基于三維動(dòng)態(tài)測(cè)量的網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下人體上肢防護(hù)研究

韓 煥，彭紹群，吳大偉，謝 紅

（上海工程技術(shù)大學(xué)，上海201620）

隨著網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)的普遍開展，網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)服的需求也出現(xiàn)不斷上升的趨勢(shì)。目前對(duì)于網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)服的研究主要集中于外觀設(shè)計(jì)以及通過多種面料的結(jié)合來達(dá)到網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)服裝吸濕快干的效果，其研究手段從最初的研究靜止人體特征而轉(zhuǎn)化到通過結(jié)合網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)特點(diǎn)來研究設(shè)計(jì)網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)服裝。但是，這些研究只僅限于人體舒適性范圍的研究，對(duì)于網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)服的研究還沒有上升到防護(hù)性能范疇。

因此，本文通過測(cè)量人體各關(guān)節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)的變化，將其轉(zhuǎn)化為人體關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的生物力學(xué)參數(shù)，為進(jìn)一步設(shè)計(jì)具有防護(hù)性能的網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)服提供理論基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

實(shí)驗(yàn)對(duì)象：網(wǎng)球熟練者與網(wǎng)球初學(xué)者各5人。

實(shí)驗(yàn)動(dòng)作：通過參考《網(wǎng)球入門寶典》、《網(wǎng)球技巧圖解》等網(wǎng)球?qū)I(yè)書籍，確立實(shí)驗(yàn)動(dòng)作為上拋式發(fā)球動(dòng)作。

實(shí)驗(yàn)工具：NDI三維動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)，網(wǎng)球拍，網(wǎng)球。

實(shí)驗(yàn)對(duì)象著裝要求：

（1）上身著運(yùn)動(dòng)背心，露出手臂及腰部；下身著運(yùn)動(dòng)短褲，運(yùn)動(dòng)鞋；實(shí)驗(yàn)對(duì)象身上不佩戴任何飾品。

（2）女生頭發(fā)盤起以免掉落肩部影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：

（1）實(shí)驗(yàn)包括運(yùn)動(dòng)過程中三維數(shù)據(jù)捕捉以及數(shù)據(jù)的客觀計(jì)算分析。

本實(shí)驗(yàn)主要探究人體運(yùn)動(dòng)過程中人體上肢各關(guān)節(jié)部位的運(yùn)動(dòng)損傷情況，因此在人體肩部，肘部?jī)?nèi)外側(cè)，腕部?jī)?nèi)外側(cè)黏貼標(biāo)記點(diǎn)，記為mark1.2.3.4.5。

（2）在地面做站立標(biāo)記點(diǎn)，以確保每位實(shí)驗(yàn)者都站在同一位置向同一面墻壁的同一目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行上拋式發(fā)球?qū)嶒?yàn)（實(shí)驗(yàn)者在進(jìn)行正式實(shí)驗(yàn)之前，進(jìn)行半個(gè)小時(shí)熱身以及熟悉發(fā)球過程，以確保在實(shí)驗(yàn)中能夠較準(zhǔn)確地將球打擊在目標(biāo)位置），從而能夠確保數(shù)據(jù)的精確性。

（3）實(shí)驗(yàn)分組：實(shí)驗(yàn)采集分為10組，每組人員進(jìn)行沒有戴護(hù)具的空手發(fā)球，以及戴1號(hào)護(hù)腕、2號(hào)護(hù)腕、3號(hào)護(hù)腕等三組帶球發(fā)球動(dòng)作即每位實(shí)驗(yàn)者要做4組實(shí)驗(yàn)，每組實(shí)驗(yàn)連續(xù)做10遍，采集后挑選最穩(wěn)定的5次進(jìn)行后續(xù)數(shù)據(jù)分析。每組采集時(shí)間為2s，在運(yùn)用三維動(dòng)態(tài)捕捉系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)同時(shí)，架有高清攝像機(jī)同時(shí)攝錄實(shí)驗(yàn)過程。

2 結(jié)果分析

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

三維動(dòng)態(tài)捕捉系統(tǒng)原點(diǎn)定義在攝像頭探測(cè)范圍內(nèi)的空間某一點(diǎn)，規(guī)定人體面向攝像頭站立是前后方向?yàn)閄軸，左右方向?yàn)閅軸，上下方向?yàn)閆軸。

根據(jù)在實(shí)驗(yàn)時(shí)與三位動(dòng)態(tài)捕捉系統(tǒng)同時(shí)設(shè)立的高清攝像機(jī)視頻資料，在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的2s過程中，0～0.5s之間是實(shí)驗(yàn)對(duì)象從側(cè)身至揮拍的過程，因此本實(shí)驗(yàn)截取此段時(shí)間數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2.2 結(jié)果與分析

根據(jù)網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)力學(xué)原理，在鞭打動(dòng)作過程中，主要通過動(dòng)量矩的傳遞來實(shí)現(xiàn)末端環(huán)節(jié)最大動(dòng)量的獲得。末端環(huán)節(jié)即肩部，因此，在鞭打動(dòng)作過程中，正確的方式應(yīng)是借助于肩部的力量來帶動(dòng)整條手臂的力量從而打出有效的球。運(yùn)用肩部的力量可以減緩手腕以及手肘部的力量負(fù)擔(dān)，正確的鞭打動(dòng)作可以避免手腕及手肘受到較大的傷害。

