羽毛球運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究進(jìn)展

柯曉茹 劉文明

摘? 要：從研究?jī)?nèi)容和研究方法兩個(gè)角度分別切入，簡(jiǎn)要地總結(jié)了目前國(guó)內(nèi)外羽毛球運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究的進(jìn)展。在相關(guān)研究的內(nèi)容上，首先介紹了羽毛球運(yùn)動(dòng)技術(shù)、運(yùn)動(dòng)損傷以及運(yùn)動(dòng)器材方面的研究成果，接著分類比較了運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)以及生物學(xué)測(cè)量與分析方法的優(yōu)勢(shì)與不足，揭示了將運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)應(yīng)用于羽毛球研究的重要意義。根據(jù)現(xiàn)有的研究成果和發(fā)展趨勢(shì)，研究認(rèn)為在接下來的工作中應(yīng)當(dāng)致力于手指等小關(guān)節(jié)部位的精細(xì)動(dòng)作技術(shù)研究、群眾健身中羽毛球運(yùn)動(dòng)損傷的預(yù)防以及羽毛球?qū)ｍ?xiàng)實(shí)驗(yàn)器材的自主研發(fā)。

關(guān)鍵詞：運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)? 羽毛球? 綜述? 運(yùn)動(dòng)學(xué)? 動(dòng)力學(xué)

中圖分類號(hào)：G804? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2813（2019）03（a）-0017-03

Abstract： This paper briefly summarizes the progress of sports biomechanics in badminton. It reviews studies from two aspects， including research contents and research methods. First， it introduces the technical performance of badminton skills， the causative mechanisms of specific badminton injuries and the equipment used in playing badminton. Then， it thoroughly discusses the relatively advantage and shortages in different research methods that have used in the biomechanical aspects of badminton. This review evaluates these and attempts to provide direction for future research.

Key Words： Sports biomechanics; Badminton; review; Kinematics; Dynamics

羽毛球運(yùn)動(dòng)因其適合各個(gè)年齡層的人，并且不受性別、場(chǎng)地以及運(yùn)動(dòng)水平的限制而成為大眾喜愛的體育運(yùn)動(dòng)之一。在羽毛球運(yùn)動(dòng)中，一個(gè)相同的動(dòng)作技巧可能有許多的方法可達(dá)到相同的動(dòng)作目的。這些方法有些是靠著教練及選手在練習(xí)過程中不斷嘗試尋找到的，有些則是科學(xué)分析的結(jié)果。而對(duì)于羽毛球初學(xué)者來說，在未探尋到最適合自己的技術(shù)前，模仿優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)作技術(shù)就成了最常見的做法。除了技術(shù)學(xué)習(xí)外，糾正錯(cuò)誤動(dòng)作也很重要，教練員常在肉眼觀察的基礎(chǔ)上結(jié)合自身經(jīng)驗(yàn)來尋找錯(cuò)誤動(dòng)作，指導(dǎo)運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行矯正，但是對(duì)于造成錯(cuò)誤動(dòng)作的原因往往難以確定。這時(shí)通常借助特定的儀器進(jìn)行觀察，把肉眼無法觀察到的信息通過儀器進(jìn)行詳細(xì)記錄并分析，這一由視覺觀察逐漸轉(zhuǎn)為量化分析的過程也正是運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的學(xué)科演變過程。

