（运动人体科学专业论文）鞍马全旋动作的运动生物力学研究.pdf

南京体育学院硕士学位论文 摘要 目的：体操作为我国传统优势项目，担负着2 0 0 8 年奥运争金夺银的重任。 而从运动生物力学的角度对体操鞍马全旋动作进行分析和研究很少有人问 津。本研究采用三维影像解析法、表面肌电法、计算机多体系统动力学建模 仿真对鞍马全旋动作进行运动生物力学综合研究，为科学训练提供理论依据。 方法： 1 、选取全国体操冠军赛及锦标赛鞍马单项决赛的部分运动员( 共1 3 名 对象) ，对其影像资料进行三维影像解析，探究鞍马全旋动作的运动学规律。 2 、对江苏省现役体操运动员4 名，进行鞍马全旋同步肌电测试，初步探 索其肌电变化情况，从而更好的把握发力时机等。 3 、对江苏省现役运动员陈晨，运用多体系统动力学仿真软件建立其合理 的鞍马全旋的动力学模型，并结合三维影像解析数据、肌电数据进行对比分 析。 结果： 1 、对鞍马全旋一周进行三维影像解析发现：双臂正撑阶段和双臂反撑阶 段耗时都平均约占一周总耗时的1 7 ，左臂支撑阶段和右臂支撑阶段耗时都平 均占一周总耗时的3 3 ；优秀运动员的肩轨迹、足轨迹及重心轨迹投影到水平 面曲线接近圆，且髋关节角度始终接近1 8 0 度。 2 、在鞍马全旋一周的运动过程中，各骨骼肌节律性较明显，且积分肌电 值的比较结果如下：肱三头肌最大；斜方肌下最小；背阔肌大于腹外斜肌； 胸大肌大于腹外斜肌；左胸大肌大于右胸大肌。 3 、陈晨三维影像解析结果、同步肌电实测趋势和多体动力学模型分析结 第1 页 南京体育学院硕士学位论文 果相互印证，验证了陈晨模型的准确性。鞍马全旋一周中，肱三头肌力量峰 值居首位；胸大肌和肱二头肌持续发力时间较长；左胸大肌持续发力时间明 显长于右胸大肌。 结论： 1 、鞍马全旋中，良好的运动技术主要体现在：延长双臂支撑阶段以增加 发力时间；运动员肩轨迹、足轨迹及重心轨迹投影到水平面曲线接近圆；保 持不屈髋且重心离地面高度越高越好；重心速度相对足速度有时问延迟。 2 、在鞍马全旋的运动过程中，肱三头肌、三角肌、胸大肌、背阔肌及肱 二头肌作用较大，且以上各块肌肉收缩有明显的节律性；左胸大肌发力明显 多于右胸大肌。 3 、背阔肌在鞍马全旋运动过程中是主要的动力来源；胸大肌在进行躯干 远固定的同时，肱二头肌和肱三头肌协同工作起到支撑作用；三角肌起固定 肩关节作用。 关键词：鞍马全旋；三维影像解析；同步表面肌电；多体动力学模型 第1 i 页 南京体育学院硕士学位论文 a b s t r a c t o b j e c t i v e s ：t h es t r a t e g yo f2 0 0 8b e i j i n go l y m p i c si sa p p r o a c h i n g a s at r a d i t i o n a ld o m i n a n ts p o r t se v e n ti nc h i n a ，t h es p o r to fg y m n a s t i c s w i l lb ec h a r g e dw i t ha ni m p o r t a n tm i s s i o n l i t t l ep e o p l eh a ss t u d i e d d o u b l el e gc i r c l e s ( d l c ) o nt h ep o m m e lh o r s ef r o mb i o m e c h a n i c sa n g l e t h i ss t u d yi n v e s t i g a t e st h ed y n a m i cm e c h a n i s ma n dt e c h n i q u eo fd l c ， w h i c hp a r t i c u l a r l yu s e st h em e t h o do ft h r e e d i m e n s i o n a lh i g h s p e e d p h o t o g r a p h ya n df ii ms t u d y ，t h em e t h o do fs u r f a c ee l e c t r o m y o g r a p h y ( s e m g ) a n dt h ec o m p u t e re m u l a t i o ns y s t e mb a s e do nd y n a m i c so fm u l t i b o d y s y s t e m s t h er e s u l t sc o u l ds e r v ea se f f e c t i v et r a i n i n gr e f e r e n c ef o r g y m n a s t sa sw e l la sc o a c h e s m e t h o d s ： 1 t h i r t e e ng y m n a s t sa r es e l e c t e dm a i n l yf r o m2 0 0 5 ，2 0 0 7g y m n a s t i c s n a t i o n a l c h a m