柔道一本背負投技術的運動學分析

米奕翔，馮 通，王向東*

柔道作為奧運項目以激烈的對抗性、極高的技術性而受到喜愛，強調運動員對技巧掌握的嫻熟程度，而不是單純的力量對比。新規則實施后，小級別女子柔道運動員技術呈現多極化發展趨勢，投技技術使用次數增加，其中一本背負投的使用率較高（黃帥，2019）。查閱文獻發現，近20年對于背負投技術的運動學、生物力學分析較少。在已有的文章中，Ishii等（2017）使用VICON-MX系統捕捉三維數據分析認為，在向前驅動和轉體運動中，施技者相對于對手的速度反映出高超的技術水平。教練員在技術訓練時應認識到相對向前的速度是可能有助于成功進行投摔的因素。霍興華（2014）使用錄像解析方法對運動員背負投技術進行了量化分析認為動作時間受肌肉爆發力和運動員技術影響，而技術效果受肢體轉動幅度和速度影響。本研究運用Qualisys三維運動捕捉與分析系統，采集運動員做一本背負投技術時相關三維數據，從關節角度、角速度等方面來分析技術特征，探究一本背負投技術的規律、動作特點和優秀運動員模型。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

從國家柔道隊和廣西省女子柔道隊選出得意技為背負投的6名女子柔道運動員作為研究對象，其中健將級2名，一級運動員4名，年齡22.20±1.72歲，運動年限7.50±1.76年，身高158.83±6.31 cm。6名運動員作為施技者，受技者由運動員自己的搭檔擔任（受技者不參與測試）。受試者均在測試開始前簽署知情同意書。

表1 運動員基本信息Table 1 Basic Information ofAthletes n=6

1.2 研究方法

1.2.1 數據采集

測試技術動作為柔道一本背負投，每位受試者做3次，選其中動作最好的1次進行數據分析。使用8臺Qualisys高速紅外運動捕捉系統進行數據采集，采集頻率為200 Hz。以受試者準備姿勢站立時面對的方向為正前方，將8臺攝像機放在受試者的前、后、左、右以及45°角方向，攝像機距受試者約2～3 m的距離（圖1）。受試者粘貼的反射標識位置為：左、右兩側肩關節、肘關節、腕關節、髖關節、膝關節、踝關節、第7頸椎以及骶骨共14個。

1.2.2 數據處理

首先使用Qualisys分析系統計算受試者各個點的位移、速度、所求各關節的角度和角速度等，然后使用Excel 2016軟件對數據進行統計、分析和處理，最后在畫圖時將整個一本背負投技術過程的時間作為100%，對所有數據進行樣條插值后取1%標準化時刻數值進行標準化處理（施寶興，2005）。

圖1 攝像頭擺放位置示意圖Figure 1. Schematic Diagram of Camera Placement

1.3 概念界定

本研究使用的參數包括關節角度、角速度等。對所涉及的關節角度進行如下定義：肘關節屈伸角：肘→腕連線和肘→肩連線之間的夾角；膝關節屈伸角：膝→踝連線和膝→髖連線之間的夾角（劉卉，2004）；兩肩連線角：兩肩關節連線在人體水平面上的投影與Y軸的夾角（圖2）；兩髖連線角：兩髖關節連線在人體水平面上的投影與Y軸的夾角（圖2）。

圖2 兩肩連線、兩髖連線在人體水平面上的投影與Y軸夾角示意圖Figure 2. TheAngle Between Schematic Diagram of the Projection of Two Shoulders and Two Hips on the Horizontal Surface of the Human Body and YAxis

1.4 階段劃分

一本背負投技術階段劃分依據為：T1（準備階段）：施技者右腳離開地面瞬間開始往前0.3 s；T2（上步階段）：施技者右腳離開地面瞬間開始到右腳落于對手雙腳之間觸地瞬間結束；T3（轉體階段）：施技者右腳上步觸地瞬間開始到施技者轉體背對對手雙腳觸地瞬間結束；T4（發力階段）：施技者雙腳觸地瞬間開始到對手背部著地瞬間結束；T5（結束階段）：從對手背部著地瞬間開始往后0.3 s（圖3）。

