短道速滑陸地專項(xiàng)力量訓(xùn)練的生物力學(xué)特征監(jiān)控與分析

朱 明，嚴(yán) 力，李 昂，郭 奇

（1. 黑龍江省體育科學(xué)研究所，黑龍江 哈爾濱 150008；2. 哈爾濱體育學(xué)院 體育科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150008；3. 北京體育大學(xué) 運(yùn)動(dòng)人體科學(xué)學(xué)院，北京 100084；4. 國(guó)體科技（北京）有限責(zé)任公司，北京 100010）

1 引言

短道速滑是一個(gè)具有復(fù)雜專項(xiàng)技術(shù)的冬奧競(jìng)技項(xiàng)目，尤其在彎道滑行區(qū)域，運(yùn)動(dòng)員需要在克服高速滑行所產(chǎn)生的較大離心作用的同時(shí)，保持一定頻率的蹬冰動(dòng)作，同時(shí)相應(yīng)完成滑行姿態(tài)的轉(zhuǎn)換與滑行路線的控制。這些都需要運(yùn)動(dòng)員具備較高的專項(xiàng)力量水平以及神經(jīng)肌肉控制能力，作為實(shí)施技術(shù)動(dòng)作的保障。短道速滑運(yùn)動(dòng)員在完成一般性力量訓(xùn)練的同時(shí)，如何將基礎(chǔ)力量向?qū)ｍ?xiàng)能力轉(zhuǎn)化是該項(xiàng)目專項(xiàng)訓(xùn)練的核心問題[1]。陸地皮筋和布帶訓(xùn)練是國(guó)際上短道速滑專項(xiàng)力量訓(xùn)練中最為普遍及重要的一種形式，該種訓(xùn)練方法屬于專項(xiàng)力量訓(xùn)練，在進(jìn)行陸地技術(shù)動(dòng)作模仿的同時(shí)，還可以進(jìn)行一般力量向?qū)ｍ?xiàng)力量的轉(zhuǎn)化訓(xùn)練[2]，尤其是下肢力量和核心力量的轉(zhuǎn)化[3]。通常的皮筋與布帶訓(xùn)練采取的是行進(jìn)間和固定兩種方式，其中行進(jìn)間訓(xùn)練需要他人牽拉提供阻力，固定式訓(xùn)練則需要運(yùn)動(dòng)員自身控制牽拉阻力。長(zhǎng)期以來兩種訓(xùn)練方式都普遍缺乏量化評(píng)估依據(jù)，都需要受訓(xùn)者和參與者通過主觀感受及經(jīng)驗(yàn)調(diào)整阻力大小，在訓(xùn)練負(fù)荷的精確控制方面存在很大弊端。此外，在皮筋和布帶專項(xiàng)訓(xùn)練過程中，動(dòng)作的姿態(tài)、速度等技術(shù)練習(xí)同樣缺少量化監(jiān)測(cè)，也直接影響了陸地專項(xiàng)訓(xùn)練向冰上技術(shù)轉(zhuǎn)化的效果。由于上述問題的解決都需要獲取生物力學(xué)特征信息，因此，有必要研發(fā)一套可用于陸地皮筋與布帶訓(xùn)練監(jiān)測(cè)的生物力學(xué)數(shù)據(jù)采集監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)比冰上專項(xiàng)生物力學(xué)特征，找到陸地專項(xiàng)力量訓(xùn)練效果的關(guān)鍵評(píng)估參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)該種陸地訓(xùn)練方法數(shù)字化監(jiān)測(cè)與量化評(píng)估體系的構(gòu)建。

2 陸地專項(xiàng)力量訓(xùn)練生物力學(xué)特征的監(jiān)控

2.1 陸地專項(xiàng)力量訓(xùn)練生物力學(xué)數(shù)據(jù)采集裝置設(shè)計(jì)

