押加項目運動生物力學(xué)仿真分析

摘要：本研究運用運動生物力學(xué)捕捉APAS系統(tǒng)等設(shè)備，獲取押加運動在開始準備姿勢到蹬地下壓再調(diào)整到開始動作過程的基本參數(shù)數(shù)據(jù)，對押加運動的關(guān)節(jié)角度變化與活動范圍以及拉力進行分析與討論。選取押加運動測試者基本生理參數(shù)，從解剖學(xué)角度下肢髖關(guān)節(jié)在冠狀軸運動上角度增大，膝關(guān)節(jié)在冠狀軸運動上角度減小時，其力矩也隨之變大，成正相關(guān)。

關(guān)鍵詞：押加項目；運動生物力學(xué)；仿真分析；運動學(xué)

Simulation"Analysis"of"Sports Biomechanical of the"Yajia"Project

LIUJingjing

GuiZhou"Vocational"College"Of"Agriculture， Guizhou Qingzhen 551400

Abstract：This study provides theoretical guidance for the improvement of sports performance and the prevention of sports injuries. the APAS system and other equipment were used to capture the basic parameters of the movement of the movement in the starting position to the starting movement， and the joint angle change and the range of movement and tension were analyzed and discussed.The basic physiological parameters of the test subjects were selected， and the moment curves of the hip and knee joints were obtained by using the Lagrange method and Hill muscle model for the project. From the anatomical perspective， the Angle of the knee joint in the coronal axis movement decreased， and the moment also increased， showing a positive correlation.

Keywords： Yajia; biomechanics; Simulation analysis；kinematics

前言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，運動生物力學(xué)已廣泛應(yīng)用于生活中各個領(lǐng)域。在人體運動分析中，運動生物力學(xué)主要以實驗與力學(xué)相結(jié)合的方法對其形態(tài)分析研究，從運動學(xué)、動力學(xué)方面出發(fā)分析技術(shù)動作原理，從而建立一套科學(xué)系統(tǒng)的技術(shù)理論依據(jù)。押加作為藏族地區(qū)傳統(tǒng)體育的角力項目之一，其技術(shù)動作決定它屬于體能主導(dǎo)類，以快速力量為主的項群^[1]。在下肢關(guān)節(jié)分析有研究者中運用OpenSim個體化肌骨建模分析長跑運動員跑后下肢關(guān)節(jié)的運動學(xué)、動力學(xué)及膝關(guān)節(jié)接觸力變化，，結(jié)合關(guān)節(jié)參數(shù)與膝關(guān)節(jié)總接觸力及膝關(guān)節(jié)內(nèi)外側(cè)接觸力訓(xùn)練來檢驗機器預(yù)測研究^[2]。通過探索“押加”訓(xùn)練對照實驗組結(jié)果表明“押加”訓(xùn)練對大學(xué)生身體形態(tài)具有積極的促進作用，并在短跑、跳遠體測項目中有顯著的成績提高^[3]。押加運動是我國優(yōu)秀的民族傳統(tǒng)體育項目，傳承和發(fā)揚好民族傳統(tǒng)體育項目和文化^[4]，有學(xué)者在探尋押加運動在中華民族共同體視域下的發(fā)展建議，為中華民族共同體視域下西藏押加運動更好地開展提供參考和借鑒^[5]。但目前研究來看，從生物力學(xué)角度全面分析押加項目特征暫未可見，本研究從運動學(xué)、動力學(xué)等基礎(chǔ)參數(shù)出發(fā)，通過對押加項目的關(guān)節(jié)角度變化與活動范圍以及拉力進行分析與討論，代入數(shù)值計算方程進行仿真分析，為押加運動技術(shù)動作提供理論基礎(chǔ)。

1"研究方法

1.1 測試對象

以描述少數(shù)民族傳統(tǒng)體育押加項目的動作特征，本實驗所得的數(shù)據(jù)須全面與完整。由于押加比賽只有男性比賽且有體重級別分組以及多種動作訓(xùn)練方法，故選擇了三組不同體重且訓(xùn)練技術(shù)水平不同的受試者來進行實驗，各組情況如下：

第一組：參加過全國少數(shù)民族全運會押加比賽運動員（28歲、173±3cm、70±10公斤），共兩名（1、2號）；第二組：參加省級大運會押加運動員（21±3歲、170±7cm、70±10公斤），共四名（3、4、5、6號）；第三組：在訓(xùn)押加運動員（21±2歲、170±5cm、70±10公斤），共兩名（7、8號），整個實驗測試對象共有8 名。

1.2 實驗設(shè)備

本實驗應(yīng)用高速攝像機與視頻解析軟件APAS系統(tǒng)以及測力計方法對各項動作技術(shù)的運動學(xué)特征進行研究，由兩臺索尼攝像機可手動設(shè)置采樣50幀/秒，支持Window7/XP等多個操作系統(tǒng)，系統(tǒng)至少配備標定框架1套。

