齊步動作的運動學(xué)分析

孟進(jìn)蓬,劉應(yīng),于波

(陸軍炮兵防空兵學(xué)院 軍事體育教研室，安徽 合肥 230031)

單個軍人齊步行進(jìn)是軍人步態(tài)諸元中最為基礎(chǔ)的構(gòu)成單元，也是軍人最為常見的步態(tài)之一，盡管隊列條令和相關(guān)書籍較詳細(xì)地描述了齊步動作的基本技術(shù)，但目前為止，從動作角度分析齊步動作各個關(guān)節(jié)內(nèi)在聯(lián)系的研究并不多見。因此，本文在現(xiàn)代體育運動科學(xué)理論指導(dǎo)下，以各大關(guān)節(jié)角度的變化與隊列條令對受試者的齊步動作進(jìn)行實驗測試，獲取了齊步動作五大關(guān)節(jié)角度隨時間運動變化的數(shù)據(jù)，有助于對齊步動作技術(shù)進(jìn)行合理客觀的評定，為隊列條令以及動作技術(shù)描述提供科學(xué)的理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。出于以上考慮，本研究選擇齊步動作過程中五大關(guān)節(jié)角度在三維空間中隨時間的變化進(jìn)行研究。期待能夠找到齊步動作的特征與關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)和動作的一般規(guī)律，進(jìn)一步挖掘整理隊列理論研究，進(jìn)而在實踐教學(xué)中正確地分析齊步動作關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)關(guān)系。無論是發(fā)揚軍事隊列動作風(fēng)格，還是提高隊列動作教學(xué)和訓(xùn)練的水平，都有一定的研究和借鑒價值。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

選擇3名被試對象，年齡(27.29±2.22)y，身高(175.00±3.87)cm，體重(69.88±5.63)kg；所有參加測試的人員均能夠高標(biāo)準(zhǔn)的熟練完成齊步與立定(4步以內(nèi)的行進(jìn)與停止連貫)動作。

1.2 研究方法

1.2.1 器材與過程

實驗儀器：采用瑞典Qualisys AB公司生產(chǎn)的Qualisys Motion Captu Sreystem-ProReflex MCU500高速紅外運動捕捉系統(tǒng)。實驗系統(tǒng)采用互成60度角的六臺MCU，它們依次串聯(lián)進(jìn)行同步測量。

實驗場地布置：采用6個Qualisys紅外高速攝像頭串聯(lián)起來與計算機(jī)相連，各個紅外高速攝像頭擺放的高度約1.9～2.0m，采集時間設(shè)為20 s，采集頻率為100 Hz。三維坐標(biāo)系定義為：左右方向為Y軸，前后方向為X軸，上下方向為Z軸。所有鏡頭和測試空間均通過標(biāo)定，符合實驗要求。

身體標(biāo)志點：根據(jù)實驗需要，本實驗選取頭部2個(頭前：額前發(fā)髻線中點；頭后：顱骨后中點)。上肢8個(左右肘外：左右肱骨外上踝；左右手腕外：尺骨莖突與橈骨莖突之間；左右手：左右手中指第二指節(jié)中點；左右肩：左右肩峰)。軀干5個(第七頸椎：第七頸椎棘突；第2腰椎：第2腰椎棘突；第5腰椎：第5腰椎棘突；左右骨盆前：左右髂前上棘)。下肢10個(左右股骨大轉(zhuǎn)子；左右膝內(nèi)：左右股骨內(nèi)上踝；左右膝外：左右股骨外上踝；左右外踝：左右脛骨外踝最高點；左右腳跟：左右跟骨；左右腳尖：左右第二跖趾關(guān)節(jié))共計27個紅外反射標(biāo)志點固定在受試者身上。

1.2.2 測試動作與指標(biāo)

測試動作：采用齊步與立定的連貫動作，即4步內(nèi)完成齊步行進(jìn)與立定動作。依據(jù)齊步動作技術(shù)特征與研究的需要，將該動作過程劃分為12階段即：立正姿勢→預(yù)備期→左腿擺動期→雙支撐期→左單腿支撐前期→左單腿支撐后期→雙支撐期→左腿擺動前期→左腿擺動后期→雙支撐期→靠腳→立正姿勢。具體過程為測試者在測試范圍內(nèi)完成3～5次齊步與立定連貫動作，選取效果最好的3次動作進(jìn)行保存。一名受試者進(jìn)行測試，下一名受試者換衣并進(jìn)行測試準(zhǔn)備活動。

實驗指標(biāo)：本研究的主要目的在于探討齊步動作各關(guān)節(jié)空間角度特征，結(jié)合隊列條令等方面的要求選取的指標(biāo)主要有肘、肩、髖、膝、踝五大主要關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)角度在三維空間運動變化值(有關(guān)指標(biāo)定義按運動生物力學(xué)通常使用的關(guān)節(jié)角定義方法定義)。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理

