基于多源傳感信息的賽艇實船運動生物力學(xué)特性研究

蘇 輝 ，華凌軍 ，祝興海 ，高云剛 ，李小華 ，白驥龍 ，杜芳玲 ，劉 毅 ，張英平，劉 揚

基于多源傳感信息的賽艇實船運動生物力學(xué)特性研究

蘇 輝1，華凌軍1，祝興海1，高云剛1，李小華1，白驥龍1，杜芳玲1，劉 毅1，張英平1，劉 揚2

通過自主研發(fā)在槳栓與腳蹬板兩個重要支點處的力學(xué)信息獲取裝置，研究了槳栓力、腳蹬力的發(fā)力特征，基于槳力、腳蹬力的傳感信息與實船同步評價系統(tǒng)，對國家隊優(yōu)秀槳手的實測數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，揭示了賽艇運動的本質(zhì)在于“手—軀干—腿”三者的協(xié)調(diào)用力。好的劃船技術(shù)一定是基于腿部做功的，并且能夠通過軀干的傳遞作用將腿部的力量傳送至手上。

賽艇；運動生物力學(xué)；槳力；腳蹬力

1 研究背景

賽艇是一項技術(shù)性很強的項目。即使是看似微不足道的技術(shù)方面的缺陷也會在整個2 000m比賽中被足夠放大，試想如果因為技術(shù)的改進(jìn)能夠帶來每個動作周期0.01s成績的提高，那么對于整個全程來說會帶來2.4s左右（以全程240槳左右計算得出）成績的提高，2.4s對于奧運會、世錦賽這種層面的比賽足夠決定冠軍的歸屬。

因此自上世紀(jì)70年代以來，各國研究人員都致力于利用先進(jìn)的制造技術(shù)、檢測技術(shù)、信息處理技術(shù)等開發(fā)各式各樣的實船測試系統(tǒng)，并通過對實船測試數(shù)據(jù)的深入分析來對槳手技術(shù)的改進(jìn)提供科學(xué)依據(jù)。在實船測試系統(tǒng)研發(fā)方面，國外早期的有原東德運動科學(xué)中心與洪堡大學(xué)合作設(shè)計的生物力學(xué)測試裝置［1］，國內(nèi)實船測試系統(tǒng)可見于 2005 年鄭偉濤［2］研制的賽艇實船力量測試與技術(shù)評定系統(tǒng)，Kyle C.Pilgeram［3］等人于2006年研制出可檢測槳力與角度的實船測試系統(tǒng)并對3名槳手的進(jìn)行了測試和評價?？傮w而言當(dāng)前實船測試系統(tǒng)還集中在運用多維（單維）力傳感器對槳栓受力的檢測。在實測數(shù)據(jù)的解析方面，彼得總結(jié)了3種賽艇技術(shù)特點的槳力－時間曲線圖，即第一種類型強調(diào)拉槳的中途階段的腿部、上體和臂部肌肉的發(fā)力；第二種類型強調(diào)拉槳的結(jié)束階段的上體和臂部肌肉的發(fā)力；第三種類型強調(diào)拉槳開始階段腿部的發(fā)力。綜上所敘，從已有文獻(xiàn)和各方面渠道反饋來看，當(dāng)前各種實船測試系統(tǒng)及其評價方法對槳手技術(shù)的改進(jìn)、賽艇項目規(guī)律的把握起到了很好的促進(jìn)作用，但它們都存在一個共同的問題：只針對槳力進(jìn)行了檢測和評價，卻忽視了對人體最大肌群——腳蹬力的檢測與評價。但事實上，雖然槳力是人－船－槳整個系統(tǒng)前進(jìn)的唯一動力，但槳力的大小歸根結(jié)底取決于槳手能產(chǎn)生多大的腳蹬力［4］。好的劃船技術(shù)是一定基于腿部做功的，只有充分利用腿部力量并通過軀干的傳遞作用將腿部力量傳送至槳上才是船劃得快的關(guān)鍵要素，這種連接本質(zhì)上就是手－軀干－腿三者的協(xié)調(diào)發(fā)力。因此以往僅僅基于槳力的評價機制并不能全面評價槳手的劃船技術(shù)，只有形成形成對槳力和腳蹬力的同步評價機制才能更加客觀、全面的反映槳手的劃船技術(shù)。

