李世明，部義峰，秦玉鵬

鞭打動作是人體基本動作形式之一，人體在克服阻力或自體位移過程中，肢體由近端環(huán)節(jié)到遠端環(huán)節(jié)依次加速與制動，各環(huán)節(jié)的速度也表現(xiàn)為由近端到遠端的依次增加，使末端環(huán)節(jié)產(chǎn)生極大速度的動作形式稱為鞭打動作［7］。上肢鞭打和下肢鞭打是兩種最基本的鞭打動作形式［11］。由于鞭打動作是許多體育技術的重要組成部分，如標槍投擲技術、排球扣球技術、網(wǎng)球擊球技術等都含有鞭打這一關鍵動作，因此，一直以來人們就十分重視對鞭打動作的研究［8，19－21］，尤其對上肢鞭打動作的研究較多［4，5，8，13，19－21］，而對下肢鞭打動作的研究則較少。由于人的下肢和上肢在解剖結構、用途特點等方面的不同，即使二者同屬于鞭打動作，其動作特點也會有很大不同。上肢鞭打動作可分為投擲性鞭打與打擊性鞭打兩種主要形式，而下肢一般來說只有打擊性鞭打動作［11］。鑒于此，為了更加全面、深入地探討下肢鞭打動作的運動生物力學原理，本研究選擇足球踢球動作這一典型的下肢打擊性鞭打動作為載體，實現(xiàn)對下肢鞭打動作運動學、動力學、肌電學的同步分析，即利用三維運動拍攝與解析技術進行運動學測試與分析，利用逆向動力學法進行關節(jié)動力學計算與分析，利用無線遙測肌電儀進行肌電學測試與分析［6］，以揭示下肢鞭打動作的肢體運動特點、下肢各關節(jié)力矩和下肢各主要肌肉收縮在鞭打動作中所起的作用，為下肢鞭打類動作的有效訓練奠定理論基礎。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

以8名成年男子足球運動員為研究對象，均接受過長時間系統(tǒng)訓練，其中，國家一級運動員4名，二級運動員4名，年齡22.4±3.7歲，身高1.76±0.06 m，體重74.25± 9.4 kg，運動年限10.25±3.85年。

1.2 研究方法

1.2.1 三維運動拍攝與解析

采用4臺索尼攝像機對運動員踢球技術進行拍攝，拍攝速度為50場/s，設置曝光時間為1/1 000 s，4臺攝像機高度均為1.2 m，分別置于運動員運動空間正前的左右兩側及正后的左右兩側約45°，相鄰2臺攝像機之間主光軸約為90°（圖1）。踢球前首先固定坐標框架并進行拍攝，踢球時移開框架對運動員完成的動作進行同步拍攝。運動員踢球時進行2～3步助跑。

拍攝的運動錄像通過德國產(chǎn)SIMI°Motion 7.3三維錄像解析系統(tǒng)進行解析。使用DLT法計算得到解析點的三維坐標。所得每個標志點的三維坐標使用巴特沃茲二階低通濾波法對其進行平滑處理，截斷頻率為6。

為了便于進行三維錄像解析時觀察主要關節(jié)的運動軌跡，將反光標志球貼于主要關節(jié)的中心上，包括左、右肩關節(jié)，左、右髖關節(jié)，左、右膝關節(jié)，左、右踝關節(jié)，左、右腳后跟，左、右腳尖；為了獲得逆向動力學計算所需的數(shù)據(jù)還增加了左、右髂前上棘，骶骨，右大腿最大隆起處，右小腿最大隆起處5處標志點。

1.2.2 逆向動力學計算

前述的三維錄像解析可獲得人體下肢的運動學數(shù)據(jù)，根據(jù)中國成年人人體慣性參數(shù)［12］和Chandler［15］給出的回歸方程可計算出大腿、小腿、足的慣性參數(shù)，采用基于牛頓－歐拉法［9］建立的下肢多剛體模型對下肢鞭打動作各關節(jié)的受力和凈力矩進行逆向動力學計算，以揭示下肢鞭打動作的動力學原因。整個逆向動力學計算過程共分6個步驟：

1.人體下肢鞭打模型的建立：將下肢簡化為大腿、小腿和足3個剛性環(huán)節(jié)，下肢的物理模型共有3個剛體、7個轉角。髖關節(jié)有3個：收展角、屈伸角、旋內(nèi)旋外角；膝關節(jié)有2個：屈伸角、旋內(nèi)旋外角；踝關節(jié)有2個：屈伸角、內(nèi)翻外翻角。

