起跳腾起角呈显著相关，且摆动角度越大腾起角度越大。

在蹬伸阶段，腾起角度与起跳腿髋关节蹬伸角速度相关系数R=-0.635，腾起角度与蹬伸时间相关系数为R=-0.579呈负相关，在缓冲阶段摆动腿的快速摆动为蹬伸创造了良好的条件，起跳腿以较高的初速度开始蹬伸，充分地发挥肌肉储备的弹性势能，爆发性地快速蹬伸，这样更有利于进一步增大起跳力量，缩短蹬伸时间，增大身体重心的腾起 垂直速度，从而提高腾起初速度，进一步提高成绩。

另外，从角速度与腾起角相关性来看，腾起角与起跳腿髋关节缓冲角速度相关系数R=0.360；与起跳腿髋关节蹬伸角速度相关系数R=-0.635；与摆动腿大腿前摆角速度相关系数R=-0.575；说明腾起角度与摆动速度呈显著相关，摆动腿摆动速度值越大，加速度越大，给起跳腿施加的力就越大，相对于身体重心在垂直向上方向上的速度也就越大。2520.352015105018.8822.1818.6921.9819.8923.5621.67唐功臣 王敏生 丁杰 翁永锋 李鑫 高宏伟 蔡鹏 苏雄锋

图6 八名运动员起跳腾起角度统计结果

由图6看出，八名运动员起跳瞬间的腾起角度，蔡鹏23 º、丁杰22 º接近世界优秀运动员起跳腾起角度。而翁永锋、王敏生腾起角度分别为18 º、19 º相对较小，这除了与运动员助跑绝对速度较低有关，还与起跳过程中摆动腿前摆速度慢、摆动幅度小有很大相关性。

2.1.2 摆动腿髋关节角度分析

***0100806040200唐功臣王敏生 丁杰 翁永锋 李鑫 高宏伟 蔡鹏 起跳腿最大缓冲瞬间摆动腿髋关节角离板瞬间摆动腿髋关节角着板瞬间摆动腿髋关节角助跑最后一步摆动腿离地瞬间

图7起跳过程中各特征时刻摆动腿髋关节角角度统计图

数据统计表明，摆动腿髋关节角与运动成绩之间的相关系数r=0.678,说明两者呈显 著性相关。由图7可以看出，跳远起跳过程中从最后一步助跑摆动腿离地瞬间开始，到起跳腿着板这一过程，摆动腿髋关节角逐渐增加，在起跳腿着板瞬间时刻角度达到最大值。以高宏伟为例，助跑最后一步摆动腿离地瞬间髋关节角度为163 º，着板瞬间摆动腿髋关节角169 º 达到最大值，起跳腿最大缓冲瞬间摆动腿髋关节角138º，离板瞬间摆动腿髋关节角113 º。我国跳远运动员着板瞬间摆动腿髋关节角度平均值为168.34 º，与国外优秀运动员相比数值较大。说明摆动腿侧以髋带腿的向前摆动不够积极，这样就导致着板角度小，同时，身体重心在地面的投影点与支撑点的距离就大，从而导致支撑反作用力的水平分力增加，水平速度的损失也增加。2.1.3下肢摆动技术中膝关节角度分析

表3 着板瞬间摆动腿膝关节角与着板时身体重心速度身体重心腾起高度之间相关性统计结果

着板瞬间身体重心合速度

着板瞬间身体重心水平速度-0.546 0.026

水平速度利用率 0.326 0.000

垂直速度 身体重心腾

起高度

相关系数 双尾T检验概率-0.377 0.046

0.289 0.035

-0.207 0.040 ***0100助跑最后一步摆动腿离地瞬间着板瞬间摆动腿膝关节角起跳腿最大缓冲瞬间摆动腿膝关节角离板瞬间摆动腿膝关节角唐功臣王敏生翁永锋高宏伟丁杰李鑫蔡鹏

图8起跳过程中各特征时刻摆动腿膝关节角度统计

由图8起跳过程中各特征时刻摆动腿膝关节角度看出，从助跑最后一步到起跳着板、缓冲及蹬伸这一过程，摆动腿膝关节角度在缓冲阶段有所减小（40º），随后角度不断增加（63º），说明起跳过程膝关节技术基本符合助跑到的起跳的自然过渡，起跳动作基本上是在快速平稳、流畅的情况下完成，并且有一定范围的身体重心下降，这样能够保证产生垂直速度这一机制的需要。从角度的变化上来看，在缓冲阶段膝关节弯曲程度与国外运动员相比有些偏大，明显表现出摆动腿的向前摆时有些滞后。这也是我国多数运动员没能把握好摆动腿膝关节合理的发力角度的和最有利的蹬伸时机。

图9翁永锋起跳过程膝关节角度示意图

跳远起跳过程中摆动腿膝关节的角度对摆动效果有重要的影响。摆动过程中通过膝关节的明显弯曲以减小摆动半径，减少摆动腿的转动惯量，而由图9看出翁永锋的摆动腿大小折叠不够，摆动半径过大，这样加大了摆动腿的转动惯量，这是影响了摆动速度的主要原因之一。

2.1.4 摆动腿摆动技术与着板速度、身体重心腾起初速度、起跳垂直分速度和水平速度、离地瞬间身体重心高度等之间关系的分析

从表4可以看出，运动成绩与着板瞬间摆动腿髋关节角之间的相关系数为-0.621，即|r|=0.621，表示两个变量是微弱相关的，而两者之间的不相关的双尾检验（Sig.2-tailed）为0.006，否定了二者不相关的假设。运动成绩与摆动腿前摆角速度之间的Pearson相关系数为|r|=0.533，即|r|=0.533说明两个变量是低度相关的，而两者之间的不相关的双尾检验值（Sig.2-tailed）为0.017，摆动小腿伸展角速度与运动成绩相关性为|r|=0.688 sig.(2-tailed)= 0.000,呈显著相关.表4 起跳过程中各参数与运动成绩相关性统计结果

结果 相关系数 ① ② ③ ④ ⑤-0.621-0.591 0.000

-0.533-0.688 0.017

0.000

-0.622 0.006 双尾T检验概率 0.006（注：①表示着板瞬间摆动腿髋关节角；②表示着板瞬间摆动腿膝关节角；③表示摆动腿前摆角速度；④表示摆动小腿伸展角速度；⑤表示着板瞬间两大腿夹角间。）

由表5表示，着板瞬间摆动腿髋关节角度与身体重心合速度相关系数r=0.669呈高度相关，与身体重心水平速度相关系数r=0.690呈高度相关，与水平速度利用率相关系数r=0.813呈极度相关。因为评价起跳技术合理与否最重要的指标之一就是水平速度利用率，摆动腿摆动技术好坏直接关系到着板瞬间身体重心速度、水平速度、水平速度利用率及身体重心腾起高度的大小。所以摆动腿摆动技术影响水平速度利用率，也是决定起跳成功与否的关键。表5 着板瞬间摆动腿髋关节角度与着板时身体重心合速度、分速度及身体重心腾起高度

之间相关性统计结果

着板瞬间身体重心合速度

相关系数 双尾T检验概率 0.669 0.046

身体重心水平速度 0.690 0.029

水平速度利用率 0.813 0.049

0.611 0.038

0.739 0.045

垂直速度

身体重心腾起高度

2.1.5 摆动腿角速度与着板时身体重心合、分速度及身体重心腾起高度的分析

由表6看出，摆动腿前摆角速度与着板时身体重心合速度相关系r=0.528；与着板瞬间身体重心水平速度相关系数r=0.601；与水平速度利用率相关系r=0.625；与垂直速度相关系数r=0.583；与身体重心腾起高度相关系数r=0.664。

表6 摆动腿前摆角速度与着板时身体速度及身体重心腾起高度之间相关性统计结果 着板瞬间身体重心合速度

相关系数 双尾T检验概率 0.528 0.026

着板瞬间身体重心水平速度 0.601 0.032

0.625 0.003

0.583 0.025

0.664 0.015

水平速度利用率

垂直速度 身体重心腾

起高度

由表7看出，8名运动员摆动角速度在a、b、c、d的平均值为分别为415 º、568 º、721º、316 º,且这4个时刻数值的标准差分别92、83、102、97，说明在各个时刻摆动腿角度的个体差异较大。摆动腿角速度最大峰值出现在起跳腿最大缓冲时，最大值为721 º。整体来看从助跑最后一步摆动腿离地瞬间，到起跳腿着板瞬间，角速度呈逐渐增加趋势，起跳腿最大缓冲时达到最大值，然后快速减小，符合跳远起跳技术要求。

表7 起跳过程各时相摆动腿角速度统计结果

统计结果平均值 标准差 a（º）415 92

b（º）568 83

c（º）721 102

d（º）316 97（注：a表示助跑最后一步摆动腿离地瞬间；b表示着板瞬间摆动腿膝关节角；c表示起跳腿最大缓冲瞬间摆动腿膝关节角；d表示离板瞬间摆动腿膝关节角。）2.1.6 摆动腿与起跳腿两大腿夹角分析