p i o n s h i p w eu s et h em e t h o d so ft h r e e d i m e n s i o n a l h i g h s p e e dp h o t o g r a p h ya n df i l ms t u d yt om a k et e c h n i c a la n a l y s i so f d l c 2 t h es y n c h r o n o u ss e m ga r et e s t e dw h il ef o u rg y m n a s t so fj i a n g s u p r o v i n c ea r ep e r f o r m i n gd l c t h es e m gc h a r a c t e r i s t i c so ft h em o v e m e n t w i i ib er e v e a l e d 3 w eu s el i f e m o dt ob u i l dad y n a m i cm o d e lo fd l cf o rc h e n c h e n t h e r e s u l t sw ii ib ec o m p a r e dw i t ht h a ta b o v e 第1 i i 页 r e s u l t s ： 南京体育学院硕士学位论文 1 d u r i n go n ec i r c l eo fd l c ，t h et i m er a t i oo fb o t h h a n ds u p p o r tp h a s e ( b h s ) i sa b o u t1 7 w h i l et h a to fo n e h a n ds u p p o r tp h a s e ( o h s ) i sa b o u t 3 3 i ng e n e r a l ，t h e1i n e a rv e l o c i t yo fc mi sm i n i m a ld u r i n gb h sa n d m a x i m a ld u r i n go h s h o w e v e rt h eli n e a rv e l o c i t yo f f o o tw a sm i n i m a l d u r i n go h sa n dm a x i m a ld u r i n gb h s d u r i n gt h ee x e r c i s e ，c m ，e a c ha n k l e a n de a c hs h o u l d e rs h o u l df o l l o wan e a r l yh o r i z o n t a lc i r c u l a rp a t h t h e r e s h o u l db ea na n g l eo fa b o u t1 8 0 。a tt h eh i p s 2 o fa l lt h ei e m go ft h et e s t e dm u s c l e ，b r a c h i a lt r i c e p sm u s c l ei s m a x i m a l ，t h e c u c u l l a r i si s m i n i m a l ，l a t i s s i m u s d o r s ia n d e c t o p e c t o r a lisa r ea lla b o v em u s c u l u so b li q u u se x t e r n u sa b d o m i n is ，t h e le f te c t o p e c t o r a lisisa b o v e t h er ig h to n e 3 f o rc h e n c h e n ，t h er e s u l t so ft h et h r e em e t h o d ss u p p o r te a c ho t h e r d u r i n go n ec i r c l eo fd l c ，t h ef o r c eo fb r a c h i a lt r i c e p sm u s c l ei st h e m a x i m a l ，t h et i m e o fe c t o p e c t o r a l i sa n dm u s c u l u sb i c e p sb r a c h i i t a k i n ge f f e c ta r ea l ll o n g e rt h a no t h e r s ，l e f te c t o p e c t o r a l i sw o r k s l o n g e rt h a nt h er i g h to n e c o n c l u s i o n s ： 1 i ti ss u g g e s t e dt h a tg y m n a s t ss h o u l dh a v eo v e r t i m ed u r i n gb h s c m ， e a c ha n k l ea n de a c hs h o u l d e rs h o u l df o l l o wan e a r l yh o r i z o n t a lc i r c u l a r p a t h t h eh e i g h to fc ms h o u l db ea sh i g h e ra sb e t t e r t h e r es h o u l db e a na n g l eo fa b o u t1 8 0 。