羽毛球蹬跨步膝關節力學特征研究*

趙 樂 劉衛國

羽毛球蹬跨步膝關節力學特征研究*

趙 樂1劉衛國1

（1.仲愷農業工程學院，廣東 廣州 510225；2.廣西師范大學，廣西 桂林 541004）

羽毛球蹬跨步法是較為常見的步法，由于動作速度快、沖擊力大很容易導致膝關節運動損傷。通過測試法、仿真分析法、數理統計法等研究方法，采用Coda motion三維捕捉系統與ATMI三維測力臺同步采集羽毛球蹬跨步法運動學與動力學參數，將運動學與動力學數據導入Anybody仿真分析軟件分析膝關節受力特征，闡述不同運動速度情況下膝關節力的特征，使羽毛球運動員和愛好者能夠清晰地了解此步法膝關節部位的力學特征，提高羽毛球運動技術水平，同時避免損傷。

Anybody；羽毛球蹬跨步法；膝關節力

羽毛球蹬跨上網步需要運動員急停、跳躍以及蹬伸發力，很容易造成膝關節的損傷[1-5]。為了清晰地了解此步法生物力學特征，以闡述不同運動速度情況下膝關節的受力特征，本文基于逆動力學原理，借助Anybody仿真軟件，通過調用其現有模型，根據羽毛球蹬跨步的特征姿態對模型進行修整，從而構建出步法特征姿態的生物力學模型[6-10]，進一步利用負荷重載計算出對應時刻支撐腿膝關節的力學參數，并對比不同速度下膝關節力學參數，以探討羽毛球蹬跨上網步膝關節受力特征[11-13]。

1 研究方法

1.1 測試法

1.1.1實驗設備

本文使用的設備主要有英國產Codamotion三維動作捕捉系統（圖1）、美國產ATMI三維測力平臺系統、信號同步3D盒（圖2）。

圖1 Codamotion三維動作捕捉系統

圖2 同步信號設備

1.1.2測試過程

1.1.2.1測試前準備

（1）受試者準備

本文共選取10名男子羽毛球運動員作為測試對象，為了控制測試數據離散程度，選擇同一水平的運動員，運動水平均為羽毛球國家一級，所有受試者均自愿參加本實驗，知曉各實驗環節。受試者24小時內未進行劇烈運動，由專門測試人員按照實驗方案對受試者進行Marker粘貼，粘貼位置見表1和圖3，保證CX1裝置能夠較好地自動識別Marker。受試者進行熱身活動，熟悉測試動作。

表1 Marker粘貼位置

序號位置序號位置序號位置 1左腳二腳趾8左髂后上棘15右髂前上棘 2左腳腳跟9右腳二腳趾16右髂后上棘 3左踝10右腳腳跟17C7頸椎棘突 4左膝外上髁11右踝18胸棘突 5左膝12右膝外上髁21右肩 6左大腿中線13右膝22右肘 7左髂前上棘14右大腿中線23右腕

圖3 Marker點粘貼示意圖

（2）Codamotion三維動作捕捉系統

圖4 空間坐標標定

測試前首先布置測試場地，CX1裝置放置于受試者周圍，主光軸夾角為180°，高度為1.8米，距離測力平臺中央均為3米，能夠最大可能識別所有的Marker。對系統進行空間坐標標定，見圖4，“1”代表X方向，即運動方向，“2”代表Y方向，“3”代表Z方向。動作捕捉頻率設定為100Hz。

（3）三維測力平臺系統

測試前利用重力調試檢驗設備的準確性。測力臺測試頻率為100Hz，閾值設置為10N。

（4）同步信號數據線連接擴展Hub和三維測力臺，確保信號能夠正常同步。

1.1.2.2正式測試

(1)運動速度控制

本研究通過控制喂球高度來控制運動員的速度，測試中采取羽毛球垂直下落的方式，分別從距離球網最高點40cm和60cm兩個高度進行喂球，從而控制運動員分別采用快速與慢速的蹬跨上網步進行擊球。并要求羽毛球在地面上的投影距離球網30cm，距離單打邊線30cm。