2.關節(jié)中心的計算：一個物體在三維空間中的運動有6個自由度，為了確定這6個坐標，必須在每個環(huán)節(jié)上設置至少3個不相關的標志點。骨盆部的3個不相關的標志點分別位于：右髂前上棘、左髂前上棘、骶骨；右小腿的為：右腳外踝、右小腿外側粗隆處、右股骨外上踝；右足的為：右腳第二跖骨前端、右腳外踝、右腳腳跟?；诟鳝h(huán)節(jié)3個不相關標志點所建立起來的坐標系以及立體X射線實驗得出的經(jīng)驗公式［16］，可以分別計算出右髖、右膝、右踝3個關節(jié)的中心坐標。

3.環(huán)節(jié)重心的計算：基于Chandler［15］等人研究得出的各環(huán)節(jié)重心平均估計參數(shù)以及上一步驟得出的各關節(jié)中心位置，就可以計算出各環(huán)節(jié)重心的位置坐標。由位移、速度和加速度之間的關系可知，已知各時刻環(huán)節(jié)重心的坐標，對位移進行微分可以得出環(huán)節(jié)重心運動的速度，再對速度進行微分可以得出環(huán)節(jié)重心運動的加速度。

4.環(huán)節(jié)坐標系的建立：為了描述環(huán)節(jié)在三維空間中相對于大地坐標系的位置及運動，需要在大腿、小腿、足下肢3環(huán)節(jié)上建立環(huán)節(jié)坐標系，其原點均位于環(huán)節(jié)重心位置。

5.環(huán)節(jié)運動學的計算：確定大腿、小腿、足下肢三環(huán)節(jié)的歐拉角，并利用歐拉角進一步計算環(huán)節(jié)的角速度和角加速度。

6.關節(jié)動力學的計算：對下肢三剛體、七自由度的物理模型進行逆向動力學反算。對下肢足、小腿、大腿進行隔離分析，從踝關節(jié)到膝關節(jié)再到髖關節(jié)逆向計算各關節(jié)反作用力和關節(jié)力矩。由于足在觸球前處于游離狀態(tài)，因此，只受到自身重力和踝關節(jié)施加給足的反作用力和力矩，結合前面通過三維錄像解析系統(tǒng)得到的足的運動學數(shù)據(jù)，完全可計算出踝關節(jié)反作用力和力矩，依次向上可計算出膝、髖兩關節(jié)的反作用力和力矩（公式推導略）。

逆向動力學計算采用自行研發(fā)的下肢鞭打動作MATLAB語言程序包，可計算踝、膝、髖下肢三關節(jié)的關節(jié)力與關節(jié)力矩。在進行計算時由于不同運動員完成動作時間不同，因此，對運動員完成動作時間進行歸一化處理，以便進行統(tǒng)計分析。MATLAB程序計算流程圖如圖2所示。

1.2.3 肌電信號采集與處理

采用中國科學院智能研究所開發(fā)的JE－TB0810八通道無線表面遙測肌電采集系統(tǒng)對踢球腿的8塊肌肉進行肌電信號采集，包括股直肌、股內(nèi)肌、股外肌、股二頭肌、半腱肌、腓腸肌、內(nèi)外側、脛骨前肌，電極片采用中國上海鈞康醫(yī)用設備有限公司產(chǎn)Ag/AgCI一次性使用心電電極，產(chǎn)品標準號：Q/SIDR2－2003；貼電極前用電極上自帶細砂紙輕擦皮膚表面去除角質(zhì)。3個電極呈等邊三角形貼于待測肌肉上，為了減少肌肉的交叉干擾，將電極貼放在肌肉肌腹沿肌纖維走向的方向上，電極圓心間距3～3.5 cm。該肌電采集儀采用硬件濾波器，所有EMG通道配備一階高通濾波器，截止頻率為10 Hz，即只允許10 Hz以上的信號通過；所有EMG通道配置二階巴特沃斯低通濾波器，截止頻率為3 000 Hz，即只允許3 000 Hz以下的信號通過。由于肌電信號的頻率范圍主要集中在10～400 Hz，因此，上位機軟件在分析時使用的低通濾器截止頻率為500 Hz，以消除環(huán)境噪聲和運動偽跡的影響。信號的采樣頻率為1 000 Hz，增益倍數(shù)為119，共模抑制比＞100 db，輸入阻抗＞1 012歐姆，輸入原始信號范圍±3 mV。為了盡可能減少肌電數(shù)據(jù)傳輸線對運動員的影響以及防止電極受牽拉產(chǎn)生移動，對數(shù)據(jù)傳輸線和電極片進行了捆綁，表面肌電采集儀佩戴于運動員的腰部。利用肌電儀自帶的肌電信號分析軟件JAnalysis E100C進行數(shù)據(jù)處理［1，2］。