a tt h eh i p s 第1 v 页 南京体育学院硕士学位论文 2 b r a c h i a lt r i c e p sm u s c l e ，d e l t o i d ，e c t o p e c t o r a l i s ，l a t i s s i m u sd o r s i a n dm u s c u l u sb i c e p sb r a c h i ip l a ya ni m p o r t a n tr o l ei nd l c t h e ya l l s h o wc l e a rr h y t h m i c i t y l e f te c t o p e c t o r a l i sw o r k sm u c hm o r et h a nt h e r i g h to n e 3 d u r i n gd l c ，l a t i s s i m u sd o r s ii st h em a i nm o t i o nm u s c l e m u s c u l u s b i c e p sb r a c h i iw o r k sw i t hb r a c h i a lt r i c e p sm u s c l et os u p p o r tt h et o r s o w h i l ee c t o p e c t o r a l i si sf a s t e n i n gt h et o r s o d e l t o i df i x e st h es h o u l d e r j o i n t k e y w o r d s ：d o u b l el e gc i r c l e so nt h ep o m m e lh o r s e ，t h r e e d i m e n s i o n a l h i g h s p e e dp h o t o g r a p h ya n df i l ms t u d y ，s y n c h r o n o u ss e m g ，d y n a m i cm o d e l o fm u l t i b o d ys y s t e m s 第v 页 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：本人所呈交鞍马全旋动作的运动生物力学研究是本人 在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内 容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明并致谢。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：苏杨 导师签名： 硕士学位论文版权使用授权书 膨墨 本人完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校对本人递交 的学位论文鞍马全旋动作的运动生物力学研究保留并向国家有关部门或机 构送交论文的复印件和电子版，允许在校内和与学校有协议的部门公布论文并 被查阅和借阅。 本人授权南京体育学院可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文作者签名： 敖杉 签字e l 期：泌弼年厂月眵日 e 罗 乃记 孔 纩崎 月 一圣 刚 九坼 净 (p 吣 砖妒 加 名 朗 獬 醐 币 艺 师 字 导 签 南京体育学院硕士学位论文 第一部分前言 1 研究背景 目前，实施2 0 0 8 年奥运战略已进入到计时阶段，体操作为我国传统优势项目担负着 为我国争金夺银的重任。结合最近几次奥运会体操队运动员成绩，我们可以看出这些运动 员在鞍马项目上具有冲击金牌的希望，但相对其他项目较为薄弱，存在动作创新少，难度 不高，在大赛中容易出现过度紧张，导致更多的失误等问题。 随着体操技术的迅速发展，鞍马的新颖动作也层出不穷。由于各种复杂的单环全旋转 体加纵横向移位等难新动作的出现，对鞍马全旋这一重要技术提出了更高的要求。因此， 从项目特点及趋势来看，为实现2 0 0 8 奥运战略，加强鞍马全旋动作的稳定性是非常必要 的，但是从运动生物力学的角度对体操鞍马全旋动作进行分析和研究比较复杂，所以长 期以来国内外都很少有人问津。 三维影像解析的运动学研究方法已经在各类项目中得到广泛使用。本研究通过对鞍马 全旋动作进行三维影像解析，横向和纵向比较位置、速度、加速度等运动学参数，探究其 运动技术规律性。