劉偉民，袁 鵬，吳翠娥

田徑短跨運(yùn)動是許多競技運(yùn)動的基礎(chǔ)，為提高短跑和跨欄運(yùn)動員的成績，眾多教練員摸索了很多訓(xùn)練方法[1-3]，教練員對訓(xùn)練效果的經(jīng)驗和判斷起了很好的決定性作用。

短跑和跨欄運(yùn)動是典型的周期性運(yùn)動，其項目專項能力包含多種因素，其中一個重要因素是運(yùn)動員的肢體高速擺動能力。有研究者利用傳感器技術(shù)在步態(tài)和部分運(yùn)動項目分析中做過一些定量測試研究[4-9]。然而，對短跨專項訓(xùn)練現(xiàn)場的實時定量化的測試評價和監(jiān)控有大量的內(nèi)容有待研究。

目前運(yùn)動生物力學(xué)在運(yùn)動技術(shù)分析方面主要以錄像為載體，分析周期比較長，很難實時地運(yùn)用到訓(xùn)練現(xiàn)場的監(jiān)控研究中。傳感器等力學(xué)檢測手段對訓(xùn)練過程進(jìn)行實時的檢測跟蹤和監(jiān)控反饋，是對訓(xùn)練過程的重要支持，對當(dāng)前高水平運(yùn)動訓(xùn)練有迫切需要。

運(yùn)動生物力學(xué)近年來的發(fā)展，為從力學(xué)角度定量研究不同專項訓(xùn)練的強(qiáng)度、效果和運(yùn)動能力評價方面提供了有效的方法和手段[12,13]。特別是運(yùn)動傳感器具有體積小、重量輕、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、實時性好、無人為誤差的特點，能在運(yùn)動員本體感受尚未消失的情況下，及時客觀地反饋測試和分析結(jié)果，達(dá)到改進(jìn)運(yùn)動技術(shù)、監(jiān)控訓(xùn)練效果的目的，從而提高訓(xùn)練的有效性和針對性，減少訓(xùn)練過程的盲目、過度疲勞和損傷，促進(jìn)訓(xùn)練效果和運(yùn)動成績的提高。

本研究通過加速度傳感器這一有效的力學(xué)檢測手段，對田徑運(yùn)動進(jìn)行力學(xué)分析，可以舉一反三地運(yùn)用到其他運(yùn)動項目的訓(xùn)練分析和定量化評價中去。

短跑和跨欄，依賴的是運(yùn)動員的肢體強(qiáng)有力的高速交替，實現(xiàn)人體的短距離高速移動。為了取得成績，運(yùn)動員必須具有高頻率的快速擺動能力。包括擺臂和擺腿，如肩擺、髖擺、膝擺等。在專業(yè)訓(xùn)練中，為了提高擺動能力運(yùn)用了多種訓(xùn)練動作，如，小步跑、高抬腿跑、仰臥蹬伸、俯臥打腿、弓步擺臂、定步長高速跑、后踢腿跑等,有時還利用橡皮帶作為運(yùn)動負(fù)荷進(jìn)行高速擺動訓(xùn)練。

本研究是運(yùn)用加速度傳感器測量技術(shù)，對田徑短跨運(yùn)動員的專項擺動訓(xùn)練中的頻率、力度、幅度等進(jìn)行實時定量檢測，從而對運(yùn)動能力和訓(xùn)練效果進(jìn)行現(xiàn)場評價和即時反饋的有益探索。

1 研究方法

1.1 主要研究內(nèi)容和思路

憑借肢體周期性的有力擺動，達(dá)到快速身體移動的效果，是田徑短跨項目的重要特點。短跑和跨欄都是典型的周期性運(yùn)動項目。短跑的每一復(fù)步、跨欄的各欄之間都表現(xiàn)出典型周期變化，而在起跑和沖刺階段體現(xiàn)的是周期節(jié)奏變化的技術(shù)特點。

本研究利用加速度傳感器測量裝置，測試田徑短跨運(yùn)動項目的肢體周期性擺動訓(xùn)練過程，對江蘇省主要短跨隊員的專項訓(xùn)練進(jìn)行定量測試和監(jiān)控研究。實時獲得精確的力學(xué)參量，為短跨項目運(yùn)動訓(xùn)練提供定量的力學(xué)評價和參考。

短跨專項訓(xùn)練很多都是在一定力量負(fù)荷下的高速擺動，負(fù)荷阻力有的來源橡皮帶，也有來自器械阻力或者克服自身慣性和重力。為客觀評價運(yùn)動員的能力狀況，監(jiān)控訓(xùn)練效果，本研究測試的是無附加負(fù)荷的周期性擺動作，利用加速度計便捷實時地獲取擺動過程的力學(xué)參數(shù)，反饋測試結(jié)果并實現(xiàn)動態(tài)的信息回饋。