由图10可以看出，李鑫着板瞬间着板角度较小，而翁永锋与丁杰角度较大达到50 º，总体上来看我国跳远运动员着板瞬间两大腿夹角约平均值为46±2 º，与世界优秀运动员平均值（43 º）相比偏大，说明着板瞬间起跳腿积极着板动作不够，摆动腿摆动时机与摆动速度较慢，这样不能保证起跳时更好的发挥摆动腿的摆动作用，不能为有效起跳做好准备。在离板瞬间除丁杰高宏伟蔡鹏两大腿之间夹角超过100 º，其余运动员两 大腿夹角均偏小，导致起跳动作幅度不够，从图像上着板起跳时的髋关节明显滞后，这在相当大程度上是由于相关肌群力量不够或不符合专项均衡性造成的。这一结果往往是由于髋关节伸肌群力量较差，不能在技术要求状态下及时合理完成动作所致。

***着板瞬间最大缓冲瞬间离板瞬间唐功臣王敏生翁永锋高宏伟丁杰李鑫蔡鹏

图10不同时相摆动腿与起跳腿两大腿夹角统计结果

2.2 起跳过程中送髋技术分析

2.2.1 着板阶段送髋技术的分析

200150100500唐功臣 王敏生 丁杰 翁永锋 李鑫 高宏伟 蔡鹏 苏雄锋 着板瞬间起跳腿髋关节角着板瞬间摆动腿髋关节角起跳腿着板瞬间两大腿夹角着板角躯干倾角

图 11起跳过程不同时相髋关节角度统计结果

表8着板瞬间起跳腿关节髋角、摆动腿髋关节角、两大腿夹角、着板角、躯干倾角统计结果 结果 最大值 最小值平均值 标准差 I 149 163 159 4.3

II 149 173 166 7.6

III 12 51 32 12.4

IV 56 68 61 3.6

V 90 94 91 1.4（注：I、II、III、IV、V分别表示着板瞬间起跳腿关节髋角、着板瞬间摆动腿髋关节 角、起跳腿着板瞬间两大腿夹角、着板角、躯干倾角。）

由表8可以看出，8名优秀男子跳远运动员起跳过程中着板瞬间起跳腿髋关节角最小值是王敏生的149º，最大值是蔡鹏的163 º，平均值是159±4 º，略低于世界优秀运动员平均值(162 º)，只有唐功臣、蔡鹏、苏雄锋起跳腿髋关节角与世界优秀运动员水平接近。这说明我国跳远运动员在起跳着板时起跳腿髋关节前送不积极、送髋时机晚于着板瞬间、且送髋幅度不够大，这样会影响着板角度及腾起高度。着板瞬间摆动腿髋关节角最小值为150 º，最大值为173 º，平均值为166±8 º，与世界优秀运动员相比略大。这表明起跳时摆动腿侧髋关节滞后于腿的前摆，摆动腿侧髋关节没有起到以髋带腿的作用，导致摆动腿的前摆不能适应起跳节奏，影响下一阶段的技术水平。

由表8可以看出，着板角与运动成绩有很大相关性（r=0.431），与躯干倾角呈高度相关（r=0.858），而我国运动员起跳时着板角平均值为62±4 º，与世界优秀运动员平均水平（66土3 º）还有一定差距。同时由表8可以看出，我国优秀运动员的躯干倾角平均值在92土2 º左右，与世界优秀运动员相比较大，这都是由于着板时起跳腿与摆腿上板时髋关节上顶不到位，导致躯干落后与下体出现较大的身体后倾角，这样不利于技术动作的衔接与发力。如果着板角过小、躯干倾角过大使身体重心远离起跳脚，产生过大的制动冲量，导致身体水平速度损失太多。如果单纯追求过大着地角，虽然保持较大的水平速度，但总冲量减少(因缓冲阶段的冲量占总冲量的87%)，影响垂直速度，使腾起角过小。

2.2.2 缓冲阶段送髋技术分析

表9 最大缓冲瞬间起跳腿髋关节角度、着板瞬间摆动腿髋关节角、着板角、躯干倾角统计结果 结果 最大值 最小值平均值 标准差 I 146 164 157.7 6.6

II 138 161 148.3 9.7

III 30 68 40.5 11.8

IV 41 197 93.8 6.3（注：I、II、III、IV分别表示最大缓冲瞬间起跳腿髋关节角度、着板瞬间摆动腿髋关节角、着板角、躯干倾角）

由表9可以看出，我国8名优秀男子跳远运动员在最大缓冲瞬间起跳腿髋关节角最小为146º，最大值为165 º，平均值为157.7±7 º。从图15发现唐功臣在最大缓冲瞬间起跳腿髋关节角度与着板瞬间相比数值有所降低，而丁杰、翁永锋、蔡鹏、高宏伟等起跳腿髋关节角度数值在缓冲瞬间比上板瞬间数值增大，最小的起跳腿髋关节角度数值出现在垂直支撑时相之前。这说明他们在在起跳缓冲阶段起跳腿一侧的髋关节前移不够迅速，起跳腿侧髋关节缓冲幅度较小。

***最大缓冲瞬间起跳腿髋关节角起跳腿最大缓冲瞬间摆动腿髋关节角起跳腿最大缓冲瞬间膝关节角起跳腿髋关节缓冲角速度起跳腿最大缓冲瞬间两大腿夹角起跳腿缓冲时间唐功臣王敏生丁杰翁永锋李鑫高宏伟蔡鹏苏雄锋

图 12 缓冲阶段各关节角度与缓冲时间

由图12可以看出，我国男子跳远运动员在最大缓冲瞬间起跳腿髋关节角最小为146º，最大值为165 º，平均值为157.7±7 º。从图17可以发现只有唐功臣在最大缓冲瞬间起跳腿髋关节角度与着板瞬间相比数值有所降低，说明他在缓冲过程中起跳腿侧髋关节前移不够迅速。而丁杰、翁永锋、蔡鹏、高宏伟等起跳腿髋关节角度数值在缓冲瞬间比上板瞬间数值增大，最小的起跳腿髋关节角度数值出现在垂直支撑时相之前，说明他们在缓冲阶段起跳腿一侧的髋关节前移迅速。

同样，由图12可以看出摆动腿髋关节角在缓冲至垂直支撑时相的均值为124士6 º，较国外运动员数值偏小。说明我国优秀男子跳远运动员在缓冲阶段没有充分利用以髋带腿的摆动技术，只是一味强调加快摆腿而没有认识到髋关节这一发动机的重要性，忽略了以髋带动摆动腿的加速前摆动作。而起跳腿最大缓冲瞬间摆动腿髋关节角度平均值为148.3±9 º，与国外优秀跳远运动员基本一致，说明运动员在此阶段注意到了髋关节发力，但是还是稍微有些迟钝。2.2.2 蹬伸阶段送髋技术分析

由图13可以看出，我国男子跳远运动员离板瞬间起跳腿髋最小值是丁杰的152º，最大值是高宏伟的170º，平均值为161º，与国外运动员相比较略小，说明了我国多数优秀跳远运动员在蹬伸阶段，起跳腿侧向前送髋速度慢、幅度小、蹬地不够充分，从而使起跳腿在离板瞬间膝关节角较小（均值为158.4 º）。

***0100806040200三即将离板瞬间起跳腿髋关节角三即将离板瞬间摆动腿髋关节角三即将离板瞬间摆动腿膝关节角三即将离板瞬间两大腿夹角唐功臣王敏生丁杰翁永锋李鑫高宏伟蔡鹏苏雄锋

图13 离板瞬间起跳腿髋关节、摆动腿髋关节、摆动腿膝关节角、两大腿夹角统计结果

由图14可以看出，我国跳远运动员离板瞬间的蹬地角均值为66 º，与国外运动员数值相比偏小，这主要是因为我国运动员在蹬伸阶段的最后离板瞬间髋部过度向前伸展造成的。虽然在蹬伸阶段的快速向前送髋对成绩的提高起着重要的作用，但由于我国运动员在向上向前送髋的比例不均衡（向前的小于向上的），因为积极送髋要求是由下向上向前的快速移动过程，这里强调首先在向上移动前提下再带动向前的移动，我国跳远运动员正是由于过度的追求髋部前移而忽视髋部垂直向上用力，才使离板瞬间身体重心投影点到身体重心支撑点的距离增大，根据运动生物力学原理可以得到，身体重心在支撑点前时，身体重心起到向前的动力作用，身体重心距支撑点的距离越远，人体的向前沿横轴旋速度就越大，这对提高身体重心的垂直速度是大大不利的。

图14 八名运动员蹬地角统计结果 结论

3.1起跳着板瞬间，我国优秀男子跳远运动员起跳腿髋角较小，向上向前送髋不积极；摆动腿髋角较大，摆动腿侧以髋带腿的摆动幅度小、摆动速度慢；摆动腿侧髋关节明显 滞后于腿的前摆，导致摆动腿的前摆不能适应起跳节奏。这些技术缺陷导致了着板瞬间着板角较小、两大腿夹角偏大、躯干倾角较大，使身体重心在地面的投影点与支撑点的距离较大，从而导致支撑反作用力的水平分力增加，水平速度利用率下降。3.2 起跳缓冲阶段，我国优秀男子跳远运动员起跳腿髋角较小，送髋相对积极，身体重心高度整体上呈上升趋势，但摆动腿只是一味强调加快摆腿而没有意识到髋关节这一发动机的重要性，忽略了以髋带腿加速前摆动作。

3.3 起跳蹬伸阶段，起跳腿侧向前送髋速度慢、幅度小、蹬地不够充分、不能将起跳时蕴积的力量凝聚在一起，与送髋、蹬地和伸膝的运动方向保持一致，协助身体重心的交换由下到向上向前转移；摆动腿侧送髋角度较小，导致腾起角度较小。参考文献

