（运动人体科学专业论文）轮椅竞速“蝴蝶”技术的力学及肌电特征研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 目的：研究和剖析“蝴蝶”技术的动作结构特征，探讨头部及上肢各关节运动特征 对轮椅前进速度的影响，上肢及躯干各主要肌群在一个轮椅推动周期内的施力及做功情 况。通过生物力学的研究方法及手段致力于阐明轮椅竞速这一人机结合的运动项目特 征，为“蝴蝶”技术的科学训练及预防腕管综合症提供一定的理论依据。 方法：采用高速摄像结合实时肌电对国家轮椅竞速队现役的6 名男运动员和4 名女 运动员进行跟踪定点测试。利用韩国产k w o n 3 d 运动解析系统做高速摄像运动解析求得 主要环节的运动学参数；采用芬兰产m e g a w i n 6 0 0 0 肌电仪和m e g a w i n2 3 a 1 2 做实时肌 电测试及肌电分析，得知各被测肌群的各项肌电数据值，然后结合环节受力分析法进行 进一步解析；各项运动学及肌电数值均采用s p s s l 5 0 做统计学分析。 结论：( 1 ) 推轮阶段上肢三个主要关节的平均合速度大小依次是肘关节、肩关节 和腕关节；回复阶段速度由大到小依次是腕关节、肘关节和肩关节； ( 2 ) b i v a r i a t e c o r r e l a t i o n s 相关分析得知，在推轮阶段矢状面正向上头部加速度与轮椅中心加速度呈 高度相关，与肩关节呈显著相关，而与肘关节及腕关节则分别呈微弱相关和低度相关关 系；而在回复阶段矢状面正向上头部加速度与肩关节、肘关节及腕关节加速度均呈微弱 相关，且头部加速度与肩关节、肘关节加速度呈负相关。( 3 ) 偏相关分析得知，在推 轮阶段肘关节矢状面正向速度与轮椅速度成高度相关；而在回复阶段上肢运动链上各关 节速度均与轮椅速度呈完全线性相关。( 4 ) e m g 结合环节受力分析知，就完成一个推轮 周期过程中各主要环节的受力而言，小肌肉群桡侧腕伸肌和桡侧腕屈肌作为原动肌所起 的作用最为显著；而就单个被测肌群对总i e m g 的贡献率而言，肱三头肌和肱二头肌是 整个动作过程中的主要发力肌群。( 5 ) 在理论力学方面，影响轮椅前进速度的因素主 要有推力、手施加于轮缘上的力矩、轮椅力学、滚动摩擦力、空气阻力、内部摩擦力等。 综上所述，针对轮椅竞速的特点，教练员及运动员在日常训练中可适当地多安排针 对肱二头肌、肱三头肌、桡侧腕伸肌和桡侧腕屈肌群的专项耐力练习，提高肌群的专项 耐力水平，此外还应该加强各关节肌群的柔韧训练及在动态平衡下的力量训练。除有针 对性的训练外，科研人员应采用先进的仿真手段，使竞速轮椅更加人性化。 关键词：轮椅竞速； “蝴蝶”技术；运动生物力学；e m g ；s p s s l 5 0 轮椅竞速“蝴蝶”技术的力学及肌电特征研究 a s t u d y o nb i o m e c h a n i c sa n de m gc h a r a c t e ro ft h er a c i n gw h e e l c h a i r ”b u t t e r f l y t e c h n i q u e a b s t r a c t o b j e e t i v e s ：n l ep a p e rw a n tt or e s e a r c ha n da n a l y s i so nt l l em o v e m e n ts t r u c t u r a lf e a t u r e s o f ”b u t t e r f l y ”t e c h n i q u e ，a n dt os t u d yo i lt h em o t i o nc h a r a c t e r so ft h eh e a da n dt h ee v e r yj o i n t s o ft h eu p p e rl i m bh o wt oe f f e c to nt h es p e e do ft h ew h e e l c h a i r ，a n dt os t u d yo nt h ee x e r t i n g f o r c ea n dd o i n gw o r ko ft h em a i nm u s c l e so ft h eu p p e rl i m ba n dt h et r u c kd u r i n gap u s h i n g c y c l e n 聃u 吐b i o m c c h a n i c sm e t h o d st oe l u c i d a t er a c i n gw h e e l c h a i rc h a r a c t e r sw h i c ht h e m a n - m a c h i n ei n t e g r a t i o n ，a n dt op r o v i d et h ec e r t a i nt h e o r e t i c a lb a s i sf o rs c i e n t i f i ct r a i n i n go f t h