動(dòng)力學(xué)信息是短道速滑專項(xiàng)力量訓(xùn)練監(jiān)控過程中必須獲取的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，但是作為短道速滑項(xiàng)目常備的訓(xùn)練器材，現(xiàn)有的皮筋與布帶并不具備動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)采集功能。加之短道速滑項(xiàng)目異地比賽、訓(xùn)練等情況對(duì)于訓(xùn)練裝置的便攜性需求，在現(xiàn)有訓(xùn)練用皮筋與布帶的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)采集裝置就顯得更為適合。在皮筋與布帶抗阻訓(xùn)練條件下，牽拉力數(shù)據(jù)是動(dòng)力學(xué)信息中的核心參數(shù)，因此在采集裝置的設(shè)計(jì)中，應(yīng)以牽拉力為主要信息獲取目標(biāo)。對(duì)此，采集裝置主要以運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練裝備常用的不銹鋼彈簧扣為中介結(jié)構(gòu)，并通過在裝置兩端設(shè)計(jì)中空環(huán)狀結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)采集裝置與皮筋、布帶器械的直接連接。盡管皮筋和布帶都存在不同程度的彈性特征，但在抗阻訓(xùn)練狀態(tài)下，采集裝置仍然可以通過剛性連接形式直接獲取牽拉力。

采集裝置內(nèi)部電路由敏感元件、信號(hào)調(diào)理電路、處理器、無線接口電路、電源5個(gè)單元模塊組成。其中，敏感元件采用的是金屬材料的電阻式應(yīng)變片，主要用于感知皮筋或布帶對(duì)裝置兩端中空環(huán)狀結(jié)構(gòu)的作用力（僅拉力狀態(tài)），并根據(jù)拉力大小輸出變化的電壓信號(hào)。信號(hào)調(diào)理電路主要通過放大、濾波等方法，將敏感元件所采集到信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，以便處理器能夠進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算和處理，該單元也是決定牽拉力數(shù)值測(cè)量精度的關(guān)鍵要素。處理器是整個(gè)裝置電路的核心器件，基于STM32單片機(jī)技術(shù)開發(fā)，主要完成傳感器信號(hào)的處理與判斷、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與通信、電源管理、多任務(wù)協(xié)調(diào)管理等功能。無線接口電路采用的是嵌入式低功耗物聯(lián)網(wǎng)模塊，基于Wi-Fi信號(hào)進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸，傳輸模式為AP+STA，以UDP連接模式向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)；模塊支持Web訪問功能，可以實(shí)現(xiàn)快捷的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置。電源包括電源管理電路、充電電路、電池3個(gè)子模塊，為其他4個(gè)單元模塊提供工作電源，可以配合處理器對(duì)電源進(jìn)行分配管理，滿足裝置長(zhǎng)期可靠的低功耗運(yùn)行需要（圖1）。

圖1 采集裝置內(nèi)外部樣式Figure 1. The internal and external style of collection device

在采集裝置中，電路組件與開關(guān)、射頻天線集成安裝于電路倉(cāng)，電池組放置于電池倉(cāng)，敏感元件安裝于傳感器倉(cāng)，便于進(jìn)行安裝、維修和升級(jí)。裝置外殼柱體結(jié)構(gòu)采用PVC材料，內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用不銹鋼材料，在確保強(qiáng)度足夠的前提下，減輕整體重量。為提高裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，避免因反復(fù)修改設(shè)計(jì)所引起的結(jié)構(gòu)件加工成本的提高，在采集裝置的設(shè)計(jì)過程中，首先采用Pro/Engineer軟件繪制裝置的內(nèi)外部三維結(jié)構(gòu)并生成STL模型文件（圖2），然后利用MakerBot 3D打印機(jī)進(jìn)行裝置結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)。直到基本確定內(nèi)外部結(jié)構(gòu)后，再進(jìn)行內(nèi)部金屬結(jié)構(gòu)的機(jī)械加工以及外殼的注塑開模，最后將電路部分固定于結(jié)構(gòu)體中，從而完成整個(gè)采集裝置的試制。