虽然从这个角度对鞍马全旋动作进行的分析工作无前车之鉴，但必将对 教学训练带来全新的启示。 现代运动生物力学研究技术特征已进入神经肌肉协同控制层面，而观察神经肌肉协同 变化的最佳手段是s e m g 技术，运用肌电图对运动员肌肉状态指标的评定可以对运动训练 起指导作用，技术也日益成熟。但一般研究都着重通过肌电图评价运动性疲劳，对判断运 动过程中相应肌群的同步发力很少有人涉及。本研究试图通过同步记录鞍马全旋运动过程 中某些肌肉( 如背阔肌等) 的肌电情况，初步探究运动过程中肌电的变化规律，从而更好 的掌握发力时机，同时也为进一步建立人体多体动力学模型做准备。因此，对鞍马全旋过 程中运用s e m g 技术探究肌群同步发力趋势是创新且必要的。 多体系统动力学理论的不断发展i 为复杂系统的机构设计、分析，以及优化提供了有 力支持，也为体育运动技术的研究开辟新的途径n ，。随着多体系统动力学理论的发展和计 算机的普及，通过建立多体动力学模型进行人体动态模拟方法越来越多地运用于体操、跳 水等技术性竞技项目的研究和训练实践。本研究以多体动力学数字仿真软件l i f e m o d 为平 台探索性地建立鞍马全旋的多体动力学模型，开展鞍马全旋的计算机模拟研究，力求推广 计算机技术在体育领域的应用。多体动力学数字仿真软件l i f e m o d 非常直观的为我们建立 一个虚拟仿真平台，可以快速的建立人体骨骼肌肉模型。这套仿真技术不仅可以更深入、 更经济、更准确地把握鞍马全旋运动中动力学的问题，而且可以获取肌肉力量等以往任何 其他模型所达不到的层次，将来还可以在计算机上反复模拟，求得最佳参数，从而制定出 准确的技术指标，更加有效地指导训练。显而易见，运用l i f e m o d 对鞍马全旋动作进行仿 真研究是多体系统动力学建模的一次飞跃和创新，具有开创性的意义，该仿真在运动生物 力学研究中有着广阔的应用前景。 综上所述，本研究旨在帮助运动员在训练中扬长克短，加强基础训练，提高鞍马双腿 全旋动作的稳定性，从而为提高鞍马的技术水平奠定基础；并将科研和体育事业紧密结合， 为2 0 0 8 年奥运会再创佳绩做出贡献。 第1 页 南京体育学院硕士学位论文 鞍马全旋动作介绍 鞍马是男子体操六个单项中一个特殊的项目，也是比较难练的一个项目。它对运动员 的身体条件要求高，臂长、身材匀称是必备的条件。它要求运动员在两臂交替支撑中进行 连续而有节律的摆腿和旋转，有动作必须用摆动完成，不能有丝毫的停顿，不允许有力量 动作或静止动作。这种特殊的交替支撑的动作形式，形成了人体运动的明显而恒定的节律。 在成套练习的过程中，不断地按节奏旋转、变换姿势、移动位置，有着轻盈而协调的“狐 步舞”的韵味乜1 。 鞍马动作包括摆腿类和全旋类两部分。全旋类动作是指由并腿或托马斯两大类全旋所 完成的转体、移位及其变化的动作，是衡量成套难度水平的主要标志，也是参与成套动作 质量评价的主要内容口3 。我们通常所说的鞍马全旋就是指全旋类动作中的环上并腿( 双腿) 全旋，简称全旋。评分规则规定，鞍马比赛的主要动作形式是双腿进行的全旋坦1 。 4 0 年代末，双腿全旋已成为练习的主要内容；5 0 年代技术发展较为缓慢，比赛的动 作难度及编排差异不大，究其原因在于全旋的技术是“提臀式 ( 图1 - 1 ) ，幅度小，上下 起伏大，稳定性低，大多以单一难度用全旋连接组成成套，编排变化不大，难度发展也受 到一定的局限，因而比赛成败的关键在于稳定性。具有代表性的是苏联的朱卡林和沙赫林， 他们以娴熟而稳定的成套动作在整整十年中相继获得历次大赛的鞍马冠军。 速力鞫 图1 - 1 “提臀式”正面及侧面图 1 9 6 2 年，南斯拉夫著名运动员切拉尔首次采用了“伞形 ( 图卜2 ) 全旋技术并沿用 至今。 兮彳彳 图1 - 2“伞形全旋”正面及侧面图 这是鞍马技术发展的一次关键性革命，它导致鞍马基本技术全面更新和开拓，例如单 环技术的更新及纵向移位和“打滚技术”的开拓，并为现代鞍马在多部位及连接复杂多变 方向发展奠定了基础。伞形全旋整个动作过程身躯直、支撑高、幅度大、韵律好，轻盈、 飘稳，其主要技术特点是：以肩为轴，转圈如伞，夹紧出胸，远离支点，身体伸直，动作 舒展口，。此动作要求运动员不仅要有较强的支撑能力和腰腹控制力，还需要高度的准确性、 节奏性和身体动态平衡的能力，所以极易失误。其动作要领( 图卜3 ) ： 第2 页 南京体育学院硕士学位论文 氐一刊兹! 刎礁r 怂汰 飞敞：芷7 飞热三，谣弘缛飞匦锈陬2 旷餮蕊妪鲚蒜遗澄r 89 1 01 5 图1 - 3 “伞形全旋 俯视分解图 ( 1 ) 图卜3 中，正撑、向右和向前绕越时，髋关节充分伸开，身体尽量伸直，在鞍 环后方约2 0 度就要作侧伸动作，这时重心应在左臂上( 见图1 - 3 中5 ) 。 ( 2 ) 图卜3 中第2 - 3 左手迅速沿右侧大腿抓鞍环，重心在两臂之间，臀部前送，脚 尽量在马背水平面以上，这时两臂支撑时间最长，两臂夹紧，出胸。 ( 3 ) 图卜3 中第4 - 5 出腿时右肩向右倒，重心在右支撑臂上，腿向左侧伸，髋关节 仍然伸直并向左顶开( 见图1 - 3 中1 5 ) 。 ( 4 ) 图1 3 中第6 左手迅速抓鞍环，髋关节向内转，腿向后甩，成正撑部位时，肩 略前倾，两大臂夹紧，出胸，重心控制在两手上，髋关节伸直，脚尽量在马背水平面以上。 ( 5 ) 速度均匀，脚的移动轨迹应在马背水平面上。 可见，全旋动作主要是支撑身体上下两部分向相反的方向相互移动，腿和肩带在水平 面上做圆周运动，重心高，身体伸直，全旋的质量就高。全旋动作的质量和稳定性在很大 程度上取决于重心变化的稳定性，重心轨迹的变化又与单臂支撑和双臂支撑时间长短的对 比及旋转速度的快慢有密切联系：尽量缩短单臂支撑时间，加快全旋速度，重心就高，反 之，全旋质量就差。 全旋是鞍马练习中最基本的难度动作之一，它是提高鞍马技术水平的一个非常重要的 基本动作，做不好正确的全旋就学不会或难以继续发展各种单环转体、移位等更难的动作， 使鞍马成为一个落后的项目而影响全能的水平 。 鞍马中大部分高难度动作都是在全旋的基础上逐渐发展和变化起来的，也是一般水平 的运动员在做两个难度动作之间的一个必要连接动作嘲。近年来，由于鞍马技术的迅速发 展，马头“打滚”3 6 0 度的全旋内转技术、托马斯全旋打滚等的问世使鞍马项目向立体化 方向发展，成套动作朝着难度加大、变化多样、全套加长、编排新颖的方向发展。在成套 练习中，如果发生重心不稳的现象，也往往用全旋加以缓冲或调整，以避免失败。可见， 环上双腿全旋( 伞形全旋) 是鞍马中最重要的基本动作，它的掌握程度和完成质量将直接 影响运动员在此项目上的发展前途。因此，从运动生物力学角度探究全旋的技术规律和特 点是非常必要的。 鞍马的运动生物力学研究 “运动生物力学”虽然在所有运动科学研究中起步较晚，却是发展极迅速的一门学科。 第3 页 南京体育学院硕士学位论文 其研究范畴相当的广泛、深入，尤其在体育动作技术诊断分析方面一直都处于举足轻重的 地位，也相对日趋成熟。鞍马全旋动作的运动生物力学技术分析属于体育动作技术诊断范 畴，从运动生物力学的角度对体操鞍马全旋动作进行分析和研究比较复杂，所以长期以来 国内外都很少有人问津。 陈坚老师对体操男子鞍马环上全旋教学进行新探讨，从运动员身体素质的差异分别引 导，寻找全旋感觉，能快速进入状态和快速掌握要领，克服鞍马训练中常见错误及恐惧心 理，经短期训练便可达到显著效果h ，；朱文元老师曾谈到肖钦鞍马的基础训练。；王常青 等现场观察2 0 0 5 年全国少年体操比赛李宁杯，并对鞍马项目规定动作完成情况进行 了简单的数理统计分析和研究，指出运动员在完成动作中存在的问题和不足，对规定动作 的再制定提出意见建议，为新一轮全国少年儿童体操比赛规定动作的出台提供参考哺1 ； 韩华等依据第2 8 届奥运会体操比赛实况录像及2 0 0 5 年国际男子体操新评分规则变化的相 关信息，采用调研访问法、录像统计法和文献资料法，系统分析了世界男子鞍马成套加分 动作结构编排的特征及发展趋向，结果标明：采用纵向移位动作为主体，以多个高难动作 的直接连接构成加分为主干，并结合d 组难度的下法，是鞍马成套动作结构编排的主要特 征，使用“d + e ”难度以上的多个动作“直接”和发展新“f l o p s 规则”内容的单环高难 度动作，将是未来比赛中鞍马成套加分动作竞争的新内容口1 。上述文献着重于鞍马基本教 学训练或动作编排上的阐述和分析，真正从运动生物力学角度深入研究鞍马项目动作技术 规律的凤毛鳞角。 蔡亨利用两部6 0 h z 的摄影机记录1 3 位国小男子体操选手在两种不同鞍马辅助器材上 的动作表现，然后依据实验所得资料，以t 检验来检测两种辅助器材所表现的全旋动作差 异。旨在探讨和分析短木马与小香菇两种鞍马辅助器材，哪种能表现出最佳的鞍马全旋动 作。研究结果显示在两种鞍马辅助器材上的全旋表现，在裁判评分重点中的“大”、“稳” 与“总平均扣分”等项都有显著差异；另外在运动学方面，全旋时踝关节的平均高度、踝 关节高度的高低差、作用时间与活动范围都具有显著差异。本研究发现在两种不同辅助器 材上表现全旋动作时，小香菇能表现出较佳的鞍马全旋动作隅1 。 上海交通大学刘延柱教授在对鞍马全旋的动力学研究中，开创性的从经典力学观点出 发讨论人体在鞍马上的全旋运动，发现理想化的全旋运动要求人体以不变的章动角作匀速 进动，同时绕纵轴朝相反方向自旋，以保证在运动过程中始终面向前方。进而规定一种带 特殊完整约束条件的刚体规则进动作为这种运动的理想模式，并利用人体的多刚体模型分 析鞍马的直体全旋及托马斯全旋的运动规律，导出肩关节支撑力及肌肉控制力矩的计算公 式9 1 。 国外也有一些学者对鞍马全旋的相关方面作过研究。w e i n e r ，b a r r y 在“鞍马的相关问 题”一文中主要探讨了f i g 修订的鞍马评分规则，未涉及该项目的生物力学技术分析h 们。 k a r a c s o n y ，i 试图证明运动员要想在鞍马项目上取得出色的成绩，首先必须练就技术完备 动作飘逸优美的鞍马全旋动作n 。d el e v a ，p 鞍马全旋运动看成是躯干和下肢进行的复合 圆锥摆运动n 引。gg r a s s i 等研究小香菇辅助器械上的鞍马全旋运动，指出踝关节轨迹投影 到水平面上理论上是圆，但实际基本是椭圆；髋关节角度应该基本接近1 8 0 度，肩关节运 动幅度应尽量小，且最好只在额状面有运动n3 i 。日本的f u j i h a r at o s h i y u k i 等对鞍马全 旋运动技术进行了运动学分析，认为鞍马全旋运动可以看成是人体质心的旋转运动及人体 围绕质心旋转的运动，足速度在双臂支撑阶段和单臂支撑阶段不同，运动过程终身体侧屈 的程度值得关注n 蚰。 