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自行车骑行过程中脚踏力的分析
自行车骑行过程中脚踏力的分析张元莹(机械工程系)摘要本文提出了把在骑行过程中的脚踏力分解为直接由纯关节力矩而产生的肌肉分量和由重量与惯性力的作用产生的非肌肉分量的分析方法.在平面关节运动和关节力矩给定条件下,利用Newton-Euler系统中的动力学方程求解两个分量.通过在3个不同转速下承受普通载荷的自行车脚踏力的分析为例来说明脚踏力的分解方法.主要的结果是:非肌肉力分量的大小随转速增加而增加,肌肉力分量的大小基本保持相对恒定.关键词:脚踏力,肌肉力分量,非肌肉力分量中图法分类号:TH113.221前言由骑行者所产生的功率取决于脚踏力的大小和时间周期,因此,需要一个解释脚踏力的大小和方向的框架以加深对脚踏技术的生物力学特性的理解.尽管脚踏力被描述成速度和工作载荷的函数,但还没有既可以解释也可以预测在可变条件下脚踏力变化的理论根据.需要考虑的是脚踏力是一个内部相互作用力,即:在由骑行者和自行车组成的系统内(生物学系统),肌肉力使腿加速,而脚-脚踏连接约束使脚绕曲柄轴作圆周运动.因此,脚踏力不仅反应了肌肉的运动,还取决于重量和惯性力的大小.虽然有学者讨论了重力和惯性力对脚踏力的影响,但对没有直接作用于脚踏的肌肉力分量的定量分析还缺乏研究.而这是上述理论框架的主要组成部分.本文提出了研究骑行过程中脚踏力的理论基础,利用分解方法把脚踏力分解成肌肉力分量和非肌肉力分量,利用这个方法对在3个不同转速下承受普通载荷的自行车进行了研究.2理论推导假定一个骑行者和自行车是一确定状态的动力学系统,我们将该系统简化为一平面连杆机构的分析模型1.它由转动副连接的腿的三个关节组成,以脚踏力和关节运动学作为输入,动力学系统由九个Newton-Euler方程表示如:收稿日期:1996-07-21Ξ·13·第2期张元莹:自行车骑行过程中脚踏力的分析(1)(2)(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)大腿:Fhx-Fkx=mtAtxFhy-Fky=mtAty+mtgFhyrthx-Fhxrthy-Fkyrtkx+Fkx-Fax=msAsxFky-Fay=msAsy+msgFkyrskx-Fkxrsky-Fayrsax+Fkxrtky=ItΑt-Mh+Mk小腿:Faxrsay=IsΑs-Mk+Ma脚:Fax-Fpx=Fay-Fpy=mfAfxmfAfy+mfgFayrfax-Faxrfay-Fpyrfpx+Fpxrfpy+Mp=IfΑf-Ma上式中Fij表示在第i个铰链处关节之间互相作用力的第i个分量,Mi表示第i个铰链处的纯关节力矩,Akj表示第k个关节线性加速度的第i个分量,Αk表示第k个关节的角速度,rki表示从第k个关节的重心至第i个铰链的力臂矢量的第i个分量,mk和Ik表示第k个关节的质量和惯性矩.在每一时间瞬时,上式方程可简写为矩阵形式且具有标准线性代数方程形式即:Ax=b,式中10rththx000000-10rtky10rsky0000000-10rsay10rfay0000-1rsax01rfax000000-10rfpy0000000000000000-1rtkx01--A=(10)-rskx000--1rfpx--FhxFhyFkxFkyFaxFayFpxFpyMp(11)x=·14·西北轻工业学院学报第15卷mtAtxmtAty+mtgItΑt-Mh+MkmsAsxMsAsy+MsgIsΑs-Mk+MamfAfxmfAfy+mfg(12)b=IfΑf-Ma矩阵A含有力臂项(相对于3个力矩方程),±1用于力方程.x含有作用在各铰链处的水平和垂直分量、绕脚心的力矩Mp.矢量b含有由于重力和关节力矩及惯性力和力矩构成的各分量.在分析脚踏运动时,x和b矢量的所有分量可由运动学分析,也可由一般的逆动力学方程求得.当以这种形式表达时,依赖于惯性力和重力的脚踏力变得很明显,在每一瞬时,脚踏力可由作为x矢量的一个分量而计算出,并且,脚踏力是由纯关节力矩和惯性力和力矩及重力的一个线性组合.这样脚踏力可分解为Fpm(肌肉力)和Fpn(非肌肉力),并指定Fpm是由纯关节力矩引起的作用于脚踏的力,Fpn是由惯性和重力的作用引起的脚踏力.更进一步地:Fpn=Fpnw+Fpnin,这里Fpnw表示重力的影响,Fpnin表示惯性的影响,对应b矢量可写为bnw+bnin=bn,bm+bn=b,即:b=bm+bnw+bnin.同理x分量可写为:x=xm+xnw+xnin.Ax=b可分解为以下3种方程:第一:Axm=bm00Mh+00Mk+00-Mkbm=(13)-Ma-Ma第二:Axnw=bnw·15·第2期张元莹:自行车骑行过程中脚踏力的分析0Mtg00Msg00Mfg(14)bnw=0第三:Axnin=bninmtAtxmtAtyItΑtmsAs
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