圖2 采集裝置三維示意Figure 2. Three-dimensional sketch of collection device

對(duì)于便攜式采集裝置而言，測(cè)量精度、采樣率、通訊距離、工作時(shí)間、尺寸重量等性能參數(shù)都是裝置能否滿足專項(xiàng)力量訓(xùn)練監(jiān)測(cè)需求的重要基礎(chǔ)，其中測(cè)量精度是最為核心的參數(shù)。由于應(yīng)變式拉力敏感元件的工作原理是外部作用力使應(yīng)變片產(chǎn)生微小形變，應(yīng)變片產(chǎn)生形變的同時(shí)自身阻值也發(fā)生改變，阻值的變化進(jìn)而對(duì)應(yīng)產(chǎn)生電信號(hào)變化，因此需要利用施加特征強(qiáng)度拉力值的方法來實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)電信號(hào)的標(biāo)定。此外，由于作用力測(cè)量范圍與測(cè)量精度成反比，因此要能在適應(yīng)不同運(yùn)動(dòng)員實(shí)際拉力值的基礎(chǔ)上，盡可能縮小作用力的測(cè)量范圍以提高精度。在陸地實(shí)驗(yàn)和冰上離心力測(cè)算的基礎(chǔ)上，以1 500 N作用力作為最大特征強(qiáng)度值進(jìn)行傳感器模塊的標(biāo)定，并按照實(shí)際需求對(duì)采樣頻率、無線通訊距離等參數(shù)進(jìn)行設(shè)定（表1）。經(jīng)應(yīng)用驗(yàn)證，使相關(guān)指標(biāo)能夠滿足專項(xiàng)力量訓(xùn)練中對(duì)動(dòng)作速率、運(yùn)動(dòng)范圍、訓(xùn)練時(shí)間等方面的采集要求。

表1 采集裝置主要性能參數(shù)Table 1 Main performance parameters of collection device

2.2 陸地專項(xiàng)生物力學(xué)數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

獲得同步的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)信息是進(jìn)行運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)分析與診斷的必要基礎(chǔ)。在陸地專項(xiàng)生物力學(xué)數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)通過Wi-Fi接收采集裝置發(fā)送的UDP數(shù)據(jù)報(bào)文的同時(shí)，還利用視頻采集的方法實(shí)時(shí)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)圖像的顯示和錄制，以便分析時(shí)可以將運(yùn)動(dòng)姿態(tài)與牽拉力數(shù)值進(jìn)行對(duì)應(yīng)匹配，從而對(duì)訓(xùn)練質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估診斷。陸地專項(xiàng)生物力學(xué)數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的整個(gè)上位機(jī)軟件（圖3）基于Visual C++2019平臺(tái)開發(fā)，系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)可視化監(jiān)測(cè)、圖像采集3個(gè)核心模塊組成。其中，數(shù)據(jù)處理模塊主要接收下位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，基于通訊協(xié)議將UDP報(bào)文轉(zhuǎn)換為牽拉力數(shù)值；數(shù)據(jù)可視化監(jiān)測(cè)模塊采用GDI技術(shù)編寫，可以實(shí)時(shí)或后期顯示皮筋和布帶牽拉力數(shù)值曲線圖表；圖像采集模塊基于OpenCV3計(jì)算機(jī)視覺開源庫開發(fā)，以便在視頻采集過程中更好地兼容不同類型的視頻源，并為未來開發(fā)專項(xiàng)力量訓(xùn)練運(yùn)動(dòng)姿態(tài)自動(dòng)識(shí)別技術(shù)提供基礎(chǔ)。在多模態(tài)數(shù)據(jù)同步方式上，系統(tǒng)采用了時(shí)間戳的方式來實(shí)現(xiàn)圖像幀與牽拉力數(shù)據(jù)的軟性同步，即在接收單幀圖像或牽拉力數(shù)據(jù)的同時(shí)，回調(diào)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)時(shí)間并寫入到幀數(shù)據(jù)中。

圖3 生物力學(xué)數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)主界面Figure 3. Main interface of biomechanical data monitoring system

2.3 冰上專項(xiàng)生物力學(xué)特征的獲取

陸地訓(xùn)練的實(shí)質(zhì)是為冰上能力的提高提供基礎(chǔ)，因此對(duì)陸地力量訓(xùn)練生物力學(xué)特征的評(píng)價(jià)必須以冰上專項(xiàng)作為對(duì)標(biāo)依據(jù)，而如何獲取冰上專項(xiàng)的生物力學(xué)特征數(shù)據(jù)是研究的關(guān)鍵步驟[4]。標(biāo)準(zhǔn)短道速滑場(chǎng)地中，單圈賽道最短滑行距離為111.12 m，其中直道合計(jì)距離為57.7 m，彎道合計(jì)距離為53.42 m，結(jié)合滑行過程中存在的入彎、出彎等直彎道銜接區(qū)域，實(shí)際的彎道滑行距離達(dá)到單圈距離的一半以上，因此彎道滑行是決定短道速滑比賽勝負(fù)的關(guān)鍵要素[5]。如果把冰上彎道滑行狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)員考慮為一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，彎道滑行軌跡為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的圓弧曲線，按照牛頓經(jīng)典力學(xué)中向心力計(jì)算公式：F＝m?v2/R，在同樣的人體質(zhì)量和滑行速度下，與標(biāo)準(zhǔn)速度滑冰場(chǎng)地25 m的最小彎道半徑相比較，短道速滑8 m的彎道半徑會(huì)產(chǎn)生更大的離心作用。而在實(shí)際冰上滑行過程中，彎道滑行軌跡通常是不規(guī)則的半圓弧線[6]，如果運(yùn)動(dòng)員想要從內(nèi)道超越對(duì)手則需要進(jìn)一步縮小滑行半徑R，這必然會(huì)產(chǎn)生更大的離心作用，因此在短道速滑專項(xiàng)力量訓(xùn)練中應(yīng)以提高克服更大的離心作用為目的。