正是基于上述背景，本研究緊密結(jié)合國家賽艇隊備戰(zhàn)奧運會的科研需求［5］，開展了以槳力與腳蹬力為核心的多源傳感實船測試系統(tǒng)的研究工作。

2 研究方法

2.1 多源傳感信息的獲取

在槳力信息獲取上，為消除測試儀器給槳手帶來的影響，破壞其原有的劃船感覺，改進(jìn)了奧地利Weba系統(tǒng)槳栓結(jié)構(gòu)設(shè)計方面的缺陷，采用二維十字梁結(jié)構(gòu)應(yīng)變式傳感器測量槳杠對槳栓的壓力，保證了測試槳栓與實際使用的槳栓的機械結(jié)構(gòu)的一致，據(jù)此利用杠桿原理和牛頓第三定理推算槳葉所受水的推力。同時角度傳感器與槳栓連動，可測量拉槳中槳栓與船體行進(jìn)方向的夾角。槳栓傳感器實物圖1所示。

圖1 槳力傳感器實物圖

圖2 腳蹬力傳感器實物圖

在腳蹬力信息獲取上，采用本單位自行研制的五維力傳感器［6］可同時檢測X、Y、Z三個分向的力以及 X方向和 Y方向的扭矩Mx和My。腳蹬力傳感器實物如圖2所示。從圖片可以看出，傳感器安裝后鞋的高度會比正常情況下高出約20mm左右，在實際測試中，可通過調(diào)節(jié)槳架高度或者腳踏板位置消除這種差異。

2.2 多源傳感信息的同步與采集

多功能中央處理器在統(tǒng)一時序控制下，可完成槳力、腳蹬力、船體加速度等多源傳感信息的同步采集、存儲和傳輸。中央處理器可單獨使用進(jìn)行單人艇（雙單）測試，也可通過級聯(lián)方式進(jìn)行多人艇測試。為適應(yīng)水上環(huán)境，采用工業(yè)級防水標(biāo)準(zhǔn)。為方便日后系統(tǒng)升級以適應(yīng)訓(xùn)練反饋和教練艇無線監(jiān)控等需要，控制器預(yù)留無線接口等模塊。

2.3 多源傳感信息的分析

通過專業(yè)的分析軟件可對運動生物力學(xué)的各項指標(biāo)進(jìn)行深入分析，繪制力量—時間、力量—角度等各種曲線，自動生成運動生物力學(xué)的測試報表。

3 研究結(jié)果

3.1 力學(xué)模型分析

在人—船—槳系統(tǒng)中，槳起到了重要的作用，它將人的力量通過杠桿原理傳遞給槳葉，從而形成推進(jìn)整個系統(tǒng)前進(jìn)的唯一動力。因此先以槳為研究對象，如圖3所示，為槳栓支點處受力值，是通過傳感器可以直接測試的參量。

圖3 槳受力分析示意圖

Fh為槳柄處受力值，F(xiàn)b為槳葉處受力值，運用杠原理可推算出Fh和Fo之間以及Fb和Fh之間的相互關(guān)系：

下面再以槳手為研究對象，建立起施加于槳柄處的受力Fh與槳手腳蹬力Ff之間的力學(xué)方程。

圖4 槳手受力示意圖

如圖4所示，x方向與船行進(jìn)方向平行，z方向與重力方向平行，人體受到四個力：腳蹬版對腳的反作用力、槳柄對槳手的反作用力、人體重力、滑座的支持力。

在x方向上，可建立如下方程：

其中Fh為施加在x方向上槳柄的力量，F(xiàn)f為施加在x方向上腳蹬的力量，m為槳手的體重，a為x方向上槳手運動加速度。相關(guān)研究表明，垂直方向的分量對于艇的推進(jìn)力和阻力影響很小，在此不做討論。