第4 页 南京体育学院硕士学位论文 本文研究的主要内容 本文首先通过对鞍马全旋动作进行三维影像解析探究其运动技术规律性，并初步探索 建立合理的多体动力学模型，开展鞍马全旋的计算机模拟研究，为多体系统动力学计算机 模拟方法在体操技术研究中的应用探索新途径。本文的工作重点在于： ( 1 ) 用多台高速摄影机拍摄体操运动员的鞍马全旋动作，进行三维影片解析分析，获得 运动员运动过程中相关运动学参数数据。通过横向和纵向比较，探究鞍马全旋动作的运动 技术规律。 ( 2 ) 选取部分运动员，同步记录其鞍马全旋过程中某些肌肉( 如背阔肌等) 的肌电情况， 初步探究运动过程中肌电的变化规律，从而更好的掌握发力时机，同时也为进一步建立人 体多体动力学模型做准备。 ( 3 ) 应用多体系统动力学仿真软件l i f e m o d 建立鞍马全旋的动力学模型。随着多体系统 动力学的发展和计算机的普及，人体动态模型方法越来越多地运用于体操训练实践。影像 解析方法对体操动作技术进行研究时，一般只能对已经出现的动作来进行技术分析、研究 和诊断，而采用多体动力学计算机模拟方法，可获得相应的动力学数据，结合三维影像解 析及肌电数据使得技术诊断更加精确。 第二部分鞍马全旋的三维影像解析 1 、文献综述 鞍马全旋是鞍马练习中最基本的难度动作之一，鞍马中大部分高难度成套动作都是在 全旋的基础上逐渐发展和变化起来的。该动作的使用率很高，虽然得分率和使用率并非正 比关系，但作为基础动作鞍马全旋的生物力学规律尚未完全清楚，这说明鞍马全旋在教学 和训练中仍然存在较多需要研究和探讨的问题。基于这一现状，我们采用高速摄影与三维 影像解析的方法对鞍马全旋进行量化分析，以期对其动作的特点和运动学规律进行研究， 为鞍马全旋动作科学化训练提供理论依据。 我们采用的运动学数据采集方法是用两台摄像机定点拍摄记录运动员的动作过程，通 过录像解析，进行运动学参量计算：包括关节点、角度和质心的位移，时间，速度，加速 度等基本运动学量。 关于采用三维影像解析方法对体操动作进行研究，已有不少学者做过大量工作。王向 东等对程菲跳马踺子后手翻直体后空翻转体9 0 0 。进行运动学分析，首先用两台日本产j v c 9 8 0 0 型摄像机拍摄了程菲两次跳马踺子后手翻直体后空翻转体9 0 0 。动作的全过程，两机 主光轴对准跳马，夹角为8 0 。，拍摄速度为5 0f p s ，拍摄动作前先拍摄框架，移开三维 框架后在运动员做动作时进行两机定点同步摄像；对拍摄到的三维原始材料，通过美国 a r i l 运动生物力学三维高速解析系统，采用系统人体模型，2 1 个关节点，2 5 个环节控 制点，解析了两套1 0 0 多幅画面，获得1 2 0 0 0 多个数据，用数字滤波法进行平滑，截断 频率为6 ，然后根据研究内容的需要采集了身体重心轨迹、水平速度、垂直速度及各关节 角度等数据，揭示女子跳马世界冠军程菲完成的踺子后手翻直体后空翻转体9 0 0 。的运动 第5 页 南京体育学院硕士学位论文 学规律及技术特点n 钉。运用同样的方法张贞等对王恬恬跳马踺子后手翻直体后空翻转体 7 2 0 。进行了运动学分析u 引。 郑玉霞等对黄旭跳马踺子跳转1 8 0 。接前手翻直体前空翻转体1 8 0 。动作进行运动学 分析，主要采用运动生物力学三维摄像解析方法进行取材和分析研究。现场用两台带内时 标定的摄像机，拍摄场频每秒5 0 幅，两机主光轴互成7 0 。，对准动作平面中段，比例尺 的设置方法采用了辐射式三维定点框架，录制三维坐标框架后，进行同步定点拍摄黄旭跳 马踺子跳转1 8 0 。接前手翻直体前空翻转体1 8 0 。动作，共拍摄4 次完整动作，其中选取 了2 次完成较好的动作进行了解析。然后运用爱捷运动图像测量分析系统对三维录像进行 解析，用扎齐奥尔斯基模型( 1 6 环节，2 3 个关节点数) 解析了2 套2 5 6 幅画面，输出了2 万2 千多个数据，获得了动作过程空间点坐标、速度、角度参数和重心轨迹图，重点分析 踺子上板踏跳、第一腾空、推手、第二腾空技术四个部分的运动学规律。 王树金运用同样的方法对黑龙江省体工队青年男篮和哈尔滨体育学院的上步纵跳的起 跳动作进行研究分析，结果表明：运动员膝关节的缓冲能力、踝关节的蹬伸能力及髋、膝、 踝关节合理的用力顺序与上步纵跳成绩关系密切u 副。 宋雅伟等运用高速摄影机s o n yp c 3 3 0 拍摄了江苏运动员刘鼎赫直体特卡切夫腾越动 作，并运用a r i e l 运动分析软件从运动生物力学的角度对其各个技术环节进行分析研究， 找出了各个动作技术环节的关键因素，给运动员训练提供了一定的参考n 引。 李兆进等以参加2 0 0 4 年“菲普莱全国田径大奖赛系列赛( 南京站) 的部分优秀女 子跳远运动员为研究对象，采用文献资料、影片拍摄解析、数理统计和对比分析等研究方 法，除对我国女子跳远运动员助跑最后两步以及起跳时段中的传统指标进行分析外，还引 入了近几年新运用的蹬伸时间指数、水平速度转化率、起蹬夹角等运动学指标，对我国部 分优秀女子跳远运动员助跑最后两步及起跳技术的有关运动学特征进行研究瞄们。 