圖2 本研究MATLAB程序計算流程圖

1.2.4 攝像機與肌電采集儀的同步過程

攝像機與肌電采集儀同步系統(tǒng)主要包括信號發(fā)射器和同步器。運動員攜帶肌電采集儀在運動空間內(nèi)運動，每臺攝像機前放置同步器，信號發(fā)射器與監(jiān)控電腦相連，測試開始，通過監(jiān)控電腦觸發(fā)信號發(fā)射器發(fā)射信號，肌電采集儀接受到信號后開始采集數(shù)據(jù)并保存，同時，攝像機前的同步器也接受到信號發(fā)射器的信號并觸發(fā)發(fā)光二極管，發(fā)光二極管閃爍，被攝像機捕捉，從而完成肌電采集儀與攝像機的同步，實驗現(xiàn)場如圖1所示。

2 研究結果與分析

2.1 下肢鞭打動作的運動特征分析

2.1.1 下肢鞭打動作的時相劃分

考慮到下肢鞭打一般屬于打擊性鞭打動作，且往往不是從靜止狀態(tài)開始，而常是連續(xù)動作最后非常關鍵的一部分，因此，本研究在選擇踢球動作時要求運動員進行2～3步助跑。與從靜止開始踢球相比，這樣設計實驗的目的不僅可以使下肢鞭打動作成為助跑踢球連貫動作的一部分，還可以增大下肢鞭打動作的效果。

下肢鞭打動作是下肢各環(huán)節(jié)依次加速擺動與制動的過程，為了研究需要，本研究采用環(huán)節(jié)擺動順序與環(huán)節(jié)擺動速度相結合的方法來確定下肢鞭打動作時相的劃分。首先，確定踢球腿鞭打動作的特征畫面，即不同動作階段的臨界點，可分為擺動腿腳尖離地時刻、大腿最大后擺幅度時刻（髖最大伸展）、小腿最大后擺幅度時刻（膝最大屈曲）、大腿前擺最大角速度時刻以及小腿前擺最大角速度時刻5幅特征畫面，相應地就把擺動腿的擺動過程劃分為了4個階段，即大腿后擺階段（P1段）、小腿后擺階段（P2段）、大腿加速前擺階段（P3段）、小腿加速前擺階段（P4段）。如圖3所示，圖中1～5動作分別代表5幅動作特征畫面。

圖3 本研究下肢鞭打擺動腿擺動階段時相劃分示意圖

大腿后擺階段（P1段）是指從“擺動腿腳尖離地”到“大腿最大后擺”動作時段。隨著大腿后擺幅度的不斷增大，一方面，大腿后擺肌群的對抗肌被動拉長，會反射性地引起肌肉被動張力的增加，為了防止髖關節(jié)過度伸展造成損傷，大腿后擺的對抗肌開始發(fā)揮抑制作用；另一方面，在大腿后擺過程中，小腿也開始后擺，多關節(jié)肌同時作用于所跨各關節(jié)時，就會出現(xiàn)“主動肌力量不足”現(xiàn)象，為了克服這種現(xiàn)象，就要求擺動肌群進行積極用力，因此，大腿后擺末期是大腿后擺肌群積極主動發(fā)力的過程。

小腿后擺階段（P2段）是指從“大腿最大后擺”到“小腿最大后擺”時段。小腿的最大后擺幅度不能夠與大腿的最大后擺幅度同步完成，因為在大腿極力向后伸展的情況下，再屈曲小腿，“主動肌力量不足”現(xiàn)象就會出現(xiàn)，股后肌群的肌力就不能完全作用在小腿后擺上。大腿后擺結束開始前擺，“主動肌力量不足”現(xiàn)象就會減弱，從而使得小腿最大程度地向大腿靠攏。

大腿加速前擺階段 （P3段）是指從 “小腿最大后擺”到 “大腿前擺最大角速度”時段。大腿最大前擺角速度出現(xiàn)在小腿最大后擺時刻以后，在大、小腿充分折疊的狀態(tài)下達到角速度峰值。事實上，大腿在其達到最大后擺幅度后就開始前擺，在前擺的初期往往伴隨著小腿的后擺 （小腿逐漸向大腿靠攏），隨著大腿繼續(xù)前擺，大腿股后肌群 “主動肌力量不足”現(xiàn)象消除，小腿最大限度地與大腿靠攏，減小了下肢以髖關節(jié)為軸的轉動半徑，使下肢的轉動慣量減小，從而使得大腿加速更為容易，可很快達到角速度峰值。

小腿加速前擺階段（P4段）是指從“大腿前擺最大角速度”到“小腿前擺最大角速度”時段。大腿角速度出現(xiàn)峰值后，其角速度急劇下降，小腿角速度達到峰值，完成了角動量由近端環(huán)節(jié)向遠端環(huán)節(jié)的傳遞。此階段，在大腿前擺基礎上快速伸膝，加長了下肢繞髖關節(jié)的轉動半徑，增加了末端環(huán)節(jié)——足的線速度，從而增加了最后的總動量。

