面料復(fù)合方式擬對上肢包纏方式的不同對上肢運動參數(shù)的影響

孟祥龍

摘要：以網(wǎng)球運動為例，從生物力學(xué)角度對面料復(fù)合方式護具對上肢包纏方式的不同對上肢運動參數(shù)的影響進行研究。在擊球時以上肢不同關(guān)節(jié)處的動量峰值與變化率作為防護評價指標(biāo)，構(gòu)建由擊球初、擊球中和擊球后組成的人體骨骼關(guān)節(jié)防護模型;從面料的厚度和彈性兩個屬性出發(fā)，分別制作相應(yīng)的，上肢護具（護肩、護肘和護腕），通過穿戴者進行的運動測量實驗獲取2個，上肢關(guān)節(jié)的指標(biāo)參數(shù)。通過單因素方差得到厚度對指標(biāo)的影響比彈性更明顯（P<0.01）的實驗結(jié)果。分別從護具的面料復(fù)合及其對上肢的包纏方式出發(fā)，研究了對上肢運動參數(shù)的影響。實驗結(jié)果表明，面料復(fù)合方式護具從其面料的彈性、材質(zhì)厚度、面料復(fù)合方式和包纏方式上，均能夠改變上肢運動參數(shù)，而且在肘部和腕部更為明顯（P<0.01）。本研究為上肢類運動護具設(shè)計和優(yōu)化提供了有效借鑒。

關(guān)鍵詞：面料復(fù)合;運動護具;網(wǎng)球運動;上肢關(guān)節(jié);參數(shù)影響

中圖分類號：TS941.727;TS941.17

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1001-5922（2020）07-0162-06

0引言

通過對近些年的職業(yè)網(wǎng)球賽的數(shù)據(jù)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，在比賽中因傷退賽的機率達到了近50%"。而在高負(fù)荷和過度訓(xùn)練中，由于長時間的擊球動作導(dǎo)致骨骼承受巨大壓力從而出現(xiàn)運動特異性適應(yīng)性反應(yīng)，在高頻率的機械力作下，也極容易出現(xiàn)肌肉、關(guān)節(jié)和肌腱的損傷。因此，運動員們越來越重視加強自身安全健康的保護，最常用的措施之一便是通過佩戴運動護具來避免損傷。而這種運動護具需要由特殊的復(fù)合材料制成，具有質(zhì)地柔韌、緩沖沖擊且佩帶舒適等特點。例如織物襯墊中常用到的三維織物襯墊，經(jīng)硅橡膠涂層處理后會有效抗擊沖擊，并在沖擊力消散后迅速回復(fù)到原始形態(tài)。另外，以某種運動護具為例，其斯以通過加壓協(xié)助肌肉發(fā)力，可有效幫助運動員保持耐力，同時也保護了關(guān)節(jié)和肌肉不受表面損傷。然而對于運動護具在人體防護中，其有效性還沒有相應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)加以評估，但在產(chǎn)品設(shè)計時還需要綜合考慮生物力學(xué)、運動醫(yī)學(xué)和材料力學(xué)等因素，以滿足基本的壓力舒適度、皮膚拉伸性能需求等。本文從生.物力學(xué)角度出發(fā)，通過運動損傷機制研究面料復(fù)合方式護具在不同上肢包纏方式下對上肢運動參數(shù)的影響。

1基于運動損傷機制的防護模型

1.1運動損傷機制分析

根據(jù)對，人體的生理學(xué)研究，通常情況下人體受到外加載荷時，骨骼、關(guān)節(jié)和肌肉都有各自的承受能力，用以保護人體不受傷害。如果外加載負(fù)荷過高，例如在劇烈運動當(dāng)中，就會超出骨骼、關(guān)節(jié)和肌肉的最大承受值，從而造成人體運動損傷。另外，在受到外力沖擊時，外圍肌肉層可通過產(chǎn)生變形吸引和消散外力加以保護易脆的人體骨骼，有效增強自身運動素質(zhì)并降低了人體損傷機率。

1.2網(wǎng)球運動人體防護模型

本文根據(jù)前人學(xué)者研究的彈簧模型理論，分別將其構(gòu)成元素肌肉進行簡化：負(fù)責(zé)主動收縮舒張的收縮元（CC），負(fù)責(zé)肌肉儲能和外力緩沖的串聯(lián)彈性元（PEC）及并聯(lián)彈性元（SEC）國。本研究基于上述運動損傷機制分析，選擇彈簧振子模型來簡化肌肉。然而當(dāng)外力大于肌肉的最大承受值時，就會對肌肉、骨骼或關(guān)節(jié)造成損傷。而且，由于肌肉損傷會影響其保護功能，從而會產(chǎn)生二次損傷。基于上述分析，若在肌肉表面增加一個保護層，可以代替肌肉接受第一波外力的沖擊，通過緩沖減小對肌肉的沖擊。

