抓举动作优化方法及装置制造方法
【专利摘要】本发明实施例提供了一种抓举动作优化方法及装置，改善了现有技术中对抓举动作进行优化，求解难度较大，优化效果不理想的问题。所述方法包括：在每个生物力学模型的各关节处建立坐标系，获得每个生物力学模型中各环节的运动轨迹和各关节的坐标系向量qi；计算出各生物力学模型中的关节速度向量和关节角速度向量；根据计算出的关节速度向量获得各生物力学模型中各关节力矩Qia；根据各关节力矩Qia和关节角速度向量计算出多个生物力学模型中各关节力矩之和及各关节功之和；将多个生物力学模型中各关节力矩之和及各关节功之和最小的抓举动作作为最优动作。使用该方法，可以显著降低求解难度，提高优化效果，实施方便，易于推广应用。
【专利说明】抓举动作优化方法及装置
【技术领域】
[0001] 本发明涉及竞技体育比赛领域，具体而言，涉及竞技体育比赛中的抓举动作优化 方法及装置。
【背景技术】
[0002] 在竞技体育比赛中，抓举是一项技术性强、可观赏性较高的重竞技比赛项目，是一 个快速连续不断地将杠铃从举重台提起到两臂在头上伸直的动作：两足左右分开站立，双 手握杠上提，当杠铃提到与胸同高时身体下蹲，使身体位于杠铃下，双臂伸直支撑杠铃，两 腿收回。
[0003] 与普通的比赛项目以及人体一般的随意性运动不同，抓举不仅要满足一定的生物 力学约束，还要符合相应的技术动作规则，如不能从悬垂状态提铃、提铃过程中不允许停顿 等，这些规则在关节空间的转移上往往表现为时间的相关性。
[0004]发明人在研究中发现，运动员抓举过程的关节特征曲线在连续空间有无穷多个， 现有技术中主要通过遗传算法对抓举动作进行优化，求解难度较大，优化效果不理想。
【发明内容】
[0005] 有鉴于此，本发明实施例的目的在于提供一种抓举动作优化方法及装置，以改善 现有技术中对抓举动作进行优化，求解难度较大，优化效果不理想的问题。
[0006] 为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
[0007] 第一方面，本发明实施例提供了一种抓举动作优化方法，包括：
[0008]预先建立生物力学模型，所述生物力学模型为多个，与抓举过程中的多个抓举动 作分别对应，所述生物力学模型包括多个环节及连接于所述环节端部的多个关节，所述多 个环节包括小腿、大腿、躯干、上臂和前臂；
[0009] 在每个所述生物力学模型的各关节处建立坐标系，获得每个所述生物力学模型中 各所述环节的运动轨迹和各所述关节的坐标系向量qi;
[0010] 采用有限差分法，根据各所述环节的运动轨迹和各所述关节的坐标系向量Qi计算 出各所述生物力学模型中的关节速度向量和关节角速度向量；
[0011] 采用逆向动力学方法根据计算出的所述关节速度向量获得各所述生物力学模型 中各所述关节力矩QA根据各所述关节力矩Q丨'和所述关节角速度向量计算出所述多个生 物力学模型中各所述关节力矩之和及各所述关节功之和；
[0012] 将所述多个生物力学模型中各所述关节力矩之和及各所述关节功之和最小的所 述抓举动作作为最优动作。
[0013] 结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，所 述生物力学模型为平面模型；
[0014] 所述多个关节包括连接于所述小腿下端的踝关节，连接于所述小腿与大腿之间的 膝关节，连接于所述大腿与躯干之间的髋关节，连接于所述躯干与上臂之间的肩关节，连接 于所述上臂与前臂之间的肘关节；
[0015] 所述生物力学模型中的小腿、大腿、躯干、上臂和前臂之间的角度与进行抓举动作 的角度相同。
[0016] 结合第一方面的第一种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第二种 可能的实施方式，其中，所述在每个所述生物力学模型的各关节处建立坐标系包括：
[0017] 建立以水平方向为X轴方向的三维坐标系（X。，Y。，Ztl);在每个所述生物力学模型 的踝关节、膝关节、髋关节、肩关节和肘关节处分别建立关节坐标系（LYpZihi= 1，"·5 ;
[0018] 其中，所述踝关节和膝关节处的坐标系以所述小腿方向为X轴方向；所述髋关节 处的坐标系以所述大腿方向为X轴方向；所述肩关节处的坐标系以所述躯干方向为X轴方 向；所述肘关节处的坐标系以所述上臂方向为X轴方向。
[0019] 结合第一方面的第二种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第三种 可能的实施方式，其中，所述踝关节、膝关节、髋关节、肩关节和肘关节处的关节力矩Q丨'通 过以下公式得出
【权利要求】
1. 一种抓举动作优化方法，其特征在于，包括： 预先建立生物力学模型，所述生物力学模型为多个，与抓举过程中的多个抓举动作分 别对应，所述生物力学模型包括多个环节及连接于所述环节端部的多个关节，所述多个环 节包括小腿、大腿、躯干、上臂和前臂； 在每个所述生物力学模型的各关节处建立坐标系，获得每个所述生物力学模型中各所 述环节的运动轨迹和各所述关节的坐标系向量qi; 采用有限差分法，根据各所述环节的运动轨迹和各所述关节的坐标系向量^计算出各 所述生物力学模型中的关节速度向量和关节角速度向量； 采用逆向动力学方法根据计算出的所述关节速度向量获得各所述生物力学模型中各 所述关节力矩Qr;根据各所述关节力矩q『和所述关节角速度向量计算出所述多个生物力 学模型中各所述关节力矩之和及各所述关节功之和； 将所述多个生物力学模型中各所述关节力矩之和及各所述关节功之和最小的所述抓 举动作作为最优动作。
