擊劍弓步中膝、髖關節生物力學表現與弓步速度的灰色關聯分析

管延飛，郭黎，吳娜娜，姜芹先，趙述強

●專題研究Special Lecture

擊劍弓步中膝、髖關節生物力學表現與弓步速度的灰色關聯分析

管延飛1，郭黎1，吳娜娜1，姜芹先1，趙述強2

探討擊劍運動員雙側下肢膝、髖關節在弓步過程中，生物力學表現對弓步速度的影響。14名擊劍運動員以最快速度完成原地弓步動作，同步采集運動學數據和地面反作用力，運用Visual 3D軟件計算運動員弓步速度及下肢膝、髖關節生物力學參數，對運動員弓步動作重心水平速度峰值和其影響因素進行灰色關聯分析。結果：弓步動作中各因素對重心水平速度峰值的影響程度依次為，后膝關節活動范圍＞后膝關節伸峰功率＞后髖關節活動范圍＞前髖關節活動范圍＞前膝關節活動范圍＞前髖關節屈峰功率＞后髖關節伸峰功率＞前膝關節伸峰功率。結論：后膝關節活動范圍及峰功率是弓步速度的主要影響因素，雙側髖關節和前膝關節的關節活動范圍同樣能夠對弓步速度產生重要影響。

擊劍；弓步速度；生物力學；灰色關聯分析

弓步技術是擊劍運動員重要的專項技術。研究表明，擊劍比賽中男子運動員平均每23.9 s使用一次弓步，女子運動員平均每20 s就會使用一次弓步，如此高的使用率決定了弓步技術是影響擊劍比賽勝負的關鍵因素之一[1-2]。弓步質量的高低與運動員競技水平關系密切，而弓步速度和距離是評價擊劍弓步質量的重要指標[1，3]。多數研究表明，擊劍弓步動作中雙側下肢膝、髖關節的運動學和動力學表現是影響運動員弓步速度的主要因素[4-6]。其中，后腿和前腿分別在弓步動作中發揮著不同的作用，后腿伸肌肌群的快速收縮是弓步向前驅動力的主要來源，而前腿的快速伸膝可配合后腿蹬地維持弓步速度[4]。在弓步加速階段，后腿膝、髖關節伸肌為主要收縮肌肉，后腿伸肌在短時間內產生更大的收縮力量可獲得速度更快、距離更長的弓步[5]。BOTTOMS等[6]在對擊劍運動員弓步動作中下肢關節的運動學表現進行研究后發現，后腿膝關節和雙側髖關節的活動范圍對弓步速度影響顯著。另有研究發現，優秀運動員前腿膝關節在弓步動作中的活動范圍與擊劍初學者存在顯著差異[7]。然而，各影響因素對弓步速度的影響程度目前少有研究。

灰色系統理論中的灰色關聯分析法能夠對事物之間的相互關聯程度進行定量分析，根據因素之間發展趨勢的相似、相異程度衡量其關聯度[8]，且研究對象可以是信息量較少的小樣本，能夠彌補多元線性回歸分析需要大樣本量數據和必須具有典型概率分布的不足[9]。彭道福等[10]采用灰色關聯分析法對擊劍運動員弓步動作中后腿踝、膝關節的角度、角速度和力矩峰值等指標與弓步速度的關聯度進行計算，旨在研究不同因素對弓步速度的影響程度。然而，擊劍運動員在弓步準備姿勢中后腳方向垂直于進攻方向，踝關節伸肌的活動可能會因此受到限制，不能完全發揮作用[11]。相比于踝關節，運動員后腿膝、髖關節伸肌在弓步中的作用更加顯著[11]。因此，本研究選取擊劍運動員弓步動作中雙側膝、髖關節峰功率和關節活動范圍分別作為動力學和運動學影響因素，采用灰色關聯分析法分析上述指標對運動員弓步速度的影響程度，探討弓步速度的主要影響因素，為擊劍運動員提高弓步質量提供參考依據。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

上海市男子擊劍隊及某體育學院專業擊劍運動員共16人，其中5人為國家健將，4人為一級運動員，7人為二級運動員。受試者平均年齡（22.90±2.13）歲，平均身高（1.88±0.06）m，平均體重（79.38±9.95）kg，平均訓練年限（6.75±2.18）年。