三维运动学分析 篇3

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

以我国现役的优秀田径运动员李艳凤为研究对象。李艳凤在2009年10月济南举行的第十一届全运会以66.04米的成绩夺冠后，铁饼成绩仍不断提高，始终处于巅峰阶段;在2010年广州亚运会上，以66.18米的成绩获得金牌;在2011年国际田联钻石联赛舍内贝克站，投出了67.98米的成绩，刷新生涯记录并夺冠;在2012年伦敦奥运会上，以67.22米的成绩夺得一枚铜牌，为中国田径实现了铁饼项目奥运奖牌的“零突破”。

1.2 研究方法

1.2.1 文献资料法:根据本课题研究目的和研究内容的需要，通过计算机网络搜索《中国期刊全文数据库》、《中国知网》、《中国硕博论文数据库》和查阅山东体育学院图书馆和山东省图书馆文献资料，收集我国女子铁饼运动发展的有关数据和资料，了解女子铁饼项目的研究现状及理论成果，并对其进行分类整理，对于与本研究有关的信息作进行详尽的归纳和综合。

1.2.2 专家访谈法:就李艳凤的技术动作及其专项能力特征等相关问题对国家田径队总教练阚福林指导和李艳凤的教练张景龙指导进行了访谈，将其意见和见解进行了整理和分析，提高了本研究的客观性和针对性。

1.2.3 近景动态立体摄影法:本研究拍摄的比赛是2009年10月在济南举行的第十一届全运会和2010年11月在广州举行的第十六届亚运会女子铁饼决赛(备战伦敦奥运会时的技术训练录像及李艳凤较早期的掷铁饼技术录像均由训练中心所提供的录像拷贝)。拍摄方法相同，一部置于投掷方向的正后面，一部置于左侧面，拍摄频率为120帧/s，主光轴夹角约90°，拍摄频率为50 Hz，拍摄距离为10 m左右，机高1.2 m，并将两次比赛主办单位高空拍摄的录像资料进行了拷贝，做为提供分析垂直轴技术动作资料。

图1 比赛拍摄现场机位图示

1.2.4 数理统计法:选取所需的技术录像部分，定格解析，依据人体模型的标准和研究需要选取6个关节点，并对投掷铁饼的旋转阶段双腿支撑环节时肩、髋、膝关节的技术动作过程进行解析处理，对解析数据通过低滤波法平滑处理，平滑系数为7，获取所需参数的原始数据指标。

2 双腿支撑起转阶段肩、髋、膝关节三维运动学分析

为了便于拍摄的录像定点分析，将李艳凤投掷铁饼的技术动作细分成了5个阶段:1)双腿支撑起转阶段:预摆结束至右脚离地;2)单腿支撑旋转阶段:右脚离地至左脚离地;3)腾空阶段:左脚离地至右脚着地;4)过渡阶段:右脚着地至左脚着地;5)最后用力阶段:左脚着地至铁饼出手。本研究仅针对第一阶段，即双腿支撑起转阶段三个关节轴的录像数据进行分析。

表1 预摆到双腿支撑阶段起转环节位移和速度的分析

可以看出，李艳凤在起转阶段位移数据变化最大的是左膝，其次是左髋，最后是左肩，说明李艳凤完成技术的初衷是为了让下肢预先运动，尽量控制上体过早进入旋转，下肢一旦有动作，必然会降低重心，来保证动作的幅度。左膝与左肩的距离越大，先动下肢控制上体的动作理念完成得越好;三次剪辑的录像数据对比也反映出此技术是教练张景龙指导让李艳凤重点需要改进的。对早先技术分析时，左肩、左髋、左膝的移动的距离和速度相差不大，说明在旋转开始时，身体几乎是一起做动作的，没有很明显的先后运动顺序。而在后两次技术分析时，尤其是备战2012年奥运会时的技术分析，对于移动的距离和速度的数据表明左肩、右肩及左膝的数据变化大，而左髋、右髋及右膝的数据几乎没有变化，说明在铁饼预摆时，李艳凤刻意扭转上肢将器械充分留在身体后方;大幅度扭转左膝关节，是为加大后续动作的幅度做充分的准备。

表2 双腿支撑阶段起转到结束环节位移和速度的分析

表2中李艳凤在双腿支撑阶段数据变化最大的是左膝，依次是左肩、左髋，这三组数据说明起动的顺序，左膝移动的距离的变化反映出身体起动最先的是左膝，以左膝的先行作为下肢带动身体运行的首帅;由于关节结构的不同，左肩与左髋相比关节活动的范围大，受限小，所以左肩移动的距离比左髋略大。三次录像资料的比较分析，反映出在双腿支撑结束时，对于左膝、左肩及右肩的技术改进最为明显，这三个关节点的移动距离表明器械更充分地留在了身体后方的同时，下肢积极快速地向投掷方向运动，上下的反差使得躯干更加扭紧，为后续运动提供更快的旋转速度。对于速度来说，表2反映出在起转阶段左膝的速度最大，其次是左髋，再是左肩。对于投掷项目来说，追求最大的出手出速度是为了获得更远投掷距离的根本训练目的，双腿支撑阶段速度的获得是器械出手速度的初始。左膝速度快于其他关节速度说明在起转阶段李艳凤就为后续用力阶段完成充分的超越器械以及为追求最大的出手速度做好准备。

表3 双腿支撑阶段结束三关节角度的分析

李艳凤的左肩、左髋、左膝的变化最为明显，这三处角度的减小说明在双腿支撑阶段，左肩的带动作用减小，与右肩有意留后的控制使得双肩之距不断加大，目的为使上体更好留在起始阶段，延长控制器械的摆动滞留时间;左膝、左髋角度的增大说明两处积极主动的转向投掷方向，左膝的先行带动与左髋的支撑制动，更好地表现为下肢带动身体运动，预先加速并控制滞留器械做好准备。右肩、右髋、右膝的数据的对比说明，李艳凤改进技术动作的宗旨是尽量控制右侧的同时使左侧充分打开，提前运动，为后续动作的超越器械做好充分的准备。

表4 双腿支撑阶段结束三关节高度的分析

李艳凤早先的技术起转重心过低，到了第一转结束时重心忽高，在铁饼技术中重心的起伏会直接降低重心移动的水平速度，破坏控制器械的平稳性，从而影响投掷成绩。改进技术后，左髋的移动数据反映出在起转阶段，李艳凤对重心的控制有了很大的变化，重心平稳，高度适合处于最大发力的角度阶段;左肩的数据反映出上体的放松，并没有因为左膝的先行转动而紧张以致于帮助用力;右肩的情况没有太大的变化，李艳凤超越器械的控制能力一直很强，这也是她的铁饼技术最大优势所在。另外在对图像取点分析时还发现了一个问题，李艳凤早先技术左肩低于右肩，过分地压低左肩，再用其带动身体向投掷方向转动，不易于控制身体重心，重心不稳定必然会影响器械平衡。

3 结论

3.1 在双腿支撑阶段，左肩控制移动的滞后技术与左膝积极转蹬的带动技术，是为备战伦敦奥运会重点所做的技术改动，目的是使下肢首先运动，同时上体向反投掷方向做背向运动，使躯干更加扭紧，提前做出超越器械的动作，加大器械运行的做功轨迹，延长控制器械的时间，可以更有效地提高器械出手后的投掷远度。

3.2 对李艳凤改进左肩和左膝这两处技术的分析，发现在双腿支撑阶段结束环节时其左肩高于右肩的水平线。最后求证得出:左肩高于右肩此技术更好地保障了上体的充分扭紧状态，有利于将器械更好地控制于身后，而未造成一味地改进左膝与左肩相向运动的技术，忽略重心偏移的后果，为提高成绩起到了二次保障的作用。

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三维运动学分析 篇4

吊杯式移栽机是用于秧苗膜上移栽的一种半自动移栽机。20世纪80年代，欧美国家基本上实现了膜上移栽机械化，有各种膜上移栽机在生产中得到了广泛的推广，制钵、育苗和移栽已形成了完整的机械作业系统，由于膜上移栽可以争取更多的有效积温，使农产品提前上市，增加其经济价值，还可以保温、保湿、消除杂草。所以，到目前为止，膜上移栽技术在我国得到了广泛的应用[1]。很多学者对移栽机进行了设计研究，封俊等分析了吊杯式移栽机栽苗器的运动轨迹与特征系数λ的关系[2]，安凤平等提出了“零速投苗”原理[3];但对吊杯的开嘴运动与吊杯式栽苗器主要结构参数之间的关系研究得甚少。经研究发现，吊杯式栽苗器的结构设计直接关系到栽苗器的开嘴时间和开嘴大小这两个重要参数，如果结构设计不合理，移栽中就会出现卡苗、漏栽、破膜口过大和夹苗等现象。因此，为了确定合理的结构参数，本文完成了对吊杯式栽苗器的三维实体建模以及虚拟装配，并对其进行了运动仿真分析，为确定吊杯式栽苗器结构的合理参数提供了理论指导。

1 三维实体建模与虚拟装配

1.1 三维实体建模

吊杯式栽苗器三维模型的建立是基于Pro/E“自上而下”的建立模型原理完成的，即根据所设计栽苗器的结构将其拆装成各个单体的零件，然后再分别按照各单体零件的设计尺寸进行逐一建模的方法。吊杯零件的建模一般可以通过【拉伸】和【旋转】等简单命令来完成，但有些零件是用高级命令建模的，如投苗杯(如图1所示)的建模是应用【扫描混合】命令，尖嘴(如图2所示)的建模是应用“钣金件”类型中的【折弯】命令。由于零件较多，篇幅有限，这里不再赘述每个零件的建模过程，只归纳了栽苗器各零件的一般建模步骤[4]:首先，选取或建立基准特征作为模型空间定位的基准，如基准面、基准轴和基准坐标系等;其次，建立基础实体特征，如拉伸、旋转、扫描、混合等;再次，建立工程特征，如倒角、孔、折弯、成型等;最后，进行实体特征的修改和后处理等，如特征阵列、特征复制和图像渲染等操作。

