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中文摘要 研究目的:探讨跆拳道横踢技术动作的运动生物力学特征,解析进攻腿、支撑腿、 腰部和上肢在整个技术动作过程中的运动学参数和进攻腿远端环节的动力学参 数,揭示优秀跆拳道运动员的运动特征。通过对横踢技术动作的数据进行全方位 分析,从多角度探讨跆拳道横踢技术动作的内在规律,为改进技术,指导教学和 训练提供参考,并为今后的进一步研究提供有价值的帮助。 研究方法:运用三维图像解析系统和搏击项群测试仪对武汉体育学院跆拳道代表 队优秀运动员的横踢技术动作进行采集。在采集之前,运动员进行一刻钟的准备 活动,然后按照一定的顺序依次排序进行测量。在测量时,吊靶应根据运动员的 身高作适当调整,每一位运动员至少连续击打吊靶三次,取成绩最好的一次保存。 然后利用三维图像解析系统对采集的图像进行处理,进而获得运动学参数;而动 力学参数直接通过搏击项群获取。获取后的数据运用e x c e l 进行处理。 研究结果:( 1 ) 身体重心的运动轨迹与运动水平有较大的关联性,优秀运动员的 身体运动轨迹较平滑,而技术欠佳者的重心轨迹起伏较大;( 2 ) 击打吊靶前,进 攻腿各环节的速度依次增大,且速度曲线的图形非常一致。击中目标后,进攻腿 的速度迅速减小,此时进攻腿与髋关节的角度约为1 0 8 0 ,进攻腿的运动轨迹呈一 条平滑的曲线;( 3 ) 支撑腿在整个动作过程中主要起支撑作用,在击打过程中, 支撑腿膝关节的角度呈1 3 5 0 ,在此过程中,进攻腿的脚踝旋内,转动的角度为 1 8 0 0 左右。( 4 ) 进攻腿在整个过程中的打击力量的平均值为4 3 7 公斤,平均打击 速度为1 5 8 4 米,秒,平均爆发力为6 8 9 1 千克米秒;( 5 ) 进攻腿回收阶段的时间 占总时间的3 1 ,在整个过程中占有较大的比例。 结论: 1 肌肉正确的工作顺序是提高肌肉工作效率的重要条件,也是提高环节速 度的重要保证。各环节肌肉要按照以大带小的顺序依次工作,并且各环节的角度 要处于合理的范围之内。 2 腰髋部环节是上下肢间的枢纽。上肢的两次摆动和双腿的交叉变换都与 腰髋部密不可分。 3 速度、力量和爆发力都与技术动作的优劣成线性关系。 4 加强进攻腿回收落地的速度,缩短回收落地的时间对于跆拳道运动员有 较大的影响。 关键词:跆拳道、横踢、速度、环节角度、打击力量、叠加原理、二次用力 v ( 3 ) s p e e d ,s t r e n g t ha n db u r s t i n gp o w e r a r ea l ll i n e a r l yr e l a t e dw i t ht h es u p e r i o r i t yo r t h ei n f e r i o r i t yo ft h i st e c h n i c a lm o v e m e n t ( 4 ) a c c e l e r a t i n gt h ev e l o c i t yo fa t t a c k i n gl e ga n ds h o r t e n i n gt h et i m eo fw i t h d r a w i n g h a v eg r e a ti m p a c to nt a e k w o n d oa t h l e t e s k e yw o r d s :t a e k w o n d o 、r o u n d h o u s ek i c k 、v e l o c i t y 、a n g l eo fr i n g - j o i n t 、k i c k i n g f o r c e 、s u p e r i m p o s ep r i n c i p l e 、s e c o n db u r s t i n gp o w e r 学位论文原创性声明 本人郑重声明:所呈交的论文是我个人在导师指导下独立进行研究工作取得的研究成 果。除了文中特别加以标注引用的内容和致谢的地方外,论文中不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果,与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名:日期:年月 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解武汉体育学院有关保留、使用学位论文的规定,即:学校有权将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇 编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部fj 或机构送交论文,并编入有关数据库。 作者签名:导师签名:日期:年月日 i l i 作者简介 王桂彬,男,1 9 7 6 年3 月生于山东省临沭县。 2 0 0 1 年毕业于城师范大学,本科学历。毕业后在上海南 汇横沔中学任物理教师。2 0 0 4 年考入武汉体育学院,攻读运 动人体专业,研究方向是运动生物力学,导师是李玉刚教授。 