(2)測試動作及過程

當指揮員發出“開始”口令后，喂球人員立即松手，保證球自由下落。受試者采用三步蹬跨上網步法模擬挑球動作，要求第二步采用墊步的方式，且第二跨步時受試者右腳落于測力臺寬度的中間位置，步法如圖5，“1”代表第一跨步，即啟動后第一步，“2”代表墊步，即第二步，“3”代表第二跨步，即第三步。根據Codamotion系統數據實時反饋，每個喂球高度每人分別采集3次成功動作，保證每個動作沒有可直接觀測的錯誤，而且Marker點識別度較好。

圖5 蹬跨上網步法示意圖

1.1.3 數據采集

運動學原始數據采用Codamotion Odin軟件解析，主要獲取指標包括下肢關節角度、角速度、運動時間、位移等。動力學數據采用ATMI三維測力臺系統獲取，主要指標包括足底壓力與膝關節反作用力。

1.2 仿真分析法

膝關節作為人體最為復雜的關節，包括內、外脛股關節和髕股關節，可繞冠狀軸做屈伸運動，繞垂直軸做內旋與外旋運動。在日常活動與體育運動中膝關節均發揮著重要的生物力學功能。蹬跨上網步法足地接觸力對膝關節反作用力具有較大的影響。本文借助東北大學Anybody仿真分析軟件，就運動員緩沖蹬伸階段足地接觸力對膝關節膝關節反作用力的影響進行分析，期望能夠找到不同速度蹬跨上網步法膝關節反作用力的變化特征。

1.3 數理統計法

2 結果與分析

2.1 蹬跨步法緩沖蹬伸階段運動學數據統計

采用Codamotion三維動作捕捉系統獲取羽毛球蹬跨步法緩沖蹬伸階段的運動學數據，見表2、表3。

表2 緩沖階段右側下肢各關節角度變化（單位：°）

關節時相快速組慢速組 髖關節落地時刻113.56±5.89110.25±8.69 緩沖結束時刻75.06±9.0371.57±6.48 變化值38.50±8.0338.68±6.70 膝關節落地時刻163.20±5.24*156.90±7.87 緩沖結束時刻110.63±8.32105.59±6.07 變化值52.57±4.9351.31±7.31 踝關節落地時刻104.59±5.15**112.78±6.64 緩沖結束時刻90.05±4.90*94.40±5.94 變化值14.55±5.2818.38±7.83

注：*代表P＜0.05，表示具有顯著性差異；**代表P＜0.01，表示具有非常顯著性差異，下同。

表3 蹬伸階段右側下肢各關節角度變化（單位：°）

關節時相快速組慢速組 髖關節蹬伸開始時刻75.06±9.0371.57±6.48 離地時刻141.25±5.90141.10±8.67 變化值66.19±8.0869.52±6.73 膝關節蹬伸開始時刻110.63±8.32105.59±6.07 離地時刻167.74±5.89*160.84±7.79 變化值57.11±5.4955.25±7.20 踝關節蹬伸開始時刻90.05±4.90*94.40±5.94 離地時刻115.41±5.03114.51±6.45 變化值25.36±5.19*20.11±6.15

2.2 蹬跨步法緩沖蹬伸階段動力學數據統計

采用ATMI三維測力平臺系統獲取羽毛球蹬跨步法緩沖蹬伸階段的動力學數據，見表4、表5。

表4 緩沖階段三維力極值統計結果（單位：N）

力值方向快速組一般組 Fx-351.71±52.94**-250.88±52.95 Fy-764.97±97.26**-555.14±97.26 Fz1628.75±207.91**1321.75±204.54

表5 蹬伸階段三維力極值統計結果（單位：N）

力值方向快速組一般組 Fx-149.34±53.41-111.92±50.58 Fy-494.63±105.86**-375.15±105.86 Fz1250.78±214.4**1020.69±171.07

