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偏心矩及躯干.doc
偏心矩的测试计算实现及其在竞技武术旋
子转体720°动作技术中的应用
岳卫亚1,陈芳2,夏承海2
1.南京体育学院运动健康科学系 江苏南京 210014
2.南京体育学院民族传统体育系 江苏南京 210014
1.研究目的
在体育运动中,蹬地起跳技术或推手腾起技术是最常见
的动作技术,尤其是蹬地或推手后要做空中转动动作,比如竞技武术中旋子转体720°[1]、腾空摆莲720°[2]、旋风脚720°的蹬地起跳[3],体操中跳马推手腾起[4]、自由体操蹬地起跳[5]等等。由于空中对人体总质心力矩等于零,因此地面蹬地力矩或推手力矩即对人体总质心的偏心矩对运动技术起着决定性的作用。如何定量研究偏心矩对人体三维转动的作用,目前在查阅了大量研究文献[2][3][6]][7] 后,我们发现只涉及到蹬地力,比如采用测力台测力,没有见到对蹬地力矩或推手力矩即偏心矩的定量研究和应用。因此本文的目的就是采用三维测力台与三维影像解析同步测试方法建立三维测力台坐标系与三维影像解析坐标系间的互换关系计算有实际应用价值的偏心矩用于人体三维转动动力学研究,用FORTRAN77和Visual C++6.0语言将它们编出完整的计算应用软件,并给出在竞技武术旋子转体720°接跌叉技术动作中的实测应用。
2.研究方法
偏心矩的计算是求人体蹬地反力(注:蹬地力是作用在地面上,蹬地反力才是作用在人体上,也叫偏心力。推手力矩也一样。)使人体绕总质心转动的矩。我们采用三维测力台与三维影像解析进行测试。但由于三维测力台测得的蹬地反力和影像解析得到的人体总质心坐标是由两个独立系统测得的,因此在做偏心矩计算时必须要经过两个关口:⑴. 三维测力台与三维影像解析同步测试。⑵. 建立三维测力台坐标系与三维影像解析坐标系的互换关系即方向余弦矩阵。
2.1 同步测试的实现
我们选用了通用的瑞士产Kistler三维测力台与三维影像解析进行同步测试。设置Kistler采集时间为10秒、采集频率为1000Hz,按确定键后开始采集数据,采集完得到10000个数据,其中包含运动员三维蹬地反力数据。如何将运动员三维蹬地反力数据与每秒25帧(25Hz)拍摄的同一运动员蹬地三维影像同步起来呢。我们采用了以下仪器设备来实现的:
首先采用12v交流变压器将220v交流电降到12v,
再经过整流滤波和两路稳压管得到5v和9v的直流电压。5v给2.4GHz数字无线发射器供电,它起到控制电脑按Kistler确定键作用,接收器插在电脑USB上。9v给射频发射器供电,它起到使12v电压灯泡发光。
⑵,用绿色双链触动开关一端连接到2.4GHz无线发射器上,另一端连接到秒表开始键上,此时按下绿色按键电脑和秒表同时工作,即Kistler确定键按下与秒表同时从零到设定的10秒计时。⑶,用红色双链触动开关一端连接到射频发射器上,另一端连接到秒表停止键上,按下红色按键此时秒表停止而射频发射器发出信号使12v电压灯泡发光,此时两台高速摄像机同时拍下灯光。最后从秒表记录的时间找到三维测力台与三维影像解析的同步点。2.2 方向余弦矩阵的计算
由于三维测力台的坐标系与三维影像解析坐标系是各自设置的,因而各自采集的数据比如三维蹬地反力(偏心力)和人体总质心坐标必须要在同一坐标系下才能计算,因此必须先找出两坐标系的变换关系即方向余弦矩阵[8]才能计算出偏心矩的大小,作法如下:在同步测试的条件下,根据三维测力台本身规定的坐标系(比如Kistler测力台的侧面上贴有图示说明)在测力台上选3个点A、B、和C,见图1。设为测力台左上角点坐标,为测力台右上角点坐标,为测力台正中心点坐标(见图1,其中,为三维影像解析坐标系下影像解析计算出
的三维空间坐标)。首先做出三维测力台x轴的方向即:
式(2-1)
其模为: 式(2-2)
再做出三维测力台z轴的方向(方向朝下)即:
式(2-3)
式(2-4)
最后做出三维测力台y轴的方向即:
式(2-5)
有了三维测力台x、y、z轴的方向,它们相对于三维影像解析坐标系的方向余弦即可如下求出:
x轴的方向余弦利用式(2-1)和式(2-2)得式(2-6):
式(2-6)
式中αβγ为三维测力台x轴与三维影像解析坐标系的夹角,而它们的余弦即为所求的三维测力台x轴方向余弦。同理,y轴方向余弦用式(2-5)按式(2-6)同样求出,z轴方向余弦用式(2-4)同样求出。这样九个方向余弦即可组成三维测力台坐标系相对于三维影像解析坐标系的方向余弦矩阵A01,其中0代表三维影像解析坐标系,
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