在前0.5s制動(dòng)階段，從圖1中可以看出，熟練組與初學(xué)組在這一過程中上肢各關(guān)節(jié)產(chǎn)生的動(dòng)量順序呈相反狀況，熟練組在末端環(huán)節(jié)即肩部產(chǎn)生了最大動(dòng)量來帶動(dòng)整個(gè)手臂的擊打行為，而初學(xué)組則是依靠手腕部的力量來進(jìn)行擊打行為，并且在數(shù)據(jù)中可看出，熟練組產(chǎn)生的動(dòng)量遠(yuǎn)小于初學(xué)組產(chǎn)生的動(dòng)量，熟練組運(yùn)用正確的動(dòng)量傳導(dǎo)過程，利用遠(yuǎn)小于初學(xué)組的動(dòng)量，達(dá)到了與其相同的擊球效果。

圖1 制動(dòng)環(huán)節(jié)中兩組實(shí)驗(yàn)者上肢肩部，肘部，腕部各動(dòng)量大小比較

從上述結(jié)果中可以看出，網(wǎng)球初學(xué)者在對(duì)擊打動(dòng)作不熟悉的情況下，沒有經(jīng)過系統(tǒng)的指導(dǎo)與訓(xùn)練，很容易因?yàn)榘l(fā)力部位不準(zhǔn)確等原因而頻繁使用肘部與腕部的力量擊球，從而導(dǎo)致肘部與腕部負(fù)擔(dān)過重產(chǎn)生損傷。針對(duì)初學(xué)者發(fā)力部位集中于腕部這一特征，對(duì)初學(xué)者進(jìn)行了佩戴護(hù)腕的實(shí)驗(yàn)。通過比較佩戴不同彈性護(hù)腕后初學(xué)者上肢各部位情況來驗(yàn)證護(hù)腕對(duì)人體的防護(hù)效果，并將在后續(xù)的服裝設(shè)計(jì)開發(fā)中參考這一結(jié)果來選擇有效面料。

通過對(duì)比市場(chǎng)所售的護(hù)腕面料及款式，挑選三種相同厚度不同彈性的護(hù)腕作為本次實(shí)驗(yàn)的研究對(duì)象，1號(hào)實(shí)驗(yàn)護(hù)腕是現(xiàn)在市場(chǎng)上最常見的棉質(zhì)護(hù)腕，2號(hào)實(shí)驗(yàn)護(hù)腕為國(guó)內(nèi)某品牌生產(chǎn)的彈性護(hù)腕，3號(hào)實(shí)驗(yàn)護(hù)腕為美國(guó)某知名護(hù)具品牌生產(chǎn)的纏繞式護(hù)腕，在實(shí)驗(yàn)之前對(duì)于三款護(hù)腕的基本參數(shù)進(jìn)行了測(cè)量（見表1）。

表1 三款護(hù)腕的基本參數(shù)

從表1中可以看出，三款護(hù)腕中2號(hào)護(hù)腕的彈性回復(fù)率明顯優(yōu)于其他兩款護(hù)腕，而其他兩款護(hù)腕的彈性性能相差不大。因此，此次實(shí)驗(yàn)用防護(hù)護(hù)具是否具有有效的防護(hù)性能主要通過其彈性回復(fù)率這一性能參數(shù)來顯示。

運(yùn)用與之前一樣的分析方法，將初學(xué)組佩戴3個(gè)型號(hào)的護(hù)腕后制動(dòng)環(huán)節(jié)的上肢各部位產(chǎn)生動(dòng)量大小進(jìn)行比較（見圖2）。從圖中可以看出，雖然在此次實(shí)驗(yàn)中初學(xué)組在制動(dòng)環(huán)節(jié)上肢各部位的動(dòng)量傳遞順序還沒有矯正，但是可以明顯看出，各個(gè)關(guān)節(jié)產(chǎn)生的動(dòng)量小于沒有佩戴護(hù)腕時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)量。

圖2 制動(dòng)環(huán)節(jié)中初學(xué)組實(shí)驗(yàn)者佩帶護(hù)腕后上肢肩部，肘部，腕部各動(dòng)量大小比較

表2 各部位佩戴護(hù)腕后動(dòng)量減少量（與無護(hù)腕比較）

從表2中可看出，佩戴護(hù)腕后手腕部位動(dòng)量減少最明顯，而其中2號(hào)護(hù)腕的減少量明顯大于其他兩個(gè)護(hù)腕，結(jié)合之前的護(hù)腕面料基本參數(shù)，可以得知，佩戴護(hù)腕在防護(hù)人體方面的確有一定的效果，并且防護(hù)效果與護(hù)腕的彈性回復(fù)率呈正相關(guān)。

3 結(jié)論

本文分別對(duì)兩組不同競(jìng)技水平的網(wǎng)球愛好者進(jìn)行了三維動(dòng)態(tài)測(cè)量實(shí)驗(yàn)動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)主要比較了網(wǎng)球熟練者與初學(xué)者之間在制動(dòng)環(huán)節(jié)人體上肢的動(dòng)量傳導(dǎo)過程，通過比較來觀察初學(xué)者較易損傷部位。并且通過佩戴護(hù)腕實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證護(hù)腕對(duì)人體的防護(hù)作用，以及防護(hù)作用與護(hù)腕彈性回復(fù)率之間的相關(guān)性，為后續(xù)設(shè)計(jì)防護(hù)性網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)服面料的選擇提供了參考依據(jù)。

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