孟祥龍

摘要：以網(wǎng)球運動為例，從生物力學(xué)角度對面料復(fù)合方式護(hù)具對上肢包纏方式的不同對上肢運動參數(shù)的影響進(jìn)行研究。在擊球時以上肢不同關(guān)節(jié)處的動量峰值與變化率作為防護(hù)評價指標(biāo)，構(gòu)建由擊球初、擊球中和擊球后組成的人體骨骼關(guān)節(jié)防護(hù)模型;從面料的厚度和彈性兩個屬性出發(fā)，分別制作相應(yīng)的，上肢護(hù)具（護(hù)肩、護(hù)肘和護(hù)腕），通過穿戴者進(jìn)行的運動測量實驗獲取2個，上肢關(guān)節(jié)的指標(biāo)參數(shù)。通過單因素方差得到厚度對指標(biāo)的影響比彈性更明顯（P<0.01）的實驗結(jié)果。分別從護(hù)具的面料復(fù)合及其對上肢的包纏方式出發(fā)，研究了對上肢運動參數(shù)的影響。實驗結(jié)果表明，面料復(fù)合方式護(hù)具從其面料的彈性、材質(zhì)厚度、面料復(fù)合方式和包纏方式上，均能夠改變上肢運動參數(shù)，而且在肘部和腕部更為明顯（P<0.01）。本研究為上肢類運動護(hù)具設(shè)計和優(yōu)化提供了有效借鑒。

關(guān)鍵詞：面料復(fù)合;運動護(hù)具;網(wǎng)球運動;上肢關(guān)節(jié);參數(shù)影響

中圖分類號：TS941.727;TS941.17

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1001-5922（2020）07-0162-06

0引言

通過對近些年的職業(yè)網(wǎng)球賽的數(shù)據(jù)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，在比賽中因傷退賽的機(jī)率達(dá)到了近50%"。而在高負(fù)荷和過度訓(xùn)練中，由于長時間的擊球動作導(dǎo)致骨骼承受巨大壓力從而出現(xiàn)運動特異性適應(yīng)性反應(yīng)，在高頻率的機(jī)械力作下，也極容易出現(xiàn)肌肉、關(guān)節(jié)和肌腱的損傷。因此，運動員們越來越重視加強自身安全健康的保護(hù)，最常用的措施之一便是通過佩戴運動護(hù)具來避免損傷。而這種運動護(hù)具需要由特殊的復(fù)合材料制成，具有質(zhì)地柔韌、緩沖沖擊且佩帶舒適等特點。例如織物襯墊中常用到的三維織物襯墊，經(jīng)硅橡膠涂層處理后會有效抗擊沖擊，并在沖擊力消散后迅速回復(fù)到原始形態(tài)。另外，以某種運動護(hù)具為例，其斯以通過加壓協(xié)助肌肉發(fā)力，可有效幫助運動員保持耐力，同時也保護(hù)了關(guān)節(jié)和肌肉不受表面損傷。然而對于運動護(hù)具在人體防護(hù)中，其有效性還沒有相應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)加以評估，但在產(chǎn)品設(shè)計時還需要綜合考慮生物力學(xué)、運動醫(yī)學(xué)和材料力學(xué)等因素，以滿足基本的壓力舒適度、皮膚拉伸性能需求等。本文從生.物力學(xué)角度出發(fā)，通過運動損傷機(jī)制研究面料復(fù)合方式護(hù)具在不同上肢包纏方式下對上肢運動參數(shù)的影響。

1基于運動損傷機(jī)制的防護(hù)模型

1.1運動損傷機(jī)制分析

根據(jù)對，人體的生理學(xué)研究，通常情況下人體受到外加載荷時，骨骼、關(guān)節(jié)和肌肉都有各自的承受能力，用以保護(hù)人體不受傷害。如果外加載負(fù)荷過高，例如在劇烈運動當(dāng)中，就會超出骨骼、關(guān)節(jié)和肌肉的最大承受值，從而造成人體運動損傷。另外，在受到外力沖擊時，外圍肌肉層可通過產(chǎn)生變形吸引和消散外力加以保護(hù)易脆的人體骨骼，有效增強自身運動素質(zhì)并降低了人體損傷機(jī)率。