1.2 研究方法

1.2.1 測試方案測試之前受試者進行5 min慢跑，跑步機速度為6.5 km/h，慢跑完畢后進行5 min拉伸活動。正式測試時，受試者以實戰姿勢面向劍靶，雙腳分別位于2塊測力臺上。根據受試者身高設置劍靶距離，使靶面與運動員前腳腳尖水平距離為1.5倍身高[12]。要求受試者持劍以最快速度弓步刺靶（見圖1），每個受試者試刺5次，正式測試時對受試者弓步動作運動學數據和地面反作用力進行同步采集。正式測試成功采集至少6次，選取速度最快的3次進行分析。

圖1 本研究受試者弓步動作Figure 1 Fencing lunge of the subject

1.2.2 所用儀器和評價參數采用英國生產的16鏡頭紅外高速運動捕捉系統（NEXUS1.6，采樣頻率為100 Hz）和瑞士生產的KISTLER三維測力臺（型號9287B，內置信號放大器，本試驗采樣頻率為1 000 Hz）對受試者弓步動作運動學數據和地面反作用力進行同步采集。

1.2.3 數據處理使用Visual3D（C-Motion，Inc.，Germantown，MD，USA）軟件對試驗采集數據進行計算。運動學數據和GRF濾波采用4th-order Butterworth低通濾波，截止頻率分別為12 Hz和100 Hz[13]。在Visual3D中構建14環節人體模型[14]，根據人體慣性參數[15]確定人體重心位置，以重心在水平方向的速度峰值代表弓步速度。使用Visual3D軟件計算受試者下肢三維運動學和

動力學數據（采用右手法則）。角速度、力矩、功率等指標，膝、髖關節屈定義為負值（-），伸定義為正值（+）。弓步動作起點定義為前腳離開地面瞬間，動作終點定義為前腿膝關節伸達最大角度。以運動員持劍手側下肢為弓步動作前腿，對側為后腿。

1.2.4 選取指標（1）弓步過程中運動員身體重心水平方向速度峰值（Horizontal Maximal Velocity of Center of Gravity，HV-max），單位為米/秒（m/s）；（2）經體重標準化的后腿蹬地獲得的水平方向地面反作用力（HorizontalGroundReactionForce，GRF），單位為體重（BW）；（3）關節活動范圍（Range of Motion，ROM）：選取運動員弓步動作中膝、髖關節在矢狀面的活動范圍，單位為度（°）；（4）經體重標準化后的關節功率峰值（Peak Joint Power，PP），分別為運動員弓步動作中雙側膝關節伸峰功率、后側髖關節伸峰功率以及前側髖關節屈峰功率經體重標準化后的結果，單位為瓦/千克（W/kg），為便于后期灰色關聯分析中的數據計算，本研究前側髖關節屈功率峰值取絕對值；（5）關節最大活動幅度到達時間（Time to Knee and Hip Maximal Range of Motion，TROM），關節峰功率到達時間（Tine to Knee and hip Peak Power，TPP），單位為秒（s）。

1.2.5 分析方法灰色系統理論是處理少數據、不確定性問題的理論，灰色關聯分析是能夠對事物之間相互關聯程度進行定量分析，根據因素之間發展趨勢的相似、相異程度衡量因素之間關聯度的方法[8]。灰色關聯分析法的特點能夠彌補多元線性回歸分析需要大樣本量和具備典型概率分布的不足[9]。本研究采用灰色關聯分析法對擊劍運動員弓步過程中雙側下肢膝、髖關節活動范圍和功率峰值等指標與重心水平速度峰值的關聯度進行計算，按各因素對弓步水平速度峰值的影響程度進行排序。

2 擊劍弓步動作階段劃分

擊劍弓步動作從準備姿勢開始，可分為連續的6個階段（見圖2）[2]。a：準備姿勢，持劍手同側下肢為前腿，異側為后腿，身體重心在兩腿之間；b：持劍手肘關節伸，前腳離地；c：后腿開始蹬地，身體重心開始前移；d：后腿持續蹬地，后側膝關節伸達最大幅度，前腿快速向前擺動，身體重心加速前移；e：后腳離地，身體處于騰空階段，前腿膝關節伸達最大幅度，重心繼續前移；f：前腳落地，弓步進入制動階段。整個弓步動作快速連貫，使運動員重心能夠在短時間內快速靠近對手。弓步動作中，運動員雙側膝、髖關節峰功率的出現時間應在后腿伸膝達最大幅度（0.99±0.22）s之前，且各關節峰功率出現時間極為接近（見表1）。運動員弓步動作中，雙側膝、髖關節峰功率出現時間應在圖中c-d階段，即從運動員后腿開始蹬地到后腿伸膝至最大程度的階段（見圖2，表1）。