可见，这套运动学数据的获取方法是目前进行运动生物力学分析先进的一种取材方法， 具有精确性、可靠性和科学性的特点，在各类项目的研究中已经趋于成熟完善，应用于鞍 马全旋动作的研究是完全可行的。我们期望通过此方法获取鞍马全旋中相关运动学技术参 数，比如重心轨迹、肩角变化等。 2 、研究对象 表2 1 受试者基本情况 第6 页 南京体育学院硕士学位论文 表2 - 22 0 0 7 年全国体操锦标赛单项决赛成绩表 肖钦有“鞍马王子”的美誉，其动作幅度大、起点高、姿态美，轻灵高飘无人能及。 他不仅在2 0 0 6 年世界杯根特和上海站比赛中获得了冠军，而且在连续三届世界锦标赛上 ( 2 0 0 5 年、2 0 0 6 年及2 0 0 7 年) 以绝对优势获得了这个项目的世界冠军。本次选取的是肖 钦参加2 0 0 7 年全国体操锦标赛单项决赛的影像资料( 成绩见表2 2 ) 。他在资格赛、团体 决赛和单项决赛中次次成功，均获得了1 6 3 分的最高分( b 组裁判员仅扣0 3 分) 。 由此可见，无论是成套动作的难度、编排，还是完成动作的质量和规格，肖钦在鞍马 项目上堪称世界第一，被f i g 称为“教科书”是当之无愧的，他的动作技术已经成为该项 目中无形的标准。 3 、研究设备 两台日本产的j v c - d v l 9 8 0 0 数码摄相机，a r i e l 公司的a p a s 系统( 美国) ，三维d l t 辐射框架。 4 、研究方法 用两台日本产j v c9 8 0 0 型摄像机在比赛现场拍摄运动员鞍马全旋动作的全过程，两 机主光轴对准鞍马，夹角为9 0 。，一台正面一台侧面形成三维拍摄，见图1 7 ，拍摄速度 为每秒5 0 幅，拍摄动作前先拍摄框架，然后移开三维框架在运动员做动作时进行两机定 点同步摄像。 图2 1 三维拍摄现场俯视图 第7 页 南京体育学院硕士学位论文 对拍摄到的三维原始图像，通过美国a r i l 运动生物力学高速解析系统，采用系统人 体模型，2 1 个关节点，2 5 个环节控制点，解析了多幅画面，获得1 20 0 0 多个数据，用 数字滤波法进行平滑，截断频率为6 ，解析系统流程见图2 - 2 。然后根据研究内容的需要 采集了身体重心轨迹、双足速度及特殊位置肩角度等运动学数据。 a p a ss y s t e m + 打印卜 豫n 心伍r 图像采集器 j v c9 8 0 0 高速摄像机 + 刻录机卜 d i g i t i z e 图片解析 j v c9 8 0 0 高速摄像机 d i s p l a y 计算结果i 图2 2 本研究a r i l 运动生物学高速解析系统图 结果讨论与分析 5 1 鞍马全旋动作的结构与运动阶段的划分 体操运动员在鞍马上的全旋运动具有经典力学中刚体规则进动的特点。将人体纵轴相 对垂直轴的倾角定义为章动角，纵轴绕垂直轴的转角以及人体绕纵轴的转角分别定义为进 动角及自旋角。理想化的鞍马全旋运动要求人体以不变的章动角做匀速进动，同时绕纵轴 朝相反方向自旋，以保证运动员在运动过程中始终面向前方，。其主要技术特点是：以肩 为轴，转圈如伞，夹紧出胸，远离支点，身体伸直，动作舒展1 。为了便于分析鞍马全旋 运动的运动学特征，我们根据双臂或单臂支撑将鞍马全旋一周动作过程分为4 个阶段( 见 图1 3 ) ：t 1 动作阶段( 从图中第1 9 正撑到图中第5 右手脱离右马环) ，此阶段简称双臂 正撑阶段，重心逐渐转移到左臂上；t 2 动作阶段( 从图中第5 到图中第l o 右手再次握住 右马环成反撑) ，此阶段简称单臂( 左臂) 支撑阶段；t 3 动作阶段( 从图中第1 0 到第1 5 左手脱离左马环) ，此阶段简称双臂反撑阶段，重心逐渐转移到右臂上；t 4 动作阶段( 从 图中第1 5 到第1 9 左手再次握住左马环成正撑) ，此阶段简称单臂( 右臂) 支撑阶段。即 整个动作过程可以简单概括为：双臂正撑阶段单臂( 左臂) 支撑阶段双臂反撑阶 段单臂( 右臂) 支撑阶段。同时取5 个特殊位置：图中第1 为正撑位置p i ( 6 点位置) ， 图中第6 为右马侧位置p 2 ( 3 点位置) ，图中第1 2 为反撑位置p 3 ( 1 2 点位置) ，图中第1 7 为左马侧位置p 4 ( 9 点位置) ，图中第2 2 为再次正撑位置p 5 ( 6 点位置) 。 5 2 鞍马全旋一周4 个阶段耗时分析 第8 页 南京体育学院硕士学位论文 c j l 长 q h 各 阶 段 耗 时 ，一、 巴 双胃正支撑阶段单臂( 芹臀) 支双臂反爻撵阿r 段单臀( 右臀) 夏 撑阶段撑阶段 图2 - 1 全旋一周每个阶段的平均耗时( s ) 不同运动员鞍马全旋一周各阶段耗用的时间是不一样的，但各阶段平均耗时存在一定 规律。由图2 - 1 中，我们可以看出：在上面我们定义的全旋一周中，t 1 阶段平均耗时0 1 6 s ， t 2 和t 4 阶段平均耗时都是0 3 3 s ，t 3 阶段平均耗时0 1 7 s 。双臂支撑阶段平均耗时明显 少于单臂支撑阶段。 第9 页 南京体育学院硕学位论文 陆斌垒旋用并阶段的时问分m 比# 4 饼旧 阶段 t i 阶段 - t 2 阶段 口川# f 。l 图22 陆斌全旋一周各阶段的时问分配比例饼图 由图22 看山：运动员全旋一周的各阶段的时| 1 j 分配比列中，t 1 和t 3 阶段均为双手 支撑阶段，所i 与比例接近；t 2 和1 4 阶段均为单手点撑阶段，所占比例接近。 