在三年的研究生学习期间,主修和选修了公共必修课, 学位基础课、专业课和选修课,各科成绩均为优良,共修了 4 2 个学分。主要课程有:科学社会主义理论、英语,计算机 基础,教育学、运动生理学、运动心理学,运动训练学、 运动生物化学、体育统计学,体育科研方法、细胞分子生 物学、局部解剖学、系统解剖学、高级运动生理学,体育舞 蹈、健美操等学科。 跆拳道横踢技术动作特征的三维图像分析及探讨2 0 0 7 年武汉体育学院硕士学位论文 1 前言 跆拳道是起源于朝鲜半岛的一种竞技项目。自1 9 9 2 传入我国以后,以其强大的 魅力( 科学的比赛规则、先进段位考试制度、简洁实用的技术、精神的升华和心灵的 熏陶等等) 吸引了无数的青年人投身于跆拳道的学习和训练之中。在短短十多年的时 间内,我国就在跆拳道项目上取得了长足的进展,尤其近几年,我国大批青年新秀在 世界重大赛事中开始崭露头角,以前所未有的实力开始摘金夺银。虽然我国在该项目 上已经取得了长足进步,但是与之相应的基础理论研究却远远落在了后面,这必将极 大地制约跆拳道健康发展。为了使跆拳道沿着科学的道路健康发展,加强其基础理论 的研究是我们目前所面临的主要课题。 在跆拳道众多的技术动作中,横踢是最常用、最有实用价值的技法。这主要是横 踢技术动作简洁迅速,威慑力巨大,等特点。从衡量搏击技术动作效果的几个参数指 标分析,跆拳道横踢技术动作的打击力量、打击速度、打击幅度和爆发力等几个关键 指标印证了横踢动作的优越性。因此,从运动生物力学角度,对跆拳道横踢动作进一 步分析和评价,探究其内在的规律和特点,为科学地训练提供有益帮助。 横踢也是跆拳道最主要的得分手段之一。曾有研究者对9 7 “康富来杯”全国跆 拳道锦标赛3 3 5 场中技术动作使用情况进行统计,男、女运动员横踢动作的使用占所 有技术动作的比例分别为:5 8 7 3 和7 0 2 4 ,而各级别男、女冠军的获得者使用比 例分别为6 0 6 0 和7 6 3 4 。从技术动作得分率分析,冠军运动员的横踢得分率高于 普通运动员。这说明在实际教学和训练中还有许多问题需要进一步的深入研究。 随着跆拳道项目在我国的逐渐普及,人们已经认识到基础理论知识在训练和指导 方面所起的重要作用。采用现代科学技术和理论成果是技术动作最佳化的保证。任何 技术动作的评定都建立在测试指标的反馈基础之上,在众多的测试指标中( 生理,生 化,心理及技术动作结构和形式等) ,最简单、最方便、最直观、最有效的方法是运 用运动生物力学方法对横踢技术动作进行全面评价和分析。运动生物力学的方法主要 是从运动学、动力学和肌肉力学等几个角度分析跆拳道技术动作。运动学方法是从动 作外形评价动作技术动作的优劣,动力学是从动作产生的机理对技术动作进行评价。 而目前运用该方法对跆拳道进行深入分析与评价的报道较少。 本文试图运用三维图像解析系统,采集优秀运动员横踢技术动作相关运动学参 数,并结合武汉体育学院研制的搏击项群训练测试仪,采集横踢技术动作的相关 参数,从技术动作的运动时自j 、运动速度、环节角度、环节速度,打击力量等参数研 究跆拳道横踢技术动作的特征,对其动作进行量化和评价分析,找出我国优秀跆拳道 运动员横踢动作的最佳运动模式特点和规律,为深入研究跆拳道横踢技术动作提供一 个有效的范本。 跆拳道横踢技术动作特征的三维图像分析及探讨 2 0 0 7 年武汉体育学院硕士学位论文 2 文献综述 2 1 运动生物力学发展现状 运动生物力学是以力学、生物学的理论为基础,研究人体运动规律的一门新兴学 科。运动生物力学作为一门学科,其发展历史只有短短几十年的时间。但是自从运动 生物力学诞生以来,就一直备受争论。严波淘“1 ( 2 0 0 2 ) 认为:运动生物力学是在大 量实验、分析的基础之上揭示和发现人体运动规律;从学科应用角度来看,就是借助 于人体运动的普遍规律和特征运动生物力学原理建立新的合理运动结构,修改不 合理的动作并达到人体动作技术最佳化。西弗。1 ( m c s i f f ) 认为:运动生物力学是一 门借鉴了物理学中的力学规律,并将其应用于生物体上,以便理解生物体机能活动特 征的科学。而全国高等体育院校使用的通用教材则这样定义:运动生物力学是研究体 育运动过程中人体的运动动作,以及在各种不同条件下运动动作产生的力学和生物学 原因,由此而决定的完整的运动行为的不同特点。1 。也就是说,运动生物力学是从力 学角度和生物学角度研究体育运动过程中人体的机械运动规律和特点的学科。从概念 的阐述分析,将运动生物力学研究的范围界定在体育学领域内未免过于狭窄。随着该 学科的发展,人们对运动生物力学的界定必将更加科学、更加规范,对运动生物力学 原理的阐述必将更丰富和完善。进而帮助人们进一步深入、全面地认识人体运动的一 般规律,更准确地揭示其技术动作的特征,更好地促进技术动作的发展。 有关生物体运动中的力学问题很久以前就引起人们的兴趣。早在公元前古希腊的 哲学家和自然科学家亚里士多德( a l i s t o t e l e s ) 就从力的角度讨论了人体运动。1 5 世 纪意大利科学家达芬奇( l e o n a r d od av i n c i ) 从解剖学和力学角度研究了人体各种 姿势的运动,其中对行走时的步态研究结论“一切能够运动的生物体都遵循力学定律 ”,为运动生物力学的研究指明了方向。