1.2 研究對象

江蘇省優(yōu)秀田徑短跨運(yùn)動員，男子10名，身高：（187.5±6.2） cm，體重：（73.5±4.1）kg，年齡：（19.8±2.9）歲；女子3名，身高：（169.3±0.6） cm，體重：（57.7±4.0） kg，年齡：（24±2.0） 歲。

1.3 測試方案與被測的訓(xùn)練動作

選取的訓(xùn)練動作1.小步高速跑、2.中抬腿跑、3.抬腿跑、4.仰臥交替蹬伸、5.俯臥交替打腿、6.弓步高速擺臂，如圖1 。

圖1 短跨運(yùn)動員6種肢體擺動訓(xùn)練動作及加速度計固定點Figure 1 Sprint Hurdler’s Six Swing Training Movements and the Fixed Point for Accelerometer

1.4 測試工具和測試方法。

測試工具為三維加速度傳感器。量程：±16 g。采樣頻率：400 Hz，重量：<40 g。硬件由傳感器單元和數(shù)據(jù)無線接收單元組成。

測試中，被測肢體裹上絨面的彈性繃帶，傳感器用“尼龍搭扣”（也叫“刺毛魔術(shù)貼”， VELCRO）粘貼在運(yùn)動員的被測部位，見圖1。傳感器和運(yùn)動肢體形成良好的隨動，從而精確地獲取運(yùn)動部位的加速度數(shù)據(jù)。

2 研究結(jié)果與分析

2.1 擺動動作力學(xué)數(shù)據(jù)

擺動頻率：肢體擺動快慢是短跨運(yùn)動員的基本能力素質(zhì)，教練員會讓運(yùn)動員盡可能快速地擺動，但究竟有多快？兩個運(yùn)動員之間或運(yùn)動員今天和昨天訓(xùn)練有多少差距？憑經(jīng)驗并不能定量描述。傳感器獲取精確的擺動頻率可作為評價短跨運(yùn)動員快速擺動能力的定量指標(biāo)。

擺動最大加速度：加速度是與力量直接相關(guān)的物理量，加速度的大小實際上反映了擺動力量的大小，最大加速度是擺動強(qiáng)度的重要分析指標(biāo)。

速度和幅度：通過加速度的積分計算，可以得到擺動過程的速度和擺動幅度，這是控制訓(xùn)練質(zhì)量和強(qiáng)度的重要數(shù)據(jù)。

屈伸加速度比率：測試中發(fā)現(xiàn)，運(yùn)動員高速擺動的兩個方向力度經(jīng)常是不對稱的，可能與動作習(xí)慣或?qū)ｍ椞攸c有關(guān)系，這種差別是短跨運(yùn)動的影響因素。在等動力學(xué)測量中常用屈伸力量比評價運(yùn)動員力量素質(zhì)能力。用加速度計在高速運(yùn)動過程中測得力量屈伸比更能反映運(yùn)動員在專項運(yùn)動中表現(xiàn)出來的用力特點和力量素質(zhì)。

高頻持續(xù)能力：運(yùn)動員以自己最高速度擺動，會出現(xiàn)疲勞，隨之動作減慢，強(qiáng)度降低，這種持續(xù)能力，反映了短跨運(yùn)動員高速下的專項耐力。這種耐力過去比較難以定量，而隨動加速度傳感器實時記錄了全部擺動過程的加速度曲線，包括幅度和頻率，同時準(zhǔn)確地計算維持高強(qiáng)度擺動的持續(xù)時間（高速耐力）。

通過實時的聲響提示方式，對運(yùn)動員的訓(xùn)練過程實現(xiàn)信號回饋。當(dāng)運(yùn)動達(dá)到一定頻率和幅度的時候，電腦發(fā)出持續(xù)聲響；一旦運(yùn)動員由于疲勞，降低了擺動頻率或幅度的時候，該“鼓勵聲響”立即停止。幫助運(yùn)動員進(jìn)行高速耐力保持的訓(xùn)練。同時及時記錄下高速擺動的持續(xù)時間，作為訓(xùn)練的評價結(jié)果。

大家都知道，基礎(chǔ)力量是必須的，然而快速力量才是短跨運(yùn)動的精髓。本研究對短跨項目的高速周期性擺動能力的測試和輔助信號回饋訓(xùn)練，能對影響專項能力的主要因素進(jìn)行客觀地評價。