袁22 运动员全旋一埘各阶段时间分配百分比 m 】0 页 南京体育学院硕士学位论文 q ) c 九 a r n h 时 间 百 分 比 图2 - 3 运动员全旋一周各阶段时间分配百分比图 图2 - 3 表明，t 1 阶段( 双臂正撑阶段) 、t 3 阶段( 双臂反撑阶段) 耗时平均占一周总 耗时的1 6 和1 7 ，t 2 阶段( 左臂支撑阶段) 和t 4 阶段( 右臂支撑阶段) 耗时都平均占一 周总耗时的3 3 。显然，双手支撑阶段耗时所占比例基本一致，单臂支撑阶段耗时所占比 例基本一致，且前者所占比例明显少于后者，推断单臂支撑阶段主要靠人体惯性继续转动。 同时从表2 1 中可见，肖钦在t 3 阶段耗时明显比其它人多，说明延长双手支撑阶段 以增加发力时间是良好技术的重要方面。另外，我们从表2 - 2 各阶段时间分配百分比的变 异系数中也可以看出，变异系数在双臂支撑阶段较大，即t 1 和t 3 阶段耗时的离散程度较 大，这表明各人发力程度不同导致耗时个人差异较大；而变异系数在单臂支撑阶段相对较 小，即t 2 和t 4 阶段耗时的离散程度较小，原因在于这两个阶段主要靠惯性运动，所以差 异不显著。 5 3 鞍马全旋一周肩轨迹平面投影分析 么一! l 图2 4 陆斌全旋一周左肩和右肩的轨迹图 第l l 页 从图2 - 4 中可以推测：在鞍马全旋一周后，运动员左( 右) 肩的轨迹投影到水平面， 形成类似椭圆的曲线。椭圆在冠状轴方向上的直径x 、在矢状轴方向上的直径y ，较长的 为椭圆的长轴，较短的为椭圆的短轴，而肩上下运动在垂直轴方向的幅度为z 。椭圆面积 s = ( i - 1 4 ) x y 。见下表： 表2 3 运动员全旋一周左肩轨迹投影分析 表2 4 运动员全旋一周右肩轨迹投影分析 从表2 - 3 和表2 - 4 明显看出：不管是左肩还是右肩的s ，肖钦的投影面积远远大于其 它人，且x ，y ，z 参数均左右较对称，说明其肩的运动幅度大且对称运动，而俞嗣阳和鲁 晨玺肩的投影面积较小，说明其肩运动幅度过小，导致在影片上看来动作姿态较差，动作 完成质量不高。 另外与其它运动员不同的是，俞和鲁y 最小值不是在反撑时达最小，是在反撑前( 刚 过3 点或快到9 点的位置) 就达最小值，说明重心偏低，人不够飘，且在马反面时人没撑 起来，臀部靠马过近，这也是导致动作完成较差的重要因素。 通过三维影像解析曲线发现，一般运动员z 最大值出现在马侧位置时，如右手撑马， 第1 2 页 则在左马侧位置左肩z 达最大值。 5 4 鞍马全旋一周足轨迹平面投影分析 图2 - 5陆斌全旋一周足轨迹图 全旋一周后，足的轨迹基本如图2 5 中所示，将其投影到水平面( 即x y 平面) 接近 椭圆曲线，与gg r a s s i 等研究的结果一致 1 3 】。见表2 5 ： 表2 5足轨迹投影参数分析( m ) 从表2 - 5 看出：肖钦的x - y 值为0 0 1 m ，说明其足轨迹投影到水平面形成的椭圆基本 接近圆形，而动作质量较差的俞嗣阳、鲁晨玺长短轴分别相差0 1 7 和0 1 9 ，特别是后者 虽然长轴x 达本组最大2 0 3 m 但毫无帮助。进一步证明了在鞍马全旋中足轨迹投影到水平 面的曲线越接近圆，动作技术水平越高，这是影像动作好坏的重要因素。 第1 3 页 南京体育学院硕士学位论文 冰 u c 乃 足轨迹投影x 方向直径足轨迹投影y 方向直径足轨迹投影z 方向直径 ( 左右)( 前后)( 上下幅度) 图2 - 6 全旋一周足轨迹在各方向投影的平均直径 从图2 6 看出：全旋一周，足轨迹投影到x y 平面近似一椭圆曲线，x 方向的平均直径 为1 8 7 ，投影到y 方向的平均直径为1 7 9 ，即椭圆的长轴长1 8 7 ，短轴长1 7 9 ，其离心 率e = a c 为3 3 0 4 。而这两个方向的变异系数都较小，说明各运动员在x 和y 方向的运动 幅度差异较小，但z 方向的变异系数相对较大，说明上下运动的幅度差异大。 表2 - 6 足轨迹投影在全局坐标3 个方向上的平均直径相关性 第1 4 页 南京体育学院硕士学位论文 水术在0 o l 水平( 双侧) 上显著相关。 表2 - 6 显示足轨迹投影在x 方向上的平均直径和y 方向上的平均直径显著相关，说明长 短轴之间相互影响，我们可以对x 和y 进行回归分析。 表2 7 足轨迹投影x 方向平均直径( 长轴) 与y 方向平均直径( 短轴) 的回归分析表 因变量：足轨迹投影y 方向直径( 前后) 自变量：足轨迹投影x 方向直径( 左右) 。 足轨 迹投 影y 方向 直径 ( 前 后) 足轨迹投影x 方向直径( 左右) 图2 - 7足投影x y 方向直径的拟合曲线图 在表2 7 中，我们对x 和y 进行分别进行了线性、二次方程和三次方程的拟合，其中r 方 表示相关系数的平方，r 方越大，则模型越优。上面给出的结果中r 方相差不大，即三种方 式拟合的效果都很好。相对而言，立方函数( 即三次拟合方程) 的曲线拟合最好，r 方= o 5 2 3 。 因此，我们也可以用拟合三次方程y = - o 4 5 4 + 1 4 0 6 x - 0 0 5 9 x 3 作为x