1.2網(wǎng)球運動人體防護(hù)模型

本文根據(jù)前人學(xué)者研究的彈簧模型理論，分別將其構(gòu)成元素肌肉進(jìn)行簡化：負(fù)責(zé)主動收縮舒張的收縮元（CC），負(fù)責(zé)肌肉儲能和外力緩沖的串聯(lián)彈性元（PEC）及并聯(lián)彈性元（SEC）國。本研究基于上述運動損傷機(jī)制分析，選擇彈簧振子模型來簡化肌肉。然而當(dāng)外力大于肌肉的最大承受值時，就會對肌肉、骨骼或關(guān)節(jié)造成損傷。而且，由于肌肉損傷會影響其保護(hù)功能，從而會產(chǎn)生二次損傷?；谏鲜龇治觯粼诩∪獗砻嬖黾右粋€保護(hù)層，可以代替肌肉接受第一波外力的沖擊，通過緩沖減小對肌肉的沖擊。

在進(jìn)行網(wǎng)球運動時，力量的傳遞是有一個整體鏈的，即最初從下肢觸地開始，經(jīng)腰部傳遞到上肢并到達(dá)球拍。網(wǎng)球運動損傷與網(wǎng)球沖擊有著復(fù)雜的聯(lián)系烈，當(dāng)球拍接觸到球的一瞬間（0.001s左右）會對前臂造成一定的沖擊，因時間太短，無法對外力進(jìn)行有效緩沖，從而造成關(guān)節(jié)損傷。針對網(wǎng)球運動中的擊球初、擊球中和擊球末的完整過程，建立人體上肢骨骼關(guān)節(jié)防護(hù)模型，如圖1所示。

以參數(shù)m，代表網(wǎng)球質(zhì)量，圖中F代表網(wǎng)球?qū)η蚺牡拇怪弊饔昧?，也即上肢所受到的外力載荷。在人體運動參數(shù)上可表現(xiàn)為通過護(hù)具防護(hù)層產(chǎn)生形變對F的消散，減輕擊球時上肢各部位受到的沖量。用vo代表肩部的初速度，在球網(wǎng)接觸球以后，因受沖擊速度減至v，通過動量定理可得到肩部的沖擊量，計算方式如（1）所示。

式中：Fi為t時間內(nèi)上肢關(guān)節(jié)所受到的平均力度;m為上肢質(zhì)量（kg）;v，為接觸到球后在t=0.5s時間內(nèi)關(guān)節(jié)部位的速度（m/s）。

在時間變化過程中，F(xiàn)，可稱為動量緩沖力系數(shù)，并隨著時間曲線變化，且其大小與關(guān)節(jié)骨骼所受到的力成正比。由式（1）可知，擊球速度越大，F(xiàn)就越大，因此，可將擊球時各關(guān)節(jié)部位的動量峰值作為其中一個評價指標(biāo);而另一個指標(biāo)則是在指定時間內(nèi)的動量變化率，即F1.

2動態(tài)測量實驗

2.1實驗設(shè)置

根據(jù)實驗要求需要對網(wǎng)球運動上肢動作進(jìn)行捕捉并加以分析。本研究選取Optotrak系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于立體視覺測量原理的光電設(shè)備，其傳感器由3個線陣CCD攝像頭組成，其精確度可達(dá)到lmm，非常適合于動作頻率高、幅度小的實驗。具體實驗原理為，通.過在人體不同部位設(shè)置Marker點，以3個為一組，通過傳感器和攝像頭對關(guān)節(jié)動作進(jìn)行捕捉，根據(jù)采集到的動作數(shù)據(jù)建立上肢各Marker點的三維坐標(biāo)。其中，設(shè)置各點之間的時間段為0.01s。為了提高實驗結(jié)果的精確度，在被測對象前方5m處設(shè)置一個直徑為10cm左右的圓，作為網(wǎng)球運動擊球點的有效映射。