2.2 短跨運(yùn)動員專項訓(xùn)練中擺動的快慢（頻率）

短跨運(yùn)動員的肢體擺動速度（頻率）是教練員、運(yùn)動員最關(guān)心的運(yùn)動能力之一。

本研究顯示小幅抬腿跑（大腿抬高300左右）的動作頻率能達(dá)到平均（203.8±15.8） 次/分鐘。隨著抬腿幅度的增加，頻率逐漸降低。中等幅度（大腿抬高500左右）擺動頻率（172±15.4） 次/分鐘。高抬腿跑（大腿抬高接近900）頻率平均（149.7±14.3）。仰臥伸髖擺動達(dá)（153.7±25.8）次/分鐘。俯臥屈膝交替打小腿達(dá)到（176.2±25.4） 次/分鐘。弓步擺臂的頻率和中幅抬腿跑的頻率接近為177.0±23.0次/分鐘。

2013年全國田徑錦標(biāo)賽100 m比賽中，我國男子大約46～48步，女子50～52步，按照男女的成績計算，總平均步頻男子大約在134～139次/分鐘，女子大約在141～147次/分鐘。由于起跑階段步頻較慢的影響，實際途中跑的最高頻率比上限略高，接近高抬腿的實測頻率。

本研究顯示，短跨運(yùn)動員的動作頻率和動作幅度在一定范圍內(nèi)呈現(xiàn)高度負(fù)相關(guān)(p<0.01)。運(yùn)動員的高擺動頻率只在小幅擺動中表現(xiàn)出來，但是每個運(yùn)動員的最高擺動頻率并不是隨著擺幅的減少而無限提高。當(dāng)擺動幅度小到一定程度，無論怎樣努力，擺動頻率也是有限的，這時測得的擺動頻率是該運(yùn)動員所能達(dá)到的極限動作頻率。

運(yùn)動員的動作頻率只能在相同動作幅度下才能互相對比。小幅抬腿跑（小步跑）反映短跨運(yùn)動員個體的極限頻率，高抬腿跑接近個人100 m實際步頻。

有文獻(xiàn)指出，個體的最高頻率和運(yùn)動員的神經(jīng)類型、先天因素關(guān)系密切，力量素質(zhì)更容易通過訓(xùn)練得到提高。

本研究測試發(fā)現(xiàn)，不同運(yùn)動員在不同動作上擺動快慢的能力有顯著差異，俯臥交替屈膝訓(xùn)練中運(yùn)動員孫XX、劉X和許XX的擺動明顯比其他運(yùn)動員快，分別達(dá)到：213.2次/分鐘、211.3次/分鐘、197.0次/分鐘。

2.3 短跨運(yùn)動員專項訓(xùn)練中的最大速度

對于短跨運(yùn)動員的專項擺動訓(xùn)練，除了頻率，還有一個重要方面就是擺動過程中的最大速度。擺動頻率保持不變的情況下，擺動幅度越大，擺動過程達(dá)到是速度就越大。通過加速度記錄的曲線容易算出擺動的最大速度。實際上擺動的速度等于加速度對時間的積分。也就是：

本研究計算了每個運(yùn)動員連續(xù)4次擺動的最大速度平均值（見表1）。

表1 短跨運(yùn)動員專項訓(xùn)練中肢體動作擺動最大速度（單位：m/s）TableⅠ Maximum Velocity of Sprint Hurdler’s Arm Swing in Specific Training (m/s)

2.4 短跨運(yùn)動員專項訓(xùn)練的擺動平均幅度

擺動的幅度是動作練習(xí)的基本參數(shù)。表2 顯示不同動作擺動在具體幅度上的定量化差異。研究發(fā)現(xiàn)，作為監(jiān)控和評價運(yùn)動員動作的力學(xué)參數(shù)，擺動幅度在專項訓(xùn)練中應(yīng)該有規(guī)范要求。擺動幅度可以通過加速度數(shù)據(jù)實時計算得到，也可以通過錄像分析獲取。加速度計的實時測試和信號回饋，實現(xiàn)了訓(xùn)練過程中動作幅度的精確控制，保證訓(xùn)練的質(zhì)量。

表2 短跨運(yùn)動員專項訓(xùn)練的擺動幅度（單位：m）TableⅡ Swing Scope of Sprint Hurdlers in Specific Training (m)