1 7 世纪,法国的物理学家笛卡尔( r e n i d e r c a r t e s ) 将人体看作一部机器,并从纯力学的角度建立了一个十分复杂的人体结构 模型,甚至包括神经的功能,他的研究思想极富创造性,直到今天,仍有不少资深力 学家在不断丰富这种理论分析方法,并取得了瞩目的成就。与笛卡尔同时代的意大利 解剖学家博雷利将力学与解剖学结合起来,系统地研究了动物和人的各种运动,完成 了第一部运动生物力学著作论动物的运动。至此,运动生物力学作为一门学科已 经诞生了。但此后很长的一段时间人们只是把运动生物力学看作是生物力学的一个分 支,自从伯恩施坦( 1 9 3 5 ) 提出运动生物力学原理概念之后,运动生物力学才真正成 为一门学科。然而此后很长的一段时间( 2 0 3 0 年) ,运动生物力学一直没有受到应 有重视,第二次世界大战以后,各国之间的竞争不再仅仅表现在经济、军事力量,而 是科技、体育等方面。因此许多国家都加大了对体育的投入,从那时起,体育事业已 经成为一个新兴的产业。人们逐渐认识到体育不仅仅是力量与速度的较量,而是科技 的直接较量。6 0 年代以后,依托科技的进步,运动生物力学进入快速发展的黄金时期, 各种新的研究方法不断丰富运动生物力学的研究领域。 运动生物力学研究手段的发展过程同样也经历了漫长的过程。但是在其发展过程 中有三个特别重要的标志:1 9 世纪美国的摄影师麦靠晕奇( e m u y b r i d g e ) 用2 4 架照 相机按照时间顺序依次拍摄了马的奔跑动作,其后又拍摄了人体走、跑等动作的连续 照片,并于1 9 0 1 年发表了论著运动中的人体图像,从而奠定了影像测量的方法和 分析基础,这也是后来影像分析的萌芽。为了纪念他的贡献,从第1 l 届国际生物力学 大会开始设立了“麦布罩奇杰出贡献奖”,以表彰在生物力学领域做出突出贡献的学 者。上世纪2 0 年代,德国学者布拉温( b r a u n e ) 与菲舍尔( f i s c h e r ) 采用尸体解 跆拳道横踢技术动作特征的三维图像分析及探讨2 0 0 7 年武汉体育学院硕士学位论文 剖的方法,对人体环节质量、质心等参量进行了测量,并建立了第一个人体质量分布 模型,奠定了人体数理研究的基础。2 0 世纪3 0 年代,英国生理学家希尔( a v h i l l ) 用青蛙的缝匠肌作为试验素材,通过测量肌肉收缩时肌张力与收缩速度的关系得出重 要的希尔方程,为肌肉力学的发展奠定了的基础。 二十世纪5 0 年代以后,高速发展的现代科学技术极大促进了运动生物力学研究方 法的进展。尤其近三十年,运动生物力学研究方法从原始方式快速走向科学化、规范 化。在此之前的“大多数研究都是以某一学科或相关学科的研究方法为基本手段而进 行”。1 ,其特征是科技含量低、研究手段单一、研究方法落后、不适应现代运动训练 的需要。8 0 年代以后,一大批先进的科研仪器、更加科学的测试与分析手段不断地应 用于运动生物力学研究领域。“社会科学研究方法与自然科学研究方法的经纬交错、 多门学科的相互交叉和渗透“,使运动生物力学研究方法更加科学和实用。这一时 段,各种研究手段和方法极大丰富了运动生物力学的研究领域:严波涛”1 引用神经网 络原理并建立神经网络模型研究运动技术;曲峰”1 引用混沌理论分析肌电信号:李世 明9 1 引用最优化理论对人体各环节的重量进行测量,这些学者的思想都具有很深的前 瞻性。 我国目前运动生物力学的研究领域主要集中在以下几方面:人体技术动作的生 物力学。内容主要涉及能量的转换、评价;运动训练的生物力学。涉及到各项目的 关键技术动作分析、诊断与评价和环节动作特征分析。运动生物力学建模、动作模 拟和优化设计。利用计算机技术模拟和创造高难度技术动作;人体环节参数的测量, 重心的计算。神经肌肉骨骼肌。内容涉及肌肉收缩力量与神经系统的关系。 肌电信号。内容涉及技术动作中肌电运用的方法、特征等;肌电信号的变化与肌肉 运动强度的关系;肌电疲劳信号反馈运动训练的指导等。青少年儿童技术动作的生 物力学分析与诊断。生产设计。利用运动生物力学原理设计性能和质量更优的产品。 国防建设。涉及到武器装备和相关产品的设计,如步枪枪托、头盔、飞机紧急逃生 系统的设计等内容。 根据运动生物力学的研究任务,显然跆拳道横踢动作属于人体技术动作的生物力 学研究范畴,正因该项目在我国开展的时间不长,所以对其技术动作的生物力学特点 和规律的研究及相关文献的报道实属寡少。本文正是基于这一现状而开展研究的。 2 2 运动生物力学测量方法和手段 2 2 1 运动学方法 运动学参数就是运动的时间特征、空间特征、时空特征的参数,如速度、加速度、 轨迹、位移等。运动生物力学的主要任务为体育学科提供诊断并评价技术动作,但前 提是获取这些技术动作参数。自从美国摄影师麦布里奇利用照相机拍摄运动的人体以 后,摄影和摄像技术就一直是获取动作技术参数的主要手段。电影技术成熟以后,人 们将这种摄影技术运用体育领域。8 0 年代以前,人们一般采用高速摄影方法实地拍 摄,然后利用影片数字化仪进行数字化处理。这种方法效率较低、耗时长、代价较高, 但是高速摄影拍摄速度较高、精度较好、可复制出清晰的照片。