朱興濤，于 芳，賈 誼

競走項目屬于耐力性項目，競走技術的合理性對競走運動員的體能有著重要的影響，因此，研究競走動作技術與能耗的關系對競走比賽成績有著重要的意義。我國競走運動有“小步幅，快頻率”的傳統(tǒng)技術風格，為了提高成績，筆者從物理學、運動生物力學和人體解剖學基礎理論出發(fā)，對競走技術進行理論能耗模型研究，以提高競走運動員能耗的利用率。同時針對個體運動員的自身條件和競走技術，量體裁衣，對步長、步頻、關節(jié)角度等競走技術訓練理念進行了創(chuàng)新研究。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

以太倉國際田聯(lián)競走挑戰(zhàn)賽45號運動員競走技術參數進行研究，測試對象身高168cm，體重55kg，個人最好成績1小時28分43秒。根據《現代運動生物力學(第二版)》人體基本參數[2]，并從中提取文章所要涉及的部分，中國青年女性幾何尺寸及質量、質心見表1。

通過對該運動員的實際參數和中國青年女性幾何尺寸及質量、質心統(tǒng)計參數的對比身高L有:L身－L參=168 －158.891 7=9.108 3，比例系數 r=9.108 3/45.625=0.2。由此可以計算出運動員的個環(huán)節(jié)長度及質量。

M=M參+標準差 ×0.2

L=L參+標準差 ×2

下肢環(huán)節(jié)的質量:

M大腿=7.388 8kg

M小腿=2.360 4kg

M足=0.721 2kg

下肢環(huán)節(jié)的長度:

L大腿=461.225 2mm

L小腿=350.135 6mm

L足=230.314 4mm

表1 中國青年女性幾何尺寸及質量、質心統(tǒng)計表

1.2 研究方法

1.2.1 文獻資料法 通過中文期刊網、中北大學圖書館，山西省圖書館等廣泛閱讀國內外相關的文獻資料，參考有關人體解剖學、現代生物力學、運動生理學和競走相關專著，對我國優(yōu)秀競走運動員的技術參數、運動能耗和研究現狀進行全面了解。

1.2.2 平面定機拍攝 比賽現場拍攝于2011年4月22日—24日在太倉國際田聯(lián)競走挑戰(zhàn)賽。使用Panasonic-AG-DVC180BMC攝像機一臺，對比賽現場進行平面定點定機拍攝。攝像機主光軸垂直于運動平面，設定拍攝頻率為50Hz，拍攝距離為12m，機高 1.2m，曝光時間 1/100 0s[3]。比賽前在拍攝范圍內設定比例尺，比例尺長度為2.5m。采用地面黏貼標尺的方法進行標定，解析時以膠布外沿做為標定點進行標定[1]。利用圖像處理技術對人體各個姿態(tài)進行分析。通過對采集的序列圖像進行解析，利用三維建模分析運動狀態(tài)、位置信息。

1.2.3 影像解析法 使用Ariel公司APAS運動生物力學分析系統(tǒng)對運動員動作錄像進行人工數字化處理。選取運動員一個復步(即左著-右著-左著或右著-左著-右著)的動作進行研究，并對動作過程前、后分別額外多取10幅畫面進行解析。解析時使用松井秀治人體慣性參數模型，并選取19個關節(jié)點。通過低通數字濾波法進行平滑處理，平滑系數為8，獲取原始數據。運動員第一圈、第二圈、第三圈、第五圈、第六圈、第七圈、第八圈、第九圈和第十圈(第四圈拍攝時大部分被遮擋所以舍去)數據見表2。

表2 運動員步長與騰空時長統(tǒng)計表

2 結果與分析

人體下肢的運動學建模，實際上就是求解擺動腳的位置、速度等運動狀態(tài)與各關節(jié)相對角度之間的運動關系。以系統(tǒng)中關節(jié)點作為出發(fā)點，運用傳統(tǒng)的理論力學矢量合成原以及剛體位置、速度等為基礎，針對人體下肢進行多剛體系統(tǒng)的運動學分析。根據人體的結構和運動力學的分析，建立人體下肢運動數學模型，結合課題的研究背景，選用拉格朗日建模方法，從系統(tǒng)能量角度出發(fā)構建人體下肢的動力學模型。拉格朗日法以系統(tǒng)能量角度出發(fā)，通過系統(tǒng)的動能和勢能來建立拉格朗日能量函數，只需要速度而不需要求得內作用力，通過能量函數對系統(tǒng)的廣義坐標變量進行求導，來建立系統(tǒng)廣義坐標變換之間的數學關系[8]。

圖1 運動員競走過程視頻的平面處理

從競走技術定義來看，競走就是一個“復合移動鐘擺運動”[3]，將人體下肢簡化為平面的二剛體二自由度模型(見圖1)。一個完整、復雜的運動過程可以看作是由一些簡單的動作組成。通過準確測量這些基本動作的能量消耗和效率，進而推測整個運動過程的能量消耗和效率。這種動作分解測量方法是可行的[4]。本文只研究運動員在競走方向上下肢動勢能和競走技術參數之間的關系。