圖3 柔道一本背負投動作解析圖Figure 3. Schematic Diagram of Judo Ippon-seoi-nage

2 研究結果

2.1 柔道一本背負投技術時間參數

分階段對運動員使用一本背負投技術所用時間進行對比分析，可以看到，一本背負投技術主要動作所用時間一般在1～1.5 s，6名運動員完成一本背負投技術主要動作（T2＋T3＋T4）的時間均值為1.28 s，2名健將級運動員所用時間分別是1.11 s、1.13 s，略低于一級運動員，說明健將組運動員在完成一本背負投動作時的速度和節奏比一級運動員快（表2）。在世界高水平的比賽現場，運動員注意力往往特別集中，而接近1.5 s的一本背負投動作會給對手足夠時間做出應對措施，因此，提高該技術動作的速度，可以達到有效的制勝效果，提高一本背負投成功率。

表2 柔道一本背負投技術時間參數Table 2 Time Parameters of Judo Ippon-seoi-nage n=6，s

從各階段所用時間來看，在T2上步階段6名運動員所用時間均值為0.16 s，T3轉體階段為0.32 s，T4發力階段為0.80s，3個階段時間差異明顯，T4階段用時大于T3和T2階段，因此，減少T4階段所用時間的意義大于T3、T2階段。從動作上看，上步階段施技者右腳要上步，使右腳落于對手雙腳之間，動作簡單，用時較短；轉體階段施技者轉體背對對手，要使臀部緊貼對方小腹，達到最佳發力位置；發力階段施技者要進行蹬伸發力，投摔對手，此時會遇到較大阻力，使速度變慢。綜合考慮，增加腰背肌群和下肢肌群力量、增加T3轉體階段內轉體帶來的動量以及更快的破壞對手平衡是提高發力階段速度、縮短時間的方法。

2.2 柔道一本背負投技術運動學分析

2.2.1 運動員兩肩、兩髖連線角分析

如圖4所示，兩肩連線角、兩髖連線角角度曲線圖整體呈現出上升趨勢，這符合一本背負投技術動作特點。在主要動作階段（T2～T4階段）內，兩肩、兩髖連線角活動范圍由大至小分別是T3轉體階段＞T4發力階段＞T2上步階段。T2上步階段曲線上升，從曲線可以看出，上步階段兩肩連線角曲線較平穩，角度變化不大，說明上步階段上肢無太多動作；而兩髖連線角曲線明顯上升，這符合上步階段右腳上步導致下肢提前扭轉的動作特征。T3階段曲線迅速上升，兩肩、兩髖連線角的平均活動范圍分別是87.41°、95.63°，該階段內身體由正面面對對手，迅速轉體至背對對手，身體轉體幅度大，轉體速度快，因此曲線較陡。T4發力階段曲線較平穩，略有上升，該階段內主要動作為彎腰蹬地發力，兩肩、兩髖相對穩定，活動范圍不大，因此曲線較平穩。

兩肩連線角、兩髖連線角角速度可以很好的反應該技術動作過程中軀干的轉體快慢。兩肩連線角、兩髖連線角角速度曲線圖均呈現出單波峰、雙波谷波形（圖5），觀察曲線圖發現兩髖連線角從開始就呈現上升趨勢至最大值，而兩肩連線角在T2階段開始時才呈現出上升趨勢，分析認為在動作準備階段內，施技者左手抓握對手手臂，手臂較固定，變化不大，而下肢則在調整以尋找最佳的進攻位置，因此呈現出不同的上升過程。兩肩連線角、兩髖連線角的角速度均在T3轉體階段達到最大值，兩肩連線角和兩髖連線角的角速度平均值分別是278.53°/s和304.46°/s。當曲線達到峰值后隨即開始下降，而此時轉體還在進行中，由于轉體時施技者要調整身體位置同時受到對手阻礙，因此在轉體階段還未結束時，角速度就開始下降。隨著曲線的持續下降，T4階段達到最低值隨后在一定范圍內上下波動直至動作結束。在T4階段開始（雙腳觸地瞬間）時，施技者身體還沒有完全背對對手，因此T4階段開始時，曲線還呈現出下降趨勢。當身體完全背對對手時，肩、髖相對穩定，變化較小，曲線相對平穩。

圖4 運動員兩肩、兩髖連線角角度曲線圖（n=6）Figure 4. Angle Curve of Connection ofAthlete''s Both Shoulders and Both Hips

表3 運動員兩肩、兩髖連線角參數Table 3 ConnectionAngle Parameters ofAthlete''s Both Shoulders and Both Hips n=6