運(yùn)動(dòng)員質(zhì)量、重心瞬時(shí)速度、彎道滑行軌跡是獲取冰上彎道向心力所必需的生物力學(xué)特征數(shù)據(jù)，除體重外，其他兩項(xiàng)指標(biāo)都屬于運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)。一般來說，能夠采集到運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)信息的科研手段主要有三維運(yùn)動(dòng)捕捉、加速度傳感器、慣性測(cè)量單元、無線定位等，但是這些手段都存在不同程度的局限。其中，三維運(yùn)動(dòng)捕捉方法能夠采集到更為精確的運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)，但是現(xiàn)有的三維運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)通常存在采集范圍小的缺點(diǎn)，只能確定所采集區(qū)域的向心力信息，如果想要獲取整個(gè)彎道各個(gè)位置的向心力信息，就必須同步使用其他采集手段。

可以精確獲取滑行速度、軌跡信息的智能冰場(chǎng)系統(tǒng)是解決這個(gè)難點(diǎn)問題的重要方法[7]。智能冰場(chǎng)系統(tǒng)主要運(yùn)用的是基于圖像的目標(biāo)識(shí)別與跟蹤技術(shù)，通過對(duì)連續(xù)圖像幀進(jìn)行目標(biāo)跟蹤，獲取運(yùn)動(dòng)員完整的冰上滑行軌跡，最后由離散的冰上滑行軌跡點(diǎn)二維平面坐標(biāo)計(jì)算得出滑行速度。由于該系統(tǒng)獲取的是每幀圖像中運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的二維坐標(biāo)位置（圖4），屬于連續(xù)輸出的離散點(diǎn)，因此可以基于最小二乘法，在給定的起點(diǎn)、終點(diǎn)區(qū)間進(jìn)行彎道軌跡曲線的圓弧擬合[8]，并最終通過擬合后的圓弧得出滑行半徑。此外，由于智能冰場(chǎng)系統(tǒng)是基于圖像進(jìn)行的目標(biāo)位置測(cè)量而獲取運(yùn)動(dòng)學(xué)信息，不會(huì)對(duì)運(yùn)動(dòng)員的滑行狀態(tài)產(chǎn)生干擾，所以可以排除因采樣設(shè)備本身對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)造成的影響，這對(duì)于還原數(shù)據(jù)背后所隱含的真實(shí)運(yùn)動(dòng)能力與狀態(tài)具有重要意義。

圖4 智能冰場(chǎng)彎道滑行連續(xù)軌跡位置Figure 4. Continuous track position of intelligent ice rink curve skating

