吳旭波，謝 紅，王燕珍，汪世奎，曹蕊超

（上海工程技術大學，上海201620）

手腕是人體活動最頻繁的關節(jié)之一，也是在運動過程中較易受傷的關節(jié)之一，正是因為手腕的頻繁活動以及易受傷等特性，人們在運動過程中都會通過佩戴護腕來保護手腕?，F(xiàn)階段市場上有各種品牌的護腕在售賣，但是在護腕的商品介紹中只有關于材料成分以及符合GB 18401《國家紡織產(chǎn)品基本安全技術規(guī)范》標準的介紹，而對于護腕實際的防護性能的參數(shù)并沒有介紹，而實際上在目前對護腕以及護具等研究中，也只是從面料的性能角度來進行研究，從生物力學角度出發(fā)研究護具防護性能的還較少。本文通過三維動態(tài)捕捉系統(tǒng)，以球撞擊人體為例，從生物力學角度初步研究護腕對人體的防護性能。

1 實驗部分

1.1 實驗護腕

通過對比市場所售的護腕面料及款式，挑選三種相同厚度不同彈性的護腕作為本次實驗的研究對象，1號實驗護腕是現(xiàn)在市場上最常見的棉質(zhì)護腕，2號實驗護腕為國內(nèi)某品牌生產(chǎn)的彈性護腕，3號實驗護腕為美國某知名護具品牌生產(chǎn)的纏繞式護腕，在實驗之前對于三款護腕的基本參數(shù)進行了測量（見表1）。

從表1中可以看出，三款護腕中只有2號護腕中加入了彈性纖維氨綸，因此這款護腕的彈性回復率明顯優(yōu)于其余兩款護腕，而另外兩款護腕的彈性回復率幾乎相同。

表1 三款護腕的基本參數(shù)

1.2 實驗對象

因為護腕對人體的防護性能并不因人體身材尺寸的變化而變化，因此，本實驗選取一名中等身材男子來模擬球撞擊人體實驗，男子身高175 cm，體重65kg。

1.3 實驗設備

本實驗選取NDI三維運動測量系統(tǒng)，此系統(tǒng)可以通過高速攝像頭捕捉人體運動，并通過標記在人體上的發(fā)光點來測得人體關節(jié)在運動過程中的運動軌跡，以三維坐標數(shù)據(jù)形式直接輸出到Excel表進行數(shù)據(jù)分析。其高速攝像頭的精度可達到0.1mmRMS，分辨率為0.01mmRMS，可同時采集512個mark點以及170個剛體，并且一個高速攝像頭的攝像空間約在26m3左右，因此完全可以滿足人體進行正常的運動而不受限制，此三維運動測量系統(tǒng)可以在精確的程度下進行對人體運動過程中人體各關節(jié)的三維坐標數(shù)據(jù)采集。

1.4 實驗設計

實驗包括運動過程中三維數(shù)據(jù)捕捉以及數(shù)據(jù)的客觀計算分析。

本實驗主要探究護腕對人體手腕的防護性能，因此在人體手腕內(nèi)外側(cè)黏貼兩個mark點標記為mark1，mark2；并且在籃球朝向測量系統(tǒng)一邊的表面中心位置黏貼一個mark點標記為mark3。

測試者以不帶護腕以及佩戴護腕1、2、3號模擬籃球撞擊人體實驗，籃球在離手腕1.5m高處自由落體撞擊人體，一共進行4組人體測量實驗，每組實驗設定捕捉時間為1s（1s＝100幀），每組實驗設定重復10次，從中選取數(shù)據(jù)最穩(wěn)定的5次進行數(shù)據(jù)分析。

1.5 實驗原理

籃球在下落過程中進行自由落體運動，在接觸人體的瞬間被反彈進行加速度為重力加速度（9.8m／s2）的勻減速運動，直至籃球速度為0后下落至地面。在整個籃球運動過程中，滿足牛頓第二定律－動量守恒定律。因此，運用動量守恒定律即可計算出籃球在接觸人體后的動量，從而反映出人體對籃球的動量吸收大小，通過佩戴不同性能的護腕來進行重復實驗，通過動量被吸收的大小來反應護腕對人體的保護效果。

2 結(jié)果與分析

2.1 數(shù)據(jù)預處理

三維動態(tài)捕捉系統(tǒng)原點定義在攝像頭探測范圍內(nèi)的空間某一點，規(guī)定人體面向攝像頭站立是前后方向為X軸，左右方向為Y軸，上下方向為Z軸。在此次模擬實驗中，籃球下落做自由落體運動撞擊人體，主要在垂直方向即Z軸上的數(shù)據(jù)有大的變動，并且經(jīng)過前期計算，籃球在1.5m高處進行自由落體運動，根據(jù)牛頓第二定律可以計算出籃球在下落的0.55s后接觸人體，并且在接觸人體前的垂直方向的末速度為5.42m／s，因此，本實驗數(shù)據(jù)截取0.5～0.6s時間段內(nèi)球接觸人體以及反彈過程垂直方向數(shù)據(jù)進行分析。

2.2 籃球運動過程中相關參數(shù)提取

在整個模擬實驗中，籃球的運動狀態(tài)為自由落體運動，接觸人體后進行加速度為9.8m／s2的勻減速運動，直至速度為0再次掉落地面。依據(jù)牛頓第二定律，計算籃球在進行自由落體及反彈過程中速度隨時間變化的情況（見圖1～圖5）。

根據(jù)籃球反彈過程初速度，依據(jù)動量守恒定律，計算籃球在接觸人體后的動量以及人體在被撞擊時產(chǎn)生的動量（見表2）。

實驗數(shù)據(jù)表明：

（1）在沒有佩戴護腕的情況下，籃球反彈過程的初速度是最大的，佩戴2號護腕時，籃球反彈過程的初速度最小，佩戴1號3號護腕時，籃球反彈過程的初速度基本相同。

表2 觸體后人體與籃球動量變化

（2）三款護腕佩戴后，籃球在觸體后的動量相比于沒有帶護腕都有一定量的減小，說明護腕對人體起到了一定的效果，不難看出，佩戴2號護腕時籃球的動量減少的最多。

（3）人體在沒有佩戴護腕以及佩戴護腕后，在被球撞擊的瞬間人體自身產(chǎn)生的動量大小也不同，相較于沒有佩戴護腕來說，佩戴2號護腕時人體產(chǎn)生的動量最大。

3 結(jié)論

本文測量了沒有佩戴護腕，佩戴三款不同護腕4種狀態(tài)下人體受球撞擊過程中人體與球的三維坐標數(shù)據(jù)，通過牛頓第二定律以及動量守恒定律計算數(shù)據(jù)并進行分析，得到以下結(jié)論：

（1）在相同的撞擊條件下，佩戴護腕對人體的確有一定的防護效果。

（2）僅從護腕的彈性參數(shù)方面考慮，護腕對人體的防護性能與護腕的彈性回復率呈正相關。

本文通過實驗和數(shù)據(jù)分析，初步探究了運動護腕的彈性回復率與對人體的防護性能之間的關系，為研究運動護腕對人體的防護性能提供了一種客觀的研究方法，并為消費者在挑選運動護腕時提供一定的參考。后續(xù)可以通過結(jié)合研究運動護腕的尺寸，面料厚薄等參數(shù)來進一步完善對運動護腕防護性能的研究。

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