在進行網(wǎng)球運動時，力量的傳遞是有一個整體鏈的，即最初從下肢觸地開始，經(jīng)腰部傳遞到上肢并到達球拍。網(wǎng)球運動損傷與網(wǎng)球沖擊有著復(fù)雜的聯(lián)系烈，當(dāng)球拍接觸到球的一瞬間（0.001s左右）會對前臂造成一定的沖擊，因時間太短，無法對外力進行有效緩沖，從而造成關(guān)節(jié)損傷。針對網(wǎng)球運動中的擊球初、擊球中和擊球末的完整過程，建立人體上肢骨骼關(guān)節(jié)防護模型，如圖1所示。

以參數(shù)m，代表網(wǎng)球質(zhì)量，圖中F代表網(wǎng)球?qū)η蚺牡拇怪弊饔昧?，也即上肢所受到的外力載荷。在人體運動參數(shù)上可表現(xiàn)為通過護具防護層產(chǎn)生形變對F的消散，減輕擊球時上肢各部位受到的沖量。用vo代表肩部的初速度，在球網(wǎng)接觸球以后，因受沖擊速度減至v，通過動量定理可得到肩部的沖擊量，計算方式如（1）所示。

式中：Fi為t時間內(nèi)上肢關(guān)節(jié)所受到的平均力度;m為上肢質(zhì)量（kg）;v，為接觸到球后在t=0.5s時間內(nèi)關(guān)節(jié)部位的速度（m/s）。

在時間變化過程中，F(xiàn)，可稱為動量緩沖力系數(shù)，并隨著時間曲線變化，且其大小與關(guān)節(jié)骨骼所受到的力成正比。由式（1）可知，擊球速度越大，F(xiàn)就越大，因此，可將擊球時各關(guān)節(jié)部位的動量峰值作為其中一個評價指標(biāo);而另一個指標(biāo)則是在指定時間內(nèi)的動量變化率，即F1.

2動態(tài)測量實驗

2.1實驗設(shè)置

根據(jù)實驗要求需要對網(wǎng)球運動上肢動作進行捕捉并加以分析。本研究選取Optotrak系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于立體視覺測量原理的光電設(shè)備，其傳感器由3個線陣CCD攝像頭組成，其精確度可達到lmm，非常適合于動作頻率高、幅度小的實驗。具體實驗原理為，通.過在人體不同部位設(shè)置Marker點，以3個為一組，通過傳感器和攝像頭對關(guān)節(jié)動作進行捕捉，根據(jù)采集到的動作數(shù)據(jù)建立上肢各Marker點的三維坐標(biāo)。其中，設(shè)置各點之間的時間段為0.01s。為了提高實驗結(jié)果的精確度，在被測對象前方5m處設(shè)置一個直徑為10cm左右的圓，作為網(wǎng)球運動擊球點的有效映射。

2.2護具復(fù)合材料防護性能測試

2.2.1材料彈性及厚度

在運行護具當(dāng)中，運動員穿戴防護服裝可用來維持其運動部位的穩(wěn)定性和身體部位的協(xié)調(diào)性，同時還可以通過加壓支撐原理，起到消散關(guān)節(jié)部位外力載荷的作用。而護具的材質(zhì)和厚度都會影響其防護性能。因此，本實驗以護具面料的彈性與厚度作為對人體束縛和加壓效果進行分析的兩個指標(biāo)。

實驗中所用到的護具面料參數(shù)見表1，針對上肢關(guān)節(jié)部位制成相應(yīng)的護具，共45件。其中，涉及到的護具變量包括彈性、疊加層數(shù)和護具類別。首先在彈性相同的情況下，模擬面料復(fù)合形成的不同厚度下的實驗。以專業(yè)網(wǎng)球運動員為測試對象，實驗過程為：穿戴實驗護具→網(wǎng)球發(fā)球→通過Optotrak采集，上肢關(guān)節(jié)點信息→轉(zhuǎn)換成量化數(shù)據(jù)→構(gòu)建三維空間模型→得到測點坐標(biāo)值→運動學(xué)公式計算→得到運動參數(shù)。每隔10min進行一次實驗，以減小實驗結(jié)果因測試對象疲勞而造成的誤差。

通過上述實驗可得到不同護具下上肢肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)的動量峰值的變化趨勢，以及其動量緩沖力系數(shù)的變化趨勢，分別如圖2、圖3所示。

1）分析彈性因數(shù)。根據(jù)圖2動量峰值，分析不同的彈性因素影響下造成人體上肢各關(guān)節(jié)的動量峰值差異可知，手肘和腕部的動量的不同組之間差異性小，整體變化趨勢基本一致;肩部動量多組之間對比則體現(xiàn)出較大差異性大，說明護肩對肩部荷載力的有效散力作用，對肩膀起到了保護效果，且上肢的肘、腕部在擊球前后的動量緩沖力系數(shù)變化較大。