3 陸地專項(xiàng)力量訓(xùn)練生物力學(xué)特征的分析

3.1 陸地專項(xiàng)力量與冰上專項(xiàng)生物力學(xué)特征的比較分析

皮筋與布帶牽拉力量訓(xùn)練通常被認(rèn)為是用于提高彎道力量、姿態(tài)等短道速滑專項(xiàng)能力的重要方法[9]，因此對(duì)陸地專項(xiàng)與冰上彎道滑行基本生物力學(xué)特征進(jìn)行對(duì)比分析尤為必要。兩種運(yùn)動(dòng)形式既有聯(lián)系又有差別：從運(yùn)動(dòng)姿態(tài)上看，兩種運(yùn)動(dòng)形式都為傾斜角運(yùn)動(dòng)[10]，即人體軀干中軸線、下肢蹬伸方向均與水平面有一定夾角。從運(yùn)動(dòng)方向上看，冰上滑行是沿逆時(shí)針方向的近似圓周運(yùn)動(dòng)，皮筋與布帶訓(xùn)練則是沿腿部蹬伸水平分量方向的直線運(yùn)動(dòng)。從動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)上看，冰上滑行中主要通過冰刀與冰面接觸進(jìn)行力的傳遞，皮筋與布帶訓(xùn)練中則為足底與地面的摩擦，以及身體軀干與皮筋（布帶）的對(duì)抗；運(yùn)動(dòng)員在冰上滑行主要需要對(duì)抗高速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的離心作用，而在皮筋與布帶訓(xùn)練中則主要需要對(duì)抗水平方向的牽拉力。與陸地牽拉力不同，冰上離心作用無法通過儀器直接測(cè)量，因此只能通過對(duì)蹬冰力量的測(cè)量來間接說明兩種運(yùn)動(dòng)形式的差異。荷蘭研究人員通過在冰刀和刀托結(jié)構(gòu)內(nèi)部構(gòu)建三維力測(cè)量系統(tǒng)來監(jiān)測(cè)實(shí)際的蹬冰力，結(jié)果顯示：蹬冰力由法向力和切向力組成，峰值切向力可以達(dá)到峰值法向力的25%～40%[11]；通過蹬冰力方向的不斷改變，從而使滑冰者能夠按照正弦曲線（直道區(qū)域）或圓弧（彎道區(qū)域）軌跡進(jìn)行快速移動(dòng)。顯然，現(xiàn)有的皮筋與布帶訓(xùn)練同冰上運(yùn)動(dòng)在滑行軌跡、速度上差異明顯，因此也必然具有不同的動(dòng)力學(xué)特征差異。

盡管兩種運(yùn)動(dòng)形式在時(shí)空域存在較大差異，但是兩種運(yùn)動(dòng)形式仍然存在一定的相似性（冠狀面觀測(cè)視角），具體包括：1. 軀干與下肢傾角姿態(tài)；2. 下肢推進(jìn)過程中的蹬伸方向；3. 限制力的方向（向心力或牽拉力）。為此我們可以建立一個(gè)一階自由度簡(jiǎn)化模型[12]，并將運(yùn)動(dòng)員假設(shè)為一個(gè)剛體進(jìn)行分析與討論[13]，簡(jiǎn)化模型見圖5。模型定義運(yùn)動(dòng)員為一個(gè)獨(dú)立的剛體，剛體重心點(diǎn)為G，冰刀與冰面（足部與地面）的接觸點(diǎn)為P；冰上彎道的x軸向心力支撐為FC，運(yùn)動(dòng)員自身重力為mg，蹬冰法向力為FO（方向?yàn)镚點(diǎn)向P點(diǎn)的連線），皮筋或布帶牽拉力為FT，陸地蹬伸法向力為FS（方向?yàn)镚點(diǎn)向P點(diǎn)的連線），P、G兩點(diǎn)連線與x軸的夾角為θ。在不考慮其他外力因素的條件下，當(dāng)運(yùn)動(dòng)員處于姿態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)，可以認(rèn)為蹬冰（伸）法向力所產(chǎn)生的地面反作用力FGRF，在x軸、y軸上形成受力平衡。從中可以得出兩點(diǎn)推論：同一個(gè)運(yùn)動(dòng)員FO與FS的大小取決于FC與FT；假定FO＝FS，F(xiàn)C與FT呈正相關(guān)，因此FS越大則FC越大。由以上兩點(diǎn)推論可以得出：通過增大陸地蹬伸力或牽拉力的方式可以提高冰上滑行中對(duì)抗離心作用的能力，從而實(shí)現(xiàn)更小彎道滑行半徑或更快滑行速度狀態(tài)下的姿態(tài)穩(wěn)定，進(jìn)而保持滑行過程中的領(lǐng)先或?qū)崿F(xiàn)超越。

圖5 冰上彎道滑行與陸地皮筋（布帶）一階自由度簡(jiǎn)化模型Figure 5. Simplified first-order degree of freedom model for skating on ice curve and land rubber bands (cloth straps)

