運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)分析的新技術(shù)

運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)分析的新技術(shù)

1愛絡(luò)運(yùn)動(dòng)分析系統(tǒng)介紹人體運(yùn)動(dòng)是科學(xué)研究人體各部分的空間位置和時(shí)間的變化規(guī)律的科學(xué)。目前普遍使用的數(shù)據(jù)獲得方法為電學(xué)法和光學(xué)法。電學(xué)法常用設(shè)備有:①角度傳感器:其優(yōu)點(diǎn)是測(cè)試周期短;缺點(diǎn)是它對(duì)動(dòng)作的完成有一定的影響。②加速度傳感器:優(yōu)點(diǎn)是測(cè)試周期短,可以實(shí)際測(cè)試和處理;缺點(diǎn)是只能測(cè)出相對(duì)運(yùn)動(dòng)的特征量。另外,由于加速度傳感器必須與被測(cè)對(duì)象連接,因此它對(duì)被測(cè)對(duì)象的運(yùn)動(dòng)有干擾作用。若與器械連接,則給器械添加額外的重量;若與人連接,則容易造成運(yùn)動(dòng)失真。光學(xué)法所使用設(shè)備如下:①影片數(shù)字化處理:此方法可用于拍攝高速運(yùn)動(dòng),而且拍攝時(shí)對(duì)人體不施加任何約束,是正式比賽中非常可行的方法。但此方法需要沖洗膠片,且技術(shù)含量和價(jià)錢高、費(fèi)時(shí),所以現(xiàn)在不常用。②錄像解析系統(tǒng):由于國(guó)內(nèi)目前普遍使用愛捷錄像解析系統(tǒng),所以僅以此系統(tǒng)為例加以介紹。系統(tǒng)提供的工具:a)標(biāo)準(zhǔn)平面定點(diǎn)測(cè)量;b)標(biāo)準(zhǔn)三維DLT測(cè)量;c)愛捷單參考點(diǎn)平面掃描測(cè)量;d)愛捷多參考點(diǎn)平面掃描測(cè)量。另外,該系統(tǒng)提供雙人動(dòng)作圖像同步對(duì)比式分析:以及雙人曲線和棍圖同步對(duì)比式分析:a)左右雙人曲線棍圖比較;b)上下雙人曲線棍圖比較;c)單人棍圖分解動(dòng)作。除此以外,系統(tǒng)還提供專項(xiàng)化技術(shù)動(dòng)作分析模板,它可以針對(duì)不同的技術(shù)動(dòng)作建立專用的計(jì)算分析及輸出模板,實(shí)現(xiàn)通用軟件的專用化。愛捷系統(tǒng)是一種開放式的系統(tǒng),輸出的報(bào)告、曲線、棍圖、圖片均可由通用的辦公軟件加工處理。但愛捷不能直接獲得角加速度,這是解析時(shí)應(yīng)考慮的不利因素。在體育運(yùn)動(dòng)動(dòng)作分析中為了說明問題多使用三維分析方法,用兩臺(tái)以上攝像機(jī)拍攝運(yùn)動(dòng)員的技術(shù)動(dòng)作圖像,對(duì)其進(jìn)行多機(jī)、同步的三維運(yùn)動(dòng)圖像解析,合成其關(guān)節(jié)點(diǎn)和人體重心的三維空間坐標(biāo),計(jì)算出三維速度、人體環(huán)節(jié)姿態(tài)角、關(guān)節(jié)角度等。應(yīng)用生物力學(xué)的方法對(duì)運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)作技術(shù)進(jìn)行分析并得出診斷,這種方法的特點(diǎn)是強(qiáng)反饋。運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)中一般的影像分析系統(tǒng)僅僅計(jì)算和反饋給教練員和運(yùn)動(dòng)員某個(gè)運(yùn)動(dòng)動(dòng)作的數(shù)據(jù)和曲線,而愛捷系統(tǒng)除了滿足所有以往影像分析系統(tǒng)所提供的參數(shù)外,還獨(dú)具以下兩種反饋形式,特別適合于運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的要求。此方法可以直接將計(jì)算結(jié)果和運(yùn)動(dòng)圖像疊加在一起,還可以在加注釋之后輸出到錄像帶中。這樣使運(yùn)動(dòng)員和教練員們?cè)谥苯涌吹郊夹g(shù)動(dòng)作圖像的基礎(chǔ)上,得到分析數(shù)據(jù)和曲線。在一個(gè)畫面上可以同時(shí)顯示最多達(dá)四個(gè)運(yùn)動(dòng)員的技術(shù)動(dòng)作圖像,這樣可以方便地比較不同運(yùn)動(dòng)員之間的技術(shù)動(dòng)作差別。