1.2 吊杯式栽苗器的虚拟装配

完成栽苗器各零件的三维实体建模后，按照吊杯式栽苗器装配要求，根据零部件的约束条件选择合理的连接方式进行零件组装，完成栽苗器的虚拟装配。装配中发现吊杯臂设计不当会与吊杯主架相干涉，同时也会分别与吊杯平嘴和吊杯尖嘴相干涉。因此，通过虚拟装配可以检查零部件之间干涉情况，审查、有针对性地修改吊杯零部件的结构尺寸和安装尺寸，以保证栽苗器的可装配性和装配质量。吊杯式栽苗器虚拟装配图，如图3所示。

2 等效凸轮的参数化建模

栽苗器吊杯的杯嘴运动实质是由凸轮带动滚子推杆的运动。根据所设计凸轮的结构，吊杯滚子的运动规律如图4所示。

2.1 等效凸轮的参数确定

吊杯在随偏心圆盘旋转1周的过程中，等效凸轮转动1圈经历了4个阶段，即推程阶段、远休止阶段、回程阶段和近休止阶段。推程阶段是杯嘴张开阶段，以保证秧苗能落入穴中;远休止阶段是保持杯嘴开口最大状态的阶段，该阶段保证秧苗具有充分的落苗时间，防止夹苗、漏苗现象的发生;回程阶段是杯嘴闭合阶段，该阶段要注意避免杯嘴闭合过程可能引起的夹苗、挂苗现象发生;近休止阶段是杯嘴在闭合状态下运动的阶段，该阶段主要起着投苗和传输秧苗的作用。根据吊杯转子从动件的运动规律和吊杯凸轮三维模型的几何尺寸，确定等效凸轮的几何参数应满足如下条件:凸轮的基圆半径ro=100mm，滚子半径rg=8mm，升程h=21mm，推程运动角为:δ1=25°，远休止角δ2=35°，回程运动角δ3=25°，近休止角δ4=275°，凸轮回转中心半径r=10mm，凸轮壁厚b=15mm。

吊杯的转子从动件在推程和回程运动阶段做简谐运动，其数学表达式如式(1)和式(2)所示

2.2 凸轮参数化方程式的建立[5]

建立XOY平面直角坐标系，选取A0点为推程阶段凸轮理论廓线的起始点，并且起始状态凸轮的滚子中心刚好位于点A0处，如图5所示。

根据“反转法”原理可知，当凸轮转过δ角时，推杆产生相应的位移S。由图5可以看出，此时滚子中心处于A点，其直角坐标为

其中，s0=r0。

方程式(3)为凸轮的理论轮廓线的方程式。

在Pro/E中实现凸轮的参数化建模，前提是导入系统识别的参数化方程式。因此，要想在Pro/E中建立所需要的凸轮理论廓线，需根据凸轮理论廓线方程式(3)，将其转换成Pro/E系统识别的参数化方程并保存到记事本中。各阶段参数化方程如下所示。

凸轮推程阶段参数化曲线方程为

凸轮远休止阶段参数化曲线方程为

凸轮回程阶段参数化曲线方程为

凸轮近休止阶段参数化曲线方程为

其中，t为Pro/E中系统变量，0≤t≤1。

2.3 凸轮的参数化建模

打开Pro/E，点击【新建】按钮，在“零件”类型下创建一个新零件，接着单击【工具】→【参数】命令，系统会弹出参数对话框。接下来依次点击【添加新参数】命令，将2.1中的凸轮参数逐一添加到参数对话框中，输入完成后，点击【确定】命令，应用更改并退出窗口。接着在依次点击【工具】→【关系】命令，在打开的对话框中写入以下方程式，即s0=sqrt(r0·r0)。

完成以上步骤以后，依次点击Pro/E在三维模式下的下拉菜单命令【插入】→【模型基准】→【曲线】→【从方程】→【完成】→【选取】，选取图中PRT_CSYS_DEF坐标系，然后设置坐标类型为【笛卡尔】，随后系统会自动打开名称为rel.ptd的记事本。此记事本是用来编写曲线的参数方程的，接着分4步将3.1.2中4个阶段的参数化方程分别写入此记事本，单击保存并退出。系统会自动的依次生成凸轮在4个运动阶段分别对应的理论轮廓曲线。然后在依次点击【插入】→【模型基准】→【草绘】命令，在草绘模式下完成凸轮的实际轮廓曲线的绘制。把“FRONT”面设置为基准面，选择【通过边创建图元】→【边偏移】命令，接着依次点击选取已经生成的4段理论轮廓曲线沿凸轮的法向方向向内侧进行偏移，在系统的提示下，分别输入各阶段向内侧偏移的距离，并使其值均等于凸轮滚子中心半径RT大小。单击【完成】命令，实际轮廓曲线的绘制完成。

选择【拉伸】命令，选择“FRONT”面为基准面，进入草绘环境，单击【通过边创建图元】命令，按住“Ctrl键”依次选中4段实际轮廓曲线。再单击画圆工具，以两基准中心线交点为圆心画圆，半径取值为10，即凸轮回转中心半径r=10mm;再单击【完成】命令，选择单侧拉伸并对话框中输入距离10，即取凸轮厚度b=10mm;最后选择【完成】按钮，建立了的凸轮三维模型，如图6所示。

2.4 凸轮参数的程序写入

单击【工具】→【程序】→【编辑设计】命令，随后系统自动弹出一个记事本文件，在INPUT和END IN-PUT间输入基本参数。关闭记事本，随后系统提示:“要将所做的修改体现到模型中?”，单击[是]。然后点击【再生模型】按钮，选择输入项，勾选需要修改的参数，在选取完成后按照设计要求依次赋予参数所需的值，最后点击【完成】命令便能重新生成设计要求的三维凸轮模型。

3 吊杯的运动仿真分析

3.1 凸轮副的连接

吊杯的虚拟装配阶段，定义完成了杯嘴与吊杯主架的“销钉”的连接方式。凸轮副的连接是在Mechanism模块下完成的，在该模块点击【凸轮】命令定义等效凸轮与吊杯转子的凸轮副连接，这样吊杯用于运动仿真的机构装配工作完成。

3.2 运动仿真的步骤

在Pro/E的Mechanism模块下，对吊杯杯嘴的运动仿真主要通过以下3个步骤进行:(1)单击【伺服发动机】按钮选取运动轴对装配好的吊杯定义伺服电机，根据移栽实践经验，人工喂入秧苗一般为30～60株/min，故定义电机转速的36°/s;(2)单击【机构分析】按钮对吊杯进行机构运动分析，设定好伺服电机的运行时间点击【运行】按钮便可看到吊杯的杯嘴运动过程，并且保存运行结果;(3)单击【生成分析的测量结果】按钮对杯嘴的测量点进行分析测量，并输出分析结果。杯嘴测量点(平嘴底部的点)20s内的位移-时间特性曲线，如图7所示。

4 结论

1)基于Pro/E对移栽机吊杯进行的三维实体建模与虚拟装配，初步确定了吊杯各组成零部件的几何尺寸和吊杯的装配尺寸。

2)通过对吊杯的运动仿真分析测得了杯嘴运动过程中测量点的位移-时间特性曲线，验证了设计吊杯的杯嘴在各个阶段的运行状态和相应的运行时间，为吊杯凸轮机构的设计提供了基础数据。

3)完成了等效凸轮的参数化建模，从而只需更改等效凸轮的几何参数就可以通过运动仿真测得相应吊杯杯嘴的运动规律，更加快速地完成对移栽机吊杯结构的优化设计。

参考文献

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[4]郑伯学,吴俊海.基于Pro/E的三维机械设计与运动仿真[J].煤矿机械,2007,12(12):94-96.