盡管從現(xiàn)實(shí)的觀察與理論模型的推導(dǎo)可以建立冰上與陸地能力的關(guān)聯(lián)，但是仍然需要通過實(shí)際的測(cè)量數(shù)據(jù)分析兩種運(yùn)動(dòng)形式的關(guān)系。下面以武**2021年7月選拔賽中500 m個(gè)人追逐賽第一輪數(shù)據(jù)與同時(shí)期皮筋牽拉力測(cè)試數(shù)據(jù)為例，通過對(duì)關(guān)鍵生物力學(xué)特征數(shù)據(jù)的對(duì)比，來分析冰上與陸地訓(xùn)練存在的差異。其中，冰上滑行生物力學(xué)測(cè)試手段采用無標(biāo)記三維運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)[14]，基于DLT標(biāo)定方法對(duì)短道速滑冰場(chǎng)單側(cè)彎道弧頂區(qū)域進(jìn)行圖像采集并解析，獲得運(yùn)動(dòng)員滑行重心軌跡平面坐標(biāo)與重心移動(dòng)速度，并利用最小二乘圓弧擬合算法計(jì)算彎道滑行半徑，最后利用上文所提到冰上自由度模型推算最大向心力，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 武**每圈單側(cè)彎道生物力學(xué)特征值統(tǒng)計(jì)Table 2 Biomechanical characteristic value of each circle of unilateral curve for WU＊＊

利用陸地專項(xiàng)力量訓(xùn)練生物力學(xué)監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)武**選拔賽前固定式皮筋牽拉力量訓(xùn)練進(jìn)行測(cè)試，訓(xùn)練強(qiáng)度為最大力量輸出，選擇多組間歇訓(xùn)練中用力程度最大的一組進(jìn)行對(duì)比研究。由于訓(xùn)練采用的是皮筋單側(cè)固定的方式，因此阻力的大小完全由運(yùn)動(dòng)員自身控制，最大程度地減少其他外力的影響。該組訓(xùn)練共持續(xù)了4個(gè)牽拉幅步，利用陸地專項(xiàng)力量采集裝置獲取牽拉力連續(xù)測(cè)量值，并結(jié)合系統(tǒng)同步圖像對(duì)左右兩側(cè)用力情況進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，皮筋牽拉力峰值見表3。

表3 武**單組固定式皮筋牽拉力峰值統(tǒng)計(jì)Table 3 Statistics of peak pulling force of single group fixed rubber band for WU＊＊

通過冰上和陸地兩組數(shù)據(jù)的對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)陸地皮筋牽拉力實(shí)測(cè)峰值僅達(dá)到冰上向心力計(jì)算值峰值的46.4%，這表明盡管兩種運(yùn)動(dòng)形式都是傾角運(yùn)動(dòng)，但是峰力值仍然存在較大差異。因此對(duì)陸地專項(xiàng)的訓(xùn)練監(jiān)控并不能簡(jiǎn)單地按照冰上向心力的范圍來設(shè)計(jì)訓(xùn)練內(nèi)容中牽拉力的量化強(qiáng)度，需要構(gòu)建更為客觀的監(jiān)控指標(biāo)評(píng)價(jià)方法。

3.2 陸地專項(xiàng)力量訓(xùn)練質(zhì)量的評(píng)價(jià)

3.2.1 雙側(cè)牽拉力平衡性評(píng)價(jià)

由于短道速滑項(xiàng)目是按照逆時(shí)針方向進(jìn)行滑行，從以往冰上滑行蹬冰足底壓力測(cè)試結(jié)果來看，右腿的單支撐時(shí)間略高于左腿[15]，因此短道速滑運(yùn)動(dòng)員的右腿專項(xiàng)力量一般要略強(qiáng)于左腿，但是當(dāng)左右腿力量平衡性嚴(yán)重不足時(shí)，就會(huì)對(duì)運(yùn)動(dòng)員的專項(xiàng)能力造成一定影響。在陸地專項(xiàng)力量訓(xùn)練中，要著重關(guān)注運(yùn)動(dòng)員雙側(cè)牽拉力量的平衡發(fā)展?；谏衔奶岬降年懙仄そ钆c布帶牽拉訓(xùn)練中發(fā)力腿蹬伸力與牽拉力的正相關(guān)關(guān)系，推定雙側(cè)牽拉力平衡度指數(shù)計(jì)算公式，設(shè)為公式1。

