加速度傳感儀在射擊射箭運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練中的應(yīng)用

米衛(wèi)國(guó)

加速度傳感儀在射擊射箭運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練中的應(yīng)用

米衛(wèi)國(guó)

采用加速度傳感儀來(lái)分析射擊射箭項(xiàng)目的專項(xiàng)技術(shù)特點(diǎn)，通過(guò)相關(guān)部位的加速變化曲線來(lái)反映專項(xiàng)技術(shù)動(dòng)作的穩(wěn)定性及時(shí)相等特征，方法新穎，具有良好的可行性。實(shí)踐說(shuō)明，進(jìn)一步提高加速度傳感儀的精度、適宜頻率、數(shù)據(jù)傳輸方式及校準(zhǔn)方法等將是方法本身在射擊射箭項(xiàng)目中深入應(yīng)用的發(fā)展方向。

射擊；射箭；加速度傳感儀；應(yīng)用

射擊射箭類項(xiàng)群技術(shù)動(dòng)作的外在表現(xiàn)并不復(fù)雜，但動(dòng)作的精細(xì)程度，動(dòng)作穩(wěn)定性和一致性方面是其它任何項(xiàng)目所不具備的，在訓(xùn)練實(shí)踐中，快速準(zhǔn)確找出與專項(xiàng)技術(shù)有關(guān)的穩(wěn)定性與一致性方面的特征參數(shù)，是提高專項(xiàng)技術(shù)水平的有效途徑。理論和事實(shí)說(shuō)明，與常規(guī)的技術(shù)診斷方法相比較，加速度傳感器無(wú)論從靈敏度、快速反饋等方面都有它獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)。

許多有關(guān)體力活動(dòng)的研究中，有過(guò)關(guān)于加速度傳感器應(yīng)用的報(bào)導(dǎo)，特別是近些年來(lái)，關(guān)于人體活動(dòng)能量消耗、步態(tài)等有關(guān)領(lǐng)域的研究中，有不少方法都涉及到加速度傳感器的應(yīng)用。如美國(guó)、日本等學(xué)者在研究適合測(cè)評(píng)人體活動(dòng)的傳感器方面，取得了豐富的經(jīng)驗(yàn)。然而，在競(jìng)技運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域，限于條件及方法適用性等方面原因，把加速度傳感器應(yīng)用在競(jìng)技運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練過(guò)程中的案例極少。

針對(duì)一線運(yùn)動(dòng)隊(duì)在備戰(zhàn)十一屆全運(yùn)會(huì)訓(xùn)練的科技攻關(guān)服務(wù)過(guò)程中，采用加速度傳感儀來(lái)分析高水平運(yùn)動(dòng)員在運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練中的技術(shù)狀況，以及在實(shí)踐使用 當(dāng)中的一些情況和問(wèn)題進(jìn)行歸納總結(jié)，以資后續(xù)相關(guān)應(yīng)用與研究參考。

1 射擊射箭項(xiàng)目中幾個(gè)常用技術(shù)診斷方法應(yīng)用的局限性

目前，用于射擊射箭類項(xiàng)目技術(shù)動(dòng)作分析與評(píng)價(jià)的幾個(gè)主要方法包括，表面肌電圖（sEMG），激光與紅外線瞄準(zhǔn)類儀器，運(yùn)動(dòng)影像分析（主要依賴Dartfish、APAS等運(yùn)動(dòng)分析系統(tǒng)），高速錄像、平衡測(cè)量?jī)x，高速紅外掃描三維動(dòng)作分析（如Qualysis系統(tǒng)）等，并且多數(shù)集成或伴有心率參數(shù)同時(shí)進(jìn)行。這些測(cè)評(píng)的方法手段主要用于分析專項(xiàng)動(dòng)作結(jié)構(gòu)、肌肉活動(dòng)狀況，瞄準(zhǔn)軌跡晃動(dòng)規(guī)律，完成動(dòng)作時(shí)身體重心穩(wěn)定情況等，來(lái)輔助分析或幫助解決運(yùn)動(dòng)員在完成專項(xiàng)技術(shù)動(dòng)作中存在的問(wèn)題。

