摘要：本研究運(yùn)用運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)捕捉APAS系統(tǒng)等設(shè)備，獲取押加運(yùn)動(dòng)在開始準(zhǔn)備姿勢到蹬地下壓再調(diào)整到開始動(dòng)作過程的基本參數(shù)數(shù)據(jù)，對押加運(yùn)動(dòng)的關(guān)節(jié)角度變化與活動(dòng)范圍以及拉力進(jìn)行分析與討論。選取押加運(yùn)動(dòng)測試者基本生理參數(shù)，從解剖學(xué)角度下肢髖關(guān)節(jié)在冠狀軸運(yùn)動(dòng)上角度增大，膝關(guān)節(jié)在冠狀軸運(yùn)動(dòng)上角度減小時(shí)，其力矩也隨之變大，成正相關(guān)。

關(guān)鍵詞：押加項(xiàng)目；運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)；仿真分析；運(yùn)動(dòng)學(xué)

Simulation"Analysis"of"Sports Biomechanical of the"Yajia"Project

LIUJingjing

GuiZhou"Vocational"College"Of"Agriculture， Guizhou Qingzhen 551400

Abstract：This study provides theoretical guidance for the improvement of sports performance and the prevention of sports injuries. the APAS system and other equipment were used to capture the basic parameters of the movement of the movement in the starting position to the starting movement， and the joint angle change and the range of movement and tension were analyzed and discussed.The basic physiological parameters of the test subjects were selected， and the moment curves of the hip and knee joints were obtained by using the Lagrange method and Hill muscle model for the project. From the anatomical perspective， the Angle of the knee joint in the coronal axis movement decreased， and the moment also increased， showing a positive correlation.

Keywords： Yajia; biomechanics; Simulation analysis；kinematics

前言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)已廣泛應(yīng)用于生活中各個(gè)領(lǐng)域。在人體運(yùn)動(dòng)分析中，運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)主要以實(shí)驗(yàn)與力學(xué)相結(jié)合的方法對其形態(tài)分析研究，從運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)方面出發(fā)分析技術(shù)動(dòng)作原理，從而建立一套科學(xué)系統(tǒng)的技術(shù)理論依據(jù)。押加作為藏族地區(qū)傳統(tǒng)體育的角力項(xiàng)目之一，其技術(shù)動(dòng)作決定它屬于體能主導(dǎo)類，以快速力量為主的項(xiàng)群^[1]。在下肢關(guān)節(jié)分析有研究者中運(yùn)用OpenSim個(gè)體化肌骨建模分析長跑運(yùn)動(dòng)員跑后下肢關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)及膝關(guān)節(jié)接觸力變化，，結(jié)合關(guān)節(jié)參數(shù)與膝關(guān)節(jié)總接觸力及膝關(guān)節(jié)內(nèi)外側(cè)接觸力訓(xùn)練來檢驗(yàn)機(jī)器預(yù)測研究^[2]。通過探索“押加”訓(xùn)練對照實(shí)驗(yàn)組結(jié)果表明“押加”訓(xùn)練對大學(xué)生身體形態(tài)具有積極的促進(jìn)作用，并在短跑、跳遠(yuǎn)體測項(xiàng)目中有顯著的成績提高^[3]。押加運(yùn)動(dòng)是我國優(yōu)秀的民族傳統(tǒng)體育項(xiàng)目，傳承和發(fā)揚(yáng)好民族傳統(tǒng)體育項(xiàng)目和文化^[4]，有學(xué)者在探尋押加運(yùn)動(dòng)在中華民族共同體視域下的發(fā)展建議，為中華民族共同體視域下西藏押加運(yùn)動(dòng)更好地開展提供參考和借鑒^[5]。但目前研究來看，從生物力學(xué)角度全面分析押加項(xiàng)目特征暫未可見，本研究從運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)等基礎(chǔ)參數(shù)出發(fā)，通過對押加項(xiàng)目的關(guān)節(jié)角度變化與活動(dòng)范圍以及拉力進(jìn)行分析與討論，代入數(shù)值計(jì)算方程進(jìn)行仿真分析，為押加運(yùn)動(dòng)技術(shù)動(dòng)作提供理論基礎(chǔ)。