研究利用陸地專項(xiàng)力量生物力學(xué)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)短道速滑國(guó)家集訓(xùn)隊(duì)中部分運(yùn)動(dòng)員陸地行進(jìn)間布帶訓(xùn)練進(jìn)行了雙側(cè)牽拉力平衡度測(cè)試，測(cè)得每名運(yùn)動(dòng)員雙側(cè)各5個(gè)單步的布帶峰值牽拉力，并按照公式1得出每名運(yùn)動(dòng)員的牽拉力平衡度指數(shù)（表4、5）。

表4 男子運(yùn)動(dòng)員雙側(cè)布帶行進(jìn)間牽拉力平衡性評(píng)估Table 4 Assessment of the balance of the pulling force between two sides of the cloth straps for male athletes

表5 女子運(yùn)動(dòng)員雙側(cè)布帶行進(jìn)間牽拉力平衡性評(píng)估Table 5 Assessment of the balance of the pulling force between two sides of the cloth straps for female athletes

在全部17名運(yùn)動(dòng)員中，有4名運(yùn)動(dòng)員的平衡度指數(shù)達(dá)到并超過10%，其中男子組平衡度指標(biāo)達(dá)到10%的人數(shù)占比要高于女子組，更需要提高左側(cè)布帶牽拉力強(qiáng)度。此外，作為動(dòng)力學(xué)指標(biāo)，峰值力與體重的比值也是運(yùn)動(dòng)員專項(xiàng)力量訓(xùn)練負(fù)荷強(qiáng)度的重要參考，從男女運(yùn)動(dòng)員相對(duì)峰值力均值上看，在同樣的訓(xùn)練要求下，部分男子運(yùn)動(dòng)員需要提高負(fù)荷強(qiáng)度。

3.2.2 雙側(cè)發(fā)力姿態(tài)評(píng)價(jià)

在短道速滑項(xiàng)目中，運(yùn)動(dòng)員在入彎道區(qū)域的滑行動(dòng)作及速度控制具有重要的技戰(zhàn)術(shù)意義[16]。從戰(zhàn)術(shù)角度看，該區(qū)域的速度和方向決定了能否封住跟滑運(yùn)動(dòng)員的超越路線以及自身能否完成超越路線的控制，同時(shí)也決定了出彎道時(shí)的路線和速度[17]。從專項(xiàng)能力上看，運(yùn)動(dòng)員需要在該區(qū)域完成直道動(dòng)作與彎道動(dòng)作的轉(zhuǎn)換，即身體姿態(tài)上要繞人體矢狀軸形成一定角度的偏轉(zhuǎn)，在進(jìn)行滑行方向快速轉(zhuǎn)變的同時(shí)，身體以向心運(yùn)動(dòng)形式來對(duì)抗彎道滑行產(chǎn)生的離心作用[18]。因此，能否在對(duì)抗較大離心作用的同時(shí)實(shí)現(xiàn)身體姿態(tài)的快速轉(zhuǎn)換，是冰上和陸地訓(xùn)練的重要評(píng)估方向?；谏鲜雠袛嘁罁?jù)，結(jié)合前文所述的一階自由度力學(xué)模型，可以認(rèn)為重心G與單側(cè)發(fā)力地面接觸點(diǎn)P的連線繞P點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度是運(yùn)動(dòng)員入彎道專項(xiàng)能力的評(píng)估量化依據(jù)。設(shè)單側(cè)發(fā)力過程中人體重心降至最低狀態(tài)時(shí)刻為T1，蹬伸腿完成發(fā)力后膝關(guān)節(jié)完全打開狀態(tài)時(shí)刻為T2；根據(jù)線GP與水平面夾角為θ，則T1時(shí)刻夾角為θ1，T2時(shí)刻夾角為θ2，得出單側(cè)發(fā)力下壓角速度計(jì)算公式，設(shè)為公式2。

研究采用攝像機(jī)光學(xué)中軸線垂直于人體冠狀面的方式，對(duì)布帶訓(xùn)練過程中運(yùn)動(dòng)員雙側(cè)下壓角速度進(jìn)行圖像采集，之后利用二維圖像解析的方法測(cè)得運(yùn)動(dòng)員每個(gè)蹬伸幅步的θ1與θ2，最后按照公式2，合并得出運(yùn)動(dòng)員雙側(cè)下壓角速度（表6、7）。