2.3 基于Anybody仿真軟件計算膝關節力特征分析

Anybody仿真軟件在逆動力學研究領域處于較為領先的地位，其已構建較為廣泛的各類體育項目相關動作的骨骼肌肉模型，能夠滿足廣大研究者的需求，具有軟件專屬的腳本語言“AnyScript語言”，可對模型進行修整以及工作環境的限定。廣泛應用于步態、自行車運動、汽車產業等方面，可進行步態特征分析、技術分析、損傷分析以及性能測試等方面的研究。國內學者紀仲秋在此方面研究較為深入，比如通過對太極拳動作的仿真與驗證，研究分析下肢生物力學特征。

本文基于逆動力學原理，借助Anybody仿真軟件，調用其現有模型，根據蹬跨步法特征姿態對模型進行修整和重載，從而構建步法特征姿態生物力學模型，進一步計算對應時刻的右側膝關節力，分析膝關節力特征規律，同時對比分析不同速度對膝關節力的影響。

2.3.1調用模型，定義模型姿勢

2.3.1.1選取、調用、修整和重載模型

Anybody軟件中的人體站立模型是應用較為廣泛而且是根據大樣本量構建的模型，在仿真分析中屬于較為通用的模型，避免產生針對每名運動員進行模型定義的較大工作量，所以本研究中選取人體站立模型（Human Standing Template Model），加載之后如圖6。

模型加載之后需根據本研究目的進行模型修整，此過程需在模型文件“Mannequin.any”中進行，利用腳本語言“Any Folder Posture={ }，Any Folder Load{ }”對模型參數進行設定。本研究中主要分析下肢生物力學特征，并沒有對上肢數據進行采集，經過檢驗計算，有無上肢對膝關節力的計算沒有影響，同時考慮到蹬跨步模型美觀，所以去掉了模型的上肢以及軀干部分的肌肉，如圖7所示。模型修整結束，需重載模型。

圖6 站立初始模型

圖7 站立修整模型

2.3.1.2編寫AnyScript腳本語言，以關節角度定義模型姿勢

AnyScript語言是Anybody軟件中特有的腳本語言，例如“AnyVar KneeFlexion=0.0”即是對膝關節屈曲角度的定義，“PostureVel”是對關節角速度的限定。

本研究中主要針對右側下肢進行模型姿勢的調整，主要包括髖關節、膝關節和踝關節。由于模型本身具有自動平衡功能，所以需對異側腿的關節角度進行調整，模型調整關節角度以Codamotion紅外捕捉系統采集的運動學數據為準。模型姿勢修整結束后對模型重新加載，圖8為緩沖蹬伸階段落地時刻調整后的姿勢示意圖。

圖8 定義重載后模型示意圖（左為快速組，右為一般組）

選擇足地接觸點為受力點，在AnyForce3D Force={X，Y，Z}三個方向力值輸入施加三維力向量的命令語句后，重載模型，進行逆動力學分析（Inverse Dynamic Analysis），獲取膝關節力。

2.3.2設定三維力向量，逆動力學計算

選擇足地接觸點為受力點，在AnyForce3D Force={X，Y，Z}三個方向力值輸入施加三維力向量的命令語句后，重載模型，進行逆動力學分析（Inverse Dynamic Analysis），獲取膝關節力。

2.3.3膝關節力學特征分析

表6 緩沖蹬伸階段極值時刻膝關節力

膝關節力緩沖階段蹬伸階段 快速組一般組快速組一般組 垂直軸*4303.64±537.01*4157.50±561.11*4051.64±457.23*3821.53±438.72 矢狀軸1424.92±205.62**1027.68±283.502410.54±568.41*2026.41±358.14 冠狀軸679.59±196.43*531.47±119.141171.37±256.82*936.72±215.74