基于上述力學(xué)方程的建立，方程（1）、（2）表明：槳葉作為整個人－船－槳系統(tǒng)前進(jìn)的唯一動力，取決于內(nèi)外柄的比例和槳柄處所受的力；方程（4）表明槳柄處所受的力又絕大部分取決于腳蹬上的力量。因此作為在整個系統(tǒng)中承擔(dān)動力角色的槳葉上的力來說，其主要來源就是槳柄和腳蹬兩個支點的受力大小?；诖讼旅鎸τ趯崪y數(shù)據(jù)的分析筆者將會圍繞槳栓和腳蹬板兩個支點的受力情況展開，并揭示出賽艇運動的本質(zhì)在于手－軀干－腿的協(xié)調(diào)發(fā)力。

3.2 數(shù)據(jù)分析

在國家賽艇隊女子雙槳組中選取兩名較有代表性的槳手做為研究對象，圖5、圖6分別展示了這兩名槳手在同樣槳頻sr＝32下的手和腳的力量－時間曲線，表格1、表格2和表格3則是槳手1和槳手2在此槳頻下的主要運動生物力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計。

圖5 槳手1的手和腳力量－時間曲線Sr＝32

圖6 槳手2的手和腳力量－時間曲線Sr＝32

表1 入水時刻

表2 入水階段（A-B）各項運動生物力學(xué)指標(biāo)

表3 動力階段（B-C）各項運動生物力學(xué)指標(biāo)

如圖5、圖6所示，為了方便對測試數(shù)據(jù)的分析，筆者根據(jù)多年從事賽艇運動生物力學(xué)技術(shù)診斷的經(jīng)驗，對拉槳的動作結(jié)構(gòu)在時域上進(jìn)行了如下劃分，如圖所示，A點為拉槳開始時刻，定義此時刻為0，B點為打開髖關(guān)節(jié)上身開始發(fā)力時刻，C點為拉槳結(jié)束時刻。A點到B點這一時間段定義為入水階段，B點到C點定義為動力階段。下面的分析將根據(jù)這兩個時間段的劃分來展開。

入水階段是整個拉槳動作的第一個重要技術(shù)環(huán)節(jié)，只有槳葉在入水階段迅速的建立起牢固的水下支點才有可能完成一次有力的拉槳。如表格2所示，激發(fā)時間、激發(fā)高度、激發(fā)速度、手腳激發(fā)速度比是評價槳葉入水質(zhì)量的4個重要指標(biāo)。前三者的關(guān)系是激發(fā)速度等于激發(fā)高度除以激發(fā)時間。激發(fā)時間是指從A點拉槳開始時刻至B點打開髖關(guān)節(jié)時刻所耗費時間，由于前面已經(jīng)定義A時刻為零時刻，因此激發(fā)時間就是B點時刻。從表格2可以看出，在前三個指標(biāo)上，除左腳激發(fā)高度和左腳激發(fā)速度等指標(biāo)外，槳手2的大部分指標(biāo)都好于槳手1。此現(xiàn)象表明如果以孤立的視角來分別對待手上發(fā)力和腳上發(fā)力時，槳手2較槳手1來說無疑是優(yōu)秀的。接下來，重點介紹一下手、腳激發(fā)速度比，它是用來考察手和腳配合協(xié)調(diào)發(fā)力的一個重要指標(biāo)。如表格2所示，槳手2的左手激發(fā)速度高達(dá)1 281N/s，但是其左腳激發(fā)速度僅僅只有162N/s，兩者相差竟8倍。從力量－時間曲線上來看，腳蹬力發(fā)力時間明顯早于手發(fā)力時間，當(dāng)A時刻槳葉入水時，腳蹬力已經(jīng)提前發(fā)力并已經(jīng)有272牛頓的力量，而其B時刻腳蹬力值為298牛頓，也就是說，從A至B，槳手2的腳蹬力激發(fā)高度僅僅只有20牛頓，相反其左手激發(fā)高度卻高達(dá)205牛頓。這種手、腳力量上升趨勢的巨大差異歸根結(jié)底還是由于手－軀干－腳發(fā)力的不協(xié)調(diào)造成的。當(dāng)腿部開始發(fā)力時，軀干沒有起到應(yīng)有的力量傳遞作用，手和腳變成了兩個相對獨立的發(fā)力機構(gòu)而不是一個有機的整體，造成的結(jié)果就是腳蹬力在A時刻以前的做功都是無用的功，對于入水階段迅速提升槳力是沒有任何幫助的。相反，槳手1雖然在激發(fā)高度、激發(fā)速度等指標(biāo)上沒有槳手2高，但其手和腳的激發(fā)速度的比值更接近于1，說明了槳手1的手上和腳上的力量的上升趨勢保持著很高的一致性，這一點從力量－時間曲線也能直觀的反映出來。這種高度的一致性本質(zhì)上就在于手－軀干－腿三者之間的協(xié)調(diào)用力，腿上的力量能夠通過軀干的傳遞作用及時傳送到手上。在這里筆者再強調(diào)一下軀干的傳動作用，在多年的測試中，很多運動員自我感覺入水階段腳上用了很大的力量但船速的提高卻并不明顯，在筆者多年的測試中也會經(jīng)常出現(xiàn)男子公開級別的槳手在入水階段力量上升的峰值和速度還不如優(yōu)秀的女子槳手，其實問題的根源就在于腳雖然狠狠地蹬在了船上，但卻沒有利用腰部和上肢的連接將腳蹬板的反作用力傳送至槳上，或者說只傳送了極少的一部分力量給槳，軀干完全散失了應(yīng)有的作用，下肢和上肢成為了兩個相對較為獨立的發(fā)力機構(gòu)，這樣的發(fā)力模式不但對于船的推進(jìn)沒有任何作用，更為嚴(yán)重的是由于腳蹬的發(fā)力方向是與船前進(jìn)的方向是相反的，它會使船有極大的負(fù)向加速度，從外在看，能明顯感覺到船速的停頓。因此，在入水階段，不但希望槳手用最短的時間迅速提升槳力的同時（即激發(fā)速度快），更為關(guān)鍵的是手上和腳上的力量的上升的趨勢要保持高度的一致性（即手腿激發(fā)速度比值接近1）。