上述兩點(diǎn)可以產(chǎn)生比以往生物力學(xué)分析更加強(qiáng)烈的反饋效果,為教練員和運(yùn)動(dòng)員們所歡迎,直接為提高運(yùn)動(dòng)技術(shù)服務(wù)。③光電運(yùn)動(dòng)檢測(cè)分析系統(tǒng):該系統(tǒng)在上世紀(jì)60、70年代末出現(xiàn),目前已發(fā)展得比較完善。其研究方法為使用具有高精度的紅外光點(diǎn)攝像測(cè)量系統(tǒng)的攝像機(jī),在運(yùn)動(dòng)物體上貼紅外光點(diǎn)反光片,然后,通過系統(tǒng)的采集部件和專用計(jì)算機(jī)對(duì)紅外光點(diǎn)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、運(yùn)算、處理,從而獲得人體和運(yùn)動(dòng)器械等的運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)、曲線、圖表等。其所需攝像機(jī)情況:一維需一臺(tái)機(jī)器,二維需一臺(tái)機(jī)器,三維需兩臺(tái)以上機(jī)器,三維拍攝二維解析需兩臺(tái)以上機(jī)器。2動(dòng)力學(xué)方法2.1肌肉力量分析系統(tǒng)測(cè)試方法:①測(cè)力計(jì)——拉、壓力計(jì)包括電阻式拉、壓力傳感器及測(cè)關(guān)節(jié)力的裝置,如CYCBEX。CYCBEX等動(dòng)測(cè)試與等長(zhǎng)、等張相比,其顯著特點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)速度相對(duì)穩(wěn)定,不會(huì)產(chǎn)生爆發(fā)式等運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象,且在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中所產(chǎn)生的阻力與作用的肌力成正比,即肌肉在運(yùn)動(dòng)全過程中的任何一點(diǎn)都能產(chǎn)生最大的力量。該系統(tǒng)可記錄某個(gè)關(guān)節(jié)的不同運(yùn)動(dòng)速度下、不同關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)的一組對(duì)抗肌群的肌肉力量、爆發(fā)力、耐力、功率值,伸、屈肌發(fā)揮最大力量時(shí)所處的解剖學(xué)角度,標(biāo)準(zhǔn)位置(30°、45°)時(shí)的肌肉力量以及屈伸肌的力量比例,兩側(cè)肢體同名肌的力量相位差值,肌肉力量與體重關(guān)系等一系列數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)對(duì)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練、運(yùn)動(dòng)損傷的診治和治療都具有不可估量的價(jià)值。另外,該系統(tǒng)還可觀察不同項(xiàng)目運(yùn)動(dòng)員之間、同一項(xiàng)目不同等級(jí)運(yùn)動(dòng)員之間各主要用力關(guān)節(jié)、肌群的力量水平與有關(guān)肌群之間的合理肌力比例,探討規(guī)律,有效地制定負(fù)荷,進(jìn)行有針對(duì)性的訓(xùn)練,彌補(bǔ)肌肉力量的不足,有利于運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)水平的提高。②三維測(cè)力平臺(tái)——測(cè)試運(yùn)動(dòng)員在進(jìn)行跳躍時(shí)的下肢力量。其主要目的是進(jìn)一步分析和研究運(yùn)動(dòng)員下肢肌群的反映力量,分析動(dòng)作完成過程中的動(dòng)力特性。指標(biāo):三維坐標(biāo)、三維力、三維力矩、沖量。③壓力分布測(cè)試方法——足底壓力分布。其最新研制的測(cè)力鞋墊,豐富了對(duì)足底壓力分布的分析。④流體中測(cè)力方法——風(fēng)洞試驗(yàn)。2.2測(cè)力裝置速度在許多體育項(xiàng)目中是成績(jī)好壞的決定因素,因此對(duì)速度的測(cè)量與預(yù)測(cè)將對(duì)指導(dǎo)訓(xùn)練和提高運(yùn)動(dòng)成績(jī)具有重大意義。方法:用測(cè)力裝置測(cè)出力值,經(jīng)過積分后算出動(dòng)量和沖量。