三维运动学分析 篇5

以《自由落体运动》为例，谈如何落实三维目标

向永洪 电话：***

重庆市第十一中学

论文类别：学科教学类 学段：中学 学科：物理

摘要：本文以人教版高中物理必修

（一）《自由落体运动》的教学内容为例，探究在课堂教学中如何落实新课程的三维目标。在教学过程中，应根据具体的教学内容并结合学生的特点全面关注三维目标,以一个有机的整体渗透到课程实施的每一个环节之中。三维目标能否落实首先在于教学设计，关键在于课堂。

关键词：知识与技能

过程与方法

情感态度与价值观

自由落体运动

高中物理新课程标准中，以知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观三个维度确定了物理课程的三维目标。三维目标是新课程改革中的亮点，也是衡量教师教学水平的标准。因此，在教学中如何落实三维目标就成为一线教师面临的一个崭新的课题。

三维目标相互联系、相互依存。知识与技能是基础，只有有了较好的知识与技能的教学，才能有真正意义的过程和方法的教育。只有有了较好的知识与技能，过程和方法的教育才可能有真实可信的情感态度与价值观的教育。因此，在教学过程中，不可能完成了一维目标，再落实另一维目标。而应根据具体的教学内容并结合学生的特点全面关注三维目标,以一个有机的整体渗透到课程实施的每一个环节之中。下面以人教版高中物理必修

（一）《自由落体运动》的教学内容为例，谈谈在课堂教学中如何落实新课程的三维目标。

案例：自由落体运动

一、【三维目标】

（一）、知识与技能

1、认识自由落体运动，知道影响物体下落快慢的因素，理解自由落体运动是初速度为零的匀加速运动。

2、知道什么是自由落体的加速度，知道它的大小和方向。

3、掌握自由落体运动的规律。

4、能用打点计时器或其他仪器定量研究自由落体运动的性质。

（二）、过程与方法

1、培养学生观察问题、解决问题的能力。

2、通过探索自由落体运动的性质及自由落体的加速度，培养分析能力、实验数据的处理能力和归纳能力。

（三）、情感态度与价值观

1、通过指导学生探究，调动学生的积极性，培养学习物理的兴趣。

2、培养实事求是的科学态度。

说明：教学过程中落实知识与技能这一目标难度不是很大，重点是在其过程中让学生经历实验探究过程，体验科学探究的方法，落实过程与方法目标。难点则是教会学生利用实验进行研究问题的本领。此外，情感态度与价值观的培养也要渗透在教学过程中，使学生能在体验探究自然规律喜悦的同时，发展对科学的好奇心和求知欲。

二、【教学过程】

（一）、新课引入

教师：落体运动是自然界中一种常见的运动，如苹果和树叶的下落，从手中释放的石块和羽毛的下落，并演示橡皮擦与纸片的下落。

提问：影响下落快慢的因素？ 回答：轻重（重快轻慢）。

意图：利用生活中的错误经验，在教学中充分展现这些假象，为深入研究作准备。探究：“重快轻慢”是否一定成立

教师引导：可利用身边的橡皮、纸片、纸团完成，注意控制纸片、纸团的质量。分析现象：质量大的橡皮与质量小的纸团一样快；

等质量的纸团与纸片，纸团快；

质量小的纸团与质量大的纸片，纸团快。得出结论：物体下落快慢与轻重无关。

思考：日常生活中“重快轻慢”的现象究竟是什么引起的？ 猜想：空气阻力。

用牛顿管演示：空气阻力对下落快慢的影响

结论：如果没有空气阻力，物理下落快慢与轻重无关，从而给出自由落体运动的概念。

意图：利用简单实验器材，能提高学生的参与度，更能激发学生探究的兴趣。通过学生自己控制质量对比实验，让学生体会科学探究的乐趣，了解实验探究的基本思路和方法，培养学生观察问题、解决问题的能力。也自然的建立起自由落体的概念。

（二）、新课教学

1、自由落体运动的概念：物体只在重力作用下从静止开始的运动，如果空气阻力可以忽略，也可近似看做自由落体运动。（板书）

提问：由自由落体运动的概念归纳自由落体运动的产生条件？ 回答：（1）、只受重力（板书）

（2）、V0=0（板书）

意图：培养学生利用物理语言归纳总结的能力。提问：自由落体运动是直线运动还是曲线运动？ 回答：直线运动。

提问：自由落体运动是匀速度运动、加速运动还是减速运动？ 回答：加速运动。

提问：自由落体运动是怎样的加速直线运动？如何研究？ 猜想：匀加速直线。思考：何设计实验方案探究？

学生分组讨论后请学生回答各小组的具体方案。可能的方案有：

方案1：利用打点计时器研究速度随时间的变化或用逐差法。方案2：利用光电计时器研究位移是否与时间的平方成正比。方案3：利用频闪照相法、类似纸带法研究

教师对每种方案作点评，然后根据实验条件、器材的准备，让学生分组实验。由于打点计时器比较熟悉，最好按方案1完成。

学生通过实验定量研究得出：自由落体运动的速度随时间均匀增加或自由落体运动的加速度恒定的结论。从而归纳出自由落体运动的性质。

意图：启发学生设计实验方案，培养学生解决问题的能力。学生在分析实验过程中，提高学生的动手能力。培养学生团结合作精神和协作意识，强化实验探究的意识。

2、自由落体运动的性质：自由落体运动是初速度为零的匀加速直线运动。（板书）教师：自由落体运动既然是初速度为零的匀加速直线运动，那么它的加速度有多大呢？（启发学生利用刚才的实验数据进行计算，实验安排时事先用不同的物体让学生做自由落体实验）

探究：自由落体运动的加速度

学生通过计算得出结论：不同物体在同一地点的加速度是一样的。（说明实际测量存在误差）

意图：通过计算自由落体运动的加速度是一个定值（在同一地点）。引导学生学会分析数据，归纳总结规律。投影学生的数据处理，使结果得到共享与评价。

教师：真空的牛顿管中各个物体自由落下时速度变化的快慢相同，也说明各个物体自由下落时的加速度是相同的。正因为不同物体在同一地点的加速度相同，我们把自由下落时的加速度叫自由落体加速度。

3、自由落体加速度：物体自由下落时的加速度叫自由落体加速度，也叫重力加速度（用字母g表示）。（板书）

【学生看书】学生通过观看课本上的数据，探讨重力加速度随地理位置的改变规律。

结论：纬度越大的地点，重力加速度越大。（原因待以后进一步学习）

教师补充另一结论： 重力加速度与离地面的高度有关，随着高度的增加而减小，但在离地面不太高的范围内，重力加速度的变化也可忽略不计。（原因待以后进一步学习）

（1）、大小：与地点有关。一般取g=9.8m/s2，粗略计算取g=10m/s2（板书）（2）、方向：竖直向下（与重力方向一致）（板书）

教师：因为自由落体运动是初速度为零，加速度为g的匀加速直线运动，请同学们根椐匀速直线运动的规律推导出自由落体运动的公式。（说明自由落体运动的位移用h表示）

学生推导得出：vgt；h12gt；22gh 212gt；22gh（板书）2意图：培养学生知识的迁移能力。

4、自由落体规律：vgt；h教师：学了自由落体运动的规律后，我们做一个有趣的小实验——测定反应时间。提问：（1）如果给你一把尺子能否运用本节所学知识测定一下你的反应时间？（2）你的理论依据是什么？建议学生课下两人一组，测定各自的反应时间，将自己的尺子改造成“反应时间尺”。跟踪检测自己的反应时间，检测不同人群（性别、年龄、职业等）的反应时间，研究反应时间跟哪些因素有关？

学生：思考提出方案，并解释原理，确定自己的研究课题。

意图：学以致用，可以让学生感到知识的力量，能使学生在知识的应用中体验到解决问题的乐趣，从而提高学习物理知识的兴趣。中学物理与现实生活接轨也对促进学生学以致用有着很强的推动作用。

教师：通过大家的共同探究学习，我们认识到：如果没有空气阻力轻重物体下落快慢相同；自由落体运动是初速度为零的匀加速直线运动，遵循匀变速直线运动的规律；自由落体加速度与纬度和高度有关。然而更值得我们注意的是探究物理规律的方法和过程，这对我们学习物理知识才是至关重要的。

以上是我在《自由落体运动》教学中具体落实新课程标准的三维目标的一些尝试。概括的讲，三维目标能否落实首先是决定于教学设计这个环节，在教学设计上要以“知识与技能”为主线，渗透“情感、态度、价值观”，并充分体现在学习探究的“过程与方法”中。三维目标能否落实的关键在于课堂，故精心组织课堂是三维目标得以落实的过程。课堂中要体现教师为主导，学生为主体的理念。教师起引导、组织、合作的作用，这样才能使学生在课堂学习中能主动参与、积极探究、相互合作。

参考文献：

三维运动学分析 篇6

关键词：自由落体；教学；三维目标；落实

中图分类号：G632 文献标识码：B 文章编号：1002-7661（2014）17-228-01

高中物理新课程强调课程的三维目标，即知识与技能，过程和方法，情感、态度与价值观；高中新课程改变了学生的学习方式，传统的学习方式是上课老师讲、学生听、记，下课学生背、练，学生的学习很大程度上是一种被动的接受、记忆的过程，这种学习方式不利于人的思维发展、智力开发，更为严重的是，多数学生很难愉快的学习，认为学习是一件很痛苦的事；新课程力求改变这一状况，强调发现学习，探究学习，研究学习，通过独立思考，同伴交流，师生互动，使学生学习过程更多地成为学生发现问题，提出问题，分析问题，解决问题的过程，使学生从学习过程中体会快乐，乐于学习。进而为学生终身发展、应对现代社会和未来发展的挑战奠定基础，即目标上注重提高全体学生的科学素养。

在笔者平时的教研工作中，老师们普遍感到的是新课程的实践存在着一些困难，感到困惑和迷茫，就是目标的不易操作，好像只有知识的目标才是容易操作的，才是实实在在的，其他的目标是务虚的、点缀的，是在上级行政和业务部门听课的时候做给领导看的。究竟在课堂教学上如何落实三维目标呢？ 我结合我区教师讲的《自由落体运动》谈谈自己的几点看法：

一、对教材设计理解突出体现“学生为主体”的思想

新教材在设计上突出体现“学生为主体”的思想，如本节课的核心----自由落体运动的性质，安排学生去自主探究，而非直接给出；有目的的引导学生思考、分析、总结，如重力加速度随纬度的变化，教材给出表格数据并在旁边提出问题。此外还有课后两个“做一做”引导学生联系实际，处理实际问题。课后习题中套公式运算的少了，增加了探究性问题。并能前呼后应，如：“探究自由落体运动的运动性质”利用前面“探究匀变速直线运动”的方法，“自由落体运动的规律”则直接利用“匀变速直线运动规律”得到；在“一些地点重力加速度”表格旁注中提出问题“你从表中发现了规律吗？你能尝试解释这个规律吗？……”这为后面利用“万有引力定律”、“圆周运动”解释该规律埋了伏笔。