射擊射箭運(yùn)動(dòng)技術(shù)表現(xiàn)為動(dòng)作精細(xì)，重復(fù)性高，動(dòng)作一致強(qiáng)、尤其對(duì)于一線高水平運(yùn)動(dòng)員，動(dòng)作差異極小，常規(guī)的技術(shù)診斷方法往往難以通過(guò)比較法來(lái)發(fā)現(xiàn)其中可能存在的問(wèn)題，比如在一些運(yùn)動(dòng)學(xué)的參數(shù)的測(cè)量比較方面，更是如此，如果把運(yùn)動(dòng)員專項(xiàng)技術(shù)的個(gè)性特征結(jié)合起來(lái)，那么這些數(shù)據(jù)所反映的有效、有用信息就相當(dāng)有限了。

2 測(cè)試所用加速度傳感儀的工作原理與主要參數(shù)

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，集成電路工藝的提高，目前的加速度基本克服了價(jià)格昂貴、可靠性低、體積較大的缺點(diǎn)，因而在實(shí)踐上已經(jīng)能夠滿足部分運(yùn)動(dòng)測(cè)試的需要。我們采用的是美國(guó)產(chǎn)IDEEA二代改進(jìn)產(chǎn)品，根據(jù)我們的特殊要求作了些適應(yīng)性改變，同時(shí)配備了二軸和三軸二種傳感器，量程為±3 g，采樣頻率分別為32 Hz和64 Hz，并且具備同時(shí)記錄心率的功能。產(chǎn)品體積小，便攜，工作時(shí)間長(zhǎng)，一般采集以訓(xùn)練課為單位。傳感器實(shí)物及工作原理如圖1。

實(shí)際測(cè)試使用當(dāng)中，我們根據(jù)實(shí)際需要，主要記錄腰部以及持槍、持弓臂數(shù)據(jù)，并同步記錄ECG（三導(dǎo)）、H R數(shù)據(jù)。

3 加速度傳感器測(cè)量的有關(guān)時(shí)間參數(shù)及其訓(xùn)練學(xué)意義

采用加速度傳感器記錄運(yùn)動(dòng)員整堂課的數(shù)據(jù)，有重要的重要的價(jià)值。從數(shù)據(jù)的整體可以獲得基本的訓(xùn)練量，比如完成動(dòng)作的次數(shù)、全部訓(xùn)練時(shí)間，訓(xùn)練期間的即時(shí)心率等數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)的對(duì)于掌握運(yùn)動(dòng)員的訓(xùn)練負(fù)荷等方面的情況有較大的幫助，如圖2。選取了運(yùn)動(dòng)員在擊發(fā)瞬間前后共約4 s左右時(shí)間內(nèi)手部分動(dòng)作晃動(dòng)情況，心電曲線的波峰顯然是左心室強(qiáng)有力收縮瞬間，從ECG曲線，可以看出，運(yùn)動(dòng)員在完成動(dòng)作的瞬間，心動(dòng)周期約為0.83 s，即心率為72 次/min，是相當(dāng)平靜的。

從曲線上分析，我們可以看出，氣手槍運(yùn)動(dòng)員在完成擊發(fā)前，持槍手臂相當(dāng)穩(wěn)定，加速傳感器曲線是一條連毛刺都沒(méi)有的直線，表明傳感器沒(méi)有感受到任何動(dòng)作晃動(dòng)，說(shuō)明運(yùn)動(dòng)員的手臂動(dòng)作是“紋絲不動(dòng)”的。在完成擊發(fā)瞬間，受后座力影響，手臂出現(xiàn)輕微晃動(dòng)。盡管晃動(dòng)的幅度通過(guò)肉眼是難以看到，但在加速度傳感器曲線上還是比較明顯的波動(dòng)，如圖3。從圖3可以知道，運(yùn)動(dòng)員扣動(dòng)扳機(jī)的這個(gè)關(guān)鍵動(dòng)作剛好是在兩次心博之間完成的，這對(duì)提高命中率顯然是非常有利的，通過(guò)類似的監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)個(gè)別運(yùn)動(dòng)員在完成動(dòng)作時(shí)心率達(dá)到110次以上后，擊發(fā)時(shí)機(jī)與心博的時(shí)序關(guān)系規(guī)律就變得紊亂起來(lái)，且專項(xiàng)動(dòng)作在節(jié)奏方面亦產(chǎn)生變化，成績(jī)下降。我們采用這一方法，首次實(shí)現(xiàn)了擊發(fā)時(shí)機(jī)與心博的時(shí)序關(guān)系這一參數(shù)監(jiān)測(cè)，在運(yùn)動(dòng)員的專項(xiàng)技術(shù)訓(xùn)練的監(jiān)測(cè)與分析中增加了一項(xiàng)頗有參考價(jià)值的指標(biāo)。