2.1.2 下肢鞭打動作的時間特征

下肢鞭打動作擺動腿擺動階段時間特征如表1所示。研究表明，擺動腿擺動階段的時間特征具有大腿后擺時間短，小腿后擺時間長；大腿前擺時間長，小腿前擺時間短的時間占用特征。統(tǒng)計分析表明，擺動腿的擺動總時間以及各個階段擺動時間標準差非常小，說明總體樣本的離散程度小，擺動腿的擺動時間表現(xiàn)出很強的規(guī)律性。

為了比較下肢鞭打動作不同階段擺動腿的時間占用特征，對擺動時間進行歸一化處理，取擺動腿全部擺動時間為100％。4個階段所占擺動腿擺動時間的比例關系如圖4所示。其中，擺動腿后擺過程中，大腿后擺時間很短，不及小腿后擺時間的一半，因此，可以認為擺動腿的后擺主要是完成小腿的屈曲后擺；擺動腿前擺過程中，大腿的擺動幅度要小于小腿的擺動幅度（表2），但小腿的擺動時間要比大腿的擺動時間小得多，說明大腿的擺動角速度要慢，同時也反映了小腿在前擺過程中進行爆發(fā)式擺動的動作特征。

表1 本研究下肢鞭打擺動腿各階段擺動時間一覽表 （n＝8）

圖4 本研究下肢鞭打擺動腿擺動階段時間結構圖

表2 本研究下肢鞭打擺動腿各階段角位移一覽表 （n＝8）

2.1.3 下肢鞭打動作的角速度特征

表3為下肢鞭打擺動腿擺動速度一覽表。研究表明，腳尖離地后，大腿的后擺角速度一直呈現(xiàn)出不斷減小的趨勢，當達到大腿最大后擺幅度時，其擺動角速度減小為0。腳尖離地時，小腿的后擺速度要大于大腿的后擺速度。腳尖離地后，小腿的后擺角速度達到最大，然后慢慢減小，直到達到其最大后擺幅度。而總體上，在后擺過程中，大腿表現(xiàn)出逐漸減速的特點，小腿表現(xiàn)出加速—最大角速度—減速的特點（圖5）。

表3 本研究下肢鞭打擺動腿擺動速度一覽表 （n＝8）

下肢鞭打動作踢球腿前擺階段是整個擺動階段的關鍵部分，由表3可知，小腿前擺角速度要遠大于大腿前擺角速度，說明小腿擺動速度要快，在加速前擺過程中完成了爆發(fā)式前擺，有利于增大踢球力量。由圖3可知，在擺動腿前擺過程中，大腿角速度表現(xiàn)出加速—達到峰值—減速的變化特點，小腿角速度表現(xiàn)出持續(xù)加速的變化特點，二者依次到達速度峰值，從動作形式上看屬于鞭打動作。

大腿達到最大后擺后的加速前擺具有重要的意義，首先，大腿的前擺能夠使“主動肌力量性不足”現(xiàn)象減弱甚至消除，有利于小腿向大腿積極地靠攏；其次，大腿的加速前擺使擺動腿獲得一定的初始動量，為小腿的加速前擺奠定基礎。大腿角速度峰值出現(xiàn)前，伸膝肌群開始收縮用力，膝關節(jié)的伸膝力矩使得小腿也開始加速前擺，同時其產(chǎn)生的反力矩作用于大腿上，使得大腿前擺角加速度開始下降。由于大、小腿通過膝關節(jié)相連，兩環(huán)節(jié)之間存在的沖量矩使得大腿獲得的動量矩傳遞到了小腿，使得小腿角速度迅速增大。目前，對于大腿出現(xiàn)減速的原因還存在爭議，有學者認為，在大腿前擺角速度達到峰值后應該主動減速制動［10］，近端環(huán)節(jié)的制動力來自大腿前擺的對抗肌。但是，如果大腿的減速制動確實是由其對抗肌來實現(xiàn)的，那么，大腿的角動量就不會傳遞到小腿，只能轉變?yōu)閷辜〉膹椥詣菽?。因此，在這一過程中，大腿的減速制動不可能是其對抗肌主動收縮產(chǎn)生的阻力造成的，而應是小腿加速前擺產(chǎn)生的關節(jié)反力矩造成的。由此可見，小腿能夠完成爆發(fā)式前擺動作除了支配小腿前擺的伸膝肌群主動收縮外，還有大腿的角動量傳遞。Hiroyuki Nunome等研究發(fā)現(xiàn)，小腿前擺初期主要是膝關節(jié)肌力矩起支配作用，而在小腿前擺后期是大、小腿之間關節(jié)反作用力產(chǎn)生的交互力矩在起支配作用［18］。