1? 羽毛球運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究?jī)?nèi)容

1.1 運(yùn)動(dòng)技術(shù)的力學(xué)原理與優(yōu)化

針對(duì)羽毛球動(dòng)作技術(shù)的上肢運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究，主要探討了各環(huán)節(jié)間的運(yùn)動(dòng)順序、肌群的發(fā)力和各關(guān)節(jié)動(dòng)作在揮拍擊球中對(duì)拍頭速度的貢獻(xiàn)率等。以殺球技術(shù)為例，上肢各運(yùn)動(dòng)環(huán)節(jié)由近端到遠(yuǎn)端依次加速，最后通過手部的揮拍動(dòng)作，使得球拍在擊球前獲得最大的運(yùn)動(dòng)速度[1]。此外在殺球準(zhǔn)確性的研究上，遠(yuǎn)端環(huán)節(jié)的肌群控制也很重要[2]。要想進(jìn)一步提升羽毛球技術(shù)，除了準(zhǔn)確的上肢擊球動(dòng)作，還必須具備良好的步法。熟練的步法技巧可以幫助球員在最短的時(shí)間和最小的能耗下達(dá)到最佳擊球區(qū)，并幫助球員在擊球時(shí)保持身體平衡[3]。

1.2 運(yùn)動(dòng)損傷的成因與預(yù)防

球員在進(jìn)行羽毛球運(yùn)動(dòng)時(shí)，持續(xù)地快速移動(dòng)對(duì)肢體產(chǎn)生的局部負(fù)荷較大，反復(fù)積累下就可能造成慢性運(yùn)動(dòng)損傷[4-7]。在過去的研究中發(fā)現(xiàn)，羽毛球運(yùn)動(dòng)損傷與球員的年齡、性別、參與羽毛球運(yùn)動(dòng)的時(shí)間、技術(shù)水平、疲勞以及所穿鞋子有關(guān)[8-11]。Jorgensen，U.和Winge，S.（1990）[12]指出羽毛球項(xiàng)目的運(yùn)動(dòng)損傷58%發(fā)生在下肢，42%發(fā)生在上肢和背部。在步法的移動(dòng)過程中，踝關(guān)節(jié)的內(nèi)、外翻轉(zhuǎn)角度超出其正?；顒?dòng)范圍就有可能引發(fā)運(yùn)動(dòng)損傷。在羽毛球運(yùn)動(dòng)上肢運(yùn)動(dòng)損傷的相關(guān)研究中，則主要針對(duì)腕關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)以及腰背部位的運(yùn)動(dòng)損傷機(jī)制以及預(yù)防措施進(jìn)行了探討[13、14]。

1.3 運(yùn)動(dòng)器材的設(shè)計(jì)與改進(jìn)

對(duì)于優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員來說，除了自身扎實(shí)的運(yùn)動(dòng)技能以外，能幫助其增加運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)器材、設(shè)備也是不可或缺的。在羽毛球項(xiàng)目中，討論最多的就是羽毛球鞋和羽毛球拍的設(shè)計(jì)及改進(jìn)。Wei等人（2009）[15]指出不同的足底區(qū)域應(yīng)該設(shè)計(jì)不同的材質(zhì)以分散壓力，并且在羽毛球鞋功能設(shè)計(jì)時(shí)要將跖趾關(guān)節(jié)的功能性考慮進(jìn)去。相較于羽毛球鞋，羽毛球拍作為直接接觸羽毛球的器材，不僅會(huì)改變羽毛球的飛行路徑，也會(huì)影響擊球效果，在擊球過程中的動(dòng)量傳遞上發(fā)揮了重要作用[16-19]。Kwan（2010）[18]將羽毛球拍的速度分為球員的揮拍速度和揮拍過程中球拍產(chǎn)生的彈性速度，其中球拍本身產(chǎn)生的彈性速度對(duì)球拍整體運(yùn)動(dòng)速度的貢獻(xiàn)率達(dá)到了4%～6%。