e ”b u t t e r f l y ”t e c h n i q u ea n dp r e v e n tc a r p a lc a n a ls y n d r o m e m e t h o d s ：b yu s i n gh i 曲s p e e dc a m e r aa n dr e a l - t i m ee m g t of i x e dp o i n tt r a c k i n gt e s t f o rs i xm a na t h l e t e sa n df o u rw o m a na t h l e t e so ft h en a t i o n a lt e a m b a s e do nt h ek w o n 3 d m o t i o na n a l y s i ss y s t e mt h a tm a d ei nk o r e a nt oa n a l y s i st h ei m a g e sa n do b t a i n e dt h e k i n e m a t i cp a r a m e t e r so ft h em a i ns e g m e n t s c o l l e c t i n ga n da n a l y s i st h ee m ga r eu s e d m e g a w i n 6 0 0 0i n s t r u m e n ta n dm e g a w i n2 3 a 12s o f t w a r ew h i c ha l lm a d ei nf i n l a n d a n d e m gc o m b i n e dw i t hs e g m e n tf o r c ea n a l y s i st od e s c r i b e dd e t a i l e d l y t h ed a t ao ft h ek i n e m a t i c a n de m gu s e ds p s s15 0t od os t a t i s t i c sa n a l y s i s c o n c l u s i o n s ：( 1 ) i nt h es h o v ep h a s e ，t h es p e e do r d e rf r o mf a s t t os l o wa r ee l b o w j o i n t , s h o u l d e rj o i n ta n dw r i s t ；a n dt h es p e e do r d e rf r o mf a s tt os l o wa r ew r i s tj o i n t , e l b o wj o i n t a n ds h o u l d e rj o i n ti nt h e g e t r e t u r np h a s e ( 2 ) t h r o u g ht h eb i v a r i a t ec o r r e l a t i o n s ，t h e a c c e l e r a t i o no ft h eb e a da s s u m e dh i 功c o r r e l a t i o nw i t ht h ec e n t e ro ft h eb a c kw h e e l ， s i g n i f i c a n tc o r r e l a t i o n 砸也t h es h o u l d e rj o i n t , aw e a kc o r r e l a t i o nw i t ht h ee l b o wi o i n t ，a n dl o w c o r r e l a t i o nw i t ht h ew r i s tj o i n ti nt h ep o s i t i v ed i r e c t i o no fs a g i t t a lp l a n ed u r i n gt h es h o v e p h a s e w h i l et h ea c c e l e r a t i o no ft h eh e a ds h o w e daw e a kc o r r e l a t i o nw i t ht h es h o u l d e rj o i n _ t ， t h ee l b o wj o i n ta n dt h ew r i s t , b u tt h ec o r r e l a t i o nc o e 伍c i e n tw e r en e g a t i v ea m o n gt h e a c c e l e r a t i o no ft h eh e a d ，t h es h o u l d e ri o i n ta n dt h ee l b o wi o i n ti nt h ep o s i t i v ed i r e c t i o no f s a g i t t a lp l a n ed u r