9 0 年代以后,电子 技术的发展使录像解析系统逐渐普及。这种方法反馈速度快,价格低廉,并且可以利 用计算机进行自动处理,但是拍摄速度相对较低,图像分辨率较低。影像拍摄技术经 历了一系列演变过程:从常速到高速:从黑白到彩色;从单画面到多画面;从单机拍 摄到多机同步拍摄。但是这种方法都要求在运动员身体上作相应标志点,后期处理工 3 跆拳道横踢技术动作特征的三维图像分析及探讨2 0 0 7 年武汉体育学院硕士学位论文 作量大,从运动生物力学的长远发展分析,具有自动跟踪、识别、判断标志点功能的 图像解析系统是未来发展的主流。李世明“”在前人的基础之上,对实验加以改进,也 取得了可喜的成果。但是体育运动中人们不仅关心自身运动的参数,更关心技术动作 的外形是否标准、技术动作的效果是否达到要求。与技术动作外形相比,动作效果更 能反映技术动作的优劣。但是现有的仪器较难直接测量反应这些动作效果的参数。技 术动作的外形可以通过摄影和摄像的方法予以采集,然后运用适当的方法将这些图片 所反映的信息以运动学参量反应出来。这是目前运动学测量方法较为流行的主要原 因。在电脑技术还没有出现以前,人们只能采用比较原始的方法获得这些参数,其结 果不仅粗糙而且效率还比较低下,也仅仅只能得到速度、时间、加速度、位移等参数。 后来随着科技的进步,电子测量仪器开始逐渐普及。如光电计时器、加速度器、激光 遥测等先进的仪器使得测量方法更简便,结果更精确。 从运动生物力学角度出发,人体运动学参数的获取是对技术动作的特征进行分析 和评价,为教练员和运动员制定训练计划提供依据,并且纠正错误的动作,防止运动 损伤的发生都有积极的作用。这些运动参数的获得不仅简便,而且及时,因此今后很 长一段时间内运动学方法仍是评价技术动作优劣的最主要的方式之一。 2 2 2 动力学方法 动力学参数测量指的是力、力矩、冲量、动量、转动惯量等参数的测量。在生物 力学发展的早期阶段,人们就开始认识到有必要了解人体环节所包含的信息。这一过 程最早是从测量人体环节重量的参数开始。现在己知最早测量环节重量及重心参数的 人是德国的h a r l e s s “4 ( 1 8 6 0 ) 通过解剖两具尸体获得的。但是美中不足的是没有得 到环节相对重量和重心半径系数,所以其应用的价值大打折扣。1 8 8 9 年德国的b r a w n e 和f i s h e r 则弥补了t f a r l e s s 的不足。由于各个国家和民族的体形有一定的差异, b r a w n e f i s h e r 以白种人为素材获得的数据并不适合所有人种。其后各个国家都根据 本民族人体状况进行了类似的实验,得出适合本民族的环节相对重量参数和重心半径 系数。我国的学者郑秀媛“”运用c t 等技术,选择一定年龄段的中国成年人作为研究 对象,同样也取得了适合中国人自己的人体惯性参数。李世明“4 3 在前人的基础之上, 对实验加以改进,也取得了可喜的成果。在这些基础之上,人们开始探究如何直接获 取动力学参数,在众多的方法中,最常采用的是力量传感器,通用测力仪器主要有测 力台( 一、二、三维) 、等速测力仪器、背力计、握力计、压力鞋垫等,但是这些产 品适用面较窄,对于未来的测力仪要求的硬件和软件功能都有待进一步改进、扩展、 提高,以满足不同运动项目的多种需求。 2 2 3 生物学方法 随着人们对体育运动研究的不断深入,人们开始深入思考运动产生的内部机理。 肌肉收缩使人体产生运动,但是,在当时的研究条件下限制了人们对肌肉工作形式和 方式的进一步认识,尤其是单块肌肉的收缩力量与收缩长度之间的关系及神经肌 肉工作方式等。在1 8 世纪3 0 年代英国生理学家h i l l 用弹簧测得青蛙缝匠肌受到电 刺激后收缩的力量,并得出了著名的h i l l 方程“:f = ( f + a ) x ( v + b ) 。但是该方 程只适用于肌肉向心收缩过程,而肌肉离心收缩过程的方程到目前为止还没有得到。 1 8 5 1 年法国科学家d u o i s r e y m o n d 最先检测到人体肌肉收缩时能产生电信号起,人 4 跆拳道横踢技术动作特征的三维图像分析及探讨2 0 0 7 年武汉体育学院硕士学位论文 们就不断地进行这方面的研究肌电研究。如今,表面肌电图谱已成为分析判断肌肉疲 劳程度、评价肌肉的工作负荷的有效途径“”。随着研究的深入,从生理学角度分析和 探讨运动训练己成为一种有效的手段。威廉克莱默和史蒂文弗莱克分别从心血管 和内分泌方面探讨了力量训练,迪戈比塞尔从神经适应方面分析了力量训练。这些 学者都对运动生物力学的研究方法作了有益的尝试。生物学方法是测量机体内部发出 的信息,受外界干扰的程度较小,测量结果较客观,但是生物学方法存在个体差异, 不易进行精确测量。 2 3 跆拳道相关文献综述 跆拳道中的“跆”指为踢、踩、踏、踹;“拳”指用上肢击打;“道”有两重含义, 一是套路和技术,另外还有做人做事的哲学思想。跆拳道由基本技术、品势和实战三 部分构成。“品势”相当于我国武术中的套路,把各种攻防技术动作按一定的规律和 攻防意图组合起来,形成规定的动作及数量的联系形式。跆拳道中的不同品势约有 2 5 种,其中最基本、最常用的是太极八章。