2.5 短跨運(yùn)動員專項訓(xùn)練擺動的最大加速度

在原始的加速度曲線上，加速度變化的峰值大小，即擺動的最大加速度，出現(xiàn)在動作的轉(zhuǎn)向時刻，由運(yùn)動員超等長收縮的反方向爆發(fā)力制動形成。在沒有外界撞擊的折向中，轉(zhuǎn)向越積極有力，加速度越大（峰值）（見表3）。

表3 短跨專項訓(xùn)練中的最大加速度（無撞擊折向）(g或9.8m/s)TableⅢ Maximum Acceleration in the Specific Training of Hurdle Race (without hitting the hurdles and turning round) (g or 9.8m/s/s)

測試結(jié)果顯示，爆發(fā)式用力，特別是超等長收縮制動（如鞭打動作），產(chǎn)生很大的加速度值。根據(jù)最大加速度的大小就能了解運(yùn)動員的動作過程超等長訓(xùn)練效果。

腳是最有力的運(yùn)動末梢。在大腿固定不動的情況下，小腿的交替往復(fù)蹬踢動作，踝關(guān)節(jié)處的折返加速度能達(dá)到（16.1±5.6） g。從隊員之間的測試結(jié)果看，許XX、孫XX、許XX的俯臥屈膝擺動的爆發(fā)力比其他運(yùn)動員大。劉X的弓步擺臂比較有力度。

2.6 短跨運(yùn)動員專項訓(xùn)練擺動加速度雙向?qū)Ρ龋ㄇ毂龋?/h3>

田徑短跨專項訓(xùn)練中，兩個方向擺動的用力不同，造成兩方向加速度的比例不同。表4顯示了是專項訓(xùn)練中，最大加速度在兩個方向的比例。

在抬腿跑的動作中和地面撞擊，形成較大的向上加速度。撞擊加速度雖然峰值比較大，時間卻較短，對速度的貢獻(xiàn)不大。真正起作用的是持續(xù)用力對速度的貢獻(xiàn)。

圖2是孫XX俯臥屈膝動作的加速度曲線，顯示向下蹬伸力量大于向上屈膝力量，動態(tài)屈伸比為0.69。

圖2 孫xx俯臥交替屈小腿的加速度曲線Figure 2 Sun’ss Acceleration Curve of Bending Legs Alternately in Prone Positionn

弓步擺臂訓(xùn)練中，本研究定義屈伸比為向前擺臂屈和向后擺臂的最大加速度之比。大部分運(yùn)動員在擺臂過程中向后比向前積極（見圖4），然孫XX和許XX正好和大多數(shù)短跑運(yùn)動員相反，其擺臂的前擺加速度大于后擺的加速度（見圖3），她們倆向前擺動比向后的更加積極用力，是因為動作習(xí)慣，還是跨欄運(yùn)動特點，需進(jìn)一步測試分析。

圖3 許XX弓步擺臂加速度前擺大于后擺Figure 3 Xu’s Bow Stance Arm Swing with Higher Acceleration in Forward Swing than That in Retral Swing

圖4 其他隊員弓步擺臂加速度后擺大于前擺Figure 4 Other Athletes’ Bow Stance Arm Swing with Higher Acceleration in Forward Swing than That in Retral Swing

2.7 短跨運(yùn)動員專項訓(xùn)練高速擺動的持續(xù)能力

田徑短跨運(yùn)動員保持高速擺動的時間，是高速耐力的體現(xiàn)。在加速度計測試中，記錄下動作過程中達(dá)到的最高平均頻率，讓運(yùn)動員堅持保持高速大幅度運(yùn)動。當(dāng)運(yùn)動員疲勞后其3次擺動平均頻率或幅度達(dá)不到最高平均值的70%，測試結(jié)束，其有效地高速運(yùn)動時間，作為評價短跨運(yùn)動員高速耐力，有效判斷運(yùn)動員高速擺動持續(xù)能力的依據(jù)。

測量運(yùn)動員的高速耐力并實時反饋，可以有效刺激短跑跨欄運(yùn)動員的高速保持能力的訓(xùn)練，提高后程的運(yùn)動速度（見圖5）。

圖5 短跨運(yùn)動員專項訓(xùn)練中擺臂的高速耐力測試Figure 5 High--speed Endurance Test of Sprint Hurdler’s Arm Swing in Specific Training

2.8 短跨運(yùn)動員專項訓(xùn)練擺動能力的綜合評價

短跨專項訓(xùn)練測試中，運(yùn)動員在保證動作幅度的情況下，動作頻率越大，專項能力越強(qiáng)。同一個運(yùn)動員不同時段的訓(xùn)練、不同運(yùn)動員不同部位的訓(xùn)練之間的差異，可以評價訓(xùn)練的效果、運(yùn)動員的進(jìn)步情況，發(fā)現(xiàn)優(yōu)勢和薄弱環(huán)節(jié)，為訓(xùn)練提供一些參考。

