面料復(fù)合方式擬對(duì)上肢包纏方式的不同對(duì)上肢運(yùn)動(dòng)參數(shù)的影響

孟祥龍

摘要：以網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)為例，從生物力學(xué)角度對(duì)面料復(fù)合方式護(hù)具對(duì)上肢包纏方式的不同對(duì)上肢運(yùn)動(dòng)參數(shù)的影響進(jìn)行研究。在擊球時(shí)以上肢不同關(guān)節(jié)處的動(dòng)量峰值與變化率作為防護(hù)評(píng)價(jià)指標(biāo)，構(gòu)建由擊球初、擊球中和擊球后組成的人體骨骼關(guān)節(jié)防護(hù)模型;從面料的厚度和彈性兩個(gè)屬性出發(fā)，分別制作相應(yīng)的，上肢護(hù)具（護(hù)肩、護(hù)肘和護(hù)腕），通過穿戴者進(jìn)行的運(yùn)動(dòng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)獲取2個(gè)，上肢關(guān)節(jié)的指標(biāo)參數(shù)。通過單因素方差得到厚度對(duì)指標(biāo)的影響比彈性更明顯（P<0.01）的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。分別從護(hù)具的面料復(fù)合及其對(duì)上肢的包纏方式出發(fā)，研究了對(duì)上肢運(yùn)動(dòng)參數(shù)的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，面料復(fù)合方式護(hù)具從其面料的彈性、材質(zhì)厚度、面料復(fù)合方式和包纏方式上，均能夠改變上肢運(yùn)動(dòng)參數(shù)，而且在肘部和腕部更為明顯（P<0.01）。本研究為上肢類運(yùn)動(dòng)護(hù)具設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了有效借鑒。

關(guān)鍵詞：面料復(fù)合;運(yùn)動(dòng)護(hù)具;網(wǎng)球運(yùn)動(dòng);上肢關(guān)節(jié);參數(shù)影響

中圖分類號(hào)：TS941.727;TS941.17

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-5922（2020）07-0162-06

0引言

通過對(duì)近些年的職業(yè)網(wǎng)球賽的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，在比賽中因傷退賽的機(jī)率達(dá)到了近50%"。而在高負(fù)荷和過度訓(xùn)練中，由于長(zhǎng)時(shí)間的擊球動(dòng)作導(dǎo)致骨骼承受巨大壓力從而出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)特異性適應(yīng)性反應(yīng)，在高頻率的機(jī)械力作下，也極容易出現(xiàn)肌肉、關(guān)節(jié)和肌腱的損傷。因此，運(yùn)動(dòng)員們?cè)絹碓街匾暭訌?qiáng)自身安全健康的保護(hù)，最常用的措施之一便是通過佩戴運(yùn)動(dòng)護(hù)具來避免損傷。而這種運(yùn)動(dòng)護(hù)具需要由特殊的復(fù)合材料制成，具有質(zhì)地柔韌、緩沖沖擊且佩帶舒適等特點(diǎn)。例如織物襯墊中常用到的三維織物襯墊，經(jīng)硅橡膠涂層處理后會(huì)有效抗擊沖擊，并在沖擊力消散后迅速回復(fù)到原始形態(tài)。另外，以某種運(yùn)動(dòng)護(hù)具為例，其斯以通過加壓協(xié)助肌肉發(fā)力，可有效幫助運(yùn)動(dòng)員保持耐力，同時(shí)也保護(hù)了關(guān)節(jié)和肌肉不受表面損傷。然而對(duì)于運(yùn)動(dòng)護(hù)具在人體防護(hù)中，其有效性還沒有相應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)加以評(píng)估，但在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)還需要綜合考慮生物力學(xué)、運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)和材料力學(xué)等因素，以滿足基本的壓力舒適度、皮膚拉伸性能需求等。本文從生.物力學(xué)角度出發(fā)，通過運(yùn)動(dòng)損傷機(jī)制研究面料復(fù)合方式護(hù)具在不同上肢包纏方式下對(duì)上肢運(yùn)動(dòng)參數(shù)的影響。

