الگوی بهینه‌ی حرکت برخاستن از وضعیت اسکوات با استفاده از توابع هزینه‌ی مختلف

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری بیومکانیک ورزشی، دانشکده علوم ورزشی، دانشگاه خوارزمی

2 استاد گروه بیومکانیک ورزشی، دانشکده علوم ورزشی، دانشگاه خوارزمی

چکیده

زمینه و هدف: برخاستن یکی از تکراری­ ترین حرکات روزمره است که اجرای آن نیازمند اعمال گشتاور زیاد و حفظ دقیق تعادل می‌باشد. هدف از انجام این مطالعه­، بهینه­ سازی الگوی حرکت برخاستن از وضعیت اسکوات با استفاده از چند تابع هزینه­ ی مختلف بود.
روش بررسی: در این مطالعه از دو تابع هزینه­ ی حداقل گشتاور و انرژی مکانیکی و یک تابع چند هزینه­ ای استفاده شد. تابع چند هزینه­ ای به­ شکلی طراحی گردید که گشتاور کل، انرژی مکانیکی، حداکثر گشتاور زانو و احتمال بی­ تعادلی، به‌طور همزمان کاهش یابد. جهت ساخت مدل و انجام مقایسه­ با الگوهای بهینه، از نمای ساجیتال حرکت برخاستن از وضعیت اسکوات شش نفر مرد جوان سالم (سن 2/1±6/24 سال، وزن 2/5±5/72 کیلوگرم، قد 7/4±177 سانتی­متر)، فیلم گرفته و مدلی دو بُعدی و چهار سگمنتی، بر اساس معادلات حرکت تعریف شد. پس از اعمال قیدها و توابع هزینه، از الگوریتم ژنتیک جهت یافتن الگوی بهینه استفاده گردید.
یافته­ ها: طبق نتایج پژوهش، الگوی حرکتی ناشی از تابع چند هزینه­ ای، کاهش 5/2 درصدی در انرژی مکانیکی، 5/3 درصدی در گشتاور کل مفاصل و 3/43 درصدی در حداکثر گشتاور مفصل را به نسبت الگوی ارائه شده توسط آزمودنی­ ها نشان داد. علاوه بر این تابع چند هزینه­ ای، به نسبت دو تابع هزینه­ ی دیگر، شباهت بیشتری با الگوی آزمودنی­ ها داشت و با کنترل هزینه­ ی تعادل، ایمنی حرکت را نیز افزایش داد.
نتیجه­ گیری: در جریان بهینه­ سازی حرکات مختلف، مطلوب است که ابتدا فاکتورهای مؤثر بر حرکت شناسایی شود و سپس به­ کمک یک تابع هزینه­ ی کامل و مناسب، بهترین الگو برای تکلیف مورد نظر انتخاب شود. نتایج این مطالعه می­تواند الگوی بهینه­ ی برخاستن از وضعیت اسکوات را با هدف طراحی وسایل توانبخشی و پروتکل­ های تمرینی ارائه نماید.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


Alexander NB, Gross MM, Medell JL, Hofmeyer MR. (2001). Effects of functional ability and training on chair-rise biomechanics in older adults. Journal of the Gerontology Series A. Biological Sciences and Medical Sciences. 56(9): 538–547.

Anderson FC, Pandy MG. (2001). Dynamic optimization of human walking. Journal of Biomechanics Engineering. 123:381–390.

Biess A, Liebermann DG, Flash T. (2007). A computational model for redundant human three-dimensional pointing movements: inte­gration of independent spatial and temporal motor plans simpli­fies movement dynamics. The Journal of Neuroscience. 27: 13045–13064.

Chandler, T.J., Stone, M.H. (1991). The squat exercise in athletic conditioning: A position statement and review of the literature. Journal of Strength and Conditioning Research. 13: 51–60.

Chung H. (2009). Optimization-based dynamic prediction of 3D human running. University of Iowa. Dissertation.

Dos Santos AN, Pavao SL, Rocha NA. (2011). Sit-to-stand movement in children with cerebral palsy: A critical review. Research in Developmental Disabilities. 32: 2243–2252.

