吳旭波，謝 紅，王燕珍，汪世奎，曹蕊超

（上海工程技術(shù)大學(xué)，上海201620）

手腕是人體活動最頻繁的關(guān)節(jié)之一，也是在運動過程中較易受傷的關(guān)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(hù)腕來保護(hù)手腕?，F(xiàn)階段市場上有各種品牌的護(hù)腕在售賣，但是在護(hù)腕的商品介紹中只有關(guān)于材料成分以及符合GB 18401《國家紡織產(chǎn)品基本安全技術(shù)規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)的介紹，而對于護(hù)腕實際的防護(hù)性能的參數(shù)并沒有介紹，而實際上在目前對護(hù)腕以及護(hù)具等研究中，也只是從面料的性能角度來進(jìn)行研究，從生物力學(xué)角度出發(fā)研究護(hù)具防護(hù)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(xué)角度初步研究護(hù)腕對人體的防護(hù)性能。

1 實驗部分

1.1 實驗護(hù)腕

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

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

表1 三款護(hù)腕的基本參數(shù)

1.2 實驗對象

因為護(hù)腕對人體的防護(hù)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(shè)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(biāo)記在人體上的發(fā)光點來測得人體關(guān)節(jié)在運動過程中的運動軌跡，以三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)形式直接輸出到Excel表進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。其高速攝像頭的精度可達(dá)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(jìn)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(jìn)行對人體運動過程中人體各關(guān)節(jié)的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)采集。

1.4 實驗設(shè)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(hù)腕對人體手腕的防護(hù)性能，因此在人體手腕內(nèi)外側(cè)黏貼兩個mark點標(biāo)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(biāo)記為mark3。

測試者以不帶護(hù)腕以及佩戴護(hù)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(jìn)行4組人體測量實驗，每組實驗設(shè)定捕捉時間為1s（1s＝100幀），每組實驗設(shè)定重復(fù)10次，從中選取數(shù)據(jù)最穩(wěn)定的5次進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

1.5 實驗原理

籃球在下落過程中進(jìn)行自由落體運動，在接觸人體的瞬間被反彈進(jìn)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(hù)腕來進(jìn)行重復(fù)實驗，通過動量被吸收的大小來反應(yīng)護(hù)腕對人體的保護(hù)效果。

2 結(jié)果與分析

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)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(jìn)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(jìn)行分析。

2.2 籃球運動過程中相關(guān)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(jìn)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(jìn)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(hù)腕的情況下，籃球反彈過程的初速度是最大的，佩戴2號護(hù)腕時，籃球反彈過程的初速度最小，佩戴1號3號護(hù)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(hù)腕佩戴后，籃球在觸體后的動量相比于沒有帶護(hù)腕都有一定量的減小，說明護(hù)腕對人體起到了一定的效果，不難看出，佩戴2號護(hù)腕時籃球的動量減少的最多。

（3）人體在沒有佩戴護(hù)腕以及佩戴護(hù)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(hù)腕來說，佩戴2號護(hù)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(hù)腕，佩戴三款不同護(hù)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(biāo)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(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：

（1）在相同的撞擊條件下，佩戴護(hù)腕對人體的確有一定的防護(hù)效果。

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

本文通過實驗和數(shù)據(jù)分析，初步探究了運動護(hù)腕的彈性回復(fù)率與對人體的防護(hù)性能之間的關(guān)系，為研究運動護(hù)腕對人體的防護(hù)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(hù)腕時提供一定的參考。后續(xù)可以通過結(jié)合研究運動護(hù)腕的尺寸，面料厚薄等參數(shù)來進(jìn)一步完善對運動護(hù)腕防護(hù)性能的研究。

［1］何勇，毛志晨.關(guān)于佩戴頭部護(hù)具促進(jìn)頭球技術(shù)水平發(fā)揮和提高的探討［J］.浙江體育科學(xué)，2006，28（3）：28—30.

［2］曹楠楠，陳韶娟.運動護(hù)具的抗沖擊性和透氣性研究［J］.非織造布，2011，19（4）：19—20.

［3］陳韶娟，網(wǎng)晶，等.影響賽車服護(hù)具抗沖擊性的因素分析［J］.紡織學(xué)報，2009，30（7）：103—105.

［4］任倩，杜錦才.碰撞球?qū)嶒灥膭恿W(xué)普遍定理研究與應(yīng)用［J］.振動與沖擊，2003，22（3）：78—79.

［5］王方圓，陳曉娜，王建萍.胸部位移與文胸舒適性關(guān)系初探［J］.紡織學(xué)報，2013，34（1）：106—109.

［6］Ching－Wen Lou，Chao－Tsang Lu.Process technology and performance evaluation of functional knee pad ［J］.Fibers and Polymers，2010，11（1）：136—141.

［7］F.Fallahi，H.Jafari，Gail Jefferson，et al.Explorative study of the sensitivity and specificity of the pronator quadratus fat pad sign as a predictor of subtle wrist fractures［J］.Skeletal Radiology，2013，42（2），249—253.