基本技术包括上肢技术和下肢技术,上 肢技术只有直拳一种,虽然上肢灵活性大,但力量相对下肢来说较小,所以在比赛 中,上肢主要用来格挡对方进攻的肢体、配合下肢的运动以及做一些假动作,故上肢 的进攻只起辅助作用。胡宗祥“”认为在跆拳道运动中上肢的主要功能是配合下肢及全 身,通过快速的摆动和躯干向进攻方向的快速扭转,使进攻腿的末端环节获得最大的 运动速度和打击力量。尽管跆拳道强调下肢在技术动作中的重要性,但是上肢的作用 也不容轻视。在竞赛过程中,上肢通过积极出击和迷惑对方,为自己创造得分的机会, 尤其在做一些假动作方面上肢有无可比拟的优势。因为上肢相对于下肢,其质量较轻, 转动半径较小,所以要比下肢灵活,而且在多数的动作过程中上肢要起先导作用。李 德祥等“”总结了以上肢为先导的组合技术,这些组合技术动作也印证了这一结论。下 肢技术包括前腿技术和后腿技术。前腿技术由前横踢、前高横踢、前腿下踢、前腿侧 踢、前腿勾摆踢、前腿双飞踢等。后腿技术包括后横踢、后高横踢、后下劈、后腿侧 踢、后腿勾摆踢、后踢和后旋踢。概括起来,跆拳道基本技术分为2 类9 种,一类是 脚的技术,仅指踝关节以下的使用技术,包括横踢、前踢、后踢、侧踢、钩踢、推踢、 下踢技术;另一类是拳,即直拳一种”。有人曾作过统计,这2 类9 种技术经过组合 可以产生3 2 0 0 多种组合技术动作。但是不难看出跆拳道是以腿法为主的一门踢的项 目。在诸多种的踢法中,最常用且威力最大的当属横踢,其次是后踢。刘宝成”“、朱 辉2 3 分别对9 7 年全国跆拳道锦标赛和2 0 0 1 年国内外冠军赛中的技术使用情况作过统 计发现无论是男子还是女子运动员使用横踢技术的百分比都超过5 0 ,远远超过其他 技术动作。刘少辉”分析认为:横踢具有速度快、力量大,难度小、打击响亮、动作 幅度短、缓冲较小等优势,他还指出相比于其他技术动作,横踢更符合比赛的规则。 跆拳道竞赛规则对于比赛时使用的技术得分标准:允许的技术,击打准确有力,击中 对方有效得分部位,并且有一定的声音效果。跆拳道竞赛规则对于使用的技术要求用 下肢的踝关节以下的部位打击对方胸腹部和两肋及面部及两颊或用拳的正面击打对 方允许的部位。跆拳道竞赛规则比较简单,而且跆拳道技术动作也非常简洁,提倡 力量强劲、激烈精彩的对踢风格。横踢最适合比赛规则,但这并不能说明其他的腿法 不重要。因为跆拳道的步法异常灵活,为了躲避对方的进攻,并积极地还击得分,需 要抓住任何的得分机会。在比赛中运动员都力争在瞬息万变中给对方有力的打击,双 方攻防节奏明快,只要有进攻机会,运动员将利用下肢强大的爆发力给对方造成很大 的伤害。所以在跆拳道项目中下肢活动范围很大,很有必要对下肢的技术动作进行生 跆拳道横踢技术动作特征的三维图像分析及探讨 2 0 0 7 年武汉体育学院硕士学位论文 物力学分析。尤其是横踢技术动作的分析更显得又必要。 运用生物力学方法对跆拳道技术动作进行分析的开展时间较晚,并且绝大部分都 集中在对横踢技术动作的分析方面。刘云峰。1 通过三维录像拍摄横踢动作得到运动学 方面的参数,得出高水平运动员横踢动作的轨迹十分相似,并且男女运动员横踢技术 也没有明显差异,但是没有对横踢进行细化分析。李玉刚等”1 利用自己研制的搏击项 群训练测试仪对武汉体育学院跆拳道代表队进行了测试,获得了横踢动作的动力学参 数,发现在横踢技术动作中,男女运动员前横踢打击的力量要比后横踢打击的力量小, 在击打9 0 0 和l l o o 靶位时,前、后横踢击打力量与运动员的体重成正比关系,还发现 前后横踢的速度与运动员体重没有明显线形关系,但与运动员的性别和靶位的高低有 关,优秀男运动员要比优秀女运动员速度大,打击9 0 0 靶位的速度比打击1 1 0 0 靶位的 速度慢。他还对下肢肌群的工作特点和性质做了详细的剖析。胡宗祥等。”利用生物 力学方法对横踢技术动作中上肢的运动进行分析,发现在跆拳道横踢时上肢快速摆 动,同时躯干向进攻方向的快速扭转可以使下肢获得更大的速度,在摆动上肢要尽可 能的提前,不仅可以缩短整个动作的时间,还可以协调下肢完成动作。迄今为止,国 内还未见到关于对横踢和其他技术动作过程中支撑腿的受力情况分析的文献报道,这 可能与较难获得相关数据等因素有关。台湾的刘振光”1 利用三维测力台和测力鞋垫对 运动员的侧踢进行运动生物力学分析,发现原地左脚侧踢的力量显著大于原地右脚侧 踢,打击力量的分布情况是:跟骨 跖骨 股骨,显示右跟骨受力范围较大,受伤比例 偏高,所以加强左脚的力量训练很有意义。至于对跆拳道技术动作的其他研究主要集 中在技战术、生理、心理等领域。张洪顺等啪1 对运动员膝关节的损伤进行了生物力学 分析,熊俊等啪3 对优秀跆拳道运动员腿部后侧肌群力量训练进行了有意义的探索,李 旺华等对比赛中的边角战术运用情况进行了研究,宋高晴。”对跆拳道项目供能特点 和运动员的身体机能进行了探索。还有一些学者对跆拳道与其他搏击类项目进行了比 较,如唐波嘲从竞技特征对散打与跆拳道做了比较,宋高晴。”则从功能特点和运动员 的身体机能方面对跆拳道做了评定,李旺华。”等从边角区域战术运用情况对跆拳道, 杜胜林、王广兰则从运动损伤方面对跆拳道运动员进行了分析,姜传银”“、张超、 王俊法m ,等从不同方面对跆拳道进行了研究。 综上所述,我国跆拳道的研究现状还停留在传统的方法和手段上。