2.2.2 運動員左、右肘關節角度、角速度分析

左側肘關節角度變化曲線圖（圖6）為單波谷波形，波谷出現在轉體階段的結束時刻。T2上步階段左側肘關節角度活動范圍為12.98°，變化較小，肘關節基本保持穩定；T3轉體階段肘關節角度活動范圍為32.53°，肘關節角度變化較大，且曲線較陡，肘關節變化速度較快；T4發力階段曲線平緩上升，肘關節角度活動范圍為39.94°，變化相對較小且速度較慢（表4）。右側肘關節角速度變化曲線圖（圖6）為單波峰、雙波谷波形，波峰出現在轉體階段內。在一本背負投技術中，轉體時右臂以直臂形式向上移臂后插入對手腋下屈肘環抱對手手臂，因此，轉體時右側肘關節角度先增加后減少，出現波峰。右側肘關節角度在各階段內的活動范圍分別是：T2為19.58°，T3為43.54°，T4為63.84°，上步階段變化較小較為穩定，轉體變化較大且速度較快，發力階段變化較大，但變化速度較慢。

左、右肘關節角速度變化差異較大（圖7）。左側肘關節角速度曲線波形為單波谷，波峰不明顯，各階段內的平均角速度分別是：96.30°/s、103.01°/s、53.92°/s；右側肘關節角速度曲線波形為雙波峰、雙波谷，各階段內的平均角速度分別是：150.65°/s、141.79°/s、81.65°/s（表 4）。右側肘關節上步階段角速度大于轉體階段，這是由于施技者以直臂形式向上移臂，在插入對手腋下后迅速環抱對手手臂，此時肘關節角度迅速降低，角速度快；環抱對手手臂后，肘關節相對穩定，關節角度變化不大，角速度自然變慢。雙臂肘關節在上步階段、轉體階段內角速度最快，發力階段內角速度最慢，這與一本背負投技術特點相似。

2.2.3 運動員左、右膝關節角度、角速度分析

左側膝關節角度曲線圖（圖8）為單波谷波形，其波谷出現在T3轉體階段結束時刻，各階段內左側膝關節角度的活動范圍為T2上步階段11.79°，T3轉體階段55.50°，T4發力階段為73.89°（表5）。右側膝關節角度變化曲線圖波形為單波峰、雙波谷，各階段內關節的活動范圍為T2上步階段 33.82°，T3轉體階段 49.38°，T4發力階段為63.87°。左、右側膝關節角基本都在轉體結束達到最小值110°左右，曲線圖上明顯可以看出受試者快速屈膝和伸膝的動作過程。左、右側膝關節角度變化曲線圖符合一本背負投技術規律，即在轉體的同時降低身體重心高度，膝關節彎曲，角度變小，膝關節活動范圍較大；在發力投摔對手時，雙腿迅速蹬伸，臀部上頂，膝關節伸直，角度變大，膝關節活動范圍較大。而在T2上步階段左側腿做為支撐腿，膝關節角度變化較小；右側膝關節要提膝上步，故其膝關節角度逐漸變大。

圖5 運動員兩肩、兩髖連線角角速度曲線圖（n=6）Figure 5. Angular Velocity Curve of Connection ofAthlete''s Both Shoulders and Both Hips

圖6 運動員左、右側肘關節角度曲線圖（n=6）Figure 6. Angle Curve ofAthlete''s Left and Right Elbows

表4 運動員左、右側肘關節角度參數Table 4 Angle Parameter ofAthlete''s Left and Right Elbows n=6

圖7 運動員左、右側肘關節角度、角速度曲線圖（n=6）Figure 7. Angular Velocity Curve ofAthlete''s Left and Right Elbows

圖8 運動員左、右膝關節角度曲線圖（n=6）Figure 8. Angle Curve ofAthlete''s Left and Right Knees

表5 運動員左、右側膝關節角度參數（n=6）Table 5 Angle Parameter ofAthlete''s Left and Right Knees

左側膝關節角速度曲線圖（圖9）波形為單波峰、單波谷，各階段內的平均角速度分別是 ：83.09°/s、177.23°/s、95.69°/s。右側膝關節角速度呈雙波峰、雙波谷波形，各階段內的平均角速度分別是：232.91°/s、126.16°/s、83.48°/s（表5）。上步階段內左腿作為支撐腿膝關節變化較小，右側腿進行上步，在短時間內屈伸，因此角速度較快。轉體階段內，運動員使用左腿背步轉體時，腿部有非常明顯的快速屈伸動作，這就造成了左側膝關節角速度的較快。而轉體時右側腿轉變為支撐腿，變化較小，角速度相對較慢。發力階段雙腿膝關節在達到最低值后，雙腿隨即迅速蹬伸，上肢發力投摔對手，因此該階段內膝關節角速度曲線圖呈先上升后下降的趨勢。