1"研究方法

1.1 測試對象

以描述少數(shù)民族傳統(tǒng)體育押加項(xiàng)目的動(dòng)作特征，本實(shí)驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)須全面與完整。由于押加比賽只有男性比賽且有體重級別分組以及多種動(dòng)作訓(xùn)練方法，故選擇了三組不同體重且訓(xùn)練技術(shù)水平不同的受試者來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，各組情況如下：

第一組：參加過全國少數(shù)民族全運(yùn)會(huì)押加比賽運(yùn)動(dòng)員（28歲、173±3cm、70±10公斤），共兩名（1、2號）；第二組：參加省級大運(yùn)會(huì)押加運(yùn)動(dòng)員（21±3歲、170±7cm、70±10公斤），共四名（3、4、5、6號）；第三組：在訓(xùn)押加運(yùn)動(dòng)員（21±2歲、170±5cm、70±10公斤），共兩名（7、8號），整個(gè)實(shí)驗(yàn)測試對象共有8 名。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)應(yīng)用高速攝像機(jī)與視頻解析軟件APAS系統(tǒng)以及測力計(jì)方法對各項(xiàng)動(dòng)作技術(shù)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征進(jìn)行研究，由兩臺索尼攝像機(jī)可手動(dòng)設(shè)置采樣50幀/秒，支持Window7/XP等多個(gè)操作系統(tǒng)，系統(tǒng)至少配備標(biāo)定框架1套。

1.3 實(shí)驗(yàn)過程

a.信息采集：對受試者進(jìn)行基本身體形態(tài)各指標(biāo)測量，包括體重、身高、環(huán)節(jié)長度、寬度、受訓(xùn)時(shí)間等。

b.受試者著裝要求：要求受試者身穿貼身衣褲，以便后期三維影像解析與人體建模更準(zhǔn)確。

c.固定標(biāo)記點(diǎn)：由一名專門的實(shí)驗(yàn)人員負(fù)責(zé)粘貼17個(gè)反射光標(biāo)記點(diǎn)，確保位置一致，然后讓受試者在試驗(yàn)場地進(jìn)行準(zhǔn)備活動(dòng)熱身，熟悉動(dòng)作。

d.布置實(shí)驗(yàn)場地。

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用生物力學(xué)視頻解析APAS系統(tǒng)，對運(yùn)動(dòng)員押加動(dòng)作高速錄像進(jìn)行數(shù)字化處理。在解析過程中，選取人體6個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)，包括：肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)，加上頭部共17個(gè)標(biāo)志點(diǎn)。采用系統(tǒng)自帶模型，構(gòu)建人體棍圖模型，進(jìn)行三維分析，將所有采集圖像轉(zhuǎn)換為3D棍圖，如圖1。并將采集的原始三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)用數(shù)字低通濾波法進(jìn)行數(shù)據(jù)平滑，截?cái)囝l率為8Hz，獲得押加項(xiàng)目運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)。運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)包括各關(guān)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)、關(guān)節(jié)角度和角度范圍以及拉力的數(shù)值。