Escamilla RF, Fleisig GS, Lowry TM, Barrentine SW, Andrews JR. (2001). A three-dimensional biomechanical analysis of the squat during varying stance widths. Medicine and Science in Sports and Exercise. 33: 984–998.

Friedman J, Flash T. (2009). Trajectory of the index finger during grasping. Experimental Brain Research. 196: 497–509.

Fry, A.C., Aro, T.A., Bauer, J.A. (1993). A comparison of methods for determining kinematic properties of three barbell squat exercises. Journal of Human Movement Study. 24: 83–95.

Fujimoto M, Chou LS. (2012). Dynamic balance control during sit-to-stand movement: an examination with the center of mass acceleration. Journal of biomechanics. 2; 45(3): 543-548.

Galli M, Crivellini M, Sibella F, Montesano A, Bertocco P, Parisio C. (2000). Sit-to-stand movement analysis in obese subjects. International Journal of Obesity and Related Metabolic Disorders. 24:1488–1492.

Gundogdu O, Anderson KS, Parnianpour M. (2005). Simulation of manual materials handling: biomechanical assessment under dif­ferent lifting conditions. Technology Health Care. 13:57–66.

Hajlotfalian M, Sadeghi H, Bagherikudakani S. (2014). Optimization of soccer Instep Kick Pattern, Based on the Ball Speed. Studies in Sport Medicine. 6(16): 61-75.(Persian)

Hemmerich A, Brown H, Smith S, Marthandam S SK, Wyss UP. (2006). Hip, knee, and ankle kinematics of high range of motion activities of daily living. Journal of Orthopedic Research, 24(4): 770-781.

Konair, M. (1973). The biomechanical studies on the superposition of angular speeds in joints of lower extremities of sportsman. Balttimore, MD: University park press.

Martin L, Cahouet V, Ferry M, Fouque F. (2006). Optimization model predictions for postural coordination modes, Journal of Biomechanics, 39: 170–176.

Matsui T., Motegi M., Natsuki, T. (2016). Mathematical model for simulating human squat movements based on sequential optimization Mechanical Engineering Journal. 3(2), 15-00377.

Melanie, M. (1999). An introduction to genetic algorithms. Cambridge, Massachusetts London, England. (1999). Fifth printing: 17-150.

Nejadian SL, Rostami M, Towhidkhah F. (2008). Optimization of barbell trajectory during the snatch lift technique by using optimal control theory. American Journal Applied Science. 5(5): 524-531.

Nishii J, Taniai Y. (2009). Evaluation of trajectory planning models for arm-reaching movements based on energy cost. Neural Computation. 21: 2634–2647.

Pandy MG, Garner BA, Anderson FC. (1995). Optimal Control of Non-ballistic Muscular Movements: a constraint performance criterion for rising from a chair. Journal of Biomechanics. 117: 15-25.

Parnianpour M, Wang JL, Shirazi-Adl A, Khayatian B, Lafferriere G. (1999). A computational method for simulation of trunk motion: towards a theoretical based quantitative assessment of trunk per­formance. Biomedical Engineering. 11:27–38

Sadeghi M, Andani M, Bahrami F, Parnianpour M. (2013). Trajectory of human movement during sit to stand: a new modeling approach based on movement decomposition and multi-phase cost function. Experimental brain research. 229(2), 221-234.

Salami F, Jamshidi N. (2008). Power Enhancement of Weightlifters during Snatch through Reducing Torque on Joints by Particle Swarm Optimization. American Journal of Applied Sciences, 5(12): 1670-1675.

Savelberg HH, Fastenau A, Willems PJ, Meijer K. (2007). The load/capacity ratio affects the sit-to-stand movement strategy. Clinical Biomechanics (Bristol, Avon). 22(7): 805–812.

Winter DA. (2009). Biomechanics and Motor Control of Human Movement. (2nd Edition Ed.). John Wiley and Sons Inc. 82-107.

Xiang Y, Arora JS, Abdel-Malek K. (2010). Physics-based modeling and simulation of human walking: a review of optimization-based and other approaches. Structural and Multidisciplinary Optimization, 42(1): 1-23.

Yeadon MR, King MA, Wilson C. (2006). Modeling the maximum voluntary joint torque/angular velocity relationship in human movement, Journal of Biomechanics, 39:476–482.