圖2 擊劍弓步動作階段劃分示意圖[2]Figure 2 Schematic of the sequence of a fencing lunge

表1 本研究選取指標峰值對應時刻Table1Corresponding moment for selected variables

3 關聯度計算

選取每位受試者測試中HVmax值最大的3次弓步動作，計算3次動作中各指標的平均值（見表2）。3.1 確定參考序列和比較序列

表2 運動員弓步重心峰速度，雙側膝、髖關節活動范圍、峰功率Table 2 HVmax，ROM and PP of knee and hip joints

設Y0（K）為參考序列，代表HVmax。X1（K），X2（K），X3（K），X4（K），X5（K），X6（K），X7（K），X8（K）為8個比較序列，依次代表弓步動作中運動員后膝ROM、前膝ROM、后髖ROM、前髖ROM、后膝PP、前膝PP、后髖PP和前髖PP。序列K=1，2，…，16依次代表16名運動員，用均值化對原始數據進行無量綱化處理之后得到的均值化數列[16-17]見表3。

3.2 計算參考序列和比較序列的絕對差

計算參考序列和比較序列的絕對差[17-18]，兩極最小絕對差值min|Y0（K）-Xi（K）|=0.001 4，兩極最大絕對差值max|Y0（K）-Xi（K）|=1.065 4（見表4）。

3.3 計算關聯系數

依據公式：χ0i（K）=（Δmin+ρ×Δmax）/（Δ0i+ρ×Δmax），分辨系數ρ=0.5[16-18]。

3.4 計算關聯度和權重

依據關聯度公式

權重系數公式

4 研究結果

結果顯示，本研究所選取各指標對運動員弓步動作HVmax指標的影響程度依次為后膝ROM>后膝PP>后髖ROM＞前髖ROM>前膝ROM>前髖PP>后髖PP>前膝PP（見表5、表6）。

表4 參考序列和比較序列絕對差Table 4 Absolute difference between reference sequence and comparison sequence

表5 運動員各指標關聯系數Table 5 Comparison of correlation coefficient

5 討論與分析

5.1 關聯排序對比分析

目前，國內外對于擊劍弓步的研究多集中于運動員弓步前、后腿運動學和動力學表現的比較及其與弓步速度的相關性。大多研究認為，擊劍運動員弓步動作中后腿的動力學表現是弓步速度的決定因素[4-5，20]。本研究結果顯示，運動員弓步動作中，后膝PP在關聯度排序中為第2位，是影響弓步速度的主要因素之一。與前人研究結果不同的是，除后膝PP外，本研究運動學指標的關聯度排名均高于動力學指標，運動學指標關聯度大小依次為后膝ROM>后髖ROM>前髖ROM>前膝ROM，說明下肢雙側膝、髖關節的關節活動范圍等運動學因素同樣對弓步速度有重要影響。導致結果差異的原因可能是，多數研究只要求受試者以最快速度做向前弓步，并沒有設置弓步距離和目標，且受試者未持劍，為了做出最快速度的弓步，受試者可能會選擇距離較近的短弓步，而長距離大幅度弓步和近距離快節奏弓步對受試者下肢關節運動幅度的要求可能并不一樣。本研究在咨詢運動員和教練員后，結合擊劍比賽中運動員發動弓步的距離，將劍靶設置在距離運動員準備姿勢前腳腳尖1.5倍身高處[12]。在這一距離下的弓步為長弓步，要求運動員在后腿快速蹬地為弓步提供較大驅動力的同時[21-23]，雙側膝、髖關節加大運動幅度來延長弓步驅動力的作用時間，從而提高弓步速度，增大弓步距離。結合前人研究結果，本研究認為，擊劍運動員后腿膝關節在弓步動作中的關節活動范圍及伸膝峰功率是弓步速度的主要影響因素，雙側髖關節和前側膝關節的關節活動范圍同樣能夠對弓步速度產生重要影響。

表6 弓步重心水平速度峰值各影響因素關聯度、權重Table 6 Comparison of correlation degree and weight coefficient in all influence factors

