三維加速度計測量散打后直拳動作傳遞順序

沈?qū)W軍 周田芬 高遠霧

摘要：直拳是散打中近距離有效得分手段之一。因此對后直拳技術(shù)動作進行生物力學(xué)分析就顯得尤為重要。文章運用文獻資料法、實驗法對散打運動516個部位進行10次重復(fù)后手直拳的三維加速度數(shù)據(jù)進行處理，分析散打運動賈后直拳動作傳遞順序，旨在為散打教練員作參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：三維加速度計 散打 后直拳 動作順序

中圖分類號：G85 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2096—1839（2018）8—0033—03

1 前言

肌肉激活順序是指大腦指導(dǎo)身體完成動作使肌肉興奮的先后順序，發(fā)力傳遞順序是指肌肉興奮以后產(chǎn)生力使身體環(huán)節(jié)活動的順序，發(fā)力傳遞速度即環(huán)節(jié)運動的距離與所用時間的比值，加速度的延時是指不同環(huán)節(jié)活動有先后順序，后運動的環(huán)節(jié)相對于先運動的環(huán)節(jié)的加速度在時間上的間隔值。

本實驗的目的是用三維加速度值量化各部位的發(fā)力順序，肌肉激活順序是發(fā)力順序的一種客觀記錄，本研究同樣是估計發(fā)力順序。本實驗的創(chuàng)新在于用三維加速度計測量散打運動員身體各部位的三維加速度的數(shù)值，由各部位三維加速度的數(shù)值分析各部位加速度在時間上的延時，加速度是直接和力相關(guān)聯(lián)的物理量，在難以直接測量力的大小和傳遞的情況下，應(yīng)用身體各部位加速度的延時來量化估計發(fā)力順序，使教練員散打后直拳的發(fā)力順序從定性上升到定量。

2 研究對象與方法

2.1 研究對象

本實驗選取上海體育學(xué)院的2名男子散打優(yōu)秀運動員，對其進行10次重復(fù)后手直拳的身體16個部位的三維加速度數(shù)據(jù)進行記錄。

2.2 實驗儀器

本次實驗采用16個Delsys公司的無線三軸加速度計，單個質(zhì)量15g，尺寸為27mm×37mm×15mm。加速度計的量程選取6g，采樣頻率選擇2%Hz。原始數(shù)據(jù)輸出選用Excel格式的文件，數(shù)據(jù)中只保留16個加速度計的記錄數(shù)據(jù)，每個三維加速度計的xyz三個軸上的數(shù)據(jù)分為3列，共計48列的數(shù)據(jù)，采集時長為4秒。

佩戴位置由上往下分別佩戴在肩部左右各一個，肘部左右各一個，手腕戴手表處左右各一個，左右拳峰各一個，左右髖部各一個，膝關(guān)節(jié)部位左右各一個，外錁關(guān)節(jié)處左右各一個，左右足背各一個，共計16個部位。人體自然站立兩手自然下垂時三維加速度計的具體佩帶位置和方向如表1。三維加速度計的參數(shù)及方向如圖1，受試者準(zhǔn)備動作及加速度佩戴位置如圖2。

2.3 研究方法

2.3.1 文獻資料法

查閱相關(guān)文獻，了解已有的研究基礎(chǔ)和相關(guān)的專業(yè)知識。

2.3.2前期工作

在前期的工作中我們已經(jīng)熟悉了量化發(fā)力順序的方法。下面舉例說明如何用互相關(guān)來計算加速度傳遞順序及其延時情況。前期工作中我們在一名受試者身上的胸部和髖部位置貼上加速度計測量其在跑步過程中的加速度值的變化。計算出在跑步過程中胸部和髖部運動先后順序和胸部相對于髖部的延時值。下圖3中第一個坐標(biāo)軸是實驗中的跑的胸和腰的2000個數(shù)據(jù)的總加速度曲線，第二個坐標(biāo)軸是互相關(guān)曲線，第三個坐標(biāo)軸是互相關(guān)系數(shù)最大時對應(yīng)的2組1000個數(shù)據(jù)繪制的曲線?；ハ嚓P(guān)系數(shù)的絕對值最大時的位置是第二個坐標(biāo)軸中黑色箭頭所指部位。紅色代表腰部的加速度數(shù)據(jù)，藍色代表髖部的加速度數(shù)據(jù)。這個點的位置是54，代表胸部（紅色）曲線向左移動了54個點后兩曲線最相似，設(shè)備的采樣頻率為1000Hz，故胸部相對于髖部延時54毫秒，即可計算出加速度傳遞順序及其延時情況。我們將運用此分析方法研究散打運動員后直拳動作傳遞順序的研究。