2? 羽毛球運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究方法

2.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)測(cè)量與分析

早在1979年就有學(xué)者利用電影膠片對(duì)羽毛球的擊球動(dòng)作進(jìn)行了分析[20]，這一時(shí)期所使用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備較為簡(jiǎn)單，無法獲得較為客觀、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。而后16mm攝影機(jī)的應(yīng)用開啟了羽毛球二維的動(dòng)作分析[21、22]，接著各種不同的二維、三維空間攝影法被陸續(xù)開發(fā)應(yīng)用于羽毛球的動(dòng)作技術(shù)分析，出現(xiàn)了一些比較成型的動(dòng)作分析系統(tǒng)。這一分析方法的實(shí)驗(yàn)儀器價(jià)格昂貴，對(duì)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地的光線條件要求較高，受試者的活動(dòng)范圍也有限。采用此類動(dòng)作捕捉系統(tǒng)對(duì)手指等小關(guān)節(jié)部位進(jìn)行測(cè)量時(shí)，反光球的粘貼難度較大，且在握拍時(shí)易造成反光球的遮擋，會(huì)造成較大的誤差。近年來，一些學(xué)者開始使用慣性動(dòng)作捕捉系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)作捕捉與追蹤。相較于傳統(tǒng)的光學(xué)動(dòng)作捕捉系統(tǒng)，慣性動(dòng)作捕捉系統(tǒng)體積較小、便于攜帶且可用于實(shí)驗(yàn)室以外的場(chǎng)所。慣性動(dòng)作捕捉系統(tǒng)的出現(xiàn)，也為手指等小關(guān)節(jié)在運(yùn)動(dòng)參數(shù)的獲取上提供了一個(gè)新的思路。Alvin Jacob的研究團(tuán)隊(duì)基于彎曲傳感器設(shè)計(jì)出一款數(shù)據(jù)手套，對(duì)羽毛球基本握拍姿勢(shì)進(jìn)行識(shí)別分析，以期為羽毛球初學(xué)者提供正確握拍姿勢(shì)的參考[23-25]。

2.2 動(dòng)力學(xué)測(cè)量與分析

羽毛球動(dòng)力學(xué)研究中所需要的力學(xué)參數(shù)可以通過測(cè)量直接獲得，也可以借助不同的模型進(jìn)行推算獲得。前者可借助傳感器等測(cè)量設(shè)備實(shí)現(xiàn)，后者則是在視頻（或者視頻和傳感器結(jié)合）的基礎(chǔ)上進(jìn)行求解。三維測(cè)力臺(tái)是目前羽毛球運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究中的常用設(shè)備之一，可以對(duì)地面反作用力的大小、方向以及作用時(shí)間進(jìn)行測(cè)量，為動(dòng)作技術(shù)的分析提供了有效的測(cè)試手段。但因三維測(cè)力臺(tái)的平面尺寸有限，對(duì)受試者的活動(dòng)范圍造成較大限制，一些研究者開始利用測(cè)力板進(jìn)行相關(guān)研究，而后又出現(xiàn)了足底壓力鞋墊[26]。這些測(cè)量方法的出現(xiàn)，使羽毛球運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究在動(dòng)力學(xué)的量化分析上更為精準(zhǔn)、便捷。

2.3 生理學(xué)測(cè)量與分析

在生理學(xué)測(cè)量方面，有學(xué)者利用卡尺、帶尺、體重計(jì)等儀器對(duì)各環(huán)節(jié)圍度、體重、體脂等人體形態(tài)學(xué)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，總結(jié)出優(yōu)秀羽毛球運(yùn)動(dòng)員的身體形態(tài)特征，為羽毛球運(yùn)動(dòng)選材提供參考[27-29]。還有學(xué)者利用肌電儀對(duì)肌肉活動(dòng)中的電信號(hào)變化過程進(jìn)行測(cè)量。Tsai（2005）[30]就利用肌電圖發(fā)現(xiàn)正手殺球和吊球的肌肉活化順序高度相似，但殺球的肌肉活化程度明顯大于吊球。