如預(yù)測(cè)標(biāo)槍、球類出手速度或?qū)Ω鳝h(huán)節(jié)的動(dòng)作加以診斷。其測(cè)力裝置由于采用積分原理,誤差較小,能夠滿足要求,但其缺陷是對(duì)動(dòng)作有一定的限制,而且難以獲得各環(huán)節(jié)的動(dòng)量。因此,目前有條件的實(shí)驗(yàn)室都采取測(cè)力與攝影同步的方法進(jìn)行研究。2.3動(dòng)量矩守恒定律在體育運(yùn)動(dòng)中,身體各環(huán)節(jié)運(yùn)動(dòng)可使身體保持平衡,且在不同動(dòng)作中,各環(huán)節(jié)對(duì)全身動(dòng)量矩的貢獻(xiàn)率不同,而動(dòng)作技術(shù)完成的好壞與各環(huán)節(jié)動(dòng)量矩的貢獻(xiàn)率直接相關(guān)。另外,人體騰空時(shí)無依托,只受重力作用,而重力作用在人體重心上,正好通過人體轉(zhuǎn)動(dòng)軸,故外力矩為零。因此,人體騰空時(shí),應(yīng)遵循動(dòng)量矩守恒定律,即H=J·ω,那么可通過改變身體姿勢(shì)而改變轉(zhuǎn)動(dòng)慣量以改變運(yùn)動(dòng)速度與方向。動(dòng)量矩守恒定律多用于研究體操、跳水等項(xiàng)目的運(yùn)動(dòng)。具體方法為:通過攝像法獲得不同方向的角速度及環(huán)節(jié)位置變化并通過解析分析判定其運(yùn)動(dòng)效果的好壞。2.4能量變化的分析如果作用于質(zhì)點(diǎn)系的力全為有勢(shì)力(重力、引力),其對(duì)質(zhì)點(diǎn)系所做的功可用勢(shì)能的改變來表達(dá):T2-T1=-(V2-V1)。其中-(V2-V1)為勢(shì)能的變化量,它說明動(dòng)能的變化量與勢(shì)能的變化量相等,即當(dāng)動(dòng)能增加時(shí),勢(shì)能會(huì)相應(yīng)減少,反之亦然。在體育運(yùn)動(dòng)的各個(gè)項(xiàng)目中都存在能量的轉(zhuǎn)換和消耗。如何使能量朝最有利于技術(shù)發(fā)揮的方向轉(zhuǎn)換、減少不必要的能量消耗是人們普遍關(guān)心的問題。而能量的變化是可以通過一定手段獲得的,即通過高速攝像機(jī)拍下并獲得整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程的數(shù)據(jù),然后進(jìn)行能量計(jì)算,從而判定能量變化情況,進(jìn)行指導(dǎo)訓(xùn)練。具體方法為:通過攝像獲得機(jī)械能和動(dòng)能計(jì)算中所需的速度和位移,然后對(duì)人與機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行能量計(jì)算。通過以上分析可以看到動(dòng)力學(xué)方法存在一定缺點(diǎn),即對(duì)動(dòng)作有一定的限制,不能有效診斷實(shí)際比賽能力。為了更為有效地診斷運(yùn)動(dòng)技術(shù),各國(guó)學(xué)者開始探討更為有效的分析方法,具體情況如下。3肌肉參與工作程度分析目前普遍使用方法:①將測(cè)力平臺(tái)與攝像結(jié)合并利用逆動(dòng)力學(xué)方法計(jì)算出各關(guān)節(jié)處力和力矩。②將肌電儀與攝像相結(jié)合直接分析動(dòng)作相關(guān)的肌群中肌肉參與工作程度。③將測(cè)力平臺(tái)與攝像結(jié)合,用測(cè)力平臺(tái)分析三維力量對(duì)應(yīng)與各關(guān)節(jié)角度的變化分析技術(shù)特點(diǎn)。④將測(cè)力平臺(tái)、等動(dòng)測(cè)試裝置與攝像三種方法結(jié)合,分析不同運(yùn)動(dòng)員各關(guān)節(jié)肌力特征與成績(jī)的關(guān)系,并分析不同運(yùn)動(dòng)階段的運(yùn)動(dòng)特征與人體受力的比較。4肌肉動(dòng)力學(xué)變化通過以上論述,可以看出大多數(shù)方法所得的各環(huán)節(jié)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)難以在實(shí)際比賽時(shí)應(yīng)用。所以將運(yùn)動(dòng)場(chǎng)測(cè)量方法與實(shí)驗(yàn)室測(cè)量方法結(jié)合起來進(jìn)行綜合分析,并得出關(guān)節(jié)在任意角度、任意速度下的動(dòng)力學(xué)估計(jì),是目前檢查與評(píng)定運(yùn)動(dòng)員肌肉力