2 研究結(jié)果

2.1押加運(yùn)動(dòng)下肢關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

2.1.1各關(guān)節(jié)的角度變化與分析

選取17個(gè)標(biāo)志點(diǎn)后，根據(jù)人體的三個(gè)基本切面即矢狀面（X）、冠狀面（Y）和橫斷面（Z）上的位置來分析髖、膝、踝關(guān)節(jié)的角度變化。下圖2是所有測試者測量得出的左下肢關(guān)節(jié)角度變化均值，橫坐標(biāo)是上節(jié)中定義的押加運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)備姿勢開始到蹬地下壓調(diào)整到準(zhǔn)備姿勢的時(shí)間周期，單位為秒（sec），以便觀察與分析，將矢狀面（X）方向上的髖、膝關(guān)節(jié)橫坐標(biāo)改為一個(gè)周期。縱坐標(biāo)是髖、膝、踝關(guān)節(jié)在矢狀面（X）、冠狀面（Y）和橫斷面（Z）方向上的關(guān)節(jié)角度（Deg）。從下肢關(guān)節(jié)的三維方向角度變化曲線來看，押加下肢各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的角度變化主要集中在X方向即矢狀面上，這也是因?yàn)檠杭舆\(yùn)動(dòng)的動(dòng)作技術(shù)所決定的。分析在矢狀面上的角度變化曲線中可以看出，整體上髖、踝關(guān)節(jié)角度均是隨時(shí)間變化而不斷增大的，到一定時(shí)間段后趨于接近最大限度。髖、膝、踝關(guān)節(jié)在開始周期時(shí)變化范圍比較小，髖關(guān)節(jié)角度蹬地發(fā)力周期快速伸展，伸展角度逐漸增大，踝關(guān)節(jié)角度同時(shí)增大，主要是由于押加下肢關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)連帶一起同時(shí)運(yùn)動(dòng)。根據(jù)角度定義原點(diǎn)，在押加運(yùn)動(dòng)過程中，膝關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)角度變化與髖關(guān)節(jié)角度正好相反，在蹬地向前時(shí)，小腿在矢狀面上趨于與地面平行，即膝關(guān)節(jié)角度減小。髖關(guān)節(jié)伸展角與膝關(guān)節(jié)屈曲角在蹬地下壓同一時(shí)間上趨于最大、最小限度，然后再回到準(zhǔn)備姿勢。在開始準(zhǔn)備動(dòng)作上的角度還是有所差異，準(zhǔn)備姿勢中膝關(guān)節(jié)角度趨于水平狀態(tài)，而軀干與大腿的髖關(guān)節(jié)趨于垂直狀態(tài)。踝關(guān)節(jié)的角度在開始階段背屈角度增大，但其變化程度較小，并在開始時(shí)間段隨著重心前移，角度變化一直在45°到90°之間，在蹬地下壓結(jié)束時(shí)增加到最大值又開始下降，呈現(xiàn)出雙峰型曲線。捕捉的整個(gè)周期髖關(guān)節(jié)在X方向的關(guān)節(jié)角度逐漸增大，并達(dá)到最大限度開始減小，膝關(guān)節(jié)在X方向的關(guān)節(jié)角度逐漸減小，達(dá)到最小限度時(shí)緩慢上升。

在捕捉押加運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)過程中是加入拉力計(jì)同步進(jìn)行測量的，則隨著時(shí)間的變化，力的大小也隨之改變。當(dāng)不考慮其它因素時(shí)，故在相同的時(shí)間內(nèi)，測量的拉力數(shù)值的大小是隨著關(guān)節(jié)角度的變化而改變的。從髖關(guān)節(jié)來看，數(shù)值隨著髖關(guān)節(jié)角度的變化同樣改變，開始階段處于平緩增長，當(dāng)角度約在10°時(shí)，開始快速增長，并在60°時(shí)數(shù)值達(dá)到最大，角度超過60°時(shí)，數(shù)值開始逐漸減小。整個(gè)下肢關(guān)節(jié)可以看做一個(gè)整體，膝關(guān)節(jié)角度與髖關(guān)節(jié)相反，其角度在最小值90°左右時(shí)，數(shù)值達(dá)到最大。踝關(guān)節(jié)相對來說其角度變化較小，通過與時(shí)間變化分析來看，當(dāng)踝關(guān)節(jié)角度為45°時(shí)，其拉力數(shù)值最大。