選取動作質(zhì)量最好，以及拍攝過程中丟點最少、數(shù)據(jù)最完整的一個動作進(jìn)行分析，并進(jìn)行丟失數(shù)據(jù)的補充。用系統(tǒng)自帶的QT軟件獲得各個標(biāo)志點的三維坐標(biāo)和各個關(guān)節(jié)隨時間變化的角度。利用Excel、Origin 、SPSS17.0軟件對相關(guān)標(biāo)志點和對關(guān)節(jié)角度三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行計算、平滑與分析。

2 實驗結(jié)果與分析

按照隊列條令的齊步行進(jìn)動作要領(lǐng)：左腳向正前方邁出約75 cm，按照先腳跟后腳掌的順序著地，同時身體重心前移，右腳照此法動作；上體正直，微向前傾；手指輕輕握攏，拇指貼于食指第二節(jié)；兩臂前后自然擺動，向前擺臂時，肘部彎曲，小臂自然向里合，手心向內(nèi)稍向下，拇指根部對正衣扣線，并高于春秋常服最下方衣扣約5 cm(著夏常服、水兵服時，高于內(nèi)腰帶扣中央約5 cm；著作訓(xùn)服時，與外腰帶扣中央同高)，離身體約30 cm；向后擺臂時，手臂自然伸直，手腕前側(cè)距褲縫線約30 cm，行進(jìn)速度116～122步/min[1]。實驗測試結(jié)果如表1。

表1 齊步關(guān)節(jié)角度測試結(jié)果/度

2.1 肘關(guān)節(jié)角度變化分析

通常在齊步行進(jìn)技術(shù)要求中，僅僅講到擺臂定位時前臂肘關(guān)節(jié)自然微屈，后臂略直。具體操作時則憑感覺而定，因此，基本沒有什么標(biāo)準(zhǔn)。實驗結(jié)果表明：齊步行進(jìn)中肘關(guān)節(jié)角度在157～179°之間變化。如圖1和圖2，其中右臂在3、9階段與左臂在6、7階段前擺“定位”瞬間臂“微屈” 的角度在(159.70±1.76)°；右臂6、7階段與左臂3、9階段后擺臂“略直”的角度在(175.70±2.76)°；從曲率變化頻次和表1數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，在相同階段的時間內(nèi)，右肘關(guān)節(jié)變化頻次較左肘關(guān)節(jié)變化明顯，這說明在一個周期的齊步上肢協(xié)同動作中，右肘肘關(guān)節(jié)變化動作的掌握十分重要，在教學(xué)訓(xùn)練中給予重要關(guān)注。

圖1 右肘關(guān)節(jié)角度隨時間變化曲線圖

圖2 左肘關(guān)節(jié)角度隨時間變化曲線圖

2.2 肩關(guān)節(jié)角度變化分析

與隊列條令要求“向前擺臂時，……拇指根部對正衣扣線，并高于春秋常服最下方衣扣約5 cm(著夏常服、水兵服時，高于內(nèi)腰帶扣中央約5 cm；著作訓(xùn)服時，與外腰帶扣中央同高)，離身體約30 cm；向后擺臂時，手臂自然伸直，手腕前側(cè)距褲縫線約30 cm”的比較，從圖3和圖4的實驗結(jié)果看，右臂在3、9階段與左臂在6、7階段前擺“定位”瞬間肩關(guān)節(jié)的角度為(15.070±1.16)°；右臂6、7階段與左臂3、9階段后擺臂到位時肩關(guān)節(jié)的角度為(22.870±2.76)°；從實測結(jié)果看，肩關(guān)節(jié)角度在齊步行進(jìn)中前后擺的角度相差5°～8°。形成這一差別的原因主要是前擺時肘關(guān)節(jié)“微屈”與“上體保持正直，微向前傾”的身體形態(tài)有關(guān)，這與5、8、11擺臂經(jīng)過垂直地面瞬間肩關(guān)節(jié)角度為(4.870±1.23)°相吻合。說明這個過程中肩關(guān)節(jié)的運動角度在前后(20.690±1.44)°，是前后協(xié)調(diào)一致的。從曲率變化頻次和表1數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，在相同階段的時間內(nèi)，肩關(guān)節(jié)變化頻次相同，這說明在一個周期的齊步肩部協(xié)同動作較容易掌握，僅為前擺角度較后擺的大。

圖3 右肩關(guān)節(jié)角度隨時間變化曲線

圖4 左肩關(guān)節(jié)角度隨時間變化曲線

2.3 髖關(guān)節(jié)角度變化分析

在齊步行進(jìn)中髖關(guān)節(jié)主要繞額狀軸轉(zhuǎn)動。測試結(jié)果顯示，齊步行進(jìn)中髖關(guān)節(jié)角度在163°～187°變化，如圖5和圖6可見右髖關(guān)節(jié)角度在4、10階段與左髖關(guān)節(jié)在6、7階段及腳尖即將蹬離地面時的角度最大為(185.690±1.04)°；右髖關(guān)節(jié)角度在第5階段與左髖關(guān)節(jié)在3、8階段及擺動腳通過支撐腳正上方時的角度最小為(164.390±0.84)°。從曲率變化頻次和表1數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，在相同階段的時間內(nèi)，左髖關(guān)節(jié)變化頻次較右髖關(guān)節(jié)明顯，突出左髖關(guān)節(jié)在齊步動作中是邁好第一步的關(guān)鍵。