2.2護(hù)具復(fù)合材料防護(hù)性能測試

2.2.1材料彈性及厚度

在運行護(hù)具當(dāng)中，運動員穿戴防護(hù)服裝可用來維持其運動部位的穩(wěn)定性和身體部位的協(xié)調(diào)性，同時還可以通過加壓支撐原理，起到消散關(guān)節(jié)部位外力載荷的作用。而護(hù)具的材質(zhì)和厚度都會影響其防護(hù)性能。因此，本實驗以護(hù)具面料的彈性與厚度作為對人體束縛和加壓效果進(jìn)行分析的兩個指標(biāo)。

實驗中所用到的護(hù)具面料參數(shù)見表1，針對上肢關(guān)節(jié)部位制成相應(yīng)的護(hù)具，共45件。其中，涉及到的護(hù)具變量包括彈性、疊加層數(shù)和護(hù)具類別。首先在彈性相同的情況下，模擬面料復(fù)合形成的不同厚度下的實驗。以專業(yè)網(wǎng)球運動員為測試對象，實驗過程為：穿戴實驗護(hù)具→網(wǎng)球發(fā)球→通過Optotrak采集，上肢關(guān)節(jié)點信息→轉(zhuǎn)換成量化數(shù)據(jù)→構(gòu)建三維空間模型→得到測點坐標(biāo)值→運動學(xué)公式計算→得到運動參數(shù)。每隔10min進(jìn)行一次實驗，以減小實驗結(jié)果因測試對象疲勞而造成的誤差。

通過上述實驗可得到不同護(hù)具下上肢肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)的動量峰值的變化趨勢，以及其動量緩沖力系數(shù)的變化趨勢，分別如圖2、圖3所示。

1）分析彈性因數(shù)。根據(jù)圖2動量峰值，分析不同的彈性因素影響下造成人體上肢各關(guān)節(jié)的動量峰值差異可知，手肘和腕部的動量的不同組之間差異性小，整體變化趨勢基本一致;肩部動量多組之間對比則體現(xiàn)出較大差異性大，說明護(hù)肩對肩部荷載力的有效散力作用，對肩膀起到了保護(hù)效果，且上肢的肘、腕部在擊球前后的動量緩沖力系數(shù)變化較大。

2）分析厚度因素。在護(hù)具彈性不變的情況下以面料厚度為變量，觀察其對應(yīng)關(guān)節(jié)部位的動量變化量。通過圖2、圖3可以得知，因為不同面料的彈性不一樣，只有其中幾種面料的疊加厚度與關(guān)節(jié)動量成反比，例如F_A、F_C、F_E組，其他幾組變化不夠明顯。

3）單因素方差分析。對指標(biāo)的影響分析采用單因素方差分析法，基于SPSS輔助得到顯著性P值圖，繼而判斷兩個指標(biāo)變化在不同組間對上肢各個被測部位動量峰值、動量緩沖力系數(shù)的顯著性影響，具體分析結(jié)果如表2、表3所示。

通過表2分析結(jié)果，當(dāng)面料疊加層數(shù)為1或3時，無統(tǒng)計學(xué)意義（P>0.05），表明彈性改變對上肢關(guān)節(jié)運動參數(shù)影響可以忽略不計;面料層數(shù)為2時，肘部關(guān)節(jié)動量、肘部動量緩沖力系數(shù)和腕部動量緩沖力系數(shù)的P等于0.04，具有統(tǒng)計學(xué)意義。綜上可知，只有適當(dāng)?shù)拿媪席B加層數(shù)，才會發(fā)生面料彈性對上肢受力載荷的顯著影響。

通過上述測試可知，對于同一組數(shù)據(jù)，當(dāng)改變護(hù)具厚度時會對各關(guān)節(jié)運動參數(shù)產(chǎn)生顯著影響，且在影響關(guān)節(jié)運動參數(shù)方面，面料厚度較面料彈性的作用更加明顯。

2.2.2護(hù)具包纏方式實驗

根據(jù)復(fù)合面料組成層次和材質(zhì)不同，在實驗中采用的復(fù)合面料共有6種，命名為C1、C2、C3、C4、C5、C6。其中C1、C2、C3、C4、C5均由2層面料復(fù)合而成，其中C2增加了絎縫，C3增加了粘合襯，C4增加了粘合襯和絎縫，C5則增加了海綿復(fù)合;而C6由2層復(fù)合+海綿+絎縫組合而成。

