基于三維動態測量的網球運動狀態下人體上肢防護研究

韓 煥，彭紹群，吳大偉，謝 紅

（上海工程技術大學，上海201620）

隨著網球運動的普遍開展，網球運動服的需求也出現不斷上升的趨勢。目前對于網球運動服的研究主要集中于外觀設計以及通過多種面料的結合來達到網球運動服裝吸濕快干的效果，其研究手段從最初的研究靜止人體特征而轉化到通過結合網球運動的動態特點來研究設計網球運動服裝。但是，這些研究只僅限于人體舒適性范圍的研究，對于網球運動服的研究還沒有上升到防護性能范疇。

因此，本文通過測量人體各關節點運動的三維坐標數據的變化，將其轉化為人體關節運動的生物力學參數，為進一步設計具有防護性能的網球運動服提供理論基礎。

1 實驗部分

實驗對象：網球熟練者與網球初學者各5人。

實驗動作：通過參考《網球入門寶典》、《網球技巧圖解》等網球專業書籍，確立實驗動作為上拋式發球動作。

實驗工具：NDI三維動態測量系統，網球拍，網球。

實驗對象著裝要求：

（1）上身著運動背心，露出手臂及腰部；下身著運動短褲，運動鞋；實驗對象身上不佩戴任何飾品。

（2）女生頭發盤起以免掉落肩部影響實驗數據。

實驗設計：

（1）實驗包括運動過程中三維數據捕捉以及數據的客觀計算分析。

本實驗主要探究人體運動過程中人體上肢各關節部位的運動損傷情況，因此在人體肩部，肘部內外側，腕部內外側黏貼標記點，記為mark1.2.3.4.5。

（2）在地面做站立標記點，以確保每位實驗者都站在同一位置向同一面墻壁的同一目標點進行上拋式發球實驗（實驗者在進行正式實驗之前，進行半個小時熱身以及熟悉發球過程，以確保在實驗中能夠較準確地將球打擊在目標位置），從而能夠確保數據的精確性。

（3）實驗分組：實驗采集分為10組，每組人員進行沒有戴護具的空手發球，以及戴1號護腕、2號護腕、3號護腕等三組帶球發球動作即每位實驗者要做4組實驗，每組實驗連續做10遍，采集后挑選最穩定的5次進行后續數據分析。每組采集時間為2s，在運用三維動態捕捉系統采集數據同時，架有高清攝像機同時攝錄實驗過程。

2 結果分析

2.1 數據預處理

三維動態捕捉系統原點定義在攝像頭探測范圍內的空間某一點，規定人體面向攝像頭站立是前后方向為X軸，左右方向為Y軸，上下方向為Z軸。

根據在實驗時與三位動態捕捉系統同時設立的高清攝像機視頻資料，在實驗進行的2s過程中，0～0.5s之間是實驗對象從側身至揮拍的過程，因此本實驗截取此段時間數據進行分析。

2.2 結果與分析

根據網球運動力學原理，在鞭打動作過程中，主要通過動量矩的傳遞來實現末端環節最大動量的獲得。末端環節即肩部，因此，在鞭打動作過程中，正確的方式應是借助于肩部的力量來帶動整條手臂的力量從而打出有效的球。運用肩部的力量可以減緩手腕以及手肘部的力量負擔，正確的鞭打動作可以避免手腕及手肘受到較大的傷害。

在前0.5s制動階段，從圖1中可以看出，熟練組與初學組在這一過程中上肢各關節產生的動量順序呈相反狀況，熟練組在末端環節即肩部產生了最大動量來帶動整個手臂的擊打行為，而初學組則是依靠手腕部的力量來進行擊打行為，并且在數據中可看出，熟練組產生的動量遠小于初學組產生的動量，熟練組運用正確的動量傳導過程，利用遠小于初學組的動量，達到了與其相同的擊球效果。

圖1 制動環節中兩組實驗者上肢肩部，肘部，腕部各動量大小比較

從上述結果中可以看出，網球初學者在對擊打動作不熟悉的情況下，沒有經過系統的指導與訓練，很容易因為發力部位不準確等原因而頻繁使用肘部與腕部的力量擊球，從而導致肘部與腕部負擔過重產生損傷。針對初學者發力部位集中于腕部這一特征，對初學者進行了佩戴護腕的實驗。通過比較佩戴不同彈性護腕后初學者上肢各部位情況來驗證護腕對人體的防護效果，并將在后續的服裝設計開發中參考這一結果來選擇有效面料。

通過對比市場所售的護腕面料及款式，挑選三種相同厚度不同彈性的護腕作為本次實驗的研究對象，1號實驗護腕是現在市場上最常見的棉質護腕，2號實驗護腕為國內某品牌生產的彈性護腕，3號實驗護腕為美國某知名護具品牌生產的纏繞式護腕，在實驗之前對于三款護腕的基本參數進行了測量（見表1）。

表1 三款護腕的基本參數

從表1中可以看出，三款護腕中2號護腕的彈性回復率明顯優于其他兩款護腕，而其他兩款護腕的彈性性能相差不大。因此，此次實驗用防護護具是否具有有效的防護性能主要通過其彈性回復率這一性能參數來顯示。

運用與之前一樣的分析方法，將初學組佩戴3個型號的護腕后制動環節的上肢各部位產生動量大小進行比較（見圖2）。從圖中可以看出，雖然在此次實驗中初學組在制動環節上肢各部位的動量傳遞順序還沒有矯正，但是可以明顯看出，各個關節產生的動量小于沒有佩戴護腕時產生的動量。

圖2 制動環節中初學組實驗者佩帶護腕后上肢肩部，肘部，腕部各動量大小比較

表2 各部位佩戴護腕后動量減少量（與無護腕比較）

從表2中可看出，佩戴護腕后手腕部位動量減少最明顯，而其中2號護腕的減少量明顯大于其他兩個護腕，結合之前的護腕面料基本參數，可以得知，佩戴護腕在防護人體方面的確有一定的效果，并且防護效果與護腕的彈性回復率呈正相關。

3 結論

本文分別對兩組不同競技水平的網球愛好者進行了三維動態測量實驗動態實驗，實驗主要比較了網球熟練者與初學者之間在制動環節人體上肢的動量傳導過程，通過比較來觀察初學者較易損傷部位。并且通過佩戴護腕實驗來驗證護腕對人體的防護作用，以及防護作用與護腕彈性回復率之間的相關性，為后續設計防護性網球運動服面料的選擇提供了參考依據。

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