5.2 膝、髖關節動力學表現對弓步速度影響的關聯度分析

在擊劍弓步速度影響因素的研究中，運動員后腿的動力學表現一直是研究熱點。在擊劍弓步動作中，運動員后腿蹬地產生地面反作用力在水平方向的分力是弓步向前的驅動力[21-23]，而后腿膝、髖關節的動力學表現是影響弓步驅動力大小的關鍵[8]。GUILHEM等[5]對10名優秀擊劍運動員弓步動作中雙側下肢主要肌肉的活動進行肌電測試并分析后發現，后腿膝、髖關節伸肌是弓步加速階段進行收縮的主要肌肉，且后腿膝、髖關節伸肌最大等速向心肌力與弓步水平速度峰值顯著相關（r=0.60～ 0.81）。另外，CRONIN等[23]對31名擊劍運動員的力量、靈活性、人體測量學等指標與其弓步峰速度進行多元線性回歸分析后發現，后腿膝關節伸肌最大等速肌力到達時間是預測弓步速度的最佳指標。本研究結果顯示，運動員弓步過程中，后膝PP在關聯度排序中列第2位，前髖PP、后髖PP和前膝PP在關聯度排序中位列最末3位?？梢娫趽魟絼幼髦校\動員后膝關節所能達到的最大伸膝功率是影響弓步速度的主要動力學因素，其貢獻明顯高于雙側髖關節和前膝關節的動力學表現。本文認為，相比于髖關節和前腿膝關節，運動員后腿膝關節在弓步動作的動力學表現對弓步驅動力的影響更加明顯。優秀擊劍運動員后腿膝關節伸肌具有較強的爆發力，能夠在快速伸膝蹬地時產生較大的伸膝功率，從而在后腿蹬地時獲得較大的水平方向地面反作用力，加速弓步向前，使弓步速度達到較高水平。

5.3 膝、髖關節運動學表現對弓步速度影響的關聯度分析

5.3.1 膝關節活動范圍對弓步速度影響的關聯度分析目前，對擊劍運動員弓步動作中后腿膝關節運動學方面的研究多集中在準備姿勢及落地時的后腿膝關節角度。彭道福等[10]對12名擊劍運動員的弓步速度與其影響因素進行灰色關聯分析后發現，準備姿勢中后膝關節角度是影響弓步速度的重要因素，推測運動員降低重心減小弓步準備姿勢中的膝關節角度有利于提高弓步速度。然而，在節奏極快的擊劍比賽中，運動員很難控制弓步準備姿勢中的膝關節角度，研究弓步準備姿勢中運動員下肢關節角度對弓步速度的影響可能有一定的局限性[24]。本研究選取擊劍運動員弓步動作中膝、髖關節的活動范圍作為弓步速度的運動學影響因素，結果顯示，后膝ROM在所有因素的關聯度排序中列第1位，說明運動員在弓步動作中加大后膝關節活動范圍、充分蹬伸后腿有利于提高弓步速度，此結果與前人研究結果相似。ZHANG等[25]通過分析擊劍弓步動作后發現，運動員弓步落地時后膝關節角度平均在170°以上，后腿基本接近伸直。本文認為，運動員弓步過程中后腿快速蹬地獲得水平方向地面反作用力的大小是弓步速度的決定性因素[21，23]，而后膝關節充分的伸展有助于延長后腿蹬地的時間，從而延長蹬地獲得水平方向地面反作用力的作用時間，因此延長弓步加速的時間，有利于提高弓步速度。

近年來，擊劍弓步動作中運動員前腿膝關節的運動方式引起了研究者的注意。GHOLIPOUR等[7]發現，優秀擊劍運動員弓步動作中前腿的伸膝程度高于初學者。舒建平等[20]認為，擊劍運動員弓步動作中前腿的大幅度擺動可以延長后腿蹬地力的作用時間，配合后腿蹬地將弓步速度維持在較高水平。本研究結果顯示，運動員弓步動作中，前膝關節活動范圍與弓步重心水平峰速度關聯度為0.735 0，與排序在第4位的前髖關節活動范圍關聯度（r=0.735 2）接近。認為，前膝關節在弓步動作中的活動范圍同樣是影響擊劍運動員弓步速度的重要因素之一。在弓步動作開始后，運動員后腿快速蹬地獲得弓步向前的驅動力，而此時前腿膝關節的大幅度伸展能避免前腿過早落地，使后腿蹬地獲得的驅動力能完全作用于加速運動員重心向前。另外，前膝關節的大幅度伸展可能有助于延長運動員弓步動作的騰空時間，有利于將弓步峰速度維持更長時間。