圖5 本研究下肢鞭打擺動腿后擺角速度變化示意圖

本研究還發(fā)現(xiàn)，大腿達到最大角速度前，小腿就開始了加速前擺，但是當大腿達到最大角速度時，小腿所達到的擺動速度各不相同，多數(shù)樣本表現(xiàn)出了小腿剛進入加速的狀態(tài)（n＝6），速度遠不及小腿最大前擺角速度的1/2（圖6中a圖）；但同時也有樣本顯示，大腿達到最大前擺角速度時，小腿已經(jīng)具備了較大的角速度（n＝2），速度超過了小腿最大前擺角速度的1/2（圖6中b圖）。根據(jù)Hiroyuki Nunome等的研究發(fā)現(xiàn)，上述現(xiàn)象說明下肢鞭打動作伸膝肌群參與發(fā)力的時機有早晚之分，a圖中顯示的是伸膝肌群參與發(fā)力的時機較晚，而b圖顯示的則是伸膝肌群參與發(fā)力的時機較早。從理論上推測，伸膝肌群參與發(fā)力不宜過晚或過早，過晚不利于發(fā)揮伸膝肌群在小腿擺動初期的主導作用；過早則大、小腿依次達到最大前擺角速度時間間隔變短，不利于小腿擺動后期大、小腿之間的動量矩傳遞。因此，在下肢鞭打過程中，小腿伸膝肌群參與發(fā)力的時機要適當，充分發(fā)揮膝關節(jié)肌力矩在小腿前擺初期的支配作用和大、小腿之間的交互力矩在小腿前擺后期的支配作用，以最大程度地增強下肢鞭打的效果。

2.2 下肢鞭打動作的關節(jié)力矩分析

下肢髖、膝、踝三關節(jié)肌力矩的變化規(guī)律是下肢大腿、小腿、足三環(huán)節(jié)產(chǎn)生鞭打動作的動力學原因［3］。因此，本研究主要從下肢髖、膝、踝三關節(jié)的肌力矩隨時間的變化曲線來初步探討下肢鞭打的動力學原因。

2.2.1 髖關節(jié)力矩

圖7是下肢鞭打髖關節(jié)力矩隨時間的變化曲線，包括屈/伸（Fle－Ext）力矩、內(nèi)收/外展（Add－Abd）力矩、旋內(nèi)/旋外（Ext－Int）力矩。1）從髖關節(jié)的屈/伸力矩來看，開始存在一個較小的伸髖力矩，致使擺動腿腳尖離地后產(chǎn)生了一個微小的主動后擺動作；接著，髖關節(jié)屈肌力矩開始占優(yōu)勢，致使大腿向前擺動達到最大擺速；最后，在擺動末期髖關節(jié)產(chǎn)生了一個伸髖力矩，其主要作用可能是防止整條擺動腿的過度前擺。2）從髖關節(jié)的內(nèi)收/外展力矩來看，在髖關節(jié)向前屈擺過程中，髖關節(jié)還存在一較大的內(nèi)收力矩，這是由于大腿后擺時髖關節(jié)略呈外展姿位，因此，大腿前擺過程中必須存在一個內(nèi)收力矩，以控制髖關節(jié)的外展角度，擺動末期出現(xiàn)的較小外展力矩作用則是防止大腿過度內(nèi)收。因此，髖關節(jié)的內(nèi)收/外展力矩在下肢鞭打過程中起定向作用。3）從髖關節(jié)的旋內(nèi)/旋外力矩來看，髖關節(jié)旋內(nèi)力矩的存在則是因為受踝關節(jié)自身解剖學結構的影響，其自身不能進行有效的旋內(nèi)，其最鄰近的膝關節(jié)也只有在一定屈膝條件下，才能進行幅度較小的旋內(nèi)，因此，需要擺動腿的髖關節(jié)與之配合來完成旋內(nèi)動作以形成腳觸球前合適的腳的方位。因此，盡管旋內(nèi)力矩峰值較小，但是髖關節(jié)存在的這個旋內(nèi)力矩對于完成腳的方位調(diào)整具有重要作用。