1基于運(yùn)動(dòng)損傷機(jī)制的防護(hù)模型

1.1運(yùn)動(dòng)損傷機(jī)制分析

根據(jù)對(duì)，人體的生理學(xué)研究，通常情況下人體受到外加載荷時(shí)，骨骼、關(guān)節(jié)和肌肉都有各自的承受能力，用以保護(hù)人體不受傷害。如果外加載負(fù)荷過高，例如在劇烈運(yùn)動(dòng)當(dāng)中，就會(huì)超出骨骼、關(guān)節(jié)和肌肉的最大承受值，從而造成人體運(yùn)動(dòng)損傷。另外，在受到外力沖擊時(shí)，外圍肌肉層可通過產(chǎn)生變形吸引和消散外力加以保護(hù)易脆的人體骨骼，有效增強(qiáng)自身運(yùn)動(dòng)素質(zhì)并降低了人體損傷機(jī)率。

1.2網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)人體防護(hù)模型

本文根據(jù)前人學(xué)者研究的彈簧模型理論，分別將其構(gòu)成元素肌肉進(jìn)行簡(jiǎn)化：負(fù)責(zé)主動(dòng)收縮舒張的收縮元（CC），負(fù)責(zé)肌肉儲(chǔ)能和外力緩沖的串聯(lián)彈性元（PEC）及并聯(lián)彈性元（SEC）國(guó)。本研究基于上述運(yùn)動(dòng)損傷機(jī)制分析，選擇彈簧振子模型來簡(jiǎn)化肌肉。然而當(dāng)外力大于肌肉的最大承受值時(shí)，就會(huì)對(duì)肌肉、骨骼或關(guān)節(jié)造成損傷。而且，由于肌肉損傷會(huì)影響其保護(hù)功能，從而會(huì)產(chǎn)生二次損傷。基于上述分析，若在肌肉表面增加一個(gè)保護(hù)層，可以代替肌肉接受第一波外力的沖擊，通過緩沖減小對(duì)肌肉的沖擊。

在進(jìn)行網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)時(shí)，力量的傳遞是有一個(gè)整體鏈的，即最初從下肢觸地開始，經(jīng)腰部傳遞到上肢并到達(dá)球拍。網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)損傷與網(wǎng)球沖擊有著復(fù)雜的聯(lián)系烈，當(dāng)球拍接觸到球的一瞬間（0.001s左右）會(huì)對(duì)前臂造成一定的沖擊，因時(shí)間太短，無法對(duì)外力進(jìn)行有效緩沖，從而造成關(guān)節(jié)損傷。針對(duì)網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)中的擊球初、擊球中和擊球末的完整過程，建立人體上肢骨骼關(guān)節(jié)防護(hù)模型，如圖1所示。

以參數(shù)m，代表網(wǎng)球質(zhì)量，圖中F代表網(wǎng)球?qū)η蚺牡拇怪弊饔昧Γ布瓷现艿降耐饬d荷。在人體運(yùn)動(dòng)參數(shù)上可表現(xiàn)為通過護(hù)具防護(hù)層產(chǎn)生形變對(duì)F的消散，減輕擊球時(shí)上肢各部位受到的沖量。用vo代表肩部的初速度，在球網(wǎng)接觸球以后，因受沖擊速度減至v，通過動(dòng)量定理可得到肩部的沖擊量，計(jì)算方式如（1）所示。

式中：Fi為t時(shí)間內(nèi)上肢關(guān)節(jié)所受到的平均力度;m為上肢質(zhì)量（kg）;v，為接觸到球后在t=0.5s時(shí)間內(nèi)關(guān)節(jié)部位的速度（m/s）。

在時(shí)間變化過程中，F(xiàn)，可稱為動(dòng)量緩沖力系數(shù)，并隨著時(shí)間曲線變化，且其大小與關(guān)節(jié)骨骼所受到的力成正比。由式（1）可知，擊球速度越大，F(xiàn)就越大，因此，可將擊球時(shí)各關(guān)節(jié)部位的動(dòng)量峰值作為其中一個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo);而另一個(gè)指標(biāo)則是在指定時(shí)間內(nèi)的動(dòng)量變化率，即F1.

2動(dòng)態(tài)測(cè)量實(shí)驗(yàn)

2.1實(shí)驗(yàn)設(shè)置

根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求需要對(duì)網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)上肢動(dòng)作進(jìn)行捕捉并加以分析。本研究選取Optotrak系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于立體視覺測(cè)量原理的光電設(shè)備，其傳感器由3個(gè)線陣CCD攝像頭組成，其精確度可達(dá)到lmm，非常適合于動(dòng)作頻率高、幅度小的實(shí)驗(yàn)。具體實(shí)驗(yàn)原理為，通.過在人體不同部位設(shè)置Marker點(diǎn)，以3個(gè)為一組，通過傳感器和攝像頭對(duì)關(guān)節(jié)動(dòng)作進(jìn)行捕捉，根據(jù)采集到的動(dòng)作數(shù)據(jù)建立上肢各Marker點(diǎn)的三維坐標(biāo)。其中，設(shè)置各點(diǎn)之間的時(shí)間段為0.01s。為了提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精確度，在被測(cè)對(duì)象前方5m處設(shè)置一個(gè)直徑為10cm左右的圓，作為網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)擊球點(diǎn)的有效映射。