i n gt h eg e tr e t u r np h a s e ( 3 ) t h r o u g ht h ep a r t i a lc o r r e l a t i o n s ，i nt h ep o s i t i v e d i r e c t i o no fs a g i t t a lp l a n e ，t h eh i 西c o r r e l a t i o nw a sf o u n di nt h es p e e do ft h ee l b o wj o i n ta n d t h ew h e e l c h a i rd u r i n gt h es h o v ep h a s e ，w h i l et h es p e e do ft h eu p p e rl i m bl i n ka n dt h e w h e e l c h a i rs h o w e dp e r f e c tl i n e a rc o r r e l a t i o ni nt h eg e tr e r l l np h a s e ( 4 ) b yu s i n ge m ga n d s e g m e n tf o r c ea n a l y s i s ，a st h ea n t a g o n i s t i cm u s c l e so ft h ef l e x o rc a r p ir a d i a l i sa n dt h er e d i a l e x t e n s o rc a r p a lm u s c l ei ts h o w e ds i g n i f i c a n ta c t i v i t ya c c o r d i n gt ot h em a i ns e g m e n te f f e c t i i 大连理工大学硕士学位论文 d u r i n gap u s h i n gc y c l e t h et r i c e p sa n dt h eb i c e p sb r a c h i ig i v e st h eg r e a t e s tc o n t r i b u t i o nt o t h et o t a li e m g ，i tw a s r e g a r d 舔m a i ne x e r t i n g f o r c e m u s c l e s ( 5 ) t n t h e o r e t i c a l m e c h a n i c s ，t h e r ee x i t sm a i ni n f l u e n c i n gf 妇r sa sf o l l o w i n g ：t h n 】s tf o r c e s , t h et o r q u ew h i c ht h e h a n di m p o s e so nt h ew h e e l ，t h ew h e e l c h a i rm e c h a n i c s ，t h er o l l i n gf r i c t i o nf o r c e j t h ea i r r e s i s t a n c e t h ei n t e r n a lf r i c t i o nf o r c ea n ds oa 1 1 a i lt h ea n a l y s i ss h o w st h a tt h ea t h l e t e sm a yd os p e c i a l i z e de n d u r a n c et r a i n i n go ft h e t r i c e p s ，t h eb i c e p sb r a e h i i ，t h ef l e x o rc a r p ir a d i a l i sa n dt h er e d i a le x t e n s o rc a r p a lm u s c l et o i m p r o v ee n d u r a n c e1 e v e l sa c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r so ft h em c m gw h e e l c h a i r i da d d i t i o n 、t h e a t h l e t e sm a ys t r e n g t hm u s c l e so ft h ef l e x i b i l i t yt r a i n i n ga n dt h es t r e n g t ht r a i n i n gd u r i n gt h e d y n a m i cb a l a n c ee n v i r o n m e n ta r o u dt h ee v e r yj o i n t b e s i d e ss p e c i a t i z e dt r a i n i n g , t h e o r e t i