2.3.3 預(yù)實驗

在已有研究基礎(chǔ)上進一步進行本實驗的預(yù)實驗，先選擇1名散打優(yōu)秀運動員測量其后直拳身體各部位的加速度值，用matlab7.10.0編寫程序?qū)ι⒋騼?yōu)秀運動員后直拳身體各部位的加速度值進行相關(guān)性的計算，得出其身體各部位的延時情況，并且根據(jù)不同部位的加速度值判斷出其身體各部位的運動順序，分析散打后直拳動作的傳遞順序，并總結(jié)經(jīng)驗，發(fā)現(xiàn)問題為后續(xù)正式實驗做準(zhǔn)備。

2.3.4 正式試驗

在預(yù)實驗的基礎(chǔ)上改進問題，選取上海體育學(xué)院2名男子散打優(yōu)秀運動員，對其進行10次重復(fù)后手直拳的身體16個部位的三維加速度數(shù)據(jù)進行記錄。

本實驗通過16個三維加速度計同時放置在散打運動員身體上的16個部位測量后直拳動作中人體各部位的加速度值的變化，并用相關(guān)性計算的方法計算出散打后直拳動作中人體各部位的加速度出現(xiàn)的延時情況，根據(jù)不同部位加速度的延時情況推論運動員的發(fā)力順序，比較不同運動員發(fā)力順序的傳遞情況。

本研究對散打運動員或教練對已知的發(fā)力順序從定性的層次上升到定量的層次。加速度在不同部位的傳遞順序有可能成為評價運動員發(fā)力傳遞速度的一個客觀指標(biāo)。

3 結(jié)果與分析

本研究通過對散打運動員16個部位在進行10次重復(fù)后手直拳的三維加速度數(shù)據(jù)進行分析處理，數(shù)據(jù)的具體分析處理結(jié)果如下：

3.1 數(shù)據(jù)的采集

受試者按照前文中所述的方式佩戴好16個三維加速度計，前面放一個帶有可閃光的目標(biāo)位，并用同步器和三維加速度的數(shù)據(jù)采集盒進行同步，當(dāng)時實驗人員按下同步器，三維加速度計開始采集數(shù)據(jù)，同時目標(biāo)位的紅燈閃亮，收拾提前以散打的準(zhǔn)備姿勢準(zhǔn)備好，當(dāng)其看到前方的目標(biāo)位閃亮?xí)r，盡最快速度以后手直拳出拳。動作完畢停止采集數(shù)據(jù)，時間不超過4秒。

三維加速度設(shè)備采集到受試者的一次數(shù)據(jù)，休息半分鐘后，進行第二次測試，以此完成10次測試。

3.2 數(shù)據(jù)的處理

對采集到的數(shù)據(jù)我們用Matlab編程軟件編寫程序?qū)ζ溥M行處理，具體的處理過程如下。

3.2.1 求合加速度

將同一加速度計的三個方向的加速度值取幾何平均值。如式（1）得出合加速度值。

3.2.2 找到開始活動的時刻點

取合加速度的前端未活動部分的數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差的三倍作為判斷該部位是否活動的截止點。如圖4藍線為該部位的合加速度值，紅線為前端未活動的80個數(shù)據(jù)點的標(biāo)準(zhǔn)差的三倍，圖中黑色“+”代表該部位開始活動，圖中該部位開始活動的時刻點為124.2585。

3.2.3 實驗結(jié)果

用同樣的方法得到16個部位10次實驗數(shù)據(jù)的各個部位的開始活動的時刻點，然后計算16個部位的10次實驗的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差得到圖5。

如圖5所示其中我們能夠觀察到，環(huán)節(jié)的活動順序為左足背15，右足踝14，左膝關(guān)節(jié)11，右髖部10，右膝關(guān)節(jié)12，左外踝13，左肩部1，右足背16，左拳峰7，左髖部9，左肘部3，右肘部4，左手腕5，右手腕6，右拳峰8，右肩部2，右手腕6。按左右側(cè)分開比較則左側(cè)順序為左足背15，左膝關(guān)節(jié)11，左外踝13，左肩部1，左拳峰7，左髖部9，左肘部3，左手腕5。右側(cè)順序為右足踝14，右髖部10，右膝關(guān)節(jié)12，右足背16，右肘部4，右手腕6，右拳峰8，右肩部2，右手腕6。

由上數(shù)據(jù)處理分析可知，無論是光看左側(cè)還是光看右側(cè)，身體環(huán)節(jié)的活動順序明顯的是從下肢往上肢傳遞，說明散打運動員下肢先活動然后帶動上肢的運動，也印證了散打中“力從地起”的原則，與實際練習(xí)中的原則較為相似。并且左右側(cè)進行比較的話發(fā)現(xiàn)右側(cè)上肢最后開始活動，說明散打右手直拳的出拳手為了集聚全身的力量前期由其他部分調(diào)節(jié)活動，集全身力量與右手拳面，直擊對手，給對手以打擊。

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