这些研究手段 和方法大都属于对技术动作的动力学与运动学的终端分析与评价,研究的深度和广度 还有待于进一步的拓展,而很少运用影像解析系统对跆拳道的技术动作过程以及形成 动作效果的中间环节等诸要素开展研究。基于这一现状,加强对跆拳道技术动作的运 动生物力学特征进行分析与研究,深入探讨影响其运动效果的因素,建立科学的评估 体系,完善训练方法与手段,这无疑是摆在我们面前的一项紧迫而艰巨的工作。对此, 我们以分析跆拳道横踢腿技术动作的运动生物力学特征为切入点,来展开科学研究工 作 6 跆拳道横踢技术动作特征的三维图像分析及探讨2 0 0 7 年武汉体育学院硕士学位论文 3 研究方法和手段 3 1 研究对象 武汉体育学院跆拳道代表队的7 名优秀男运动员作为研究对象,运动员平均年龄 为1 8 7 0 6 7 岁,体重6 2 9 3 公斤,身高1 7 7 0 9 5 米。 3 2 研究方法 文献资料法:本人在三年的学习期间搜集了关于大量的跆拳道和生物力学方面的 文献资料。在做硕士论文期间又查阅了6 0 多篇关于武术、散打、跆拳道、太极等方 面的文章。同时阅读了跆拳道方面的生理、生化及训练方面的大量文献资料。 实验法:采用运动学、动力学参数综合测试的方法 调查访问法:走访教练员和优秀运动员并获取他们在跆拳道训练和教学方面的心 得和体会,找出一些普遍的东西,挖掘潜在的规律。 3 3 测试系统及测试指标 , 3 3 1 三维图像解析系统 主要包括p a n a s o n i c 数码摄像机两台( 日本) 、a r i e l 公司的a p a s 系统( 美国) 、 爱捷三维d l t 辐射框架( 中国) 和同步遥控器。 3 3 2 搏击项群训练测试仪 该测试仪主要技术指标:测力范围5 0 8 0 0 公斤,测力精确度 9 9 ;测速范围 o 3 0 米秒,测速精确度 9 8 ;功率范围0 2 4 0 0 0 公斤米秒;测功精确度 9 6 。 3 3 3 测试参数 动作过程参数:动作时间;总重心位移与速度;关节角度;环节速度;环节位移 动作终端参数:打击力量;打击速度;打击爆发力 3 4 试验基本情况 本文采用三维立体摄影方法,实验中采用两台拍摄频率为5 0 f p s 的松下数码摄像 机对横踢动作进行拍摄。拍摄时,摄像机至框架的距离为1 2 米,高度为1 2 米,两 台机子的主光轴夹角为9 0 0 左右,框架原点到地面的高度为2 6 厘米。然后利用美国 a r i e l 公司的“三维图像解析系统”对实验数据进行处理,获得动作过程中运动学方 面的参数。 3 5 数据采集 3 5 1 三维图像数据采集 1 两机不动,先拍摄框架并保存,拍摄时启动同步器。然后取走框架,击打靶悬 于标记点上方,打击中心依照运动员的身高合理调整高度。 2 预先绘制纪录表格,并将受试者依次排序,然后记录其相关信息( 姓名、年 龄、性别、级别、体重、下肢各环节的长度、身高等) 。 3 测试前让运动员进行适度做好准备活动,然后进行实拍。为了获取最佳图像 资料效果,让每一位运动员至少重复三次动作,选取最好的一次进行保存。 4 实拍时,要同时启动同步器。 3 5 2 动力学参数采集 本文还利用武汉体育学院自制的“搏击项群运动训练测试仪”采集技术动作终端 时刻的动力学参数。运动员击打目标高度根据运动员的身高适当调节,数据采集后经 过计算机处理直接输出动作参数。 7 跆拳道横踢技术动作特征的三维图像分析及探讨2 0 0 7 年武汉体育学院硕士学位论文 m。atm。卫。- 图1 拍摄过程示意图 3 6 数据处理 三维图像解析包括人体运动动作和摄影框架影像的同步摄像、采集、同步、剪切、 打点、3 d 及数据平滑处理等过程,其中数字平滑方式的平滑系数根据实际情况而定, 通常平滑系数为1 0 。获得原始数据以后,利用e x c e l 等软件对数据进行第二次处理。 然后计算出各指标的平均数( x ) 和标准差( s d ) ,再对个体进行校正。 跆拳道横踢技术动作特征的三维图像分析及探讨2 0 0 7 年武汉体育学院硕士学位论文 4 研究结果 4 1 横踢技术动作结构及各阶段划分 跆拳道横踢技术按照使用的肢体可划分为左横踢和右横踢;按照进攻腿在身体前 后的位置不同分为前横踢和后横踢;按击打部位的高低,横踢又可分为横踢和高横踢。 通常,运动员都有自己的优势腿,多数运动员习惯将右腿作为自己的优势腿。本文以 右架横踢为研究对象,进攻队员充分利用髋和躯干的转动,进攻腿依次按照髋、大腿、 小腿、脚的运动顺序完成打击动作。其动作过程为:随着垫步结束,重心迅速移至左 腿,在支撑腿蹬伸、左前脚掌碾地内旋的同时,提右腿同时送髋,适度折叠大小腿, 右髋左转,随着支撑腿蹬伸并伴随内旋幅度的加大,进攻腿膝关节向前上方抬至水平 状态,小腿接着快速有力地横向踢出,力达脚背,击中目标,然后迅速回收进攻腿, 回到实战姿势。 根掘动作结构原理,任何复杂技术动作都是由一系列不同的简单动作组合而成。 为了便于分析,根据横踢技术动作的特征将整个过程分为:垫步、屈膝提腿、挺髋扣 膝、击打和动作回收五个阶段。按照时间顺序划分:1 从准备姿势到左脚垫步至身体 重心前移结束,为t 。阶段;2 进攻腿提腿屈膝,大小腿折叠,为t :阶段;3 进攻腿 的小腿迅速横向弹出,髋前送,成快速鞭打动作,为t 3 阶段;4 进攻腿脚背击打目 标,为t 4 阶段;5 进攻腿击打结束到落下成左架姿势,为t 。