1.3 實驗過程

a.信息采集：對受試者進行基本身體形態(tài)各指標測量，包括體重、身高、環(huán)節(jié)長度、寬度、受訓(xùn)時間等。

b.受試者著裝要求：要求受試者身穿貼身衣褲，以便后期三維影像解析與人體建模更準確。

c.固定標記點：由一名專門的實驗人員負責粘貼17個反射光標記點，確保位置一致，然后讓受試者在試驗場地進行準備活動熱身，熟悉動作。

d.布置實驗場地。

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用生物力學(xué)視頻解析APAS系統(tǒng)，對運動員押加動作高速錄像進行數(shù)字化處理。在解析過程中，選取人體6個關(guān)節(jié)點，包括：肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)，加上頭部共17個標志點。采用系統(tǒng)自帶模型，構(gòu)建人體棍圖模型，進行三維分析，將所有采集圖像轉(zhuǎn)換為3D棍圖，如圖1。并將采集的原始三維坐標數(shù)據(jù)用數(shù)字低通濾波法進行數(shù)據(jù)平滑，截斷頻率為8Hz，獲得押加項目運動學(xué)參數(shù)。運動學(xué)參數(shù)包括各關(guān)節(jié)點坐標、關(guān)節(jié)角度和角度范圍以及拉力的數(shù)值。

2 研究結(jié)果

2.1押加運動下肢關(guān)節(jié)的運動學(xué)分析

2.1.1各關(guān)節(jié)的角度變化與分析

選取17個標志點后，根據(jù)人體的三個基本切面即矢狀面（X）、冠狀面（Y）和橫斷面（Z）上的位置來分析髖、膝、踝關(guān)節(jié)的角度變化。下圖2是所有測試者測量得出的左下肢關(guān)節(jié)角度變化均值，橫坐標是上節(jié)中定義的押加運動的準備姿勢開始到蹬地下壓調(diào)整到準備姿勢的時間周期，單位為秒（sec），以便觀察與分析，將矢狀面（X）方向上的髖、膝關(guān)節(jié)橫坐標改為一個周期。縱坐標是髖、膝、踝關(guān)節(jié)在矢狀面（X）、冠狀面（Y）和橫斷面（Z）方向上的關(guān)節(jié)角度（Deg）。從下肢關(guān)節(jié)的三維方向角度變化曲線來看，押加下肢各關(guān)節(jié)運動的角度變化主要集中在X方向即矢狀面上，這也是因為押加運動的動作技術(shù)所決定的。分析在矢狀面上的角度變化曲線中可以看出，整體上髖、踝關(guān)節(jié)角度均是隨時間變化而不斷增大的，到一定時間段后趨于接近最大限度。髖、膝、踝關(guān)節(jié)在開始周期時變化范圍比較小，髖關(guān)節(jié)角度蹬地發(fā)力周期快速伸展，伸展角度逐漸增大，踝關(guān)節(jié)角度同時增大，主要是由于押加下肢關(guān)節(jié)運動連帶一起同時運動。根據(jù)角度定義原點，在押加運動過程中，膝關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)角度變化與髖關(guān)節(jié)角度正好相反，在蹬地向前時，小腿在矢狀面上趨于與地面平行，即膝關(guān)節(jié)角度減小。髖關(guān)節(jié)伸展角與膝關(guān)節(jié)屈曲角在蹬地下壓同一時間上趨于最大、最小限度，然后再回到準備姿勢。在開始準備動作上的角度還是有所差異，準備姿勢中膝關(guān)節(jié)角度趨于水平狀態(tài)，而軀干與大腿的髖關(guān)節(jié)趨于垂直狀態(tài)。踝關(guān)節(jié)的角度在開始階段背屈角度增大，但其變化程度較小，并在開始時間段隨著重心前移，角度變化一直在45°到90°之間，在蹬地下壓結(jié)束時增加到最大值又開始下降，呈現(xiàn)出雙峰型曲線。捕捉的整個周期髖關(guān)節(jié)在X方向的關(guān)節(jié)角度逐漸增大，并達到最大限度開始減小，膝關(guān)節(jié)在X方向的關(guān)節(jié)角度逐漸減小，達到最小限度時緩慢上升。

在捕捉押加運動實驗過程中是加入拉力計同步進行測量的，則隨著時間的變化，力的大小也隨之改變。當不考慮其它因素時，故在相同的時間內(nèi)，測量的拉力數(shù)值的大小是隨著關(guān)節(jié)角度的變化而改變的。從髖關(guān)節(jié)來看，數(shù)值隨著髖關(guān)節(jié)角度的變化同樣改變，開始階段處于平緩增長，當角度約在10°時，開始快速增長，并在60°時數(shù)值達到最大，角度超過60°時，數(shù)值開始逐漸減小。整個下肢關(guān)節(jié)可以看做一個整體，膝關(guān)節(jié)角度與髖關(guān)節(jié)相反，其角度在最小值90°左右時，數(shù)值達到最大。踝關(guān)節(jié)相對來說其角度變化較小，通過與時間變化分析來看，當踝關(guān)節(jié)角度為45°時，其拉力數(shù)值最大。