4 應(yīng)用加速度傳感器對(duì)持槍、持弓臂加速度變化分析及其比較優(yōu)勢(shì)

圖2為某氣手槍運(yùn)動(dòng)員約1個(gè)小時(shí)左右技術(shù)訓(xùn)練課50發(fā)的持槍手臂的動(dòng)作加速度曲線，為了便于觀察，只載取兩個(gè)方向的曲線圖，從圖中可以看出，該運(yùn)動(dòng)員50個(gè)完整動(dòng)作一致性相當(dāng)高，包括舉槍、瞄準(zhǔn)、擊發(fā)后的保持動(dòng)作，甚至連后續(xù)動(dòng)作環(huán)節(jié)如放下、動(dòng)作之間的間隔等都極為“精準(zhǔn)”如果取其中某一個(gè)動(dòng)作進(jìn)行深入分析，可作適當(dāng)處理，得出如圖3單個(gè)動(dòng)作的曲線圖。

射擊射箭運(yùn)動(dòng)員持槍、持弓臂的穩(wěn)定能力是決定專項(xiàng)技術(shù)水平的關(guān)鍵因素之一，采用運(yùn)動(dòng)影像解析的方法，很難反應(yīng)表現(xiàn)準(zhǔn)確類項(xiàng)目技術(shù)動(dòng)作上的細(xì)微差異，況且傳統(tǒng)影像解析法的操作效率相對(duì)較低、而且在反映動(dòng)作變化規(guī)律方面的精度相對(duì)差一些，因此，常規(guī)運(yùn)動(dòng)解析法這類項(xiàng)群的實(shí)踐中，難以滿足專項(xiàng)技術(shù)訓(xùn)練多次、快速反饋的要求。

目前，能夠比較好地用于監(jiān)測(cè)持槍、持弓臂的生物力學(xué)方法主要有兩種，一是采用紅外光點(diǎn)三維掃描的辦法，這一方法操作起來(lái)相對(duì)復(fù)雜，環(huán)境要求苛刻，成本較高；另一種就是采用瞄準(zhǔn)儀的辦法，以槍、弓把上紅外線或激光束在靶面的晃動(dòng)軌跡（通過(guò)相應(yīng)軟件實(shí)現(xiàn)）來(lái)判斷持槍、弓臂的穩(wěn)定性情況，這也是目前比較常用的辦法，市場(chǎng)上類似的專業(yè)設(shè)備也比較多。這類設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)是直觀，準(zhǔn)確，反饋快，缺點(diǎn)是工作距離有限，且光源發(fā)射裝置增加了額外的負(fù)重，影響了動(dòng)作，另外，槍、弓的震動(dòng)容易導(dǎo)致發(fā)射裝置位移，使得已校好數(shù)據(jù)發(fā)生偏差，從而影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

圖4的曲線的上半部分為持弓手臂與身體重心位置的晃動(dòng)情況，兩圖下半部分分別為同步記錄的即時(shí)ECG曲線。稍作分析不難發(fā)現(xiàn)，很明顯，手臂動(dòng)作的變化幅度較重心位置的變化幅度要大得多，且重心位置的變化幅度極小，尤其是前后向晃動(dòng)幾乎沒(méi)有，這說(shuō)明兩名射箭運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)作變化規(guī)律均具有較高的動(dòng)作一致性。在持弓手穩(wěn)定性方面，左邊曲線所對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)員要更強(qiáng)一些，并且曲線所反映出來(lái)動(dòng)作直線用力效果更明顯，缺點(diǎn)是重心在射箭面內(nèi)晃動(dòng)的時(shí)機(jī)稍早，且幅度較右邊曲線對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)員要大，在技術(shù)存在松撒隱患。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間跟蹤分析和高速錄像監(jiān)測(cè)等方法也證實(shí)了這一點(diǎn)。