5.3.2 髖關節活動范圍對弓步速度影響的關聯度分析在擊劍弓步啟動后，運動員后側髖關節伸配合后腿蹬地使身體重心向前移動，前側髖關節屈使前側大腿抬起，前腳離地，為前膝關節的大幅度伸展創造條件。結果顯示，后側和前側髖關節的活動范圍在所有影響因素關聯度排序中為3、4位，提示運動員雙側髖關節在弓步動作中的活動范圍對弓步速度貢獻明顯。周繼和等[26]認為，在后腿接近伸直的狀態下，后側髖關節的大幅度伸展可以減小后腿與地面的夾角，使后腿蹬地獲得的地面反作用力在水平方向上的分力加大，從而增大弓步向前的驅動力，提高弓步速度。然而，目前對擊劍運動員弓步動作中前側髖關節的運動學研究較為少見。BOTTOMS等[6]使用Visual3D軟件對弓步運動學數據進行計算并分析后認為，運動員弓步動作中前側髖關節活動范圍與弓步速度顯著相關，前側髖關節屈的程度越大，說明其前側下肢的運動越主動，隨后前腿向前擺動的幅度可能更大。根據運動學原理，擊劍運動員弓步動作中前側髖關節屈的范圍由軀干前傾程度和前側大腿向上的運動幅度共同影響。認為，弓步過程中軀干的積極前傾能帶動運動員身體總重心前移，有助于重心速度的提高。屈髖動作能夠使大腿向上運動，帶動前腿離地，從而使運動員身體向前移動。另外，運動員前側大腿向上的大幅度運動為前腿隨后的大幅度伸膝創造了條件，使前側膝、髖關節協調運動，共同配合后腿蹬地提高弓步速度。

6 結論與建議

擊劍運動員后腿膝關節在弓步動作中的關節活動范圍及伸膝峰功率是弓步速度的主要影響因素，雙側髖關節和前側膝關節的關節活動范圍同樣能夠對弓步速度產生重要影響。提示，發展弓步后腿膝關節伸肌爆發力，并在弓步動作中增大雙側膝、髖關節的關節活動范圍，有助于提高擊劍運動員的弓步速度。

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BiomechanicsofKneeandHipJointsDeterminingFencingLungeVelocity：AGrayCorrelationAnalysis

GUAN Yanfei1，GUO Li1，WU Nana1，JIANG Qinxian1，ZHAO Shuqiang2
（1.Joint Key Lab of Exercise by Province and Ministry，Shanghai University of Sport，Shanghai 200438，China；2.School of PE，Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266590，China）

To investigate contribution of biomechanics of knee and hip joints to lunge speed when performing fencing lunge，14 professional fencers were asked to perform fencing lunges as fast as possible.Kinematics and ground reaction force of both legs were recorded during lunge movements.The range of mo?tion（ROM）and peak power（PP）of knee and hip joints in both sides during lunges were calculated with Visual3D software.A grey correlation analysis was conducted to determine the contribution of these variables to maximal horizontal speed of center of gravity（HVmax）.The results showed that factors account?ed for HVmax were presented as following：ROM of rear knee joint>PP of rear knee joint>ROM of rear hip joint>ROM of fore hip joint>ROM of fore knee joint>PP of fore hip joint>PP of rear hip joint>PP of fore knee joint.Conclusion：ROM and PP of rear knee joint are the dominant factors associated with lunge speed.ROM of fore knee joint and both hip joints are also important factors influencing lunge speed.

fencing；speed of lunge；biomechanics；grey correlation analysis

G 804.6

：A

1005-0000（2014）06-501-05

10.13297/j.cnki.issn1005-0000.2014.06.008

2014-09-15；

2014-11-06；錄用日期：2014-11-07

上海體育學院研究生國（境）外訪學項目（項目編號：stfx20140205）

管延飛（1988-），男，山東青島人，在讀碩士研究生，研究方向為優秀運動員訓練監控。

1.上海體育學院運動科學學院，上海200438；2.山東科技大學體育學院，山東青島266590。