3 結(jié)論

通過隨動方式獲取田徑短跨擺動訓(xùn)練過程的加速度數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，江蘇短跨隊員孫XX、許XX具有良好的膝關(guān)節(jié)高速伸屈力量；孫XX的髖部動態(tài)高速蹬伸力量相對不足；劉X的高速動態(tài)擺臂力量非常優(yōu)秀。和其他運(yùn)動員不同的是，孫XX和許XX的弓步擺臂的向前力度大于向后的力度，原因有待繼續(xù)研究。

短跨專項訓(xùn)練中的最大加速度，是評價運(yùn)動員超等長爆發(fā)力的直接指標(biāo)。在較小幅度專項動作中，傳感器精確獲取個體極限頻率，對判斷運(yùn)動員的高速專項素質(zhì)有意義。加速度生物回饋訓(xùn)練，可隨著運(yùn)動員的動作頻率或動作力度變化，在達(dá)到臨界點時，以聲響給出生物刺激信號，實現(xiàn)實時訓(xùn)練回饋控制和評價目的。

加速度計記錄的高速動作的保持時間，評價短跨運(yùn)動員的高速耐力有實際應(yīng)用價值。

加速度計在高速動態(tài)狀況下測得的力量屈伸比，較通常通過等動力量測量設(shè)備測得的短跨運(yùn)動員肌肉力量的屈伸比更接近比賽實際的專項力量，對評價運(yùn)動員的專項力量素質(zhì)有幫助。

對各運(yùn)動員不同部位的動作的加速度測量和相關(guān)力學(xué)參數(shù)計算，可以發(fā)現(xiàn)部位上的優(yōu)勢環(huán)節(jié)和薄弱環(huán)節(jié)，實現(xiàn)針對性的訓(xùn)練改進(jìn)。

本研究建立了訓(xùn)練過程的專項能力與力學(xué)參數(shù)之間的聯(lián)系。

[1] 盛懿欽.孫海平教練跨欄訓(xùn)練的手段與方法[J].體育科研,2013,34(4):36-38.

[2] 劉芳，袁革.中外優(yōu)秀男子100米運(yùn)動員身體形態(tài)、步長、步頻與最好成績特征分析[J]. 成都體育 學(xué)院學(xué)報,2012,38(8):59-62．

[3] 劉艷.110米欄速度利用率研究[J].訓(xùn)練與競賽,2010,(11):45-46．

[4] P.Y.M. Chung;G.Y.F. Ng. (2012). Comparison between an accelerometer and a three-dimensional motion analysis system for the detection of movement[J]. Journal of Physiotherapy. Issue 3,Pages 256-259

[5] Mingjing Yang;Huiru Zheng;Haiying Wang;Sally McClean;Dave Newell. (2012). iGAIT: An interactive accelerometer based gait analysis system. Computer Methods and Programs in Biomedicine.Issue 2,Pages 715-723

[6] 李爽,等.基于加速度傳感器的下肢運(yùn)動信息獲取方法[J].機(jī)電工程,2009,26(1):5-7.

[7] Justin J. Kavanagha, Steven Morrisona, , Daniel A. Jamesc, and Rod Barretta. (2006). Reliability of segmental accelerations measured using a new wireless gait analysis system[J]. Journal of Biomechanics, 39(15):2863-2872

[8] Rong Zhu; Zhaoying Zhou. (2004). A real-time articulated human motion tracking using tri-axis inertial magnetic sensors package[J].Neural Systems and Rehabilitation Engineering. June,12(2): 295 –302

[9] 錢朋安,葛運(yùn)建,唐毅,等.加速度計在人體運(yùn)動檢測中的應(yīng)用[M].計算機(jī)技術(shù)與應(yīng)用進(jìn)展，合肥：中國科技大學(xué)出版社,2004.632-636.

[10] 鄭偉濤,韓久瑞,葛新發(fā),等.賽艇動力學(xué)測試系統(tǒng)的研制[J].武漢體育學(xué)院學(xué)報，2001,35(3):87-89.

[11] 錢朋安,吳仲城,葛運(yùn)建.體育訓(xùn)練用加速度測量裝置的研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報,2003,(1):13-15.

[12] The Myotest unit is a small accelerometer that is slightly smaller than an mp3 player.http:/www.myotest.com/

[13] Functional Assessment of Biomechanics (F.A.B.) system. http://www.biosynsystems.net/