2.2護(hù)具復(fù)合材料防護(hù)性能測(cè)試

2.2.1材料彈性及厚度

在運(yùn)行護(hù)具當(dāng)中，運(yùn)動(dòng)員穿戴防護(hù)服裝可用來維持其運(yùn)動(dòng)部位的穩(wěn)定性和身體部位的協(xié)調(diào)性，同時(shí)還可以通過加壓支撐原理，起到消散關(guān)節(jié)部位外力載荷的作用。而護(hù)具的材質(zhì)和厚度都會(huì)影響其防護(hù)性能。因此，本實(shí)驗(yàn)以護(hù)具面料的彈性與厚度作為對(duì)人體束縛和加壓效果進(jìn)行分析的兩個(gè)指標(biāo)。

實(shí)驗(yàn)中所用到的護(hù)具面料參數(shù)見表1，針對(duì)上肢關(guān)節(jié)部位制成相應(yīng)的護(hù)具，共45件。其中，涉及到的護(hù)具變量包括彈性、疊加層數(shù)和護(hù)具類別。首先在彈性相同的情況下，模擬面料復(fù)合形成的不同厚度下的實(shí)驗(yàn)。以專業(yè)網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)員為測(cè)試對(duì)象，實(shí)驗(yàn)過程為：穿戴實(shí)驗(yàn)護(hù)具→網(wǎng)球發(fā)球→通過Optotrak采集，上肢關(guān)節(jié)點(diǎn)信息→轉(zhuǎn)換成量化數(shù)據(jù)→構(gòu)建三維空間模型→得到測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)值→運(yùn)動(dòng)學(xué)公式計(jì)算→得到運(yùn)動(dòng)參數(shù)。每隔10min進(jìn)行一次實(shí)驗(yàn)，以減小實(shí)驗(yàn)結(jié)果因測(cè)試對(duì)象疲勞而造成的誤差。

通過上述實(shí)驗(yàn)可得到不同護(hù)具下上肢肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)的動(dòng)量峰值的變化趨勢(shì)，以及其動(dòng)量緩沖力系數(shù)的變化趨勢(shì)，分別如圖2、圖3所示。

1）分析彈性因數(shù)。根據(jù)圖2動(dòng)量峰值，分析不同的彈性因素影響下造成人體上肢各關(guān)節(jié)的動(dòng)量峰值差異可知，手肘和腕部的動(dòng)量的不同組之間差異性小，整體變化趨勢(shì)基本一致;肩部動(dòng)量多組之間對(duì)比則體現(xiàn)出較大差異性大，說明護(hù)肩對(duì)肩部荷載力的有效散力作用，對(duì)肩膀起到了保護(hù)效果，且上肢的肘、腕部在擊球前后的動(dòng)量緩沖力系數(shù)變化較大。

2）分析厚度因素。在護(hù)具彈性不變的情況下以面料厚度為變量，觀察其對(duì)應(yīng)關(guān)節(jié)部位的動(dòng)量變化量。通過圖2、圖3可以得知，因?yàn)椴煌媪系膹椥圆灰粯樱挥衅渲袔追N面料的疊加厚度與關(guān)節(jié)動(dòng)量成反比，例如F_A、F_C、F_E組，其他幾組變化不夠明顯。

3）單因素方差分析。對(duì)指標(biāo)的影響分析采用單因素方差分析法，基于SPSS輔助得到顯著性P值圖，繼而判斷兩個(gè)指標(biāo)變化在不同組間對(duì)上肢各個(gè)被測(cè)部位動(dòng)量峰值、動(dòng)量緩沖力系數(shù)的顯著性影響，具體分析結(jié)果如表2、表3所示。

通過表2分析結(jié)果，當(dāng)面料疊加層數(shù)為1或3時(shí)，無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P>0.05），表明彈性改變對(duì)上肢關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)參數(shù)影響可以忽略不計(jì);面料層數(shù)為2時(shí)，肘部關(guān)節(jié)動(dòng)量、肘部動(dòng)量緩沖力系數(shù)和腕部動(dòng)量緩沖力系數(shù)的P等于0.04，具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。綜上可知，只有適當(dāng)?shù)拿媪席B加層數(shù)，才會(huì)發(fā)生面料彈性對(duì)上肢受力載荷的顯著影響。