阶段。( 如图2 ) 1 垫步2 屈膝提腿3 挺髋扣膝4 击打5 动作回收 图2 横踢技术动作划分阶段示意图 表1 横踢技术动作5 个阶段划分依据 9 跆拳道横踢技术动作特征的三维图像分析及探讨2 0 0 7 年武汉体育学院硕士学位论文 4 2 身体重心位移参数 人体重心位移变化与技术动作关系非常密切,是评价动作技术质量的重要指标。 本研究通过对横踢动作进行三维解析,得出重心的3 d 及三个坐标轴上位移变化曲线 图。由于实验框架和摄像机摆放的位置及运动员站立方位的原因,x 轴与身体的额状 轴平行,y 轴的指向与受试者前进方向相反,z 轴与身体的垂直轴一致。 “葛。7 冀强 图3 身体重心位移曲线图 从图3 不难看出,身体重心位移在不同坐标轴上变化情况有所不同。在矢状轴方 向上,垫步阶段( t 。) ,人体重心以较小的幅度向前移动,并且呈均匀变化的趋势, 在t 2 和t 。阶段,重心前移幅度与垫步阶段相比,要大得多。t 4 阶段以后,重心前移 幅度又略微变小。在整个动作过程中人体重心向前移动了8 5 7 c m 左右。在额状轴方 向上,重心位移变化的幅度较小,为2 4 5 厘米。身体重心在额状轴上小幅度的移动, 避免了身体左右摇晃,对于保持身体稳定性具有积极的意义。挚步( t 。) 结束后,为 了快速启动进攻腿( 右) ,人体的重量又落到了支撑腿( 左) 上,导致人体的重心向 左偏移,图像曲线表现为细微的上升趋势;在t 2 、t 3 和t 。阶段,进攻腿处于腾空状态, 躯干继续向左倾斜,重心曲线继续上升。进攻腿击中目标后,伴随着进攻腿的回收落 地,重心开始向右转移。因此,人体重心在额状轴上的位移曲线表现为先缓慢上升, 经过一个相当长的时间平台期,又开始缓慢下降。垂直轴方向上,重心位移曲线表现 为先是一定程度的降低,接着又开始上升,重心高度曲线“达到最高点时,也是击中 目标的时候”1 ,紧接着重心的高度开始下降,直至形成双支撑状态为止。在整个横 踢动作过程中,不同时段重心高度变化的幅度不同:t ,阶段重心降低,其目的一是为 了增大进攻腿膝关节的夹角,为进攻腿蹬伸地面创造更大的工作距离,增大进攻腿离 开地面的速度;另一方面是为拧腰送髋创造更好的工作条件。r 阶段,身体重心快速 1 0 跆拳道横踢技术动作特征的三维图像分析及探讨2 0 0 7 年武汉体育学院硕士学位论文 升高,为进攻腿打击目标创造更有利的条件。整个动作阶段重心高度的变化约为2 5 7 厘米左右,而在t 。与l 阶段的0 2 2 秒内,重心高度变化了1 2 3 厘米左右。导致这 一结果的原因是支撑腿的踝关节和膝关节前伸的共同结果。 4 3 身体重心速度参数 身体重心位移参数变化只能粗略反映整个身体运动情况为了进一步说明身体重 心运动特征,需要从身体重心速度变化等方面作进一步的说明。由于任何肢体速度的 变化都会影响到重心的速度,所以分析重心速度对于了解各环节运动状况有较大的借 鉴意义。( 由于运动员的运动方向与框架y 轴的方向相反,故在图3 中y 轴上速度为 负值) 。分析重心速度在三维坐标系中的变化趋势,容易得出各个坐标轴上的速度曲 线变化趋势基本一致。虽然y 轴上的速度为负值,但其峰值与其他曲线基本一致:先 增大后减小。 图4重心速度变化曲线图 表3身体重心速度参数变化表 分析图4 的曲线变化情况,各条曲线在0 0 8 秒左右迅速汇集到一点,并且该时 刻速度几乎为0 。说明受试者在0 0 8 秒内已经调整好姿势,为后续动作做好准备。 在x 轴方向上,从0 0 8 秒开始( 以后讨论如果没有特殊说明都是从0 0 8 秒开始) , 左脚向前垫步( t 。) 阶段,身体处于右支撑状况,进攻腿快速蹬伸地面,使身体向左 倾斜,为了防止身体过度倾斜,左手臂快速外展。从左脚触地开始,人体又处于双支 撑状态,使重心向左移动的速度迅速减小,重心曲线图该阶段的曲线斜率较大,且为 负值。这样保证了身体重心在x 轴上的稳定性,为屈膝提腿和扣膝挺髋动作提供稳定 的动作环境。y 轴上的重心曲线变化呈现小幅度的起伏,但总的变化趋势是重心速度 曲线在y 轴上增大后减小。在t 。( 屈膝提腿) 阶段,重心速度为最大值,而击打后, 跆拳道横踢技术动作特征的三维图像分析及探讨2 0 0 7 年武汉体育学院硕十学位论文 身体前进的速度明显减小。z 轴方向上,重心速度曲线在各个阶段变化为波浪形,且 起伏较小,说明身体重心高度在这几个动作阶段变化很有规律。 表3 中的数据也佐证了该曲线图的变化特征。x 轴上,身体重心速度的最大值出 现在t 。阶段,而向下压髋的结果是y 轴和z 轴上的速度减小,重心3 d 的速度为1 0 8 2 3 3 7 2 8 米秒,在l 阶段,y 、z 和3 d 的速度曲线又达到一个峰值。而x 上的速度 曲线起伏较小,这说明横踢过程身体重心左右摆动的幅度较小,有利于保持身体的平 衡,增强打击效果。打击后,z 轴上的速度迅速变化( 0 4 9 8 7 0 4 9 8 7 一0 5 4 3 3 0 5 0 3 3 ) ,这与进攻腿的主动回收和支撑腿踝关节被动屈曲有关。 进攻腿击中目标的时刻,身体重心上升到最大高度,身体重心速度在垂直轴上的 分量为零。