3? 研究展望

隨著參與羽毛球運(yùn)動(dòng)人數(shù)的增加，運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的研究領(lǐng)域也由傳統(tǒng)的競(jìng)技運(yùn)動(dòng)延伸到健身運(yùn)動(dòng)中?？梢詮臉I(yè)余愛好者容易產(chǎn)生的錯(cuò)誤動(dòng)作以及運(yùn)動(dòng)傷害入手，找出有效的預(yù)防辦法并進(jìn)行推廣?，F(xiàn)今羽毛球動(dòng)作技術(shù)的生物力學(xué)主要著重于肩、肘、腕、膝、踝等大關(guān)節(jié)的活動(dòng)，在手指等小關(guān)節(jié)的精細(xì)動(dòng)作鮮有研究?，F(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步增加了運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究的廣度與深度，為研究更復(fù)雜的動(dòng)作提供了更精準(zhǔn)的計(jì)算機(jī)分析、更實(shí)時(shí)的信息反饋，可以在未來的研究工作中，著眼于小關(guān)節(jié)、小環(huán)節(jié)的精細(xì)動(dòng)作研究。另一方面，生物力學(xué)研究的發(fā)展在一定程度上取決于測(cè)量手段的進(jìn)步。因此，研發(fā)適合不同研究環(huán)境及條件的測(cè)量?jī)x器，包括硬件及軟件，才能夠使學(xué)者根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康牟煌孕行薷能浖蛴布O(shè)施，使實(shí)驗(yàn)過程能夠順利進(jìn)行。

4? 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，目前在羽毛球動(dòng)作技術(shù)的上肢生物力學(xué)研究中，已經(jīng)詳盡地討論了各個(gè)環(huán)節(jié)的運(yùn)動(dòng)順序、不同肌群的發(fā)力時(shí)序以及各關(guān)節(jié)對(duì)拍頭速度的貢獻(xiàn)率等;針對(duì)下肢的生物力學(xué)研究往往與運(yùn)動(dòng)損傷和運(yùn)動(dòng)鞋研發(fā)結(jié)合起來，也取得了一定的進(jìn)展。但是針對(duì)羽毛球業(yè)余愛好者在技術(shù)學(xué)習(xí)過程中可能出現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)損傷討論不多，羽毛球?qū)ｍ?xiàng)的測(cè)量設(shè)備的研發(fā)上也尚有不足，現(xiàn)有設(shè)備對(duì)于手指等小關(guān)節(jié)的精細(xì)動(dòng)作存在較大誤差，且對(duì)手指部位的精細(xì)動(dòng)作關(guān)注度不高，這是在今后的研究工作中值得關(guān)注的。

參考文獻(xiàn)

[1] 周潤(rùn)華.大學(xué)生優(yōu)秀羽毛球運(yùn)動(dòng)員后場(chǎng)殺球技術(shù)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析[D].湖南師范大學(xué)，2009.

[2] Sakurai S，Ohtsuki T.Muscle activity and accuracy of performance of the smash stroke in badminton with reference to skill and practice[J].Journal of Sports Sciences，2000，18（11）：901-914.

[3] Grice T.Badminton： Steps to success.[M].znd ed.IL：Human Kinetics，2008.

[4] Fahlstrom M，Soderman K.Decreased shoulder function and pain common in recreational badminton players[J]. Scandinavian Journal of Medicine & Science in Sports，2010，17（3）：246-251.

[5] Boesen AP，Boesen MI，Koenig MJ，et al.Evidence of accumulated stress in Achilles and anterior knee tendons in elite badminton players[J].Knee Surgery Sports Traumatology Arthroscopy Official Journal of the Esska，2011，19（1）：30.

[6] Fahlstrom M，Lorentzon R，Alfredson H.Painful conditions in the Achilles tendon region： a common problem in middle-aged competitive badminton players[J].Knee Surg Sports Traumatol Arthrosc，2002，10（1）：57-60.

[7] Boesen AP，Boesen MI，TorpPedersen S，et al. Associations between abnormal ultrasound color Doppler measures and tendon pain symptoms in badminton players during a season： a prospective cohort study[J]. Am J Sports Med，2012，40（3）：548-555.

[8] Goh S，Ali M，Mokhtar A，et al.Injury risk predictors among student badminton players in a Malaysian national sports school： Preliminary study[J].Journal of Science & Medicine in Sport，2013，16（S1）：59.

[9] Hensley LD，Paup DC.A survey of badminton injuries[J].Br J Sports Med，1979，13（4）：156-160.

