利用三维仿真人体模型对运动员滑雪动作的生物力学研究

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论文摘要

  1 概述
  
  我国从 20 世纪 80 年代就开始开展了自由式滑雪空中技巧项目,由于该项目主要突出技巧性、柔韧性以及灵活性,符合中国人的自身运动特点和身体特征,所以自由式空中技巧成为中国选手在雪上项目夺金的突破口。现今运动员为取得佳绩不仅仅要有刻苦的运动训练,更需要科学技术的全面支持。利用三维仿真人体模型对运动员的动作进行合理的滑雪评判是生物力学研究的主要方法和手段。

  1.1 目的与意义

  采用三维实体建模软件对运动员人体进行造型,同时在准确确定的人体运动范围的数据后, 通过人体测量学、人体工程学等方法建立科学的运动学模型, 对运动员人体运动进行了仿真。本研究采用激光扫描技术,对自由式滑雪运动员在助滑阶段的几个主要动作进行数据采集,即应用逆向工程这种先进的设计理念,以“人体模型- 设计 - 三维仿真 - 再设计”框架为工作过程,建立自由式滑雪运动员三维人体模型。

  1.2 激光扫描技术的应用现状

  三维激光扫描技术是基于激光测距原理,借助三维激光扫描仪发射激光,通过特定的测量设备和测量方法获得实物表面离散的几何坐标数据的测量技术。由于三维激光扫描具有较高的精度、速度和良好的立体扫描特性,该技术可以真正做到直接从实物中进行高质量的逆向三维数据采集和模型构建。三维激光扫描技术现在已经被广泛地应用在工程测量、逆向工程、虚拟建模等领域并有着非常广泛的应用前景。

  2 数据的采集

  本课题基于激光扫描技术的自由式滑雪运动员的三维人体模型数据采集对象为目前拥有世界高难度动作的中国男子自由式滑雪运动员贾 XX。

  激光扫描设备选用 Anthroscan 3D VITUS 三维人体扫描仪。该设备通过激光三角测量原理,较为快速、准确并无接触地完成人体关键尺寸自动测量,自动输出人体测量数据。三维人体扫描仪为建立人体尺寸标准、人体工效学、运动员选材、服装、护具设计等被科研院所广泛应用于人体数据采集和自动处理。

  本研究的主要研究对象为自由式滑雪空中技巧运动员在助滑坡上滑行过程中所做的各种动作对出台速度的影响,运动员在滑行阶段的姿态可大体分为启动———后半蹲———展体———上举。运动员在助滑过程中分别按照动作顺序额依次采集了 6 个动作数据,记作1、2、3、4、5、6,如图 1。为保证模型采集的真实性和准确性,对采集对象要求穿戴正规的滑雪用具其中包括滑雪靴、运动服、滑雪帽、手套等。【图.略】

  3 数据处理与分析

  本文是利用三维人体扫描仪采集的滑雪运动员数据进行激光扫描点云处理,生成准确的数字模型。利用 Geomagic Studio 软件对点云数据进行预处理,数据处理主要包括以下工作:转化数据格式、过滤噪音、数据精简、孔填充、松弛表面等。经过预处理所生成的IGS 文件导入 pro/ENGINEER 软件中并在删除不理想的曲面,创建平滑曲面的前提下对点云进行重新造型,最终形成三维人体模型。后续工作可以导入有限元和流体分析等软件中进行有限元分析和流场分析。如图 2 所示。【图2】
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  3.1 模型重构前的预处理

  在 pro/ENGINEER 软件中点击插入或小平面特征命令,导入之前由 Geomagic Studio 保存的 IGS 格式的点云数据,数据精简后对细小平面进行包络处理。随后会在模型的空隙部位(如:手臂与躯干之间、两腿之间)形成腹板面,腹板面的出现会影响几何形状,因此必须去除。如图 3 所示。去除腹板后,将对细小平面进行整合、松弛等优化操作,使小平面变得光滑,最后将整个小平面特征以相邻边缘整合为一体,此步骤尤为重要,决定了后续的重新造型的成功与否。【图.略】

  3.2 模型的重新造型

  进入重新造型阶段后,将人体模型重新进行曲面的划分,曲面创建工作完成。通过旋转模型进行观察,去除曲面的转折过渡的部分出现的褶皱和变形,优化和去除位置和结构不正确的面和线,创建新的、符合要求的理想曲线和曲面。如图 4 所示。【图.略】

  在设计过程实质上是重新建立曲面之间的约束的过程,这样所需要的自由式滑雪运动员的曲面模型就相继完成了。如图 5 所示。【图.略】

  3.3 保存数据

  把在 pro/ENGINEER 软件中重新造型后的人体三维曲面模型保存为“IGS”格式后,就可以导入 ANSYS、FLUENT 对曲面进行有限元分析。

  4 结论

  人体形状为复杂的曲面,如果直接对其进行精确的测量并得到全面、细致的人体数据难度较大。因此获取人体曲面数据的前提是建立三维人体模型,它是一项基础性的工作。本文选用激光扫描技术对自由式滑雪空中技巧运动员进行激光扫描点云的方法,测量速度快,测量面积大,数据完整。

  通过三维逆向工程软件将激光扫描技术获得的数据进行格式转换,将缺失的和褶皱的人体点云转化,形成光顺、完整的曲面人体模型后,可导入 ANSYS、FLUENT 等工程软件中进行有限元分析。实现了将激光扫描技术在自由式滑雪运动员三维人体模型建立上的应用,为以后将这一技术应用在技术动作的分析,降低受伤率,提高运动成绩与竞技水平做下了铺垫。

  参考文献
  
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