在單個(gè)動(dòng)作的曲線圖中，增加了有關(guān)ECG的曲線圖，從心電的曲線圖形可以容易地了解到運(yùn)動(dòng)員在完成擊發(fā)動(dòng)作心電情況，比如心率（HR）等，圖3中為了便于觀察，我們?nèi)サ袅朔€(wěn)定瞄準(zhǔn)階段和擊發(fā)后的持續(xù)動(dòng)作兩個(gè)環(huán)節(jié)，只

5 加速度傳感器身體重心位置的穩(wěn)定性測(cè)量及綜合分析

目前，對(duì)運(yùn)動(dòng)員身體重心晃動(dòng)的測(cè)量基本上以是測(cè)力平臺(tái)或測(cè)力鞋墊的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的。測(cè)力平臺(tái)可以準(zhǔn)確反應(yīng)重心的晃動(dòng)軌跡，測(cè)力鞋墊則能夠通過(guò)腳底各部位的壓力分布規(guī)律來(lái)判斷重心的大致變化情況，相比較于加速度傳感器測(cè)量，它們的優(yōu)點(diǎn)是不論靜態(tài)或動(dòng)態(tài)重心的變化規(guī)律都能較好的體現(xiàn)出來(lái)，而加速度傳感器對(duì)靜態(tài)重心位置的變化則無(wú)能為力。

采用加速度傳感器來(lái)測(cè)量重心位置變化規(guī)律，它對(duì)擊發(fā)瞬間的晃動(dòng)情況是比較敏感的。實(shí)踐當(dāng)中往往是這一瞬間所表現(xiàn)出來(lái)規(guī)律和專項(xiàng)技術(shù)水平存在著更多的關(guān)聯(lián)。如在射箭項(xiàng)目中，如果運(yùn)動(dòng)員的在完成撒放動(dòng)作時(shí)，直線用力效果不理想，或站立動(dòng)作不合理，勢(shì)必造成身體前后方向的晃動(dòng)較快，幅度可能也比較大，并且可以與箭道方向的晃動(dòng)的時(shí)間關(guān)系作比較，則能夠比較容易發(fā)現(xiàn)動(dòng)作中可能存在的問(wèn)題。圖5為射箭運(yùn)動(dòng)員在撒放時(shí)身體重心的晃動(dòng)變化規(guī)律。從中可以看出，該運(yùn)動(dòng)員在完成撒放動(dòng)作瞬間，身體晃動(dòng)呈現(xiàn)不同的變化趨勢(shì)。無(wú)論是從變化幅度，還是從不同方向變化的時(shí)序上來(lái)看，都有較大的不同，說(shuō)明這名運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)作一致性存在較大的差異性，效果不理想。

在飛碟項(xiàng)目中，身體重心的變化規(guī)律也是相當(dāng)重要的一個(gè)參數(shù)之一，運(yùn)動(dòng)員在完成審靶瞄準(zhǔn)短短0.5 s左右的時(shí)間內(nèi)，以軀干的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)作，帶動(dòng)上肢與槍枝穩(wěn)定架構(gòu)，完成跟靶、瞄準(zhǔn)、擊發(fā)等一系列的動(dòng)作。根據(jù)力偶原理，要想轉(zhuǎn)動(dòng)速度越快，那么轉(zhuǎn)動(dòng)軸應(yīng)接近某個(gè)人槍質(zhì)量體的某個(gè)垂直中心線。這樣，采用加速度傳感器特有方向性特點(diǎn)，所得數(shù)據(jù)應(yīng)相對(duì)較小，且變化的規(guī)律應(yīng)與托槍臂的變化趨勢(shì)一致，在動(dòng)作變化時(shí)相方面應(yīng)遵循特定的規(guī)律。圖6為多向飛碟運(yùn)動(dòng)員的完成考核過(guò)程中某個(gè)時(shí)間段的加速度變化曲線。