注：縱向三者比較用“*”表示數值大小相鄰間的差異有顯著性，并標注在較大數值前方

由表6分析，在緩沖階段極值時刻快速組與慢速組的膝關節垂直軸力無差異。膝關節矢狀軸力具有非常顯著性差異，冠狀軸力具有顯著性差異，說明在緩沖階段，速度對矢狀軸和冠狀軸上的力影響較大，對垂直軸影響較小。分析認為，在緩沖階段極值時刻，膝關節屈曲程度較小，幾乎以伸直狀態觸地，由于身體移動速度產生的慣性作用，人體呈以右腳為圓心向前滾動運動，膝關節快速屈曲，股骨在脛骨平臺上前移，同時膝關節有旋外動作，在速度越快的條件下，地面沖擊力越大，膝關節在矢狀軸與冠狀軸上的力相對會呈增大趨勢。在蹬伸階段膝關節三個方向上的力變化特征與緩沖階段基本一致，垂直軸力沒有顯著性差異，矢狀軸與冠狀軸上的膝關節力具有顯著性差異。

羽毛球運動員蹬跨上網步法緩沖蹬伸階段膝關節主要是快速屈曲和伸展運動，垂直軸方向膝關節力過大且作用時間較短時，關節內部組織對力的緩沖效果降低，會增加半月板損傷、關節面軟骨的磨損等。在蹬跨上網步法緩沖蹬伸階段，快速組與慢速組垂直軸膝關節受力最大值大約是自身重力的6.7倍和5.8倍左右，在緩沖結束時刻左右受力最小，快速組大約是自身體重的2倍，慢速組稍高，大約是自身重力2.6倍左右。膝關節矢狀軸力控制股骨與脛骨的相對位移，使二者出現相對滑動的趨勢，容易造成前交叉韌帶的損傷。同時在矢狀軸上，股四頭肌需要收縮對此進行控制，使得髕骨面牽拉力增大，導致髕骨損傷。在冠狀軸上，人們在行走中膝關節在左右方向上是較為穩定的，但是在蹬跨步法中，由于膝關節有明顯的旋外動作，膝關節內外側副韌帶負荷增加，長期疲勞積累可能會造成損傷。

綜上研究分析，對比分析快速組與慢速組膝關節力，快速組蹬跨上網步法緩沖蹬伸階段膝關節力相對較大，這是由于快速組速度較大，足底沖擊力更大，速度與足底受力對膝關節力影響較大。隨后快速組膝關節力下降更快，而且緩沖結束時膝關節力小于一般組。快速組動作速度較快，結合運動學以及動力學特征，足底落地時刻下肢伸展程度大，角度變化快，身體前傾幅度小，更有利于緩沖沖擊力，減少膝關節力，對膝關節脛骨平臺以及韌帶等組織的保護性更強。在蹬伸階段，快速組膝關節力逐漸增大，最大值超過慢速組，這與快速組在緩沖階段的良好緩沖效果有關，快速組緩沖效果好，肌肉蓄積力量更多，蹬伸力量更大，膝關節受力也就越大。

3 結論與建議

3.1 移動速度對羽毛球蹬跨步的緩沖與蹬伸階段膝關節三個方向的受力分布均無影響，都是垂直方向的力遠大于左右與前后方向，分別是自身重力的6.7倍和5.8倍。

3.2 移動速度對羽毛球蹬跨步的緩沖與蹬伸階段膝關節的矢狀軸和冠狀軸的受力均有影響：移動速度越快，膝關節在矢狀軸和冠狀軸上的受力越大。提示：高強度訓練與比賽應強化專業裝備的配置，尤其要注意配置膝關節護具以減少膝關節損傷。

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Analysis of Forces Transmitted by Knee Joint of Badminton Pedaling Footwork based on Anybody

ZHAO Le，etal,

（Zhongkai University of Agriculture and Engineering, Guangzhou 510225 Guangdong, China）

全國教育科學規劃課題，青少年運動技能“選-學-評”的適應性研究及其標準構建（BLA150064）。

趙樂（1989-），碩士，講師，研究方向：體育教學訓練學。