文章目录

摘要

abstract

英文名词缩写表

1 前言

1.1 研究背景及意义

    1.1.1 残疾人体育与残奥运动

    1.1.2 “冬残奥”与“科技冬奥”

1.2 本文主要研究内容

1.3 本文组织结构

1.4 技术路线图

1.5 研究假设

1.6 名词释义及操作定义

2 文献综述

2.1 残疾人运动员功能分级

    2.1.1 残疾人运动员功能分级通则

    2.1.2 残疾人竞技体育分级研究

2.2 人体环节惯性参数研究

    2.2.1 人体环节惯性参数研究现状

    2.2.2 环节惯性参数的比例因子估测研究

2.3 高山滑雪运动现场分析方法研究

    2.3.1 视频分析方法

    2.3.2 惯性传感器的应用

2.4 健全人高山滑雪运动技术研究

    2.4.1 旗门转弯技术的运动学分析

    2.4.2 滑行速度与滑行时间研究

    2.4.3 高山滑雪的能量分析

    2.4.4 高山滑雪滑行轨迹研究

2.5 冬残奥高山滑雪研究

    2.5.1 残疾人高山滑雪的起源与发展

    2.5.2 冬残奥高山滑雪场地及坐式滑雪器特点

    2.5.3 坐姿高山滑雪技术分析

2.6 文献小结

3 截肢运动员身体环节惯性参数研究

3.1 引言

3.2 研究方法

    3.2.1 研究对象

    3.2.2 身体形态测量

    3.2.3 残端质量及质心位置的测试方法

    3.2.4 身体一维质心的计算和测量方法

    3.2.5 模型回归法的有效性验证

    3.2.6 环节惯性参数的长度比例因子估算方法

    3.2.7 数据分析

3.3 研究结果

    3.3.1 身体一维质心的模型估计

    3.3.2 健侧环节质量及质心位置的模型回归结果

    3.3.3 残端环节惯性参数的长度比例因子估算结果

3.4 讨论

    3.4.1 残端长度对身体一维质心的影响

    3.4.2 健全人回归模型计算截肢人群环节惯性参数的有效性

    3.4.3 长度比例因子估测残端质量和质心位置的有效性

3.5 小结

4 基于轨迹优化的坐姿高山滑雪旗门转弯技术的运动学分析

4.1 引言

4.2 研究方法

    4.2.1 研究对象

    4.2.2 测试环境条件

    4.2.3 运动学指标测试方法

    4.2.4 质心运动轨迹曲率半径的计算方法

    4.2.5 质心运动轨迹长度的计算方法

    4.2.6 基于倒立摆模型的滑行轨迹仿真

    4.2.7 数据处理及分析

4.3 研究结果

    4.3.1 系统测试结果及精度分析

    4.3.2 单旗门转弯的滑行时间及距离特点

    4.3.3 转弯半径与旗门转弯表现间的关系

    4.3.4 旗门转弯阶段运动员滑行姿态分析

    4.3.5 旗门转弯阶段滑行速度特点

    4.3.6 目标赛段全程滑行时间的影响因素

    4.3.7 旗门转弯阶段质心运动轨迹的模型仿真结果

4.4 讨论

    4.4.1 单旗门转弯的运动学规律

    4.4.2 旗门转弯阶段的速度变化规律

    4.4.3 多旗门转弯的运动学规律

    4.4.4 倒立摆模型在坐姿高山滑雪轨迹仿真中的作用

4.5 结论及建议

4.6 实践应用

5 研究创新性与不足

5.1 研究创新性

5.2 研究不足

6 总结与展望

参考文献

致谢

附录一 人体环节惯性参数研究概述

附录二 曲率半径计算主要程序代码

附录三 身体形态测量方法及骨性标记点

附录四 姿态传感器通信协议

附录五 大学本科至研究生学习经历

附录六 攻读博士学位期间科研经历