之后随着动作的继续,身体重心又开始下降,其速度变为负值。在进攻方 向上( y ) ,总的来说,重心速度变化趋势与z 轴上的情况基本一致。表3 中受试者的 数据也反映了相同的结果。 4 4 支撑腿运动学参数 4 4 1 髋关节速度参数 。鼍尝譬”。吧嚣”“锣! y ”7 鼍! 翟” 图5支撑腿髋关节速度变化曲线图 表4支撑腿髋关节速度变化表 髋关节角度是指股骨与同侧躯干之间的夹角。髋关节连接躯干和下肢,是腰部力 量传递至大腿的枢纽,所以通过分析髋关节角度的变化情况不仅可以反映躯干的倾斜 程度,还能反映下肢的运动状态。由于髋关节夹角在坐标轴上的投影与多种因素有关, 为了简化分析过程,本文中只分析3 d 合成后的髋关节角度变化情况。挚步阶段,支 撑腿( 左) 离开地面,髋关节角度的变化情况是:先变大,而后减小再增大,但是这 种变化趋势很不明显。因为髋关节角度大幅度变化不利于后续动作的进行。垫步的主 要作用足克服身体的惯性,将身体重心向前推移,并使进攻腿在进攻酊具有一定的仞 一 舯 雌 跆拳道横踢技术动作特征的三维图像分析及探讨2 0 0 7 年武汉体育学院硕士学位论文 速度。垫步结束后,髋关节的角度曲线达到一个小的峰值,并持续到t :阶段。在t 。 阶段,由于进攻腿要屈膝提腿,髋关节角度先迅速变小而后急速增大,这是由于进攻 腿在行进过程中,其位相在0 2 秒内从躯干后侧运行到躯干前侧,接下来的l 阶段, 为了增大打击的纵深面,需要支撑腿积极蹬伸地面,同时快速扭转腰部,形成拧腰动 作,髋积极前送( 拧腰送髋) ,在此过程,髋关节角度继续增大。当进攻腿小腿完成 鞭打动作以后,髋关节角度开始减小,直至进攻腿落地。 根据上面曲线图和表格的特征,髋关节角度在t 。阶段变化最明显,扣膝完成以 后,髋关节角度达到峰值。尤其是t :阶段,在0 0 8 秒内,髋关节从1 1 0 6 7 4 0 减d , n 8 5 2 4 1 0 ,这是进攻腿快速蹬地导致支撑腿一侧髋关节角度减小。 4 4 2 膝关节角度参数 盎 一“”“”“ a 一、。 9 咒搿。”。一嚣”4 絮搿4 ” 7 嘎,。 图6支撑腿膝关节角度变化曲线图 表5 支撑腿膝关节角速度变化表 支撑腿膝关节角度参数是衡量支撑腿屈伸程度的重要指标,其角度变化情况反映 了身体姿势的调整过程。支撑腿在动作过程中既要支撑身体的重量,又要维持身体的 平衡,所以在动作过程中支撑腿膝关节角度不能有较大的变化,否则易导致身体摇晃, 影响打击效果。 严格意义上讲,膝关节的解剖学特征使其只能做屈伸运动。实际上,膝关节可以 做微小的旋内和旋外运动。图6 ,x 轴和y 轴上的角度曲线变化很小,而在z 轴上, 角度曲线变化较为显著。t 。阶段,支撑腿膝关节角度迅速增大,t 2 阶段,进攻腿屈膝 提腿,惯性作用力使支撑腿膝关节角度减小,t 。阶段,支撑腿脚跟内旋,使膝关节角 度在z 轴上的投影减小,l 阶段,膝关节角度在z 轴上的投影最小。但相对应在x 轴 上,该阶段角度的投影值最大。对于3 d 合成后的关节角度变化情况,从上图曲线和 表格反映的情况,不难看出,0 0 8 秒至0 4 秒这一阶段,膝关节角度维持在恒定的 状态。击中目标后,支撑腿膝关节角度逐渐变小。结合技术动作过程分析曲线波动情 况,第一个波动出现在支撑腿在挚步阶段( t ,) ,由于挚步的幅度较小,膝关节角度变 化很不明显。进攻腿屈膝提腿( t 。) 过程中,支撑腿膝关节角度几乎没有变化,虽然 跆拳道横踢技术动作特征的三维图像分析及探讨2 0 0 7 年武汉体育学院硕士学位论文 此过程身体重心高度变化明显,但是支撑腿膝关节所起的作用不大,主要是踝关节的 伸展所致。导致高度变化的另外一个原因:为了使进攻腿屈膝的同时向前送髋,支撑 腿需要克服其惯性力,必须蹬伸地面。综上原因,膝关节在t :阶段变化较小。但是 在扣膝挺髋( l ) 阶段,为了维持身体的稳定,增大左右方向的支撑面,支撑腿需外 旋。0 0 8 秒内支撑腿膝关节角度变化了2 8 4 4 0 ,变化的幅度非常显著。这是由于进 攻腿击打目标前,为了产生更好的打击效果,小腿需要快速向前鞭打,并积极压髋, 压髋的结果使进攻腿的转动惯量转移到支撑腿上面,其结果使膝关节角度不断增大 ( 极值为1 4 7 5 3 0 3 4 8 2 9 0 ) 。当进攻腿小腿接触到目标时,必须紧锁相应关节,腰 部肌肉需要二次发力,这都要借助于支撑腿的蹬伸才能完成。击中目标后,支撑腿膝 关节角度并非马上减小,结合重心位移参量变化情况,发现此时重心处于较高的状态。 进攻腿收回在过程中,支撑腿膝关节角度并没有发生太大的改变。但是随着进攻腿的 脚跟着地,支撑腿开始弯曲,膝关节角度逐渐减小,直至进攻腿着地为止。 4 4 3 踝关节角度和角速度参数 支撑腿踝关节是小腿和脚的中间环节,处于运动链的远端。踝关节是下肢诸关节 中最为灵活的一环,既可以屈伸、又可内收外展,是精确调节身体稳定性的最重要的 一个环节。 支撑腿踝关节在整个动作过程中的作用是通过脚跟内旋碾地增大额状轴方向上 的支撑面的方式增加身体的稳定性。踝关节角度在x 轴的投影则反映了动作过程中脚 跟旋转的情况。结合技术动作分析图7

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