[10] Jorgensen U，Winge S.Injuries in badminton[J].Sports Medicine，1990，10（1）：59.

[11] Kroner K，Schmidt SA，Nielsen AB，et al. Badminton injuries[J].British Journal of Sports Medicine，1990，24（3）：169.

[12] Jorgensen U，Winge S.Epidemiology of badminton injuries[J].International Journal of Sports Medicine，1987，8（6）：379-382.

[13] 余長(zhǎng)青，石鴻冰.羽毛球運(yùn)動(dòng)所引起常見的運(yùn)動(dòng)損傷及預(yù)防方法[J].北京體育大學(xué)學(xué)報(bào)，2007（S1）：227-229.

[14] 冉北航，張芬，尹文芳，等.羽毛球運(yùn)動(dòng)中發(fā)生手腕和肩袖損傷的相關(guān)因素調(diào)查[J].中國(guó)組織工程研究，2006，10（44）：41-43.

[15] YongWei，YuLiu， Wei-JieFu.The effect of badminton footwear on the metatarsophalangeal joint during push-off in critical badminton footwork[J].Footwear Science，2009，1（S1）：14-16.

[16] Kwan M，Andersen MS，Zee M D， et al.Dynamic Model of a Badminton Stroke[J].The Engineering of Sport7，2009（2）：563-571.

[17] Kwan M，Cheng CL，Tang WT，et al. Investigation of high-speed badminton racket kinematics by motion capture[J].Sports Engineering，2011，13（2）：57-63.

[18] Kwan M，Cheng CL， Tang WT，et al.Measurement of badminton racket deflection during a stroke[J].Sports Engineering，2010，12（3）：143-153.

[19] Kwan M，Zee MD，Rasmussen J.Dynamic effects of badminton racket compliance[J].Journal of Biomechanics，2008，41（41）：S88.

[20] Lees A.Science and the major racket sports： a review[J]. Journal of Sports Sciences，2003，21（9）：707-732.

[21] Gowitzke B A，DB Waddell.Technique of badminton stroke production.Science in racquet sports[M].（ed. J. Terauds）.Academic Publishers， Del Mar，1979.

[22] 葉偉.羽毛球殺球動(dòng)作中上肢技術(shù)的運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)分析[J].體育與科學(xué)，1990（1）：29-30.

[23] Jacob A，Zakaria WNW，Tomari MRBM. Implementation of Bluetooth communication in developing a mobile measuring device to measure human finger movement[A].International Conference on Electrical and Electronic Engineering[C].Melaka， Malaysia，2015.

[24] Jacob A，Wan NWZ，Tomari MRBM.Quantitative Analysis of Hand Movement in Badminton[A].Advanced Computer and Communication Engineering Technology[C].2016.

[25] Jacob A，Wan NWZ，Tomari MRBM.Implementation of IMU sensor for elbow movement measurement of Badminton players[A].IEEE International Symposium on Robotics and Manufacturing Automation[C].2017.

[26] Mei Q，Gu Y，F(xiàn)u F，et al.A biomechanical investigation of right-forward lunging step among badminton players[J].Journal of Sports Sciences，2016，35（5）：1.

[27] 繆素堃，唐禮，王淑云.我國(guó)優(yōu)秀羽毛球運(yùn)動(dòng)員形態(tài)、素質(zhì)和身體成份的研究[J].中國(guó)體育科技，1983（15）：1-15.

[28] 祁團(tuán)結(jié).我國(guó)男子乒乓球、羽毛球優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員形態(tài)特征的研究[J]. 北京體育大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，29（5）：648-650.

[29] Schevchenko IM，Abramov VV.Analysis of the morphometric parameters of body of the women athletes engaged in badminton[J].2009，3（1）：71-76.

[30] Tsai CL，Huang KS，Chang SS.Biomechanical analysis of EMG activity between badminton smash and drop shot[A].The XXth Congress of the International Society of Biomechanics Proceeding[C].Cleveland， USA，2005.