c a l s c i e n t i f i cr e s e a r c hp e r s o n n e lm a yu s ea d v a n c e ds i m u l a t i o nm e a r l st om a k er a c i n gw h ：h a i r m o r eh u m a n i t y k e yw o r d s ：r a c i n gw h e e l c h a i r ；“b u t t e r f l y “t e c h n i q u e ；b i o m e c h a n i c s ；e m g ；s p s s l 5 0 1 1 1 一 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：轮揸壶蒸：塑蝶：拉本数左堂及盥鱼益挺盈究 作者签名： 一立丝叁 日期： 递z 年互月j 生日 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，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。 学位论文题目：毪揸竟速：蝴堪：拉苤鲍左堂及题电挂堑珏究 作者签名：旌鸯日期： 地2 年互月生日 刀 导师签名：主二丝壬日期：2 芝! 艺年2 月旦日 大连理工大学硕士学位论文 1 引言 1 1 课题的来源 本课题源自2 0 0 8 年中国残疾人联合会体育科研项目。 1 2 立题和选题的范围 轮椅竞速“蝴蝶”技术推动轮椅前行的过程大体可分为两个阶段，即推轮阶段和回 复阶段。本文选取“蝴蝶 技术各个阶段，对其分别进行运动学及肌电特征量化分析评 价，最后列举出若干个影响轮椅前进的重要力学因素。 1 3 本文要解决的问题 通过实验设计及实验所得数据，采用相关分析来探讨“蝴蝶技术之头部及上肢各 关节速度特征对轮椅前进速度的影响，结合理论力学探讨影响轮椅前进速度的主要因 素，并且将积分肌电( i e m g ) 与环节受力分析相结合对各主要做功肌群进行量化分析和 评价，研究和剖析“蝴蝶 技术的动作结构特征。虽然本文研究分析的对象是竞速轮椅 运动员，但是其部分研究结果在针对轮椅运动损伤以及预防方面也值得普通入力轮椅使 用者借鉴。通过本文的论述希望对认识轮椅竞速这一结合人与器械的运动项目特点有所 帮助，为“蝴蝶技术的科学训练及预防腕管综合症提供一定的理论依据。 1 4 文献综述 1 4 1 发展概况 轮椅竟速运动( r a c i n gw h e e l c h a i r ) 是一批由于某种原因，导致其下肢残缺或丧 失其功能的群体借助于轮椅参与竞赛的一种田径运动。其身体的特征导致其运动必须依 靠轮椅，通过上肢的配合使轮椅高速向前推进以取得优异的运动成绩。轮椅竟速隶属于 田径运动中的竞赛运动，是以速度为核心的体能类项目，它对运动员的生理、心理、技 术、身体素质等都有较高的要求。它强调运动员必须有快速的反应能力和爆发力、灵敏 的肩关节运动和极强的肌肉力量n 3 。 轮椅竞速运动是一项古老的竟速比赛。第二次世界大战期间，欧洲战场上的伤残士 兵，自发组织起来进行康复活动，这便是现代残疾人体育运动的雏形。1 9 4 8 年英国斯托 克曼德维尔( s t o k em a n d e v i l l e ) 国立脊髓损伤中心举办了残疾人体育比赛，当时只有 1 6 名坐在轮椅上的伤残士兵参加，此后该运动会每年举行一次。1 9 5 2 年，由于荷兰运动 员的参加，该运动会演变为国际性体育活动。1 9 6 0 年，紧接着夏季奥运会后，来自欧美 2 3 个国家的约4 0 0 名伤残运动员聚集罗马，举办首次世界残疾人运动会。1 9 7 6 年，国际 轮椅竞速“蝴蝶”技术的力学及肌电特征研究 残疾人组织决定，斯托克曼德维尔运动会与世界残疾人运动会合并，在加拿大的多伦 多举办了第一届国际伤残人士奥运会，来自3 8 个国家的1 6 5 7 名残疾人运动员参加了比 赛。1 9 8 8 年，国际奥委会决定：夏季奥运会和残奥会必须在同一城市举行。2 0 0 0 年，国 际奥委会和国际残奥委会签署协议规定：申办奥运会的城市，必须同时申办残奥会；奥 运会后一个月内，在奥运会举办城市的奥运场地举行残疾人奥运会。从1 9 6 0 年至2 0 0 8 年 已举办了1 3 届夏季残奥会和8 届冬季残奥会。 轮椅竟速运动更是残奥会径赛的一个大项。在奥林匹克残疾人体育运动中，轮椅运 动在历史上就居于中心地位。除了田径项目外，代表性的轮椅运动包括网球、篮球和4 人橄榄球圆。轮椅竟速有1 0 0 米、2 0 0 米、4 0 0 米、8 0 0 米、4x1 0 0 米、4x4 0 0 米、1 5 0 0 米以及马拉松等，涉及了所有的短、中、长距离。北京残奥会共设有2 0 个大项，即射 箭、田径、硬地滚球、自行车、马术、5 人制足球、7 人制足球、盲人门球、盲人柔道、 举重、赛艇、帆船、射击、游泳、乒乓球、坐式排球、轮椅击剑、轮椅篮球、轮椅橄榄 球和轮椅网球。北京残奥会上，中国军团在轮椅竞速项目中取得了不俗的战绩，且在男 子八百米轮椅竞速t 5 3 级决赛和女子二百米轮椅竟速t 5 3 级决赛中，中国选手均打破世 界记录，而总奖牌数更是名列榜首。 