二、教学思想和实施方案

高中物理课程应促进学生自主学习，让学生积极参与、乐于探究、勇于实验、勤于思考。通过多样化的教学方式，帮助学生学习物理知识与技能，培养其科学探究能力，使其逐步形成科学态度与科学精神。

《自由落体运动》教学内容的组织上，按照“提出猜想--设计方案--实验探究--得出结论”这一程序，展开师生探究活动，并在探究过程中渗透科学方法教育和能力培养。教学设计主要要解决两个问题，一是怎样引入新课，二是分析论证其运动性质和运动规律。

物理学科的特点是在建立观察和实验的基础上，物理学科在培养的个性，促进人的终身发展和全面发展方面有着独特的教育功能，因而在实施目标方面，也有着自身的特殊性。在颁布的高中物理新大纲强调学生“收集、鉴别、处理信息的能力、获取新知识的能力”，强调“要使获得基础知识与基本技能的过程成为形成价值观的过程”，突出创新精神和实践能力的培养，从物理学科的角度将三维目标具体化。孙老师在结合教材、根据本节课的教学目标和教学重点，为让学生能切实的体会和理解自由落体运动的特点，单凭演示实验，学生很难体会到自由落体运动的特征。为此，教者又让学生通过手中的课本和几张纸分别进行两次实验（两物从同一高度、同时释放。纸两次分别是展开、团紧），观察下落的快慢。通过观察，让学生发现并分析出影响下落快慢的原因。进而大胆猜想若排除此因素，结果又会怎样？然后用“牛顿管”实验验证。这样，充分地调动了学生学习的积极性，主动参与到课堂中来。在探究中学会发现问题，并敢于大胆进行科学猜想，这点要比教师单纯生硬的直接给出定义效果要好的多。在实验的基础上建立自由落体运动的定义。

在学生已有的知识结构上学习新知识，在学生利用打点计时器探究“自由落体的运动性质”前 ，引导学生复习匀变速直线运动实验中纸带的处理方法，提出了明确的思考方向后，由学生设计实验方案，完成实验操作，并运用已有的知识认真分析（有发现△x是定值的，有求解并证明加速度是定值的），最后归纳总结，得出自由落体运动的性质。在学习自由落体运动的规律时，先引导学生复习匀变速直线运动的规律，在此基础上由学生自己推导出其规律。温故知新，符合学生的认知特点。

整个课堂教学中以学生为主体，在利用打点计时器探究“自由落体的运动性质”时，由学生自己设计实验、操作、处理数据，得出结论。教会了学生探究物理问题的科学方法，培养学生科学严谨的治学态度。

三维运动捕捉技术应用研究 篇7

1三维动画的制作过程

三维动画的制作过程与二维动画的制作过程有所不同, 三维动画的制作要先由制作人员在计算机中制作出动画角色、背景和运动动作, 再给角色以及背景加上材质与颜色, 与此同时利用虚拟摄影机来拍摄记录动画角色的动作镜头, 最后由计算机将这些信息进行整理编排, 最终以动画的形式来进行画面呈现。要制作专业完整的三维动画有三个阶段:一是动画制作的前期, 在这个阶段的主要工作是完成动画的剧本、角色与分镜头的设计, 这个阶段的工作与制作二维动画时的差异不大;二是动画制作的中期, 这时就要运用到三维动画制作技术, 利用计算机将虚拟场景与动画制作完成, 在这个阶段与二维动画制作的区别就体现出来了;三是动画制作的后期, 在后期主要的工作就是整合并完善第二阶段所完成的动画效果, 再添加一些原本所缺少的相关元素。

2三维动画的运动调节

三维动画的制作中, 运动技术是一个关键步骤, 同时也是制作的难点所在, 如何调节与设计动画角色的运动动作, 在运动技术中是一个重要问题, 虽然我们经常在动漫作品中看到许多气势磅礴的场面, 让我们感觉身临其境。但在三维动画中, 动漫角色就相当于电影中的演员, 水能载舟亦能覆舟, 如果不能好好设计制作动漫角色的运动就会让原本精美的动画作品变得华而不实, 这就对动画制作人员的技术有很高的要求, 动画制作人员需要完全依靠手动来调整动画角色运动的参数, 这是一个相当庞大的工作量, 即便是对有丰富动画制作经验的制作人员来说, 这也是一项非常具有挑战性的工作。

3三维运动捕捉技术的原理

三维运动捕捉技术的基础是计算机图形原理。计算机将虚拟视频捕捉设备分布排列在三维空间中用来记录物体的运动轨迹, 并以图像的形式展现出来, 随后借着计算机对记录下来的图像数据进行技术处理, 最后获取不同物体在不同时间上的运动轨迹的的三维空间坐标点。三维运动捕捉技术经过技术发展, 已经不只机械式捕捉这一种方法, 现在的科学技术已经发展到可以通过电磁、声波、光学等方式来进行运动轨迹的捕捉。在这些运动捕捉技术中, 光学运动捕捉技术因为其快速、精准等优点而获得了广大工作者的青睐。

4三维运动捕捉技术在建立虚拟火灾消防员上的运用

运用三维运动捕捉技术可以更好的呈现消防员在火灾救援时的作为。在运用三维动画进行消防人员的建模前, 制作人员必须要对消防员的穿着装备与人物结构比例有一定的了解, 这样才能制作出比例正常的人物模型。

4.1建立人物模型

这里我们所采用的三维人物模型制作软件是3ds MAX, 制作方法以多边形建模为主。所谓的多边形建模是指让一个对象变换成可以进行编辑的多边形对象, 这种建模方式相对来说较简单, 便于操作, 没有太高的技术含量, 适用于建造结构偏复杂的模型。

4.2锁定骨骼

在建立好基本的任务模型之后, 要给人物添加骨骼, 通过移动与缩放的形式让骨骼与人物模型相适应。因为骨骼与人物模型是独立的两个个体, 为了让他们产生关联就必须将骨骼与模型绑定在一起, 这样才能达到联动的效果。这里用的是Character Studio中的Physique来实现。

4.3展UV

在三维模型建立完成后, 截下来就是展UV。我们常用的主要是3ds MAX软件中自带的修改器来进行展UV。展UV修改器主要是起到让平面贴图指定到子对象选择并对所选的UVW坐标进行编辑。UVW修改器可以作为UVW贴图起与UVW坐标编辑器单独使用, 也可以与UVW贴图修改器一起使用。这么做的目的是要让二维的贴图指定到子对象, UV处理技术的高低直接关系着最终的贴图是否能够有其原本该有的效果。在展UV环节完成后, 制作人员将其储存成为图片, 再通过Photoshop来完成画贴图、制作物件纹理的步骤, 因为我们所要制作的是消防人员的模型, 所以此处我们选择消防战斗服的照片作为贴图制作的基本素材, 再运用Photoshop的制作纹理来完成最后的贴图。

5结语

三维运动捕捉技术大大方便了我们的生活, 不仅被大量运用在三维动画的制作上, 还给我们日常的模拟实训提供了更多的可能性。运用三维运动捕捉技术来模拟火灾救援现场是对这项技术的一个极好应用, 它能够真实展现在火灾救援现场时模拟消防人员的实时动向, 帮助人们更直观的观看并学习到在发生火灾时正确的人群疏散方法, 有利于减小火灾对人们的伤害。

参考文献

长隧道火灾烟气运动三维数值模拟 篇8

1湍流燃烧模型的构建

1.1控制方程

隧道火灾的发生、发展和熄灭是一种在复杂环境条件下涉及质量、动量和能量相互作用的非线性、非定常、非平衡态的动力过程, 包含多种形式的传热传质、复杂化学反应、湍流流动和相变等物理、化学作用, 其本质是在时间和空间上失去控制的燃烧现象。实际燃烧均为湍流燃烧, 隧道火灾烟气的运动特征与火源的燃烧特性、气流的湍流效应和燃烧产物的传热传质过程有密切关系。

研究采用湍流燃烧模型对隧道火灾中的烟气运动进行模拟。湍流燃烧模型基于简单化学反应系统和快速反应假设, 认为化学反应时间尺度远小于湍流混合过程时间尺度, 即化学反应速度是由湍流混合过程控制的, 反应在反应物作用混合的瞬间即达到平衡。这种情况下, 可用某个守恒量 (如混合分数f) 来判别局部的“混合程度”, 且该瞬态守恒量与瞬态热化学状态 (组分、温度、密度等) 之间存在唯一的函数关系。因此, 建立混合分数的输运方程并假定其脉动的概率密度函数, 从而通过概率积分就可以完全确定湍流燃烧过程中所有标量的时平均特性。湍流燃烧模型的基本控制方程如下:

undefined

式中:ρ、μ和kT分别是流体密度、动力粘滞系数和广义扩散系数;u、p、g、h、T、undefined和undefined分别是速度、压力、重力加速度、总焓、热力学温度、混合分数时均值和脉动均方值;Sh为包含化学反应放 (吸) 热的体积热源, μt=ρCμk2/ε为湍流粘性系数;模型系数Cμ、σf、σg、Cg1、Cg2分别为0.09、0.85、0.7、2.8、1.79;k、ε分别为湍动能和湍动能耗散率, 通过带浮力修正的k-ε模型求解;QR为辐射热流, 通过P-1模型计算。