2.1.2押加運動下肢關(guān)節(jié)的活動范圍分析

通過上小節(jié)中對下肢各關(guān)節(jié)角度變化進行分析，得出下肢各關(guān)節(jié)在矢狀面、冠狀面及橫斷面上運動的最大限度、最小限度及整個活動范圍。其中的X、Y、Z三個方向?qū)?yīng)髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)的伸展、外展以及外旋運動，踝關(guān)節(jié)的背屈、外展以及旋前運動。負值則為對應(yīng)相反的屈曲、內(nèi)收以及內(nèi)旋運動。在押加運動中，髖、膝、踝關(guān)節(jié)的活動范圍主要在矢狀面上，在Y、Z方向上的活動范圍沒有太大的區(qū)分。髖關(guān)節(jié)在X方向上的上限為60°，下限為-8°，其運動活動范圍為68°；膝關(guān)節(jié)在X方向上的上限為130°，下限為90°，其運動活動范圍為40°；踝關(guān)節(jié)在X方向上的上限為45°，下限為90°，其運動活動范圍為45°。其中髖關(guān)節(jié)活動范圍最大，為68°，踝關(guān)節(jié)運動范圍最小，為25°。髖關(guān)節(jié)在Y方向上的上限為5°，下限為-2°，其運動活動范圍為7°；膝關(guān)節(jié)在Y方向上的上限為10°，下限為-3°，其運動活動范圍為13°；踝關(guān)節(jié)在Y方向上的上限為11°，下限為-1°，其運動活動范圍為11°。髖關(guān)節(jié)在Z方向上的上限為1°，下限為-5°，其運動活動范圍為6°；膝關(guān)節(jié)在Z方向上的上限為5°，下限為-5°，其運動活動范圍為10°；踝關(guān)節(jié)在Z方向上的上限為8°，下限為1°，其運動活動范圍為7°。其中膝關(guān)節(jié)外展、外旋時峰值最大，為13°、10°，髖關(guān)節(jié)外旋運動范圍最小，為6°。

2.2押加運動下肢關(guān)節(jié)的動力學(xué)分析

2.2.1押加動力學(xué)生理參數(shù)獲取

按人體骨性標志分為17個部分，從三組測試對象中隨機各選取一名的下肢關(guān)節(jié)坐標與基本參數(shù)，第一組選取1號，第二組選取4號，第三組選取8號，根據(jù)國家成年人體慣性參數(shù)并通過統(tǒng)計學(xué)公式計算實驗者人體慣性參數(shù)，如：大腿和小腿的質(zhì)量、長度、質(zhì)心位置及轉(zhuǎn)動慣性^[6]。即人體各項測量學(xué)參數(shù)二元回歸方程為：Y=B₀"+ B₁m + B₂h，Y為人體中鍛體質(zhì)量、質(zhì)心、轉(zhuǎn)動慣量，m、h為人體體重kg與身高mm，B₀"、B₁"、B₂為回歸系數(shù)。測試者基本生理參數(shù)如下表1：

即測試者人體質(zhì)量與質(zhì)心方程：大腿的質(zhì)量與質(zhì)心： "M=－0.093﹢0.152m－0.0004h

M.C=－122.52－0.310m﹢0.235h；小腿的質(zhì)量與質(zhì)心： "M=－0.834﹢0.061m－0.0002h

M.C=23.47﹢0.5m﹢0.095h

測試者轉(zhuǎn)動慣量方程：大腿：Ix=－370537.7﹢428.4m﹢286.21h

Iy=－366488.9﹢554.9m﹢280.78h

Iz=6527.0﹢716.5m－14.61h

小腿：Ix=－30104.4﹢299.0m﹢20.12h

Iy=－29916.4﹢293.0m﹢20.09h

Iz=－1777.6﹢79.2m－0.33h

式中I_x是繞冠狀軸的轉(zhuǎn)動慣量，I_y是繞矢狀軸的轉(zhuǎn)動慣量，I_z是繞垂直軸的轉(zhuǎn)動慣量。

通過計算得出人體下肢關(guān)節(jié)基本參數(shù)與下肢關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動慣量如下表2、3：