1 9 6 4 年东京残奥会，轮椅竞速首次成为残奥会比赛项目，男、女选手都可以参加6 0 米竟速比赛。此后，轮椅竟速成为残疾人体育运动中令人振奋的比赛项目，同时也提高 了大众对于轮椅选手的关注。 。 为了使运动员能公平公正地参与比赛，残奥会也随之制定了参赛分级标准。残奥会 田径项目运动员的分级标准分别由国际斯托克曼德维尔轮椅运动委员会( i s m w s f ) 、 国际残疾人体育运动联合会( i s o d ) 、国际脑瘫人体育运动娱乐协会( c p i s r a ) 、国 际盲人体育运动协会( i b s a ) 医学委员会来制定。对运动员参赛最低标准的限制主要从 双上肢和下肢肌力丧失的程度、关节活动范围以及其他方面运动功能障碍等因素考虑， 这个标准适用于脊髓损伤、脑瘫、截肢和其他肢体残疾的运动员。每一残疾类别的运动 员因其功能障碍程度的差异又分为不同的级别，在表述中的符号f 代表田赛，t 代表径 赛，数字代表类别和级别n 3 ，具体分类方式本文将不做详细介绍，如需进一步了解可查 阅北京残奥会项目或登陆北京2 0 0 8 年残奥会官方网站查询。但是残奥会的轮椅竞速 项目有严格的分级制度：按照运动员的运动能力和伤残等级分为t 5 1 、t 5 2 、t 5 3 、t 5 4 四级，其中t 5 4 级运动员是伤残程度最轻的。 在轮椅竞速比赛中，运动员必须使用特制的轮椅在田径跑道上进行比赛，这个特制 的轮椅就是竞速轮椅，竟速轮椅至少必须有两个大轮子和一个小轮子，包括充气轮胎在 大连理工大学硕士学位论文 内大轮子直径最大不得超过7 0 厘米，小轮子直径最大不得超过5 0 厘米，为了使轮椅不易 翻车，竞速轮椅的后两轮必须呈八字形，此外，轮椅椅子的主体距离地面的最大高度不 得超过5 0 厘米。不允许有任何用于驱动轮椅的机械装置或杠杆，只能靠运动员上肢驱动 轮子或转动摇把前进。比赛中轮椅竞速运动员还需佩戴安全头盔、专用手套、风镜等。 发令前，小轮子的最外沿切线不得超过起跑线内沿，到达终点时，以小轮子的轮毂最外 沿切线触及终点线内沿停表。 在轮椅竞速比赛中，与其他级别的脊髓损伤运动员相比，t 5 4 级运动员是伤残程度 最轻的，他们可以运用腰部力量带动上体尤其是手臂动作，因此他们对轮椅驱动轮的作 用力距离是最长的，身体上下起伏的动作幅度也是最大的，作用力距离长，有利于运动 员充分发挥出手臂的力量，身体动作幅度大，使得运动员可以利用身体起伏获得重力加 速度，增加手臂向下驱轮的力量。长作用力距离，大的动作幅度为运动员获得更大的速 度创造了有利条件，这也使得t 5 4 级的比赛显得更加的紧张，激烈，更具观赏性。比赛 中运动员为了最大限度地减小身体正面所受到的空气阻力以最大的速度前进常常会将 头埋到与椅子同样的高度，使得头、胸、腰、臀几乎处于与地面平行的水平面上，在埋 头的同时，为了保证行进方向不偏离规定的赛道，每划行一段距离后，运动员必须抬头 辨识一下方向，确定方向之后再迅速的埋下头继续驱轮前行。比赛中如果不是手轮推动 的推动装置，是不允许参加正式的比赛和运动会的。最初，运动员很大程度自发进行的 设计、改变和提高了轮椅适用性。随后，轮椅制造商承担了这项工作，现在，专门定做 的轮椅在所有的训练中，都能很好的适用于轮椅使用者和轮椅使用的环境。在最近十年 中，研究人员花费了很大的精力研究轮椅扶手和运动技术。最初的研究是主要从机械角 度入手的，集中于材料、耐用性、安全性和轮椅力学等方面。后来，对于人力轮椅推动 的研究直接定位于生理学的指标，最近的研究则已经集中于生物力学方面心，。 现今体育比赛中使用的人力轮椅已由早期1 9 世纪6 0 年代的日常使用的镀铬轮椅，发 展到具有高科技含量的比赛专用轮椅。由于竞技比赛的特殊性，要求竞技轮椅“牢固 且“轻量，所以选择工业纯钛作为竞技轮椅的制作材料。除强度高，部件轻量化外， 还有较好的减振性。轮椅的框架主要是管状结构，使用了t i g 的钛焊管。钛管在氩气气 氛中焊接，可防止氧化和氮化造成的硬化。焊接工艺合适时，焊缝处不必退火。车架结 构框架的焊接也使用t i g 焊接。而且钛在日常生活的腐蚀环境中，对于汗液和洗涤剂的 耐蚀性比铝和不锈钢好得多，接触肌体也不会引起过敏反应。钛的导热率仅有铝的十分 之一，单位热容是不锈钢的一半，所以与肌体接触时易接近体温，没有冷的感觉，作为 福利设施是很合适的3 。 轮椅竟速“蝴蝶”技术的力学及肌电特征研究 随着社会的发展及科学技术的进步，人们开始逐渐将更多关注的目光投向残疾人体 育事业。对于可自主操纵轮椅的残疾人来说，通过体育锻炼可以促进身体健康，增强体 质，提高功能的代偿：可以有效改进机体各器官、各系统的功能，提高机体能力，最大 限度地弥补残疾带给他们的困难3 。通过参加集体比赛和锻炼可以使残疾人走出自己“封 闭式”的小圈子，更好地融入社会，因为体育不单纯是身体活动，也具有社会性，能对 人的心理活动产生多种积极影响，能培养残疾人的进取精神、提高其意志力，且能治疗 残疾人的某些心理疾病，对轮椅使用者回归社会具有重要意义口8 1 。而随着全纳教育理念 在特殊教育领域的确立，融合体育、融合运动将成为残疾人体育的一个发展趋势旧1 。 