圖9 運動員左、右側膝關節角速度曲線圖（n=6）Figure 9. Angular Velocity Curve ofAthlete''s Left and Right Knees

3 討論與分析

3.1 上步階段

上步階段作為一本背負投的開始階段，有用時短，速度快，動作簡單的特點。具體動作為：上下肢聯動進行，左腿支撐，右腿上步落于對手雙腳之間，左手抓握提拉對手手臂，右手做準備，上肢的動作更多是為了后續做準備。本研究顯示，6名運動員上步階段平均時間為0.16 s，占總時間的12.5%。兩肩連線角17.03°；兩髖連線角22.31°，轉體幅度較小；左、右側肘關節角12.98°、19.58°；左、右側膝關節角11.79°、33.82°，左側上下肢關節活動范圍相對穩定，右側上下肢活動范圍相對較大，這與技術動作相符。研究發現，在進行上步的同時，右側肘關節以及右側膝關節平均角速度呈上升趨勢，角速度較快，分別為150.65°/s、232.91°/s，說明上下肢同時運動，動作速度快。上步階段動作較簡單，下肢上步、上肢提拉是動作的開始，有研究指出，要加強背負投技術的搶手抓把部位的訓練（劉米淳，1995）。在如今競技比賽中，雙方運動員都不會給對方較舒適的抓把位機會，這就增加了背負投技術使用難度（徐娜，2018）。而下肢上步的位置決定了施技者與受技者之間的身體位置（葉姝等，2019），是動作能否繼續執行以及高效執行的關鍵。

3.2 轉體階段

在一本背負投技術中，轉體階段可以看作是施技者的肢體繞垂直面旋轉180°的過程，說明有效的轉動可以帶來更佳的動作效果（劉燕，2011），轉體的幅度以及轉體速度是影響技術效果的重要因素（霍興華，2014；劉燕，2011）。轉體階段在整個技術動作過程中發揮著重要作用。根據一本背負投動作特征，在轉體的同時，左臂屈臂牽拉對手手臂，左側肘關節角度呈逐漸減少狀態，活動范圍為32.53°；右臂從對手右臂下方插入隨后環抱對手右臂，肘關節角度呈先增加后減少的狀態（圖6），活動范圍43.54°，較左臂活動范圍多。身體以右腿為支撐腿，左腿甩步轉體，同時屈膝以降低身體重心高度，左、右側膝關節角度均呈現出減少狀態（圖8），左、右側活動范圍分別是：55.50°、39.38°，左側膝關節減小較多。6名受試者轉體階段平均時間為0.32 s，占總動作時間的25%。轉體階段時間短，動作速度快。兩肩連線角、兩髖連線角平均角速度分別是：278.53°/s；304.46°/s，角速度明顯增加。根據轉動定律M=Iβ，合外力矩等于轉動慣量I與角加速度β的乘積，當合外力矩不變時，轉動慣量越小，角加速度越大，角速度越大，轉體也就越快，說明該階段內轉體速度最快。研究結果均符合一本背負投技術動作特征。

本研究發現，左側腿在轉體過程中并不是以直腿的形式進行轉體（左側膝關節角度在100°～150°變化），其膝關節角度呈逐漸減小的狀態。咨詢相關運動員與教練員后分析得知，運動員大多采取屈曲左側腿的方式進行轉體，其目的在于降低重心高度，同時方便左側腿著地，若直腿著地可能會造成重心不穩的情況。根據運動生物力學動量矩定理：轉動慣量大小取決于肢體各環節繞其質心的轉動慣量到轉軸的距離，離軸越遠，轉動半徑越長，轉動慣量就越大，反之越小（張繼鋒，1997）。因此，左腿以屈膝狀態進行轉體時，轉動慣量減小，角速度增加；以屈膝狀態轉體可以提高轉體速度。而在此基礎上，當轉動慣量一定時，合外力矩與角加速度成正比關系，即轉動慣量一定時，合外力矩越大，角加速度越大，角速度也越大。增大肌肉力矩，可以增大環節繞相應關節的轉動角速度或角加速度（丁向東，2004）。