根據(jù)網(wǎng)球運動員在上肢不同關(guān)節(jié)部位的護(hù)具穿戴可分為護(hù)肘和護(hù)腕。本文實驗通過改變護(hù)具的包纏方式，驗證其在人體運動時對上肢各關(guān)節(jié)部位運動參數(shù)的影響。按照實際應(yīng)用中常用的包纏方式來分，肘關(guān)節(jié)護(hù)具有直簡型EW1和帶型EW2、腕關(guān)節(jié)有直筒型WT1l、纏繞型WT2。采用材料彈性及厚度實驗中的計算方法，通過對各被測點空間坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換得到運動參數(shù)，得到以上四種護(hù)具對上肢各關(guān)節(jié)動量峰值及其動量緩沖力系數(shù)的影響，分別如圖4、圖5所示。

通過圖4、5可以看出，面料復(fù)合方式護(hù)具在不同包纏方式下，對比護(hù)肘EW1、EW2對動量變化，總體差別較小，只有極個別復(fù)合方式下肩部動量峰值較高，并且EW1的防護(hù)作用更好;對于護(hù)腕WT1、WT2來說，其各自對應(yīng)的各被測部位動量峰值差異性大，而且WT1在肩、肘2個部位的動量峰值要明顯的大于WT2，所以很難判斷哪種護(hù)腕效果更好，需要通過步實驗加以推斷。

3結(jié)語

在運動防護(hù)用品的核心技術(shù)拓展創(chuàng)新過程中，其結(jié)構(gòu)設(shè)計理念必須要遵循運動生物力學(xué)的原則"。基于此，文章分析了肌肉對骨骼的防護(hù)原理，結(jié)合運動損傷機(jī)制構(gòu)建了基于網(wǎng)球運動的人體防護(hù)模型并指出了2個評價防護(hù)指標(biāo)，用在面料復(fù)合方式護(hù)具在對上肢的不同包纏方式下，研究其對上肢運動參數(shù)的影響。經(jīng)過相應(yīng)的實驗分析了護(hù)具對上肢肘部、腕部和肩部關(guān)節(jié)處防護(hù)性能的影響因素。根據(jù)實驗結(jié)果可得，運動護(hù)具面料的彈性、厚度以及復(fù)合面料下護(hù)具的包纏方式，都會對上肢運動參數(shù)產(chǎn)生影響，具體表現(xiàn)為：整體來說護(hù)具的厚度比彈性影響較大，且通過動量峰會實驗得出護(hù)具的包纏方式對肘腕部的影響較大，也間接證明了運動護(hù)具對運動員具有有效的損傷防護(hù)作用，對于其他運動領(lǐng)域的運動護(hù)具設(shè)計和優(yōu)化具有一定的參考價值。

參考文獻(xiàn)

[1] OKHOLM K K， DOR F， GUILLAUME M， et al.Medical reasons behind player departures from male and female pro-fessional tennis competitions[J].Am J Sports Med ， 2015，43 （1）：34-40.[J].AmJSportsMed ， 2015， 43（1）：34-40.

[2]湯倩，肖居霞，魏取福.運動服動態(tài)壓力測試系統(tǒng)的構(gòu)建與評價[J].紡織學(xué)報，2009，30（9）：123-126.

[4] CHUNG K C， LARK M E.Upper extremity injuriesintennis players ，diagnosis ， treatment ， andmanagement[J].Hand Clinics ， 2017，33：175-186.

[5]宋晉，徐圣，張衛(wèi)國，等.基于七孔探針的手持式流場測試與顯示技[J].兵工自動化，2019，38（10）：32-35.

[6]李媛，謝紅，鄧紅瓊，等.運動護(hù)具對網(wǎng)球運動中上肢防護(hù)的影響[J].毛紡科技，2018，46（06）：71-77.

[7]甄文冬，陳進(jìn).制造車間生產(chǎn)能力的影響因素研究[J].輕工機(jī)械，2020，38（02）：99-102+107.

[8]何成.SPSS中單因素方差分析的運用[J].農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息，2018（01）：92-94.