2. 根据权利要求1所述的抓举动作优化方法，其特征在于，所述生物力学模型为平面 模型； 所述多个关节包括连接于所述小腿下端的踝关节，连接于所述小腿与大腿之间的膝关 节，连接于所述大腿与躯干之间的髋关节，连接于所述躯干与上臂之间的肩关节，连接于所 述上臂与前臂之间的肘关节； 所述生物力学模型中的小腿、大腿、躯干、上臂和前臂之间的角度与进行抓举动作的角 度相问。
3. 根据权利要求2所述的抓举动作优化方法，其特征在于，所述在每个所述生物力学 模型的各关节处建立坐标系包括： 建立以水平方向为X轴方向的三维坐标系（XmYmZj;在每个所述生物力学模型的踝 关节、膝关节、髋关节、肩关节和肘关节处分别建立关节坐标系i= 1，…珏； 其中，所述踝关节和膝关节处的坐标系以所述小腿方向为X轴方向；所述髋关节处的 坐标系以所述大腿方向为X轴方向；所述肩关节处的坐标系以所述躯干方向为X轴方向； 所述肘关节处的坐标系以所述上臂方向为X轴方向。
4. 根据权利要求3所述的抓举动作优化方法，其特征在于，所述踝关节、膝关节、髋关 节、肩关节和肘关节处的关节力矩Q【通过以下公式得出
其中，Li为各所述环节的长度；qi为各所述关节的坐标系向量；qi=(Xi，Xh)Zp其中， \为各所述关节的X轴坐标向量，Y,为各所述关节的Y轴坐标向量，Z,为各所述关节的Z轴 坐标向量，ZiiXiXYi; 4为各关节的速度向量，
5. 根据权利要求4所述的抓举动作优化方法，其特征在于，各所述关节力矩之和为
其中，Qr为各所述关节力矩，q?'为各所述关节力矩的最大值，为各所述关节角速 度，为各所述关节角速度的最大值，f为各所述关节当前时刻的时间点，tf为各所述关 节最终时刻的时间点。
6. -种抓举动作优化装置，其特征在于，包括： 模型建立单元，用于预先建立生物力学模型，所述生物力学模型为多个，与抓举过程中 的多个抓举动作分别对应，所述生物力学模型包括多个环节及连接于所述环节端部的多个 关节，所述多个环节包括小腿、大腿、躯干、上臂和前臂； 坐标系建立单元：用于在所述模型建立单元建立的每个所述生物力学模型的各关节处 建立坐标系，获得每个所述生物力学模型中各所述环节的运动轨迹和各所述关节的坐标系 向量Qi; 第一计算单元：用于采用有限差分法，根据各所述环节的运动轨迹和各所述关节的坐 标系向量1计算出各所述生物力学模型中的关节速度向量和关节角速度向量； 第二计算单元：用于采用逆向动力学方法根据计算出的所述关节速度向量获得各所述 生物力学模型中各所述关节力矩Qf;根据各所述关节力矩Q：和所述关节角速度向量计算 出所述多个生物力学模型中各所述关节力矩之和及各所述关节功之和； 最优动作选取单元：用于将所述多个生物力学模型中各所述关节力矩之和及各所述关 节功之和最小的所述抓举动作作为最优动作。
7. 根据权利要求6所述的抓举动作优化装置，其特征在于，所述生物力学模型为平面 模型； 所述多个关节包括连接于所述小腿下端的踝关节，连接于所述小腿与大腿之间的膝关 节，连接于所述大腿与躯干之间的髋关节，连接于所述躯干与上臂之间的肩关节，连接于所 述上臂与前臂之间的肘关节； 所述生物力学模型中的小腿、大腿、躯干、上臂和前臂之间的角度与进行抓举动作的角 度相问。
8. 根据权利要求7所述的抓举动作优化装置，其特征在于，所述坐标系建立单元用于 在所述模型建立单元建立的每个所述生物力学模型的各关节处建立坐标系，包括： 建立以水平方向为X轴方向的三维坐标系（XmYmZj;在每个所述生物力学模型的踝 关节、膝关节、髋关节、肩关节和肘关节处分别建立关节坐标系i= 1，…珏； 其中，所述踝关节和膝关节处的坐标系以所述小腿方向为X轴方向；所述髋关节处的 坐标系以所述大腿方向为X轴方向；所述肩关节处的坐标系以所述躯干方向为X轴方向； 所述肘关节处的坐标系以所述上臂方向为X轴方向。
9. 根据权利要求6所述的抓举动作优化装置，其特征在于，所述第二计算单元用 于通过以下公式得出所述踝关节、膝关节、髋关节、肩关节和肘关节处的关节力矩Q『，
其中，Li为各所述环节的长度；qi为各所述关节的坐标系向量；qi=(Xi，Xh)Zi，其中， \为各所述关节的X轴坐标向量，Y,为各所述关节的Y轴坐标向量，Z,为各所述关节的Z轴 坐标向量，Zi=XiXYi;g为各关节的速度向量，，A=而,./i*。
10.根据权利要求6所述的抓举动作优化装置，其特征在于，所述第二计算单元用于通
其中，Qr为各所述关节力矩，Qr为各所述关节力矩的最大值，％为各所述关节角速 度，为各所述关节角速度的最大值，f为各所述关节当前时刻的时间点，tf为各所述关 节最终时刻的时间点。
【文档编号】G06F17/50GK104484540SQ201510006859
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2015年1月5日 优先权日:2015年1月5日
【发明者】赵立江 申请人:赵立江