目前针对具体的体育项目，手动轮椅的生物力学研究主要集中于双手推动模式的周 期运动特性陷1 ，如轮椅运动中所受到的各种阻力( 空气阻力、地面摩擦力等) ，部分研 究涉及到对运动员的一些生理生化指标的监测( 如血红蛋白、血尿素、血睾酮等) 以及 有氧和无氧能力，部分研究人员基于p r o m e c h a n i c a d 对竞速轮椅模型进行有限元分析 来模拟竟速轮椅的应力、应变及形变等。 1 4 2 国外研究概况 国外研究人员采取的手段多种多样，如t m a t s u o 等人利用温度记录器或热成像仪 对轮椅运动员上肢及肩关节肌群进行测试，结果显示前臂和肩关节肌群活动性较高，而 上臂则相对较低n 1 】。通过延长轮椅使用者的推轮时间，研究人员发现在推动过程中肌肉 力学补偿机制可进一步促成肩部肌肉失衡，对造成肩部不适有重要影响u 刳。m f r i c o v a 等通过研究运动员坐姿，得出轮椅手缘推力很大程度上受坐姿影响，且较低、较后坐姿 有着极好的机械效益n 。j o h nw c h o w 等通过研究轮椅竞速运动员在1 0 0 米竞速中的运动 学特征，得出在完成1 0 0 米所用的时间t 和最大速度v 之间存在典型相关，且在1 0 0 米竟 速中运动员喜欢( 或想要) 保持一个相同的拍打节奏u 引。y u - s h e n g y a n g ，a l i c i a i f f k o o n t z 等人则利用肌电测量仪研究后发现，在轮椅推动前期( e a r l yp u s ha n dp r e p u s h ) 腹 部和背部肌群活性显著高于其它推轮阶段，背部肌群活性显著高于腹部肌群u 引。g v i g o 等人利用运动解析系统在研究人力轮椅的推动时发现，腕关节速度与轮椅功效显著相关 1 6 ol a n - y u e ng u o ，f o n g c h i ns u ，k a i - n a na n 通过招募十二名正常男性来推动三种轮 缘直径不等的轮椅，结合三维运动解析系统研究后发现，随着轮缘半径的增大，关节平 移及旋转能力增强，且上肢末端环节的动能、势能及总机械能也随之增加n 。为了使轮 椅推动更加轻松且推力更加有效，s k a l y a n a s u n d a r a m ，a l o w e ，a j w a t t e r s 通过有 限元方法来设计和优化轮椅轮子，结果显示在正切方向上推轮时，轮缘越薄越好h 引。 v u s h e n gy a n g 等人研究发现，在增加推轮时间后，胸大肌群活动性增强且持续时间变 大连理工大学硕士学位论文 长，其原因也许是机体疲劳补偿机制所致，活动性增强的目的是在推轮过程中加强肩关 节平衡及稳定从而预防肩部疼痛的产生9 1 。d j j b r e g m a n ，s v a nd r o n g e l e n 及 h e j v e e g e r 研究发现，为了使轮椅推动更加高效，优化切线推力并不是轮椅推动的训 练目标，而是应重视训练肌肉骨骼系统例。s m k i m 和i c y a n g 等人在计算机上用 a d a m s 结合l i f e m o d 对轮椅进行正面及侧面做模拟受力分析，并对轮椅使用者和轮椅的 风险进行评价，取得了非常有意义的研究结果心。h u g h e s 和v e e g e r 等人也先后对轮椅 推动的运动生物力学做了研究，但都集中在运动学特征研究方面一。s s c h e n k 等人通 过轮椅运动的运动学及动力学数据来评价轮椅机械效能，结果显示轮椅使用者的拍打效 能严重依赖于上肢( a r ms e g m e n t s ) 环节的位置幽1 。为了清楚地揭示轮椅使用者肩袖病 理学机理，b o n i n g e r 等人使用了m r i ( 核磁共振成像技术) ，且取得可喜成绩汹，矧。 j e n n i f e rl m e r c e r 等人通过研究特定关节力及力矩与肩关节病理程度的关系，揭示要 降低肩关节的病理程度需要全面降低推轮所必须的力来维持上肢的完整性，且潜在的干 预措施包括改变轮椅结构、选择进行推力训练或灵活性方法训练等3 。 其它类似的研究也不少，其主要特征概况如下，研究对象大多是男性轮椅使用者， 且大都是日常残疾人使用的普通人力轮椅，或网球或篮球轮椅推动研究，而针对竞速轮 椅运动所做的研究相对较少。 1 4 3 国内研究概况 通过查阅文献得知，竟速轮椅运动研究在国内相当匮乏。其主要集中在运动员的生 理监控、残疾人运动的心理健康、运动损伤以及轮椅的改进设计等方面“一埘。 在运动生物力学研究方面，程其练等人在轮椅竞速1 0 0m 速度特征和速度分配的 研究一文用聚类及偏相关分析进行了研究，其研究结果在实践中有一定的应用价值啪3 。 中国台湾学者通过实验研究发现作用在轮缘上的力以及有效力( f e f ) 与后轮倾角之间 关系密切，其研究结果表明，在分别选取后轮倾角为o 。、9 。和1 5 。时，最大有效力 随着倾角的增大而增大啪1 。台湾学者s h u n - h w aw e i 等人研究发现，坐高对推轮阶段所 用时间及腕关节的运动学特征有重要影响。