2.2.2押加運動下肢建模仿真

根據(jù)測量獲取基本參數(shù)數(shù)據(jù)，帶入押加下肢關(guān)節(jié)模型拉格朗日方程^[7]仿真求解出力矩，結(jié)合各角度大小與力矩大小可知，髖、膝關(guān)節(jié)力矩與兩關(guān)節(jié)角度關(guān)系一樣，其力矩大小也是相反，當髖關(guān)節(jié)力矩為最大值38N.m，對應(yīng)的膝關(guān)節(jié)力矩為最小值3N.m。在押加運動過程中，髖關(guān)節(jié)力矩隨著角度的緩慢增長到周期80%時快速上升到最大，再逐漸下降；膝關(guān)節(jié)力矩隨著角度的平緩下降同樣到周期80%時快速降低到最小值，而后保持在最小值作用范圍內(nèi)，髖、膝關(guān)節(jié)角度大小與力矩成正比關(guān)系。在開始準備姿勢時，需克服地面反作用力同時還有對手相對抗力，此時髖關(guān)節(jié)力矩為-2N.m，膝關(guān)節(jié)力矩為6N.m。當需要對抗對手力量蹬地向前下壓時，髖角度在矢狀面上快速增長到最大值，同時膝關(guān)節(jié)矢狀面上降低到最小值，對應(yīng)最大力矩在髖關(guān)節(jié)角度60°±8、膝關(guān)節(jié)角度90°±10范圍內(nèi)為最大。髖關(guān)節(jié)的力矩相比較膝關(guān)節(jié)較大，髖關(guān)節(jié)的最大力矩為38N.m，膝關(guān)節(jié)力矩較小且波動不大，膝關(guān)節(jié)的最大力矩為6N.m。

3"討論

本文綜合分析下肢關(guān)節(jié)運動形式和關(guān)節(jié)受力與力矩的大小去了解押加運動的生物力學(xué)機制。測得押加運動學(xué)中關(guān)節(jié)角度變化與活動范圍數(shù)據(jù)以及不同角度下拉力大小的情況，計算力矩曲線圖，分析了下肢髖、膝關(guān)節(jié)的力矩變化規(guī)律及所參與的肌肉做功情況。由運動學(xué)實驗測量帶入動力學(xué)公式NSin?₁×L^[7]分析，在準備開始蹬地時，矢狀面上髖角度越大，產(chǎn)生的力矩就大，由此髖關(guān)節(jié)的大小對力量的發(fā)揮有重要的影響。

4"結(jié)論

在押加運動系統(tǒng)中，髖、膝關(guān)節(jié)角度有上、下限的活動范圍（角度），當超過其范圍，產(chǎn)生的力就會減小，甚至?xí)\動員造成一定的運動損傷，從解剖學(xué)角度下肢髖關(guān)節(jié)在冠狀軸運動上角度增大，膝關(guān)節(jié)在冠狀軸運動上角度減小時，理論公式可知力也隨之變大，成正相關(guān)。換言之，當軀干無限接近地面時，產(chǎn)生力為最大。但通過其他學(xué)者研究人體關(guān)節(jié)角度范圍承受負荷情況，國外學(xué)者在對跑步運動時，由于腳掌接觸地面，膝關(guān)節(jié)角度不佳其關(guān)節(jié)受力過大導(dǎo)致髕骨疼痛，故押加模型需處于一定合適的位置才能產(chǎn)生最大的力驅(qū)使身體帶動繩帶向前移動并使自身所受反作用力小以及預(yù)防關(guān)節(jié)損傷。

參考文獻

[1]劉樂樂.陜西省10-12歲女子競技體操運動員專項體能訓(xùn)練評價指標體系的構(gòu)建研究[D]. 西安體育學(xué)院，2022.

[2]梅齊昌;相亮亮;孫冬;李建設(shè);Justin Fernandez;顧耀東.長距離跑后“足外翻”姿態(tài)增加膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)接觸力：基于OpenSim肌骨建模及機器學(xué)習(xí)預(yù)測的研究[J]. 體育科學(xué)，2019，39（09）：51-59.

[3]鄧永鑫;吳俊方.“押加”訓(xùn)練對貴州大學(xué)學(xué)生體質(zhì)健康測試成績的影響研究[J].體育科技，2022，43（03）：28-30.

[4]徐吳云;肖坤.押加運動文獻綜述與研究展望[J]. 武術(shù)研究，2024，9（03）：116-118+122.

[5]張?zhí)┰?中華民族共同體視域下西藏押加運動開展的價值思考與策略研究[J]. 當代體育科技，2023，13（32）113-116+120.

[6]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB/T 17245—2004成年人人體慣性參數(shù)[S].北京：中國標準出版社，2004.

[7]劉晶晶.押加運動技術(shù)動作運動生物力學(xué)特征研究[J].體育科技文獻通報，2024，32（02）：273-277.

作者簡介：劉晶晶，1992年，女，碩士研究生，助教，研究方向：少數(shù)民族傳統(tǒng)體育。