文章摘要:研究目的:高山滑雪作为“冬残奥”雪上项目的金牌大项,是我国备战2022年北京冬残奥会的重点突破方向。如何充分利用级别优势,弥补身体残疾带来的功能障碍,是残疾人运动员取得比赛成功的关键技术因素。为此,本文根据国家残疾人高山滑雪队备战“残奥会”的要求,从残疾人运动员的身体形态和由此决定的功能分级出发,结合运动实践,对坐姿大回转旗门转弯关键环节动作进行了针对性的技术分析和运动规律研究。具体研究目的包括:（1）截肢运动员环节惯性参数的测量方法以及利用健全人人体测量学模型计算截肢运动员身体质心的可行性研究;（2）探索坐姿高山滑雪大回转项目的运动学规律,分析倒立摆模型在滑行轨迹优化中的有效性。研究方法:截肢运动员身体环节惯性参数的研究中,选取17名坐姿截肢运动员,利用测力台和平衡板获得残端质量和质心位置,结合健全人人体回归模型和多刚体模型计算身体整体质心,通过与平衡板测试法获得的身体质心的比较进行有效性验证。坐姿高山滑雪大回转项目动作技术研究中,设计开发了适用的运动学测试系统,利用无人机高空定点拍摄和可穿戴惯性传感器相结合的方法,分析了11名坐姿运动员终点前3个目标旗门赛段内的滑行技术动作,探索不同级别运动员旗门转弯技术的动作特点和表现差异。最后,利用倒立摆模型对滑行轨迹和滑行时间进行仿真计算,通过与实际滑行表现的对比进行模型有效性验证。研究结果:（1）膝上截肢和膝下截肢运动员的身体一维质心存在显著性差异（p=0.01）,与健全人一维质心差异非常显著（p<0.01）。（2）利用4种人体回归模型和多刚体模型计算身体整体质心时,Zatsiorsky环节参数模型的计算结果与平衡板测试法的测量结果之间不存在显著性差异（p>0.05）。（3）残端长度比例因子估测的残端质量与测力台测量值具有非常好的一致性（ICC=0.89）。（4）不同分级级别、不同截肢类型的运动员全程滑行时间差异非常显著（p<0.01）。全程滑行时间与全程滑行距离、距离旗门最小距离、单旗门质心运动轨迹、单旗门滑行时间之间均呈显著性正相关（p<0.05）。分级级别与目标赛段内全程滑行时间相关性非常显著（r=-0.92,p<0.01）。（5）对于LW10和LW11级运动员来说,单旗门转弯的最大滑行速度与滑行时间呈非常显著性负相关（r=-0.76,p<0.01）,对于LW12级运动员来说,全程滑行时间与旗门转弯前后的速度变化相关性显著（r=0.56,p=0.02）,LW10和LW11级运动员的速度变化与全程滑行时间相关不显著（r=0.23,p=0.40）。（6）倒立摆模型的仿真结果与实际滑行距离和滑行时间之间差异不显著（p>0.05）,一致性结果分别为ICC=0.45和ICC=0.85。研究结论:（1）利用测力台测量的残端质量和质心位置,结合Zatsiorsky身高体重模型获得的截肢运动员身体质心与平衡板测试法的测试值之间具有非常好的一致性,说明测力台测试法结合Zatsiorsky的身高体重参数模型能够有效获得截肢残疾人的身体质心。利用残端长度比例结合人体测量回归模型可以较好的估测残端的质量,尤其是对于大腿残端的计算,结果更有效,但是长度比例因子在估测残端质心位置时则会导致较大误差。（2）不同级别运动员完成旗门转弯的时机不同,高级别运动员适宜采用进入旗门前完成身体转向的滑行方式,低级别运动员适宜采用滑过旗门后进行身体转向的滑行方式。（3）高级别运动员的最大滑行速度显著大于低级别运动员,LW10级运动员因可以从提高旗门转弯阶段的最大滑行速度来提升运动表现,LW12级运动员则可以通过减小旗门转弯前后的速度损失来提高运动表现。单旗门滑行的轨迹长度、转弯半径、距离旗门最小距离、旗门滑行前后速度变化等指标不仅能够分析单旗门转弯的运动学规律,也能有效反应比赛全程的运动表现。（4）对坐姿高山滑雪大回转项目来说,根据牛顿第二定律和运动学方程,建立倒立摆模型可以有效模拟旗门转弯阶段的滑行轨迹和滑行时间,并根据模型仿真结果预判运动员的最优成绩。