2.1.2押加運(yùn)動(dòng)下肢關(guān)節(jié)的活動(dòng)范圍分析

通過上小節(jié)中對下肢各關(guān)節(jié)角度變化進(jìn)行分析，得出下肢各關(guān)節(jié)在矢狀面、冠狀面及橫斷面上運(yùn)動(dòng)的最大限度、最小限度及整個(gè)活動(dòng)范圍。其中的X、Y、Z三個(gè)方向?qū)?yīng)髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)的伸展、外展以及外旋運(yùn)動(dòng)，踝關(guān)節(jié)的背屈、外展以及旋前運(yùn)動(dòng)。負(fù)值則為對應(yīng)相反的屈曲、內(nèi)收以及內(nèi)旋運(yùn)動(dòng)。在押加運(yùn)動(dòng)中，髖、膝、踝關(guān)節(jié)的活動(dòng)范圍主要在矢狀面上，在Y、Z方向上的活動(dòng)范圍沒有太大的區(qū)分。髖關(guān)節(jié)在X方向上的上限為60°，下限為-8°，其運(yùn)動(dòng)活動(dòng)范圍為68°；膝關(guān)節(jié)在X方向上的上限為130°，下限為90°，其運(yùn)動(dòng)活動(dòng)范圍為40°；踝關(guān)節(jié)在X方向上的上限為45°，下限為90°，其運(yùn)動(dòng)活動(dòng)范圍為45°。其中髖關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍最大，為68°，踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍最小，為25°。髖關(guān)節(jié)在Y方向上的上限為5°，下限為-2°，其運(yùn)動(dòng)活動(dòng)范圍為7°；膝關(guān)節(jié)在Y方向上的上限為10°，下限為-3°，其運(yùn)動(dòng)活動(dòng)范圍為13°；踝關(guān)節(jié)在Y方向上的上限為11°，下限為-1°，其運(yùn)動(dòng)活動(dòng)范圍為11°。髖關(guān)節(jié)在Z方向上的上限為1°，下限為-5°，其運(yùn)動(dòng)活動(dòng)范圍為6°；膝關(guān)節(jié)在Z方向上的上限為5°，下限為-5°，其運(yùn)動(dòng)活動(dòng)范圍為10°；踝關(guān)節(jié)在Z方向上的上限為8°，下限為1°，其運(yùn)動(dòng)活動(dòng)范圍為7°。其中膝關(guān)節(jié)外展、外旋時(shí)峰值最大，為13°、10°，髖關(guān)節(jié)外旋運(yùn)動(dòng)范圍最小，為6°。

2.2押加運(yùn)動(dòng)下肢關(guān)節(jié)的動(dòng)力學(xué)分析

2.2.1押加動(dòng)力學(xué)生理參數(shù)獲取

按人體骨性標(biāo)志分為17個(gè)部分，從三組測試對象中隨機(jī)各選取一名的下肢關(guān)節(jié)坐標(biāo)與基本參數(shù)，第一組選取1號，第二組選取4號，第三組選取8號，根據(jù)國家成年人體慣性參數(shù)并通過統(tǒng)計(jì)學(xué)公式計(jì)算實(shí)驗(yàn)者人體慣性參數(shù)，如：大腿和小腿的質(zhì)量、長度、質(zhì)心位置及轉(zhuǎn)動(dòng)慣性^[6]。即人體各項(xiàng)測量學(xué)參數(shù)二元回歸方程為：Y=B₀"+ B₁m + B₂h，Y為人體中鍛體質(zhì)量、質(zhì)心、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，m、h為人體體重kg與身高mm，B₀"、B₁"、B₂為回歸系數(shù)。測試者基本生理參數(shù)如下表1：

即測試者人體質(zhì)量與質(zhì)心方程：大腿的質(zhì)量與質(zhì)心： "M=－0.093﹢0.152m－0.0004h

M.C=－122.52－0.310m﹢0.235h；小腿的質(zhì)量與質(zhì)心： "M=－0.834﹢0.061m－0.0002h

M.C=23.47﹢0.5m﹢0.095h

測試者轉(zhuǎn)動(dòng)慣量方程：大腿：Ix=－370537.7﹢428.4m﹢286.21h

Iy=－366488.9﹢554.9m﹢280.78h

Iz=6527.0﹢716.5m－14.61h

小腿：Ix=－30104.4﹢299.0m﹢20.12h

Iy=－29916.4﹢293.0m﹢20.09h

Iz=－1777.6﹢79.2m－0.33h

式中I_x是繞冠狀軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，I_y是繞矢狀軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，I_z是繞垂直軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

通過計(jì)算得出人體下肢關(guān)節(jié)基本參數(shù)與下肢關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量如下表2、3：