圖6所示的是飛碟單靶擊發(fā)瞬間的軀干與托槍臂的加速度變化曲線，從變化幅度上講，顯然是臂的轉(zhuǎn)動(dòng)幅度要大得多，這不難理解，但從曲線變化的時(shí)相上看，手臂的動(dòng)作要稍早于軀干的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)作，這種變化規(guī)律是否可以認(rèn)為腰部帶動(dòng)軀干及上肢轉(zhuǎn)動(dòng)方面做得還不夠，或動(dòng)作上存在一定的不合理性，還是由于測(cè)量方法本身的特點(diǎn)，這有待于更多、更深入的測(cè)試與研究。

另外，曲線上還可清楚看出，跟靶至擊發(fā)的整個(gè)動(dòng)作周期約為0.42 s，如果加上0.12 s左右的反應(yīng)時(shí)，飛碟從飛出到擊發(fā)約為0.54 s，理論上處于最有效的命中范圍的臨界值。

6 小結(jié)

采用用加速度傳感儀來(lái)分析射擊射箭運(yùn)動(dòng)員專項(xiàng)動(dòng)作的穩(wěn)定性，方法新穎，實(shí)踐中具有可行性，它與其它相關(guān)技術(shù)診斷方法，如表面肌電、影像分析等方法相輔相成，綜合運(yùn)用，能夠比較好地采集到相應(yīng)動(dòng)作環(huán)節(jié)部位穩(wěn)定性與心電方面的相關(guān)數(shù)據(jù)，有助于發(fā)現(xiàn)專項(xiàng)技術(shù)訓(xùn)練中可能存在的問(wèn)題。

在實(shí)際使用當(dāng)中，我們也發(fā)現(xiàn)，要更好把加速度傳感儀應(yīng)用到運(yùn)動(dòng)技術(shù)診斷中，方法本身的精度、校準(zhǔn)方法、采樣頻率等方面的參數(shù)還有待進(jìn)一步提高，另外，在數(shù)據(jù)傳輸方面，采用無(wú)線傳輸?shù)确椒軌蜉^大程度上減少對(duì)運(yùn)動(dòng)員的干擾，有利于提高所獲取數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

[1]章吉良,等.微傳感器原理、技術(shù)及應(yīng)用[M].上海：上海交通大學(xué)出版社,2005.12(1)

[2]郭蓓.射箭項(xiàng)目備戰(zhàn)重大比賽的訓(xùn)練理論與方法[M].黑龍江：黑龍江科學(xué)技術(shù)出版社,2007.8

[3]中國(guó)國(guó)家體育總局.中國(guó)體育教練員崗位培訓(xùn)教材－射箭[M].北京：人民體育出版社,2001.10

[4]李良標(biāo),趙墨臣.射箭技術(shù)的生物力學(xué)研究[J].北京體育學(xué)院學(xué)報(bào),1987（3）

（責(zé)任編輯:何聰)

Application of Acceleration Sensing Instrument to Shooting and Archery Training

MI Wei-guo
(Shanghai Research Institute of Sports Science, Shanghai 200030, China)

Acceleration sensing instrument was applied to analyze the specific technical characteristics of shooting and archery. Acceleration Curves of the relative parts may reflect the characteristics of stability and phase of the specific technical movements. This novel method has very good feasibility. Practice proves that improving the accuracy, appropriate frequency and data transmission and calibration methods will further promote the application of the instrument to shooting and archery.

shooting; archery; acceleration sensing instrument; application

G804.6

A

1006-1207(2010)01-0077-03

2009-12-31

上海市體育局科研攻關(guān)與科技服務(wù)（09 T F 006）

米衛(wèi)國(guó)，男，助理研究員，博士.主要研究方向：運(yùn)動(dòng)生物力學(xué).

上海體育科學(xué)研究所， 上海 200030