圖6 本研究下肢鞭打大腿角速度峰值出現(xiàn)前小腿角速度特征示意圖

圖7 本研究下肢鞭打髖關節(jié)力矩隨時間變化曲線圖

2.2.2 膝關節(jié)力矩

圖8為下肢鞭打膝關節(jié)力矩隨時間的變化曲線，包括屈/伸（Fle－Ext）力矩，旋內(nèi)/旋外（Ext－Int）力矩。1）從膝關節(jié)的屈/伸力矩來看，擺動腿在腳尖離地時存在一個伸膝力矩，伸膝力矩的存在就是使小腿不會提前后擺，為大腿后擺留下一定空間，避免多關節(jié)肌“原動肌力量不足”現(xiàn)象過早出現(xiàn)。接著，膝關節(jié)屈肌力矩開始占優(yōu)勢，以使小腿快速屈曲后擺，小腿達到最大后擺角速度后，膝關節(jié)伸肌開始占優(yōu)勢，小腿后擺速度減緩，直到達到最大屈曲狀態(tài)，此后，膝關節(jié)伸肌力矩逐漸增大。在腳觸球前膝關節(jié)伸肌力矩有一個下降，可能是由于運動員為了追求踢球的精度而進行的主動控制。2）從膝關節(jié)的旋內(nèi)/旋外力矩來看，膝關節(jié)旋內(nèi)、旋外的力矩較小，其原因可能是由于受膝關節(jié)解剖學結構的制約，膝關節(jié)只有在一定的屈膝狀態(tài)下才能進行有限度的旋內(nèi)、旋外動作，該力矩主要是參與對腳的方位的調(diào)整。

圖8 本研究下肢鞭打膝關節(jié)力矩隨時間變化曲線圖注：Fle－Ext代表屈、伸力矩；Ext－Int代表旋內(nèi)、旋外力矩；其中，膝關節(jié)屈為負、伸為正；旋內(nèi)為正，旋外為負。

2.2.3 踝關節(jié)力矩

圖9為下肢鞭打踝關節(jié)力矩隨時間的變化曲線，包括背屈/跖屈（Dor－Pla）力矩，內(nèi)翻/外翻（Inv－Eve）力矩。1）從踝關節(jié)的背屈/跖屈力矩來看，在擺動過程中踝關節(jié)一直是背屈力矩占優(yōu)勢，說明踝關節(jié)背屈肌群收縮發(fā)力以形成堅固的腳踝屈曲狀態(tài)。一方面，可以固化踝關節(jié)，減小腳與球碰撞時的微變，增大動量的傳遞效果；另一方面，踝關節(jié)的固化可以增大踢球腿的有效質(zhì)量，達到增大腳與球碰撞前初始動量的效果［14，17］。2）從踝關節(jié)的內(nèi)翻/外翻力矩來看，踝關節(jié)內(nèi)翻力矩的存在主要是調(diào)整腳的傾斜角度。

圖9 本研究下肢鞭打踝關節(jié)力矩隨時間變化曲線圖注：Dor－Pla代表背屈、跖屈力矩；Inv－Eve代表內(nèi)翻、外翻力矩；其中，跖屈為正、背屈為負；內(nèi)翻為正，外翻為負。

2.3 下肢鞭打動作的平均肌電分析

擺動腿的前擺過程是下肢鞭打動作的關鍵階段，這是一個非常復雜的過程。例如，在大腿的前擺過程中，既有小腿的后擺，還有小腿前擺；又如，對于股直肌等多關節(jié)肌來說，既是屈髖原動肌也是伸膝原動肌。因而，要洞察擺動腿前擺過程的肌電學特點需要對其進行分階段分析。本研究根據(jù)三維錄像解析系統(tǒng)將擺動腿前擺過程分為3個小階段：圖10中“1”代表大腿開始前擺到小腿開始前擺階段；“2”代表小腿開始前擺到大腿前擺最大角速度階段，“1”、“2”合起來就是前面時相劃分的P3段；“3”代表大腿前擺最大角速度到小腿前擺最大角速度階段，即前面時相劃分的P4段。對各階段內(nèi)的肌電信號進行平均化處理，得到各階段的平均肌電（AEMG）和標準差，平均化處理時選取FFT寬度為128。研究結果如圖10所示。

圖10 本研究下肢鞭打擺動腿前擺階段肌群平均肌電水平圖

研究表明，從大腿開始前擺到小腿開始前擺階段內(nèi)（圖10中1），所測8塊肌肉均有肌電信號產(chǎn)生。為了分析每一塊肌肉的平均肌電在后續(xù)2個階段的變化情況，本研究將該階段內(nèi)所測的各塊肌肉的平均肌電作為進一步分析的基準。

小腿開始前擺到大腿前擺最大角速度這一階段（圖10中2），股直肌放電現(xiàn)象進一步加大，原因是股直肌作為雙關節(jié)肌，不僅具有屈髖的功能，同時還具有伸膝的作用，在既要屈髖又要伸膝的情況下必須加大肌肉收縮力量。與此同時，股內(nèi)肌、股外肌的放電現(xiàn)象也出現(xiàn)加大趨勢，說明小腿前擺初期的動力來自于伸膝肌群，也就是伸膝力矩在起支配作用，這與Hiroyuki Nunome等認為“小腿前擺初期是由膝關節(jié)肌力矩在起支配作用”的觀點是一致的［18］。小腿前擺是伸膝的過程，而腓腸肌外側放電現(xiàn)象卻進一步加大，其原因可能是由于小腿爆發(fā)式前擺過程中有旋外動作所致。上文運用逆向動力學法計算膝關節(jié)的關節(jié)力矩時曾發(fā)現(xiàn)膝關節(jié)旋外力矩的存在，該旋外力矩的來源就應該是腓腸肌外側發(fā)力產(chǎn)生的。