2）分析厚度因素。在護具彈性不變的情況下以面料厚度為變量，觀察其對應(yīng)關(guān)節(jié)部位的動量變化量。通過圖2、圖3可以得知，因為不同面料的彈性不一樣，只有其中幾種面料的疊加厚度與關(guān)節(jié)動量成反比，例如F_A、F_C、F_E組，其他幾組變化不夠明顯。

3）單因素方差分析。對指標(biāo)的影響分析采用單因素方差分析法，基于SPSS輔助得到顯著性P值圖，繼而判斷兩個指標(biāo)變化在不同組間對上肢各個被測部位動量峰值、動量緩沖力系數(shù)的顯著性影響，具體分析結(jié)果如表2、表3所示。

通過表2分析結(jié)果，當(dāng)面料疊加層數(shù)為1或3時，無統(tǒng)計學(xué)意義（P>0.05），表明彈性改變對上肢關(guān)節(jié)運動參數(shù)影響可以忽略不計;面料層數(shù)為2時，肘部關(guān)節(jié)動量、肘部動量緩沖力系數(shù)和腕部動量緩沖力系數(shù)的P等于0.04，具有統(tǒng)計學(xué)意義。綜上可知，只有適當(dāng)?shù)拿媪席B加層數(shù)，才會發(fā)生面料彈性對上肢受力載荷的顯著影響。

通過上述測試可知，對于同一組數(shù)據(jù)，當(dāng)改變護具厚度時會對各關(guān)節(jié)運動參數(shù)產(chǎn)生顯著影響，且在影響關(guān)節(jié)運動參數(shù)方面，面料厚度較面料彈性的作用更加明顯。

2.2.2護具包纏方式實驗

根據(jù)復(fù)合面料組成層次和材質(zhì)不同，在實驗中采用的復(fù)合面料共有6種，命名為C1、C2、C3、C4、C5、C6。其中C1、C2、C3、C4、C5均由2層面料復(fù)合而成，其中C2增加了絎縫，C3增加了粘合襯，C4增加了粘合襯和絎縫，C5則增加了海綿復(fù)合;而C6由2層復(fù)合+海綿+絎縫組合而成。

根據(jù)網(wǎng)球運動員在上肢不同關(guān)節(jié)部位的護具穿戴可分為護肘和護腕。本文實驗通過改變護具的包纏方式，驗證其在人體運動時對上肢各關(guān)節(jié)部位運動參數(shù)的影響。按照實際應(yīng)用中常用的包纏方式來分，肘關(guān)節(jié)護具有直簡型EW1和帶型EW2、腕關(guān)節(jié)有直筒型WT1l、纏繞型WT2。采用材料彈性及厚度實驗中的計算方法，通過對各被測點空間坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換得到運動參數(shù)，得到以上四種護具對上肢各關(guān)節(jié)動量峰值及其動量緩沖力系數(shù)的影響，分別如圖4、圖5所示。

通過圖4、5可以看出，面料復(fù)合方式護具在不同包纏方式下，對比護肘EW1、EW2對動量變化，總體差別較小，只有極個別復(fù)合方式下肩部動量峰值較高，并且EW1的防護作用更好;對于護腕WT1、WT2來說，其各自對應(yīng)的各被測部位動量峰值差異性大，而且WT1在肩、肘2個部位的動量峰值要明顯的大于WT2，所以很難判斷哪種護腕效果更好，需要通過步實驗加以推斷。

3結(jié)語

在運動防護用品的核心技術(shù)拓展創(chuàng)新過程中，其結(jié)構(gòu)設(shè)計理念必須要遵循運動生物力學(xué)的原則"。基于此，文章分析了肌肉對骨骼的防護原理，結(jié)合運動損傷機制構(gòu)建了基于網(wǎng)球運動的人體防護模型并指出了2個評價防護指標(biāo)，用在面料復(fù)合方式護具在對上肢的不同包纏方式下，研究其對上肢運動參數(shù)的影響。經(jīng)過相應(yīng)的實驗分析了護具對上肢肘部、腕部和肩部關(guān)節(jié)處防護性能的影響因素。根據(jù)實驗結(jié)果可得，運動護具面料的彈性、厚度以及復(fù)合面料下護具的包纏方式，都會對上肢運動參數(shù)產(chǎn)生影響，具體表現(xiàn)為：整體來說護具的厚度比彈性影響較大，且通過動量峰會實驗得出護具的包纏方式對肘腕部的影響較大，也間接證明了運動護具對運動員具有有效的損傷防護作用，對于其他運動領(lǐng)域的運動護具設(shè)計和優(yōu)化具有一定的參考價值。

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