研究发现增加坐高可以减少推轮阶段所用时 间，同时可以减少腕关节伸角及其关节活动范围。较低的坐高可增大腕关节的屈曲范围 及尺骨偏移角度。其坐高与腕关节的运动学特性对理解和改善轮椅设计有着重要意义 啪1 。但是类似的研究相对较少且根本不能满足实际需要。 综上所述，国内外研究多集中于轮椅运动损伤、运动员的生理监控以及从生物力学 的角度来研究轮椅的推动，且大部分有用的数据是基于对日常使用网球或篮球中轮椅推 动的研究而得到的，因此其研究面及深度远远不够。比如对老年和少年轮椅使用者的研 究几乎没有，再者研究对象常常是针对男性，而缺乏对女性轮椅使用者的研究。有资料 轮椅竟速“蝴蝶”技术的力学及肌电特征研究 研究表明，有一种或两种伤病的轮椅使用者占总数的7 2 ，至少5 0 的轮椅使用者遭受 腕伤的痛苦，3 0 - - - 5 0 的轮椅使用者肩部有问题。因此较全面系统地对轮椅使用者进 行分析研究是非常必要的。 一种最近被讨论的常用的轮椅短跑技术一“蝴蝶 技术却很少提到，这种( 像蝴蝶 一样) 拍打技术与更常用的“抡抓 技术有很大的不同，还没有得到相应的研究拉1 。基 于此本文依据实验设计及实验所得数据，采用相关分析来探讨“蝴蝶 技术之头部及上 肢各关节运动特征对轮椅前进速度的影响，结合纯理论力学探讨影响轮椅前进速度的主 要因素，并且将积分肌电( i e m g ) 与环节受力分析相结合对各主要做功肌群进行量化分 析和评价，研究和剖析“蝴蝶 技术的动作结构特征。 虽然本文研究分析的对象是竞速轮椅运动员，但是其部分研究结果在针对轮椅运动 损伤及预防方面也值得非竟速轮椅使用者借鉴。通过本文的论述希望对认识轮椅竞速这 一结合人与器械的运动项目特点有所帮助，为“蝴蝶技术的科学训练及预防腕管综合 症提供一定的理论依据。 大连理工大学硕士学位论文 2 研究对象及方法 21 研究对象 国家轮椅竞速队现役的6 名男运动员和4 名女运动员，其基本情况见表2 1 。国家队运 动员基本包括了国内最高水平的选手，测试对象全部采用t o p 牌轮椅。由表21 可知运动 员伤残等级近似相同，故测试所得数据个体间差异可进一步缩小。竞速轮椅的大致结构 如下图2l 所示。 表21 国家轮椅竟速队被测队员基本情况表 丝型堡重! 堑!鱼堕蔓堡 男( n = 6 )6 06 3 46 9t 5 3 t 5 4 女(n=4)492 0 47 11 5 3 t 5 4 图2 1 竟速轮椅结构图 轮椅竞速“蝴蝶”技术的力学及肌电特征研究 2 2 研究方法 2 2 1 测试法 在湖北黄石国家田径训练中心室外田径场地上进行，采用实地三维高速定点跟踪拍 摄。测试时间为2 0 0 7 年8 月国家队备战北京残奥会的准备期阶段。考虑到夏季残疾运 动员的身体恢复特点，测试前2 4 小时内避免激烈运动，保证运动员有最佳的体能状态 进行测试。测试前要求充分活动开，做拉伸1 0 分钟左右，然后在轮椅上做1 0 1 5 分钟 的中速热身活动，活动期间还安排3 - - 5 个短时间的出发模拟，以提高神经肌肉的协同 配合与肌纤维的募集，提高神经肌肉系统的兴奋度，并体会快速用力的感觉。测试中要 求运动员应用短跑“蝴蝶打技术尽全力完成直道及弯道测试，教练员配套相应的措施来 激励运动员。以测试表现的速度及肌电特征近似作为运动员大赛中的速度及肌电特征。 在进入直道及弯道定点摄影区域前，有大约1 0 米左右的加速准备区。 2 2 2 录像拍摄及解析 测试前预先在田径跑道弯道处设立6 个自制合金标志杆，每个杆上有7 个标志点， 每点间隔3 0c m ，用经纬仪测得并精确记录4 2 ( 6 7 ) 个标志点的坐标。以弯道处6 个 标志杆的包络面解为中心，从不同角度用4 台日本产p a n a s o n i cd p 2 0 0 0 对运动员进行 三维录像拍摄，拍摄频率5 0 h z ，各机主光轴均与弯道地面垂直，所得高速摄影图像以 a v i 格式保存。 图像解析采用韩国产k w o n 3 d 运动三维录像解析系统，该系统以直接线性转换( d l t ) 算法为基础，用装有已知相互间的位置的标识点的参考框架来确定摄像机和三维坐标的 关系，对两个或更多的平面图像进行解析综合，可以重新构建出三维运动的空间描述。 解析时需先建立人体运动刚体模型和进行摄像机标定，然后将采集到的高清晰a v i 图像 进行数字化标定及平滑处理，即可得到所建模型中主要关节点三维坐标、环节线速度、 角速度以及环节质心的各种运动学参数等。鉴于轮椅竞速运动的特定技术特征，系统中 所建立的刚体模型主要由头及上肢等环节组成。在对模型进行数字化标定时，头部 m a r k e r 点取右耳上缘处、上肢运动链m a r k e r 点分别为右肩关节处、右肘关节处和右腕 关节处。解析过程中使用的a v i 图像是“蝴蝶 技术推动的一个周期。标志杆现场标定 框架如下图2 2 。 大连理工大学颈士学位论文 圈22 标志杆标定框架图 223 肌电测试及解析 肌电测试所采用的是芬兰产y e g a w i n 6 0 0 0 肌电仪，采样频率为1 0 0 0 h z 。