1.2 几何模型与网格划分

以某高速公路特长隧道为计算原型, 采用纵向通风, 铺筑沥青混凝土路面, 隧道长7 600 m, 宽9.5 m, 侧壁为半径5.55 m的圆弧、圆心位于1.61 m标高处, 横截面如图1所示。计算区域长 (Z方向) 2 000 m, 假设火源位于Z=300 m处, 火源面积为3.0 m×6.0 m。利用六面体网格对模型进行剖分, 并对壁面和进、出口区域进行加密, 总网格数为8.5×105, 图2是模型横截面网格示意图。模拟发现, 即使采用更小尺寸的网格, 计算结果也几乎没有变化。

1.3 边界条件与数值方法

隧道初始温度为300 K, 初始压力为101.325 kPa, 火灾规模为50 MW。隧道入口设为第一类边界条件, 分别给定风速值为0.0、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0 m/s;隧道出口设为第二边界条件, 假定各求解变量的法向梯度为零;隧道固体壁面取无穿透不可滑移条件, 并通过设定隧道壁面和岩体厚度, 采用一维传热方式处理边界热量传导。在近壁区域, 采用壁函数法模拟低雷诺数下的气体流动。

利用有限体积法离散上述控制方程组, 引入Gauss散度定理, 采用二阶迎风格式离散对流项, 对源项做线性化处理, 采用全隐格式得到离散方程组。具体求解时, 基于SIMPLE算法通过k-ε模型得到湍流输运量;求解混合分数的时均值和脉动均方值, 并根据假设的几率分布函数形式确定瞬态混合分数f的概率密度函数P (f) ;根据快速反应假设, 由f求出各反应组分的化学状态参数的瞬时值, 再通过P (f) 得到其平均值;最后求解滞止焓, 得到温度场分布。

2 计算结果分析

图3是不同通风速度下隧道纵剖面烟气速度分布图。由图3 (a) 可以看出, 当隧道无纵向通风时, 受浮力作用驱动高温烟气在隧道顶部聚集并形成热烟气层, 随着热烟气层厚度逐渐增加而逐渐向隧道两端扩散, 同时新鲜空气由隧道下部空间向火源运动, 从而在整个隧道内形成以火源为中心的对称循环风流。如图3 (b) 所示, 隧道纵向通风会打破烟气流场的对称结构, 当纵向风速较小 (u=1 m/s) 时, 由于纵向风流的动压小于烟气逆流前锋与环境空气的静压差, 因而热烟气在浮力的驱动下仍将迎风蔓延, 形成烟气回流。如图3 (c) 所示, 当纵向风速足够大 (u=2.0 m/s) 时, 逆流烟气的驱动力与纵向通风的对流作用力相当, 火灾烟气将全部被压向火源下游, 此时火源上游完全无烟。

一般, 把抑制隧道火灾烟气出现回流的最小通风速度称为临界风速。由于烟气回流会严重影响消防救援和人员疏散的安全, 因而临界风速一直是隧道通风排烟设计的关键参数。JTJ 026-1-1999《公路隧道通风照明设计规范》规定, 隧道临界风速为2～3 m/s, 这是针对火灾规模为20～30 MW的隧道火灾。计算结果表明, 针对该隧道50 MW的火灾, 2 m/s的通风速度已足以抑制烟气回流。

图4是2.0 m/s风速条件下隧道火灾烟气的三维运动过程。由图4 (a) 可以看到, 燃烧产生的火羽流撞击隧道拱顶后形成顶棚射流, 然后向四周扩散, 由于纵向风速达到临界风速, 因而烟气主要向顺风方向流动。如图4 (b) 所示, 在隧道固壁边界产生的边界层吸附效应作用下, 火灾烟气将发生分离、以“V”字形沿隧道侧壁流动。在烟气沿着隧道内壁向顺风方向和隧道下游扩散的过程中, 由于受侧壁的阻挡而逐渐向隧道中部汇集, 同时在浮力作用下又快速上升, 并再次撞击隧道拱顶。如图4 (c) 所示, 火灾烟气在下沉、上升的起伏运动过程中将卷吸烟气层下方的新鲜空气, 使烟气层厚度不断增加, 速度、温度不断降低, 烟气的浮力效应逐渐削弱。因此, 火灾烟气再次撞击隧道顶部的射流强度大大减弱, 其径向扩散和起伏运动趋势将明显弱化, 通常在数次撞击之后烟气流动渐趋于简单的分层纵向蔓延。如图4 (d) 所示, 随着隧道壁面不断吸收热量, 烟气温度越来越低。最终, 烟气的浮力效应将难以维持其分层结构, 烟气充满整个隧道, 其运动为近似一维的纵向蔓延。

应当指出, 在纵向风流作用下, 火灾烟气的运动表现为径向扩散与纵向蔓延的结合, 其撞击隧道拱顶后的分离→合并、下沉→上升运动过程是同步进行的。因此, 从整体来看, 烟气运动呈对称的螺旋涡状结构, 为典型的三维运动。

火灾烟流作为一种浮力驱动的分层流, 其运动受浮力效应和对流作用的共同影响:高温烟气在对流作用下碰到隧道拱顶后被迫下沉, 但由于浮力效应又逐渐上升, 从而呈现出起伏运动的特征。图5是不同通风条件下隧道纵剖面的烟气温度分布。由图可以看出, 当隧道纵向风速较小时, 烟气可以在隧道上部空间维持较好的层化结构, 即使在远离火源的区域, 烟气也不会弥散到隧道下部空间;而随着通风速度的逐渐加大, 对流作用越来越强, 烟气的起伏运动也更加剧烈, 烟气层将迅速降到地面, 从而无法维持上高下低的层状结构。可见, 纵向风速的增大在削弱烟气浮力效应的同时, 也增强了其对流作用, 从而加剧了烟气起伏运动的幅度和跨距。对于纵向通风隧道, 维持烟气的层化结构, 使高温有毒烟气尽量保持在隧道的上部空间, 对隧道火灾早期的人员疏散、逃生和消防救援具有重要意义。因此, 隧道发生火灾时, 纵向风速应以刚好抑制烟气出现回流为宜, 风速过大反而不利于人员疏散和消防救援。

3 结 论

(1) 纵向通风条件下, 火灾烟气运动表现为径向扩散与纵向蔓延的结合, 高温烟气撞击隧道拱顶后的运动可分为明显不同的三个区域:三维螺旋涡流区、二维均匀分层区和一维纵向蔓延区。

(2) 受浮力效应和对流作用的共同影响, 火源下游烟气呈现起伏运动的特征, 且隧道通风风速越大, 烟气起伏运动越剧烈。

(3) 对于50 MW的隧道火灾, 2 m/s的通风速率已能有效抑制烟气回流。在火灾初期, 纵向风速应以刚好抑制烟气出现回流为宜, 风速过大将破坏烟气的层状结构, 反而不利于人员疏散和消防救援。

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[8]谢元一.中梁山隧道火灾通风排烟的数值模拟[J].消防科学与技术, 2010, 29 (9) :765-767.

三维运动学分析 篇9

如何方便地生成高逼真度的三维人体动画已成为当前计算机动画的一个重要研究方向。按照运动建模方式不同三维人体动画可以分为以下四类:关键帧方法、基于运动学和逆运动学、基于动力学和逆动力学、运动捕获方法。基于运动捕获方法的人体动画具有逼真度高、数据可重用等特点,在动画技术中得到广泛应用。在商业产品中一般使用硬件设备(如Vicon)来捕获人体运动,要求运动员身穿紧身衣并在关节位置粘贴反光小球或反光片,这样限制了运动员的运动;另一方面硬件设备比较昂贵,制作成本较高。在前人研究的基础上,本文提出了一种基于单目视频运动跟踪的三维人体动画方法,具有使用方便、制作成本低廉、动画效果较好等特点。

基于视频运动跟踪的运动捕获方法按照其采用摄像机数目多少可以分为两类:①基于单目视频的方法[1,2,3,4],②基于多目视频的方法[5,6,7]。基于多目视频的方法要求两个或两个以上的摄像机同步拍摄,拍摄前需要进行摄像机标定,跟踪到的二维关节坐标一般通过极线方程约束来恢复其三维坐标[8]。基于单目视频的方法由于使用方便、数据来源广使得该技术具有极大的吸引力。该方法一般分两步顺序完成:首先从视频序列中跟踪人体模型中的各个关节点,然后恢复三维人体运动序列。运动跟踪部分是将视频序列中各个特征点匹配起来,从而产生各个特征点的运动轨迹,一般利用当前帧的特征位置及运动模型来预测下一帧特征的位置[9]。三维人体运动序列恢复部分一般在摄像机成像模型下根据人体骨骼约束来恢复关节在三维空间中的相对坐标[11]。

本文在现有研究的基础上,提出了一种将视觉技术与图形学技术融合起来制作动画的新思路,它通过对单目视频进行运动跟踪来捕获人体运动信息。首先,本文给出了系统的实现框架,讲述了系统各部分的功能及他们之间的相互关系;其次,详述了关节三维坐标的重建方法、关节旋转欧拉角的计算方法及虚拟人动画实现。