2.2.2押加運(yùn)動(dòng)下肢建模仿真

根據(jù)測量獲取基本參數(shù)數(shù)據(jù)，帶入押加下肢關(guān)節(jié)模型拉格朗日方程^[7]仿真求解出力矩，結(jié)合各角度大小與力矩大小可知，髖、膝關(guān)節(jié)力矩與兩關(guān)節(jié)角度關(guān)系一樣，其力矩大小也是相反，當(dāng)髖關(guān)節(jié)力矩為最大值38N.m，對應(yīng)的膝關(guān)節(jié)力矩為最小值3N.m。在押加運(yùn)動(dòng)過程中，髖關(guān)節(jié)力矩隨著角度的緩慢增長到周期80%時(shí)快速上升到最大，再逐漸下降；膝關(guān)節(jié)力矩隨著角度的平緩下降同樣到周期80%時(shí)快速降低到最小值，而后保持在最小值作用范圍內(nèi)，髖、膝關(guān)節(jié)角度大小與力矩成正比關(guān)系。在開始準(zhǔn)備姿勢時(shí)，需克服地面反作用力同時(shí)還有對手相對抗力，此時(shí)髖關(guān)節(jié)力矩為-2N.m，膝關(guān)節(jié)力矩為6N.m。當(dāng)需要對抗對手力量蹬地向前下壓時(shí)，髖角度在矢狀面上快速增長到最大值，同時(shí)膝關(guān)節(jié)矢狀面上降低到最小值，對應(yīng)最大力矩在髖關(guān)節(jié)角度60°±8、膝關(guān)節(jié)角度90°±10范圍內(nèi)為最大。髖關(guān)節(jié)的力矩相比較膝關(guān)節(jié)較大，髖關(guān)節(jié)的最大力矩為38N.m，膝關(guān)節(jié)力矩較小且波動(dòng)不大，膝關(guān)節(jié)的最大力矩為6N.m。

3"討論

本文綜合分析下肢關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)形式和關(guān)節(jié)受力與力矩的大小去了解押加運(yùn)動(dòng)的生物力學(xué)機(jī)制。測得押加運(yùn)動(dòng)學(xué)中關(guān)節(jié)角度變化與活動(dòng)范圍數(shù)據(jù)以及不同角度下拉力大小的情況，計(jì)算力矩曲線圖，分析了下肢髖、膝關(guān)節(jié)的力矩變化規(guī)律及所參與的肌肉做功情況。由運(yùn)動(dòng)學(xué)實(shí)驗(yàn)測量帶入動(dòng)力學(xué)公式NSin?₁×L^[7]分析，在準(zhǔn)備開始蹬地時(shí)，矢狀面上髖角度越大，產(chǎn)生的力矩就大，由此髖關(guān)節(jié)的大小對力量的發(fā)揮有重要的影響。

4"結(jié)論

在押加運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中，髖、膝關(guān)節(jié)角度有上、下限的活動(dòng)范圍（角度），當(dāng)超過其范圍，產(chǎn)生的力就會(huì)減小，甚至?xí)\(yùn)動(dòng)員造成一定的運(yùn)動(dòng)損傷，從解剖學(xué)角度下肢髖關(guān)節(jié)在冠狀軸運(yùn)動(dòng)上角度增大，膝關(guān)節(jié)在冠狀軸運(yùn)動(dòng)上角度減小時(shí)，理論公式可知力也隨之變大，成正相關(guān)。換言之，當(dāng)軀干無限接近地面時(shí)，產(chǎn)生力為最大。但通過其他學(xué)者研究人體關(guān)節(jié)角度范圍承受負(fù)荷情況，國外學(xué)者在對跑步運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于腳掌接觸地面，膝關(guān)節(jié)角度不佳其關(guān)節(jié)受力過大導(dǎo)致髕骨疼痛，故押加模型需處于一定合適的位置才能產(chǎn)生最大的力驅(qū)使身體帶動(dòng)繩帶向前移動(dòng)并使自身所受反作用力小以及預(yù)防關(guān)節(jié)損傷。

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作者簡介：劉晶晶，1992年，女，碩士研究生，助教，研究方向：少數(shù)民族傳統(tǒng)體育。