圖5 右髖關(guān)節(jié)角度隨時間變化曲線圖

圖6 左髖關(guān)節(jié)角度隨時間變化曲線

2.4 膝關(guān)節(jié)角度變化分析

條例中要求“腿要直及腳著地時，腿部自然伸直；腳落地后，腿要保持挺直”。試驗證明，齊步行進(jìn)中膝關(guān)節(jié)角度在123～179°變化，其中右、左膝關(guān)節(jié)除了在右、左腳擺動經(jīng)過支撐腳時的圖7的第5和圖8的第8階段角度最小為(125.690±1.24)°與右、左膝關(guān)節(jié)在右、左腳蹬離地面時的圖7的第10和圖8的第2階段角度最次小為(146.690±1.24)°外，其他階段均在(178.390±1.05)°。從曲率變化頻次和表1數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，在相同階段的時間內(nèi)，右膝關(guān)節(jié)變化頻次與左膝關(guān)節(jié)相同，這說明在一個周期的齊步下肢協(xié)同動作中，兩膝關(guān)節(jié)變化相同，僅為前后次序有別。

2.5 踝關(guān)節(jié)角度變化分析

在隊列條令中對于踝關(guān)節(jié)沒有明確要求，但在長期教學(xué)訓(xùn)練中，要實現(xiàn)落地腿的相對較直與腳著地滾動前進(jìn)的要求，實踐中就突出了落地腳主動翹腳尖的動作要領(lǐng)。從實驗結(jié)果看，齊步行進(jìn)中踝關(guān)節(jié)角度在66～110°變化，其中圖9的第6階段與圖12的3、9階段正是右、左腳觸及地面時，其角度最小為(68.390±1.05)°；圖9和圖10的峰值為(107.220±2.05)°看出，此時正是右腳或左腳蹬離地面時為踝關(guān)節(jié)角度最大。從曲率變化頻次和表1數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，在相同階段的時間內(nèi)，右踝關(guān)節(jié)變化頻次與左踝關(guān)節(jié)相同，這說明在一個周期的齊步下肢協(xié)同動作中，兩膝關(guān)節(jié)變化相同，僅為前后次序有別。

圖7 右膝關(guān)節(jié)角度隨時間變化曲線

圖8 左膝關(guān)節(jié)角度隨時間變化曲線

圖9 右踝關(guān)節(jié)角度隨時間變化曲線

圖10 左踝關(guān)節(jié)角度隨時間變化曲線

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié)論

由高速紅外運動捕捉及三維運動采集系統(tǒng)檢測出的圖形和數(shù)據(jù)，對隊列條令齊步動作描述進(jìn)行量化解析：向前擺臂到位時肘關(guān)節(jié)角度為(159.70±1.76)°、肩關(guān)節(jié)角度為(15.070±1.16)°；向后擺臂到位時肘關(guān)節(jié)角度為(175.70±2.76)°、肩關(guān)節(jié)角度為(22.870±2.76)°。齊步行進(jìn)間髖關(guān)節(jié)角度在(185.690±1.04)°到(164.390±0.84)°變化；膝關(guān)節(jié)角度在(125.690±1.24)°～(178.390±1.05)°變化；踝關(guān)節(jié)角度在(68.390±1.05)°～(107.220±2.05)°變化，從而發(fā)現(xiàn)提高隊列教學(xué)訓(xùn)練科研等質(zhì)量與水平的新方法。

3.2 建議

一是利用直觀角度概念進(jìn)行隊列教學(xué)訓(xùn)練，更加科學(xué)合理，如“手臂前擺肘關(guān)節(jié)微屈”變個提法“手臂前擺肘關(guān)節(jié)角度為(159.70±1.76)°”表述更加準(zhǔn)確；二是利用角度衡量動作的規(guī)范性，更能表達(dá)“整齊劃一、協(xié)調(diào)一致”的內(nèi)涵，如“手腕前側(cè)距褲縫線約30 cm”換成“前擺時肩關(guān)節(jié)角度為(15.070±1.16)°” 描述更加有利于身高差異較大者的協(xié)同配合和個性化區(qū)別對待訓(xùn)練；三是利用“角度”進(jìn)行隊列教學(xué)訓(xùn)練，更符合軍事訓(xùn)練要求，不受軍兵種與時間對著裝的限制，如“……高于春秋常服最下方衣扣約5 cm”等。

參考文獻(xiàn)：

[1] 中國人民解放軍總參謀部軍訓(xùn)部.軍事技能(上冊)[M].北京:國防工業(yè)出版社，2012：109.