在正式测试 开始前，调节肌电仪的参数及进行各种电极校准，为运动员粘贴肌电片要严格依照肌电 测试的要求进行，获得的肌电信号在肌电分析软件m e g a w i n23 a 1 2 中进行解析，将所 得到的原始肌电信号值导入m e g a w i n23 a 1 2 中后，最常见的就是对其进行频域或时域 解析。其肌电信号值与k w o n 3 d 中a v i 解析图像相对应。 在测量s e m g 时为了降低电噪声采用银一氯化银电极( a g a g c l ) 且电极形状为 圆形。在电极放置时，为了尽可能地减小c r o s s - - t a l k ( c r o s s - - t a l k ：尽管e m g 信息中 的绝大部分是代表记录电极最近的信号源，但是往往其中会混杂有远端肌肉的信号，这 个现象就被称为c r o s s t a l k 。对肌电信号的影响，将电极放置在被测肌肉群的中线 上，这样可以最大限度地与邻近肌肉拉开距离：再者就是缩短电极与电极之间的距离， 这样可| 三【减小采集信号的量，进而减小远端信号源的影响。 在创建测量方案时采用旺6 0 0 0 一t 8 ，即肌电仪的工作方式为8 个通道的输入电极， 每个通道都为e m g ( 表面肌电) ，其1 8 通道分别为：胧二头肌( r ) 、胜三头肌( r ) 外侧头、桡侧腕屈肌( r ) 、桡侧腕伸肌( r ) 、竖脊肌( l ) 、腹直肌( l ) 、腹外斜肌 ( r ) 、斜方肌上部( r ) 。上面括弧中的r 代表运动员右侧上肢，l 代表左侧上肢。部 分运动员的肌电电极采集部位如下图23 。 轮椅竟速“蜥蝶”技术的力学及肌电特征研究 图23 部分肌电电极粘贴示意图 224 数据统计分析 相关数据的统计计算采用s p s s l 5o 。分析内容主要包括对上肢主要关节( 即肩、肘、 兢) 速度变化以及各被测肌群的肌电值在各时间段内的值进行描述性统计分析；采用二 元变量相关分析( b i v a r i a t ec o r r e l a t j o n s ) 及偏相关分析( p a r t l a lc o r r e l a t i o n s ) 来评价各主要环节之间速度相关性以及环节速度与轮椅速度之间的作用和影响； 此外，为了更清楚地阐述实验过程，将测试过程中部分预0 试方案所对应的实验场地 设置图描绘如下。图2 4 为轮椅竞速中测量弯道技术特征时的三维高速定点拍摄俯瞰图。 而图2 5 则是整个实验的测试流程。 大连理工大学硕士学位论文 j 。一 - 一一。 一。护 ，”k 妒 、￥ 图2 4 三维高速定点拍摄俯瞰图 静 _ j ! t ；_ q 彭 图2 5 实验流程图 丝笪塞鎏二二塑鐾：垫查塑垄堂垄竺皇壁笙婴窒 3 结果与讨论 为了便于分析讨论，现将文章中的部分指标进行具体释义与说明。 “蝴蝶”技术：顾名思义像蝴蝶样的拍打技术，其技术特征是手臂犹如蝴蝶飞行 时的双翅有规律地拍打轮缘。拍打的位置大约在后轮中心的垂直正上方或略向前或略向 后( 个人差异) ，手与轮缘的作用点范围在q 之间，初始拍打作用点约在a 处，约b 点 位置手离开轮缘，二维坐标图如图3 1 所示。“蝴蝶技术特征图如下图3 2 和图3 3 。 一 l y 厂 忒 厂，手7n 夕7 弋。 图3 1 手与轮缘的作用点范围 从图3 2 可以看出，轮椅竟速短跑“蝴蝶”技术在回复阶段手臂有较大幅度的上扬， 在某一时刻腕、肘及肩关节几乎在同一条直线上，且与地面平行。 “轮抓技术：手与轮缘接触的时间较“蝴蝶 技术长，且作用点范围q 较大，手 几乎是跟随轮缘一起做圆周牵引运动，只有很少的时间脱离轮缘。 依据图3 1 ，设a 点为手第n 次拍打轮缘瞬间位置，b 点为手随轮缘运动一段时间 后脱离轮缘瞬间时的位置点。 大连理工大学硬士学位论文 一个推轮周期：手第n 次拍打轮缘 点的瞬间时刻t 1 与手第n + 1 次拍打轮缘a 点 瞬间时刻t 2 的时间差值t ( t = t 2 一t 1 ) 。 推轮阶段：在一个推轮周期内，手从接触a 点时刻t l 到离开b 点时刻的时间差t 其力作用点范围为a 段。 回复阶段：在一个推轮周期内，手从脱离轮缘b 点时刻t 3 到再次拍打a 点瞬间时 刻t 2 的时间差，其力作用点范围为3 6 0 。一。段。 图32 “蝴蝶”技术侧向特征圈 轮椅竟速“蝴蝶”技术的力学及肌电特征研究 图33“蝴蝶”技术正面特征酗 3 1 各主要关节解剖及受力结构 本文中假设轮椅推动过程中上胜运动链的运动只发生在矢状面上，为了更好地说明 关节及上肢运动链的运动形式在下文各小节中特做关节解剖及受力结构说明。 31i 肩关节解剖及受力结构分析 肩关节：由肩胛骨的关节盂和肽骨头组成，相连两骨关节面大小相差较大( 关节窝 仅能容纳关节头的l 4 i 3 ) 。关节窝周缘有盂唇使关节窝稍许加深，关节囊薄弱松 弛，附着在关节盂和肱骨解剖颈之间。关节囊壁内还有由滑膜包裹的肱二头肌长头肌腱 通过，此腱有加固肩关节的作用。 肩关节是典型的球窝关节能绕三个基本运动轴运动，绕额状轴可做屉仲运动，绕 矢状轴可做外展内收运动绕垂直轴可做内旋外旋运动，此外尚可做水平屈伸和环转运 大连理工大学硕士学位论文 动。由于肩关节是个多轴关节，相连骨的关节面大小相差较大，关节囊薄弱松弛，关节 本身的韧