3.3 發力階段

發力階段是先由腿部發力（膝關節角速度快速增加）隨后軀干前傾（劉燕，2011），此時上肢、軀干、下肢協同發力投摔對手。6名受試者發力階段平均用時0.80 s，占總時間的62.5%，該階段受對手體重和做出防御措施等方面影響都會造成發力階段用時增加，若減少發力階段所用時間，將有效提高一本背負投的動作質量。發力階段身體無明顯的轉體動作，兩肩、兩髖連線角活動范圍分別是50.79°、47.07°，角速度分別是 62.61°/s、51.19°/s，活動范圍相對較小，轉體速度也很慢。發力階段開始時，左、右側肘關節角度曲線圖都出現一段較為平穩的時期，該時期內左、右側肘關節角度分別維持在60°～70°左右的范圍內，將這一時期稱為平臺期（圖6）。平臺期內左、右肘關節角度變化不大，基本維持穩定。平臺期的出現符合一本背負投技術動作特點，即右側手臂因環抱對手手臂，肘關節角度不易發生變化，而左側手臂牽拉對手手臂的同時保持穩定，便于發力。該階段內左、右側膝關節活動范圍較大，平均值分別為73.89°、63.87°。膝關節平均角速度較慢，分別是 95.69°/s、83.48°/s。當膝關節角度在 110°左右時，此時施技者身體背部緊貼對手，臀部貼緊對手小腹，這樣形成了較大的翻倒力矩，使翻倒力矩大于對手穩定力矩，平衡系數小于1，對手的平衡性最易被破壞（張繼鋒，1997）。而過小的膝關節角度則認為不利于蹬地發力，因此，要避免膝關節角度過小。

3.4 問題分析

通過測試數據發現，個別運動員的關節角度參數存在較大的差距，分析認為有以下兩種原因：1）由個體差異造成。一本背負投技術因人而異，不同級別、不同運動員、不同動作習慣等都是造成其關節角度存在差距的原因；2）角度補償現象。研究發現，若運動員在上步階段內的關節活動范圍較小時，在轉體階段內關節活動范圍就會變大，反之亦然，但6名受試者在上步階段以及轉體階段內關節活動范圍之和卻相差不大。比如，蘇某左側膝關節在上步階段的活動范圍為12.13°，轉體階段的活動范圍為59.33°，兩階段之和為71.46°；李某某左側膝關節在上步階段的活動范圍為22.55°，轉體階段的活動范圍為53.67°，兩階段之和為76.22°。兩人之間差距很小。因此角度補償是造成不同階段內運動員關節角度參數存在差異的原因之一。關于角度補償現象還有待于進一步研究論證。

4 備戰東京奧運會的建議

目前國家柔道隊以積極心態備戰奧運，在保證基礎訓練不變的前提下，狠抓體能。結合已有成果（李贊等，2019）和本研究結果，給出以下建議：在體能訓練的基礎上，增加專項力量訓練、核心穩定性訓練。研究顯示，在轉體階段軀干轉體時角速度最大、轉體速度最快、產生的動能也最大。發力階段下肢蹬伸、上肢牽拉投摔，因此，要有針對性的對這些肌肉進行力量及核心穩定性訓練。在技術方面：1）強化一本背負投的基礎動作訓練，使運動員完全掌握一本背負投的基本動作，包括動作時機判斷、抓握部位選擇、上步位置的判斷等，這些基礎動作決定了一本背負投動作能否繼續進行；2）加強與其他聯絡技的配合訓練，直接使用一本背負投困難較大，但與聯絡技配合使用可大大提高一本背負投成功率；3）加強實戰練習，在保證安全的前提下加強實戰訓練，強調運動員提高一本背負投的使用率，以增強運動員對對手情況的判斷、時機的把握能力，以及提高一本背負投的熟練程度。

5 結論

1）一本背負投技術的主要動作時間在1～1.5 s，在平時的訓練和比賽中，應盡可能減少背負投動作的使用時間，尤其是發力階段的時間。

2）上步階段：受試者轉體幅度較小，下肢先于上肢開始扭轉，但兩肩轉動速度大于兩髖轉動速度，右側肘關節和膝關節活動幅度和角速度遠大于左側肘關節對應數據。

3）轉體階段：受試者在該階段轉體幅度和轉體速度都達到最大值，從動作上看主要通過快速屈肘和屈膝達到快速轉體的目的，轉體結束時左右膝關節同時屈曲到最小值110°左右，為發力階段快速蹬伸創造了有利條件。

4）發力階段：受試者在該階段轉體速度最慢，動作上主要表現為通過快速伸肘和伸膝達到發力的目的，膝關節發力要先于肘關節。