從B時刻至C時刻的動力階段提供了人－船－槳系統(tǒng)前進(jìn)的大部分動力來源，這一點從B時刻至C時刻曲線所包含的面積也能直觀的反映出來。在這個階段，筆者認(rèn)為以下幾個方面最為核心：手和腳的力量曲線走勢、力量峰值、拉槳幅度、做功面積、左右的一致性、力量的連貫性。

如圖6所示，從曲線走勢上來說，槳手2的左手力量從B時刻開始一直呈現(xiàn)下降趨勢，直至槳葉出水，但其左腳力量從B時刻開始卻呈現(xiàn)上升趨勢，并在C時刻達(dá)到力量峰值。槳手2這種異常明顯的手、腳截然相反的曲線趨勢走勢相對于其在入水階段的表現(xiàn)來看，手和腳的脫節(jié)更為嚴(yán)重，完全成為了兩個獨立的發(fā)力機構(gòu)，軀干在這一階段已經(jīng)散失了對上肢和下肢的連接作用，腿部力量僅僅是是作用在船上。

相反，如圖5所示，槳手1的手和腳的力量－時間曲線走勢在動力階段仍然保持著高度的一致性，從B時刻開始都呈現(xiàn)出上升的趨勢，并在C時刻附近達(dá)到其力量峰值，整個力量－時間曲線走勢反映出一個更加合理的技術(shù)動作：最大限度的延長了腿部做功和支撐的時間，打開髖關(guān)節(jié)后身體重量盡量掛在槳上并盡可能晚的坐在滑座上。需要指出的是，雖然希望盡可能延長腿部的做功時間，但是無論如何，由于發(fā)力順序的原因，腿部做功一定會會先于手上做功結(jié)束，這是無法避免的。從表格3來看，表現(xiàn)在腿上力量峰值出現(xiàn)的時刻會稍早于手上力量峰值出現(xiàn)的時刻，但絕不會象槳手2那樣在B時刻腿部力量就已經(jīng)到達(dá)其峰值，正常情況下應(yīng)該出現(xiàn)在拉槳的中末期。