對競走運動員下肢進行抽象模擬，利用Bharatkumar棍棒模型對人體下肢進行建模[2]。從實際圖像序列中測量和平滑人體下肢個段的角度和關節(jié)的位移量，然后測出每個競走周期共同的運動學參數。H為髖關節(jié)所在，k為膝關節(jié)，a為踝關節(jié);m1、m2、m3分別為大腿、小腿和足的質心所在[7];K表示環(huán)節(jié)動能，P表示環(huán)節(jié)的勢能(見圖2)。

選取笛卡爾坐標系，髖關節(jié)坐標為O1，膝關節(jié)坐標為O2，踝關節(jié)坐標為O3;大腿和小腿的關節(jié)變量分別是轉角θ1和 θ2;大腿、小腿和足的質量分別為 m1、m2和 m3;腿長分別為 l1和 l2，足長 l3。因此，足質心坐標為基準坐標，足質心位于踝關節(jié)下距離忽略不計，所以足質心坐標為(0，0)，小腿質心c2坐標為:

圖2 運動員下肢模型

大腿質心c1的坐標為:

單腿的動能:

系統(tǒng)勢能:

3 競走參數與能量之間的關系

研究的過程中選取競走運動員在競走過程中大腿的最大關節(jié)角度、膝關節(jié)最大關節(jié)角度和各關節(jié)點瞬時最大速度時刻的能耗與技術參數的相關分析。

3.1 步長與動能的關系

通過對運動員的整個競走比賽過程拍攝視頻進行處理，分析得出比賽中同一地點競走運動員的步長和人體重心速度，見表3。

表3 運動員步長及人體重心速度

從整個拍攝畫面中分析，在運動員騰空時刻運動員的步長達到最大，此時以運動員著地腳質心為坐標原點建立下肢參數模型，見圖3所示。經過圖像平面處理，得出競走運動員各圈下肢各環(huán)節(jié)與地面的關節(jié)角度及關節(jié)點的相對應的瞬時速度見表4。

表4 運動員各圈下肢運動學參數

競走運動員下肢的能量

對競走運動員左下肢進行能耗分析，在競走運動員騰空的瞬間，左下肢足、小腿、大腿都有受到地球吸引產生的重力，在競走能耗中以重力勢能的形式表現，同時足、小腿、大腿在水平方向上有速度，在水平方向上的能量以動能形式存在。而且根據中國青年女性各環(huán)節(jié)基本參數及中國青年女性幾何尺寸及質量、質心統(tǒng)計可以計算出該競走運動員的下肢各環(huán)節(jié)的相對質量和環(huán)節(jié)長度，M大腿=7.388 8kg，M小腿=2.360 4kg，M足=0.721 2kg，L大腿=461.225 2mm，L小腿=350.135 6mm，L足=230.314 4mm。各環(huán)節(jié)質心的高度為hX，而g為重力參數9.8m/s2。能量單位為焦耳(j)。所以第一圈競走運動員騰空時刻的能量:

同理得右下肢的能量:

E ≈117.155 1j

第一圈競走運動員在拍攝點騰空時刻下肢總能量為:

E總=213.995j

同理，可以計算出每一圈競走運動員在拍攝點騰空時的下肢能量(見表5)。

圖3 競走運動員下肢參數模型圖

表5 運動員騰空下肢能量統(tǒng)計表 (單位:j)

由表3和表5可以看出，競走運動員的步長與下肢動能的關系，步長與運動員下肢動能有相關性。由圖4可見，該競走運動員的步長與下肢動能有相近的變化趨勢。

圖4 步長與能量的關系折線圖

為了進一步研究步長和動能的關系，結合表1競走運動員每一圈在拍攝點的重心速度和步長，求解步長與動能的關系。運動員整體動能為Ek(單位j)、k為圈數。

同理

對競走運動員的動能和步長做相關分析，動能和步長變化趨勢圖見圖5。

圖5 比賽全程競走運動員的步長與動能變化趨勢圖

由圖5分段解析可以看出，步長與動能之間存在相似關系。當步長增大的時候動能隨之增大，反之亦然。動能由質量與速度決定。當運動員質量相同時，運動員的速度與步長就通過動能建立了相似關系;同時運動員的動能也反映出了運動員的競走速度。運動員在整個競走過程中，速度稍有波動，變化不明顯，說明該運動員耐力好，運動員的運動能力在競走中影響著競走的技術參數。由圖4、圖5可以分析出，競走運動員的步長和運動員的動能成正比例關系。

3.2 關節(jié)角度與能耗的關系(見表6)

競走運動員在一個復步周期中，當腳離地面時，瞬時位移速度最大;當前支撐著地過渡到垂直階段時，瞬時位移速度最小，此期間的速度損失率可以作為一個重要技術指標[6]。對踝關節(jié)角度與動能的關系，選取競走運動員在整個比賽過程中同一地點的騰空時刻圖片進行分析。