2系统框架

系统总体流程如图1所示,共分为三个部分。第一部分为二维关节运动跟踪,首先对视频首帧进行关节标注,得到关节的颜色模型作为匹配模板;对视频其他帧的跟踪先利用粒子滤波根据已建立的运动模型对关节点位置进行预测,预测结果作为模板匹配模块的局部搜索起始位置,模板匹配采用直方图匹配方法,以Bhattacharyya距离作为匹配准则。最大相似度对应的关节位置则为跟踪到的目标关节坐标。第二部分为三维运动姿态恢复过程,首先我们以比例正交投影模型近似摄像机成像过程,根据运动连续性求得唯一的可变因子,然后根据人体骨架比例约束求得各关节的三维相对坐标,最后利用逆运动学求得各关节的旋转欧拉角。第三部分为人体动画部分,按照H-anim标准建立了虚拟人树型关节拓扑结构,根据已获得的关节欧拉角驱动虚拟人获得连续的动画效果。

由于二维关节运动跟踪已有大量研究者做了深入研究且取得了较好效果[9,10],故本文就不再赘述,下面相关内容的叙述基于二维关节位置已获取的假定下。

3三维姿态提取

3.1人体骨架模型

本文采用的人体骨架模型如图2所示,由16个关节及15个身体段组成。模型中的身体段长度由人体测量学得到,为一相对比例长度(不一定是实际值)。人体骨架模型以树型结构表示,其中盆骨关节为树根。在人体各身体段设立局部坐标系,坐标系方向见图2,Z坐标的正向符合左手坐标系指向纸背,坐标系原点位于各关节中心。根据多刚体系统运动学知识可知,人体运动可以近似为一种树型结构的级连关节旋转,树根关节旋转为根关节局部坐标系相对于世界坐标系的旋转,世界坐标系的方向及坐标原点与人体运动前根关节局部坐标系一致。

3.2关节三维坐标恢复

由文献[11]可知,三维空间中某点的坐标值(x,y,z)与该点在二维图像上的坐标(u,v)满足以下方程:

参数s为一比例因子,由s=f/z求得,其中z为该点在三维空间中的z坐标值,f为摄像机焦距。根据比例正交成像模型,成像模型中的s值必须使各身体段满足下式[11]:

undefined (2)

其中,(u1,v1)和(u2,v2)分别为连接身体段的两关节在图像上的二维坐标,L为该身体段在人体骨架模型中的长度。通过式(2)可知,满足上式的s值存在无数多值,对应多种人体姿态。故我们需要确定一个唯一的s值,其对应的身体姿态与真实值极其接近。

根据运动连续性可知,上下两帧之间人体姿态变化较小,故两帧中对应身体段在三维空间中的长度值变化也较小。设上一帧中求得的s值为si,各身体段在三维空间中的相对长度Li为:undefined。相应地,当前帧中各身体段在三维空间中的相对长度Li+1为undefined。则满足式(2)及式(3)的si+1值为当前帧成像模型对应的s值。

undefined (3)

各关节在三维空间中的相对坐标可得:x=u/si+1,y=v/si+1。上下两关节之间的相对深度值dz根据文献[11]求得为:undefined。参照图2,上下关节之间深度值按照树型结构深度遍历获取,例如:盆骨→腰骨→锁骨→右肩→右上臂→右前臂。

3.3计算关节旋转欧拉角

人体运动姿态可以通过关节之间坐标系变换来表征,即人体在某一时刻的运动姿态是相对于人体在初始姿态时各关节旋转一定的欧拉角而得到。将人体近似为树型系统,由多刚体系统运动学可知,某一时刻身体段的位姿满足下式:

P=undefinedRundefinedR…undefinedRPi+1 (4)

其中undefinedR为盆骨关节(根关节)相对于世界坐标系之间的旋转矩阵,undefinedR,undefinedR…undefinedR等矩阵为根关节到当前关节的链通路中上下两关节之间局部坐标系之间的旋转矩阵,以3.2节中的示例通路为例,undefinedR为腰骨局部坐标系与盆骨局部坐标系之间的旋转矩阵。Pi+1为初始状态下链通路中第i+1关节在第i关节局部坐标系中的向量值,P为当前状态下第i+1关节在第关节局部坐标系中的向量值。

下面我们以求盆骨关节的旋转欧拉角来介绍一下计算过程,设关节的旋转方向为先绕Z轴旋转角,再绕Y轴旋转β角,最后绕X轴旋转γ角。由于三维动画中没有考虑盆骨依附身体段在Y轴上的扭矩作用,故β=0,undefinedR定义如下:

undefined

Pi+1为:P1=(0,L1,0),L1为盆骨关节及腰骨关节之间骨骼段在骨架模型中的相对长度。

P为:P=(x2-x1,y2-y1,dz),其中(x1,y1),(x2,y2)和dz分别为盆骨关节及腰骨关节在3.2节中求得的三维坐标及他们之间的深度差。

根据式(4)建立方程如下:

undefined

(6)

解之得:γ=arcundefinedundefined。

在已求得链通路中前序关节旋转欧拉角的基础上,按照树型深度遍历根据式(4)我们可以其他关节的旋转欧拉角。

4三维人体动画

我们采用VRML标准中的H-anim对虚拟人进行几何模型。H-anim中使用3类结点(node)表示一个虚拟人体模型:人体重心(humanoid)、人体关节(joint)和人体骨骼段(segment),并把整个人体分成1个人体重心、77个关节和47个骨骼段。另外,还使用VRML中的几何模型表示方法定义了每个肢体(即骨骼段)的几何模型。每个骨骼段(segment )的位置都在其所在的关节坐标系中定义,而每个几何模型依附于相应的骨骼段,这些元素一起表示了一个完整的虚拟人模型[12]。详细的H-anim标准请参照文献[13]。

由以上分析可知,虚拟人的数据结构可以采用多叉树来表示,一个虚拟人模型可简化如图3所示,图中Shape节点为身体段几何数据的存贮单元。

虚拟人在新姿态下的显示就是将虚拟人中各身体段根据其依附关节旋转而成,各关节旋转欧拉角由3.3节计算得到。在OpenGL中,坐标变换矩阵以堆栈的形式保存,提供了两个函数来进行变换矩阵堆栈的操作:glPushMatrix和glPopMatrix。我们在进行虚拟人显示时,从HumanoidRoot关节点开始按照树的深度遍历来依次显示各身体段的数据即可,各身体段绘制按以下步骤进行:①glPushMatrix()。②根据身体段数据绘制其图形。③绘制该节点下孩子节点图形。④glPopMatrix()。

5实验结果

按照上述算法,我们用VC++6.0和OpenGL实现了一个原型系统。为了验证算法的正确性,共采用多种不同运动风格的人体运动视频来生成人体动画,实验所采用的人体骨架模型比例长度如表1所示。在跟踪过程中,首先对首帧进行关节点手工标注,然后程序自动开始跟踪,驱动虚拟人形成人体动画。

图4为一段街舞动作重建后人体动画结果,图5为一段艺术操作重建后人体动画结果。图中显示的是从第一帧开始,每隔10帧的重建结果。在图中,(a)是实际的视频帧,(b)为视频跟踪结果,(c)是三维重建后人体动画的正视图,(d)是三维重建后人体动画旋转45度后的视图。

6结束语

三维运动学分析 篇10

目前, 随着城市化的快速发展, 需地下施工作业的工程越来越多, 由于地下作业清晰定位作业的方位比较困难, 容易偏离既定方位, 因此, 在计算机模拟的三维空间中绘制地下施工作业的轨迹对地下施工作业十分重要。本系统主要用于解决地下作业方向定位问题, 可实时将地下作业机器的运行轨迹在模拟的三维坐标系中绘制出来, 真正解决地下作业的方向定位问题。

2 功能模块

本系统主要由三维空间轨迹捕捉模块、三维坐标的投影模块、串口通信模块3个部分构成, 对于捕捉到的轨迹数据能保存为二进制文件, 并能讲保存的数据文件重新导入系统。同时对于三维坐标系可以使用鼠标 (键盘的上下左右键) 进行旋转, 以满足从不同的角度来观察设备运行的轨迹, 为了能够更加细致的关系运行数据, 使用鼠标的转轮可以放大或缩小模拟三维坐标系的大小, 基本满足地下施工需要, 如图1所示。

3 编程思想

3.1 OpenGL的初始化

OpenGL是一个开放的三维图形软件包, 它独立于窗口系统和操作系统, 所以使用OpenGL开发的应用程序可以在各种平台间移植;主要代码如下:

3.2 利用OpenGL中的glVertex3f () 函数模拟绘制三维空间中的三维坐标系

主要代码如下:

3.3 绘制三维坐标系中数据在3个面的投影坐标系

主要代码如下:

3.4 在坐标系中绘制读取的数据轨迹线

3.5 串口接收数据

主要代码如下:

3.6 程序输出

结果如图2所示 (图2中展示的数据是一次实际测量的数据) :

4 结语

利用VC++开发平台与OpenGL结合起来开发模拟三维空间的运动轨迹捕捉只需要简单的几个步骤, 即可模拟出地下作业的设备实际运行轨迹, 有利于解决地下作业定位难得问题, 从而彻底解决地下作业方向偏差问题, 同时OpenGL是一个与硬件无关的软件接口, 开发独立于窗口系统和操作系统, 以它为基础开发的应用程序可以十分方便地在各种平台间移植, 为在不同的操作系统平台运行提供了方便, 期望这套系统能为可视化作业的各类工程项目提供一个完美的解决方案。

摘要：基于OpenGL技术, 利用VC++开发模拟三维坐标系, 并利用串口通信的方式接收数据, 在三维坐标系统进行绘制数据轨迹线。