力量峰值、拉槳幅度、做功面積是評價槳手水上專項能力素質(zhì)的重要指標(biāo)。三者大體的關(guān)系是力量峰值反映了力量－時間曲線的高度，拉槳幅度反映了力量－時間曲線的寬度，兩者的乘積即為槳手的每槳做功面積。如前所述，雖然從曲線走勢上來看，槳手1有著不錯的手－軀干－腿協(xié)調(diào)發(fā)力的感覺，但從表格3來看，其水上專項能力素質(zhì)相對槳手2來說還有待加強。相反，槳手2的各項專項能力素質(zhì)雖然要強于槳手1，但由于技術(shù)方面的缺陷使專項能力并不能帶來船速的提高。

左右的一致性是劃船技術(shù)中容易被從業(yè)者忽視的一個重要技術(shù)環(huán)節(jié)，但不可否認(rèn)的是它也是船劃得快的重要前提之一。如表格2所述，無論是槳手1還是槳手2，其左邊和右邊的指標(biāo)的差異性都較大，如槳手1的左腳激發(fā)高度為80，而右腳為20，相差4倍；槳手2的左手激發(fā)高度為205N，而左腳僅為26N，相差近7倍。如圖6所示，這種差異從力量－時間曲線更能直觀的反映出來：當(dāng)槳手2的左腳力量達(dá)到其力量－時間曲線走勢的峰值時，其右腿的力量在曲線的谷底；左腿力量峰值和右腿力量峰值出現(xiàn)的時刻明顯錯開；無論是手上還是腿上，曲線的輪廓差異明顯，尤其是腿上的曲線。上述這些左右較嚴(yán)重的差異性對于優(yōu)秀的槳手來說都是致命的缺陷。事實上，左右高度的一致性恰是身體協(xié)調(diào)發(fā)力的外在表現(xiàn)。從另一方面說，高度的一致性能夠保證船在行進(jìn)的過程中更加平穩(wěn)，不致于因為左右力量的不均衡造成船體姿態(tài)過于左右擺動，從外在看，就是船的行進(jìn)路線是S型而不是盡可能的沿著直線在前行。多年的大量測試數(shù)據(jù)表明：越是優(yōu)秀的槳手，左右兩邊的一致性越高。

力量的連貫性是指力量－時間曲線在整個入水和動力階段有無明顯的二次發(fā)力現(xiàn)象。觀察力量－時間曲線，在入水階段，槳手1的腿部有明顯的力量上升、下降、再上升的趨勢。而在動力階段，槳手2的二次用力現(xiàn)象更加明顯。造成二次發(fā)力的原因有很多，比如入水時槳葉入水太深、腳蹬用力過大跑滑座等等。但無論何種原因造成的二次發(fā)力都能直觀的反映在力量－時間曲線上。在二次發(fā)力出現(xiàn)的時機上，相對來說，B時刻即打開髖關(guān)節(jié)的一瞬間是二次發(fā)力的高發(fā)時段，尤其對于雙槳槳手來說這種現(xiàn)象更為普遍，即使很多的優(yōu)秀槳手在B時刻也容易出現(xiàn)力量的稍微停頓。但對于單槳槳手來說，優(yōu)秀的單槳槳手在B時刻的連貫性會更好，從曲線上基本看不出來力量的明顯停頓。但實際教學(xué)上，還是需要強調(diào)槳手要養(yǎng)成連貫的發(fā)力習(xí)慣，因為這會使得多人艇的配艇工作更加容易。

最后，指出一個細(xì)節(jié)問題，即使是合理的技術(shù)，由于回槳時人的運動方向是向船尾的，因此在A時刻入水前腳總會對腳蹬板施加些壓力，但無論如何，希望這種力量越小越好，因為在回槳階段，槳葉已經(jīng)出水，腳蹬力完全成為了破壞船前進(jìn)的阻力。