大腿前擺最大角速度到小腿前擺最大角速度階段內(nèi)（圖10中3），股直肌放電現(xiàn)象明顯減弱，而股內(nèi)肌與股外肌的放電現(xiàn)象則更進一步加強，說明股直肌作為雙關節(jié)肌，在擺動腿擺動過程中對屈髖的貢獻要大于對伸膝的貢獻，小腿前擺過程中股內(nèi)肌與股外肌的作用不斷加大。在該階段，股二頭肌和半腱肌放電現(xiàn)象明顯加大，而傳統(tǒng)理論認為，股二頭肌與半腱肌主要作用是伸髖、屈膝。本研究中，二者在屈髖、伸膝的過程中出現(xiàn)了放電現(xiàn)象與傳統(tǒng)的理論認識截然相反。有學者認為［10］，踢球瞬間，只有將髖關節(jié)進行固定，伸膝動作才能更加有力，因此，可認為在此階段中股二頭肌放電增強主要是配合股直肌加強對髖關節(jié)的控制。半腱肌的放電加強則主要是與腓腸肌外側配合，完成對膝關節(jié)旋外動作幅度的控制。

在小腿開始前擺的整個過程中（圖10中2、3），脛骨前肌均表現(xiàn)出了一定的放電現(xiàn)象，主要用于踢球前的伸踝工作，脛骨前肌的適當用力可以與腓腸肌密切配合，實現(xiàn)對踝關節(jié)的良好控制，完成踝關節(jié)的固化。利用逆向動力學法對踝關節(jié)肌力矩進行計算時也發(fā)現(xiàn)了背屈力矩的存在，由此看出，踢球前踝關節(jié)背屈力矩是影響踢球效果的一個重要因素。

由上述分析可知，小腿加速前擺初期的動力主要來源于膝關節(jié)肌力矩，伸膝力矩在起支配作用，隨著小腿的不斷加速，其關節(jié)反力矩逐漸加大，使得大腿前擺角速度出現(xiàn)峰值后開始減慢，在大腿角速度減速制動過程中，大腿角動量通過沖量矩不斷地向小腿轉移，同時，伸膝肌群繼續(xù)主動用力，甚至收縮程度進一步加強，使得小腿角速度迅速增大，實現(xiàn)了小腿的爆發(fā)式前擺。從小腿開始前擺到小腿前擺最大角速度整個過程中，股內(nèi)肌、股外肌的放電現(xiàn)象是不斷加強的，由此可見，伸膝肌群的主動用力貫穿于小腿整個前擺過程中，在小腿的整個前擺過程中起著重要作用，角動量的傳遞則是在通過伸膝肌群不斷使得小腿加速前擺基礎上使大腿角速度開始減小后獲得的。小腿前擺初期是伸膝力矩在起支配作用，而大腿達到最大角速度后小腿加速前擺后期是伸膝力矩與來自大腿角動量的傳遞共同作用的結果。這一點與Hiroyuki Nunome等的研究結論稍有不同，主要區(qū)別在于小腿前擺的后期，他們的研究主要強調(diào)了“小腿前擺后期是大、小腿之間交互力矩在起支配作用”，沒有提及在小腿前擺后期伸膝力矩的作用。本研究根據(jù)在小腿前擺后期股內(nèi)肌、股外肌放電進一步加強這一現(xiàn)象推測，伸膝力矩在小腿前擺后期也會有較大貢獻。但是，大、小腿之間的交互力矩和伸膝力矩在小腿加速前擺后期的貢獻比例目前尚不能確定。

3 結論與建議

1.下肢鞭打的運動特征分析：在小腿加速前擺階段，具有大腿后擺時間短、小腿后擺時間長，大腿前擺時間長、小腿前擺時間短的時間占用特征。下肢鞭打動作的角速度特征后擺時表現(xiàn)為大腿逐漸減速，小腿加速→最大角速度→減速的特點；前擺時表現(xiàn)為大腿加速→最大角速度→減速，小腿持續(xù)加速的特點。

2.下肢鞭打的關節(jié)力矩分析：前擺階段髖關節(jié)的屈肌力矩、膝關節(jié)的伸肌力矩、踝關節(jié)的背屈力矩起主導作用；髖關節(jié)的內(nèi)收/外展力矩在下肢鞭打過程中起定向作用；髖關節(jié)旋內(nèi)/旋外力矩、膝關節(jié)旋內(nèi)/旋外力矩以及踝關節(jié)內(nèi)翻力矩的主要作用是對腳的方位及傾斜程度進行調(diào)整。