通過上述測(cè)試可知，對(duì)于同一組數(shù)據(jù)，當(dāng)改變護(hù)具厚度時(shí)會(huì)對(duì)各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)參數(shù)產(chǎn)生顯著影響，且在影響關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)參數(shù)方面，面料厚度較面料彈性的作用更加明顯。

2.2.2護(hù)具包纏方式實(shí)驗(yàn)

根據(jù)復(fù)合面料組成層次和材質(zhì)不同，在實(shí)驗(yàn)中采用的復(fù)合面料共有6種，命名為C1、C2、C3、C4、C5、C6。其中C1、C2、C3、C4、C5均由2層面料復(fù)合而成，其中C2增加了絎縫，C3增加了粘合襯，C4增加了粘合襯和絎縫，C5則增加了海綿復(fù)合;而C6由2層復(fù)合+海綿+絎縫組合而成。

根據(jù)網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)員在上肢不同關(guān)節(jié)部位的護(hù)具穿戴可分為護(hù)肘和護(hù)腕。本文實(shí)驗(yàn)通過改變護(hù)具的包纏方式，驗(yàn)證其在人體運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)上肢各關(guān)節(jié)部位運(yùn)動(dòng)參數(shù)的影響。按照實(shí)際應(yīng)用中常用的包纏方式來分，肘關(guān)節(jié)護(hù)具有直簡(jiǎn)型EW1和帶型EW2、腕關(guān)節(jié)有直筒型WT1l、纏繞型WT2。采用材料彈性及厚度實(shí)驗(yàn)中的計(jì)算方法，通過對(duì)各被測(cè)點(diǎn)空間坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換得到運(yùn)動(dòng)參數(shù)，得到以上四種護(hù)具對(duì)上肢各關(guān)節(jié)動(dòng)量峰值及其動(dòng)量緩沖力系數(shù)的影響，分別如圖4、圖5所示。

通過圖4、5可以看出，面料復(fù)合方式護(hù)具在不同包纏方式下，對(duì)比護(hù)肘EW1、EW2對(duì)動(dòng)量變化，總體差別較小，只有極個(gè)別復(fù)合方式下肩部動(dòng)量峰值較高，并且EW1的防護(hù)作用更好;對(duì)于護(hù)腕WT1、WT2來說，其各自對(duì)應(yīng)的各被測(cè)部位動(dòng)量峰值差異性大，而且WT1在肩、肘2個(gè)部位的動(dòng)量峰值要明顯的大于WT2，所以很難判斷哪種護(hù)腕效果更好，需要通過步實(shí)驗(yàn)加以推斷。

3結(jié)語

在運(yùn)動(dòng)防護(hù)用品的核心技術(shù)拓展創(chuàng)新過程中，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念必須要遵循運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的原則"。基于此，文章分析了肌肉對(duì)骨骼的防護(hù)原理，結(jié)合運(yùn)動(dòng)損傷機(jī)制構(gòu)建了基于網(wǎng)球運(yùn)動(dòng)的人體防護(hù)模型并指出了2個(gè)評(píng)價(jià)防護(hù)指標(biāo)，用在面料復(fù)合方式護(hù)具在對(duì)上肢的不同包纏方式下，研究其對(duì)上肢運(yùn)動(dòng)參數(shù)的影響。經(jīng)過相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)分析了護(hù)具對(duì)上肢肘部、腕部和肩部關(guān)節(jié)處防護(hù)性能的影響因素。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得，運(yùn)動(dòng)護(hù)具面料的彈性、厚度以及復(fù)合面料下護(hù)具的包纏方式，都會(huì)對(duì)上肢運(yùn)動(dòng)參數(shù)產(chǎn)生影響，具體表現(xiàn)為：整體來說護(hù)具的厚度比彈性影響較大，且通過動(dòng)量峰會(huì)實(shí)驗(yàn)得出護(hù)具的包纏方式對(duì)肘腕部的影響較大，也間接證明了運(yùn)動(dòng)護(hù)具對(duì)運(yùn)動(dòng)員具有有效的損傷防護(hù)作用，對(duì)于其他運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域的運(yùn)動(dòng)護(hù)具設(shè)計(jì)和優(yōu)化具有一定的參考價(jià)值。

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