4 研究結(jié)論

通過自主研發(fā)在槳栓與腳蹬板兩個重要支點處的多維力信息獲取裝置，研究了槳栓力、腳蹬力的發(fā)力特征，揭示了賽艇運動的本質(zhì)在于手——軀干——腿三者的協(xié)調(diào)用力。好的劃船技術(shù)一定是能夠最大限度利用腿部力量并能夠通過軀干的傳動作用將腿部力量傳送至槳上。軀干的傳動作用至關(guān)重要，只有充分利用軀干的傳動和連接作用，才能保證手/腿的力量－時間曲線的走勢具有高度的一致性，否則，就會象槳手2那樣身體軀干失去了力量的傳遞作用，手和腿成為了兩個獨立的發(fā)力機構(gòu)，兩者的力量－時間曲線的走勢截然相反，在這樣的情況下，腿不但不能夠提供人－船－槳系統(tǒng)前進(jìn)的動力，相反，由于腿部產(chǎn)生的反向破壞力會成為整個系統(tǒng)前進(jìn)的阻力。

最后，筆者對手——軀干——腿三者的協(xié)調(diào)用力的要點做個簡單總結(jié)：

1）槳葉上的力是人－船－槳整個系統(tǒng)前進(jìn)的唯一推進(jìn)力，而槳葉上的力歸根結(jié)底取決于槳手能產(chǎn)成多大的腳蹬力，同時通過軀干的傳遞作用能傳輸多大比例的腳蹬力給手。

2）槳葉入水時應(yīng)該通過腰部和上肢的連接將腳蹬力量及時傳送至槳上。從曲線上看就是手和腳的力量－時間曲線走勢應(yīng)保持高度的一致性。

3）槳葉入水時要控制槳葉深度，太淺容易漂槳，太深容易造成二次用力。

4）動力階段是指打開髖關(guān)節(jié)的瞬間直至槳葉出水，這一階段的做功占據(jù)了絕大部分的動力來源，因此在這一階段應(yīng)最大限度延長腿部的做功和支撐時間，同時身體重量盡量掛在槳上并盡可能晚的坐在滑座上。從曲線走勢來看，力量－時間的走勢應(yīng)該緊接著槳葉入水的激發(fā)高度繼續(xù)保持走高的趨勢，直至槳葉出水。

5）由于身體的限制和發(fā)力時機的差異，腳上力量的峰值會比手上力量的峰值稍早出現(xiàn)，但總體來說，手和腿的力量的峰值都應(yīng)該出現(xiàn)在拉槳的中末期而不是拉槳初期的入水階段。

6）無論是手還是腳，左右兩邊的力量－時間曲線應(yīng)盡量保持高度的一致性，避免一邊力量過大或過小而造成船體在行進(jìn)過程中的左右搖擺。

7）應(yīng)盡可能的延長每槳做功時間，增加每槳有效幅度，從而增加每槳輸出功率。

8）在槳葉入水前應(yīng)盡可能少的對腳蹬板施加壓力。

9）最后，再次強調(diào)，手和腿的力量－時間曲線的趨勢應(yīng)該具有高度的一致性。這種高度的一致性的內(nèi)在意義就在于保證了手－軀干－腿三者的協(xié)調(diào)發(fā)力。

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Biomechanical Characteristics of Rowing Based on Multi-source Information

SU Hui1， HUA Ling-jun1， ZHU Xing-hai1， GAO Yun-gang1， LI Xiao-hua1，BAI Ji-long1， DU Fang-ling1， LIU Yi1， ZHANG Ying-ping1， LIU Yang2

This paper studied an information acquisition system，based on the oar force sensor and the stretcher force sensor.This test showed that the essence of rowing was hand-trunk-leg coordination force.A good rowing technique must be based on leg drive，and transfer the leg strength to the oar through the trunk transmission.

Rowing； Sports biomechanics； Oar force； Stretcher force

G80-05

A

1003-983X（2017）12-1078-05

2017-10-15

蘇 輝（1982～），男，陜西西安人，中級職稱，研究方向:運動訓(xùn)練.

1.陜西省水上運動管理中心，陜西 楊凌，712100；2.中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院，安徽 合肥，230031 1.Shaanxi Water Sports Administrative Center， Yangling 712100， China； 2.Hefei Institute of Physical Science，Chinese Academy of Sciences， Hefei 230031，China

劉 揚（1979～），男，安徽池州人，中級職稱，碩士，研究方向：體育科研器材研發(fā)、賽艇實船運動生物力學(xué)，E-mail:397681150@qq.com