表6 競走運動員每圈各關節(jié)的最大關節(jié)角度 (單位:°)

踝關節(jié)角度的變化率能反映競走運動員的步頻。在競走運動員前擺動腳腳跟著地，經過周期性的向前運行，踝關節(jié)的角度是一個變小然后增大的變化過程。踝關節(jié)的角度變化率越大，步頻越快，間接說明競走的速度越大，由上面提到的速度增大，則對應的動能增大。簡化為踝關節(jié)角度變化率與動能成正比。

從左踝關節(jié)角度看，騰空瞬時的踝關節(jié)角度呈增大的趨勢。右踝的關節(jié)角度先減小后又增大，角度的波動，應引起教練注意。該波動說明連接右踝關節(jié)的環(huán)節(jié)可能受傷或者其他原因。運動員在競走的過程中，隨著時間推移，小腿的疲勞度增加將導致肌肉彈性下降，也說明體能將呈下降趨勢(見圖6)。從關節(jié)的連貫性看，此運動員右膝關節(jié)受損。但是在比賽中出現此類情況，會遭到裁判員的判罰，影響競走成績。

圖6 關節(jié)角度與能量關系趨勢圖

從競走的一整個擺動周期來看，后擺階段關節(jié)角度變化率增大是為后蹬離地階段擺動腿的快速前伸貯備能量。降低重心的起伏，增大大腿夾角可提高水平方向上的速度。兩大腿的夾角最大的時刻并非是騰空時刻(騰空時刻步長最大)，兩大腿的夾角和步長有著緊密的聯(lián)系。兩大腿在整個擺動周期中最大角度的變化，步長與角度呈正比例變化。大腿的角度說明運動員在競走中，經歷了開始階段、適應期、平衡期以及下降期的整個過程。隨著運動員體能的不斷消耗，動作的幅度會出現變化，接下來主要靠運動員的意志力控制肢體動作。從運動員下肢來看，在運動員的選材方面，身高對步長有一定的影響，下肢長意味著步長大。運動員的柔韌性對步長也有影響，教練員在訓練的過程中應該加強運動員的柔韌性練習。

4 結論

經過數據分析發(fā)現，擺動分為前擺階段和后擺階段，在擺動周期內各階段擺動腿的速度、擺動角度都不相同。擺動腿擺動半徑的大小是由膝關節(jié)角度決定的。膝關節(jié)角度在兩個階段都沒有出現銳角，皆為鈍角。膝關節(jié)前擺角度接近后擺角度的兩倍，膝關節(jié)角度變化在90°～180°范圍內，變化范圍大，能量損耗大;合理的最小擺動腿膝角應控制在 100°～110°之間[9]。

膝關節(jié)角度的變化與擺動時間的長短存在著密切的關系。左膝關節(jié)角度隨著競走距離和時間的增長而減小，說明后擺腿在擺動過程中出現遲緩。右膝關節(jié)角度變化和右踝關節(jié)變化趨勢一樣，

(1)競走運動員的步長和騰空時間;步長與下肢動能成正比例的關系，騰空時間越長步長越大。

(2)踝關節(jié)角度速度的變化率是競走中凸顯競走運動員擺動技術的關鍵。踝關節(jié)角度變化越快前擺動腿獲取的能量越大，后擺動腿的蹬地為競走運動員在水平方向上增加動能，達到增大競走的速度。

(3)步長越大，踝關節(jié)角速度越大，競走速度就越快;大腿的夾角 69.311 ±6.132°，大腿的夾角影響著步長，所以運動員應該有自己的技術風格，選用適合自己的動作技術，有利于能耗降低，使整個過程的節(jié)奏連貫。

[1]賈誼，嚴波濤，李厚林.對中、外優(yōu)秀競走運動員關鍵動作技術特征的運動學分析[J].中國體育科技，2011，47(4):8～13.

[2]鄭秀媛，等.現代運動生物力學(第2版)[M].北京:國防工業(yè)出版社，2007.

[3]李厚林.“復合鐘擺”運動生物力學原理在競走技術創(chuàng)新中的應用研究[J].西安體育學院學報，2013，30(2):196～203.

[4]嚴波濤，高新友，張伯強，等.人體運動能耗和效率的動作分解測量方法[J].中國臨床康復，2006，40(10):34 ～36.

[5]李汀，李愛東，苑廷剛.優(yōu)秀競走運動員比賽全程的時間結構研究[J].中國體育科技，2010，46(4):3 ～9.

[6]郎雪梅，紀仲秋.我國優(yōu)秀女子競走運動員競走技術的生物力學分析[J].中國體育科技，2003，39(4):31 ～35.

[7]盧德名，王云德，嚴波濤.運動生物力學測量方法[M].北京:北京體育大學出版社，2002.

[8]洪曉明.人體下肢運動力學分析與建模[M].杭州:杭州電子科技大學，2009.

[9]宗華敬.對世界冠、亞軍劉宏宇、王妍競走技術的研究[J].體育科學，2000，20(6):38 ～40.