3.下肢鞭打的平均肌電分析：股直肌作為雙關節(jié)肌，在擺動腿擺動過程中對屈髖的貢獻要大于對伸膝的貢獻，小腿前擺過程中股內(nèi)肌與股外肌的作用不斷加大；腓腸肌外側在大腿開始前擺階段的主要作用是使小腿屈曲，在小腿開始前擺時的主要作用是使小腿產(chǎn)生旋外的動作；在小腿達到最大角速度前，股二頭肌放電加強主要是配合股直肌實現(xiàn)對髖關節(jié)固定工作的控制，半腱肌放電加強主要是配合腓腸肌外側控制小腿的旋外動作幅度。

4.本研究可以證實小腿加速前擺的初期伸膝肌群產(chǎn)生的伸膝力矩在起支配作用，后期是伸膝力矩與來自大腿角動量的傳遞共同在起作用，但是二者在小腿加速前擺后期的貢獻比例目前尚不能確定。另外，在下肢鞭打過程中要強調(diào)伸膝肌群的發(fā)力時機應適當。

［1］部義峰，李世明，熊安竹，等.腳背內(nèi)側踢球擺動腿的運動學與肌電信號特征研究［J］.體育科學，2007，27（3）：54－58.

［2］部義峰，李世明，秦玉鵬，等.不同踢球方式擺動腿的運動學與肌電信號特征研究［J］.體育科學，2007，27（12）：27－32.

［3］部義峰，李世明，王前進，等.正腳背踢球技術擺動腿的動力學研究［J］.北京體育大學學報，2010，33（6）：62－65，70.

［4］陳瑞瑞.排球扣球中鞭打動作的肌電分析與力量訓練方法的探討［D］.北京體育大學碩士學位論文，2010.

［5］劉卉.上肢鞭打動作技術原理的生物力學研究［J］.體育科學，2004，24（11）：30－36.

［6］李世明.運動生物力學理論與方法［M］.北京：科學出版社，2006.

［7］李世明.運動生物力學英漢雙語教程［M］.北京：人民體育出版社，2008.

［8］潘慧炬，胡振浩.人體鞭打動作的力學模型［J］.浙江體育科學，1990，12（6）：17－21.

［9］袁士杰，呂哲勤.多剛體系統(tǒng)動力學［M］.北京：北京理工大學出版社，1992.

［10］張廷安.足背正面踢定位球踢球腿擺動速度的研究［D］.北京體育大學碩士學位論文，1986.

［11］趙煥彬，李建設，李世明，等.運動生物力學［M］.北京：高等教育出版社，2008.

［12］中華人民共和國國家標準.成年人人體慣性參數(shù)［G］.GB/T 17245－2004.

［13］周里，金學斌.對上肢鞭打動作生物力學原理的研究［J］.體育科學，1996，16（3）：41－46，52.

［14］ASAI T，AKATSUKA T，KAGA M.Impact process of kicking in football［A］.In K Hakkinen，K L Keskinen，P V Komi，etal（Eds.），Proceedings of the XVth Congress of the International of Society of Biomechanics［M］.Jyvaskyla：Gummerus Printing.1995：74－75.

［15］CHANDLER R F，CLAUSER C E，MCCONVILLE J T，etal.Investigation of Inertial Properties of the Human Body［R］.Aerospace Medical Research Laboratory Tech.Rep，1975：74－137.

［16］CHRISTOPHER L VAUGHAN，BRAIN L DAVIS，JEREMY C O’CONNOR.Dynamics of Human Gait（2nd Edition）［M］.Kiboho Publishers，Cape Town，South Africa，1999.

［17］HIROYUKI NUNOME，MARK LAKE，etal.Impact phase kinematics of instep kicking in soccer［J］.J Sports Sci，2006，24（1）：11－22.

［18］HIROYUKI NUNOME，YASUO IKEGAMI，etal.Segmental dynamics of soccer instep kicking with the preferred and non－preferred leg［J］.J Sports Sci，2006，24：529－541.

［19］MICHAEL E.Three－Dimension Interactions in a Two－Segment Kinetic Chain.Part I：General Model［J］.J Appl Biomech，1989，（5）：403－419.

［20］MICHAEL E FELTNER.Three－Dimensional Interactions in a Two－Segment Kinetic Chain.Part II：Application to The Throwing Arm in Baseball Pitching［J］.J Appl Biomech，1989，（5）：420－450.

［21］PUTNAM C.A Sequential Motions of Body Segments in Striking and Throwing Motion of The short and Long Pass of 4 Elite College Quarterbacks［J］.Med Sci Sports Exe，1994，（5）：176－183.