表6 男子運(yùn)動(dòng)員雙側(cè)布帶行進(jìn)間訓(xùn)練姿態(tài)評(píng)估Table 6 Assessment on the training posture of men's athletes during bilateral walking

表7 女子運(yùn)動(dòng)員雙側(cè)布帶行進(jìn)間訓(xùn)練姿態(tài)評(píng)估Table 7 Assessment on the training posture of women's athletes during bilateral walking

為更清晰地發(fā)現(xiàn)群體間雙側(cè)下壓角速度的差異，采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法對(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。統(tǒng)計(jì)方法包括：應(yīng)用配對(duì)樣本T檢驗(yàn)比較同性別運(yùn)動(dòng)員左右側(cè)下壓角速度間的差異，應(yīng)用獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)比較不同性別運(yùn)動(dòng)員同側(cè)下壓角速度間的差異。所有統(tǒng)計(jì)學(xué)分析均采用SPSS 26軟件完成，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表8。

表8 男女運(yùn)動(dòng)員行進(jìn)間發(fā)力角速度差異性檢驗(yàn)Table 8 Test on the difference of the power angle velocity of the cloth strap between male and female athletes

統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著性的定義為一類錯(cuò)誤概率不大于0.05。結(jié)果顯示：無論是男子還是女子運(yùn)動(dòng)員，左右側(cè)下壓角速度均有顯著性差異（P＜0.05），且右側(cè)下壓角速度要普遍大于左側(cè)，但是不同性別運(yùn)動(dòng)員同側(cè)下壓角速度間無顯著性差異。從運(yùn)動(dòng)員個(gè)體下壓角速度上看，在抗阻狀態(tài)下武**的雙側(cè)角速度均明顯高于其他運(yùn)動(dòng)員。上述結(jié)果表明，由于短道速滑項(xiàng)目特點(diǎn)所致，運(yùn)動(dòng)員右側(cè)專項(xiàng)能力普遍好于左側(cè)，但是仍然需要減少兩側(cè)能力不均衡的問題，并需要在陸地訓(xùn)練中著重加以解決。

4 結(jié)語

陸地專項(xiàng)力量訓(xùn)練采集裝置及軟件系統(tǒng)彌補(bǔ)了長(zhǎng)期以來短道速滑專項(xiàng)訓(xùn)練缺乏量化手段的問題，可以較為精確地獲取陸地專項(xiàng)訓(xùn)練的動(dòng)力學(xué)信息，并為陸地與冰上專項(xiàng)能力的關(guān)聯(lián)特征研究提供數(shù)據(jù)依據(jù)。陸地皮筋與布帶訓(xùn)練同冰上專項(xiàng)能力存在正相關(guān)，但陸地訓(xùn)練中的牽拉力峰值與冰上彎道向心力峰值有較大差距。從陸地專項(xiàng)訓(xùn)練情況上看，我國(guó)高水平運(yùn)動(dòng)員的雙側(cè)力量平衡性更好，但在發(fā)力過程中的下肢動(dòng)作速度方面存在雙側(cè)差異性較大的問題，需要在動(dòng)作細(xì)節(jié)處理上予以加強(qiáng)。此外，作為影響滑行效能核心問題的重心控制也應(yīng)是陸地訓(xùn)練監(jiān)控的關(guān)鍵問題。

陸地專項(xiàng)力量訓(xùn)練采集裝置及軟件系統(tǒng)量化作用突出，但在分析功能、圖像同步精度等方面仍然需要完善。對(duì)于陸地與冰上專項(xiàng)力學(xué)特征差異性根源的探究，需要建立更為復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)模型并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。在陸地訓(xùn)練監(jiān)控中引入三維運(yùn)動(dòng)分析研究方法，把牽拉力峰值狀態(tài)下的重心與足部同地面接觸點(diǎn)的三維位置關(guān)系作為生物力學(xué)監(jiān)控的關(guān)鍵參數(shù)。研究在數(shù)據(jù)的精度、維度以及實(shí)驗(yàn)條件等方面具有提升空間，未來可以通過運(yùn)用三維運(yùn)動(dòng)捕捉、測(cè)力臺(tái)、表面肌電等更為精確的運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)科研設(shè)備及手段，建立陸地皮筋與布帶訓(xùn)練同冰上滑行專項(xiàng)能力之間更為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)年P(guān)聯(lián)關(guān)系。