基于數據手套的羽毛球正手持拍技術定型/矯正器的研制與試用

游茂林

國家體育總局調查報告顯示，羽毛球在我國已經成為健步走之后參與人數最多的體育運動，羽毛球人口高達2.5億（劉國永等，2014），其中業余羽毛球愛好者和參加業余訓練的青少年兒童占比較大。羽毛球的基本技術主要由上肢的基本手法和下肢的基本步法兩部分組成（肖杰，1996）。基本手法是從握拍開始的（雷蓉蓉，1980），是羽毛球最基本的技術之一，是進一步掌握和提高羽毛球技術的“入場券”（戴勁 等，2009）。雷蓉蓉（1980）指出，沒有正確的握拍，就沒有正確的技術，只有正確的握拍，才能使力量百分之百地傳遞到擊球點上，所以持拍技術是羽毛球教學和訓練工作的首要任務。

為提高羽毛球持拍技術教學效率，楊鳳蕊等（2013）設計了一套針對中學生學習羽毛球持拍技術的系統矯正教學方案；姜超（2006）利用人機原理將標準的羽毛球握拍姿勢融入球拍造型，引導初學者在最短時間內掌握規范的羽毛球握拍方式；世界羽毛球冠軍熊國寶設計生產了一種附帶持拍技術定型/矯正功能的特制羽毛球拍（圖1）。

圖1 熊國寶專利羽毛球拍Figure 1.Xiong Guobao Badminton Racket

在羽毛球教學和訓練工作中發現：1）大約50%的羽毛球初學者較難通過技術示范和指導改善持拍技術；2）凹槽造型的羽毛球持拍定型/矯正裝置，可以幫助持拍者在初始狀態擺出正確姿勢，由于對手指的束縛有限，因此運動過程中手指較易脫槽，其“神經—肌肉”工作機制會自動促使手部采用更習慣的持拍方式；3）定型/矯正裝置附著在拍柄上，致使球拍的價格較貴，且練習者掌握正確持拍技術后不能將定型/矯正裝置拆卸，影響球拍的后續使用功能；4）由于手型不同，按照個人持拍技術復模制作的定型/矯正器的適用范圍有限。因此，研制一種價格便宜、功能優良、可拆卸的羽毛球持拍技術定型/矯正器，對羽毛球初學者和業余愛好者掌握正確的基本持拍技術，具有現實意義。

1 研究方法

1.1 數據采集設備

實驗發現，采用復制手模的技術采集運動員持拍手型的不足明顯：1）需在球拍炳上敷設一定厚度的采模材料，但較難涂抹均勻，且持拍手與拍柄之間隔著采模材料，采集的手型與真實持拍手型存在較大差異；2）手模采集后需人工測繪，影響精確度，多組手模數據通過人工測繪擬合，耗時耗力且誤差較大。

數據手套是實現手勢識別的有效設備，被廣泛用來采集各種手勢參數（李琴等，2010；毛謖等，2014；張志純等，2015），是一種多模式的虛擬現實硬件，每一個指套都設有用柔性電路板、力敏原件、彈性封裝材料等組成的彎曲傳感器，覆蓋每一個指關節，并通過導線連接至配套軟件進行信號處理，虛擬出相應的手部動作。

本研究使用美國5DT（Fifth Dimension Technologies）公司生產的5DT Data Glove Ultra Series數據手套（圖2），其為每根手指配有1個傳感器，可對用戶手指的彎曲度進行測量，可滿足動作捕捉和動畫制作領域的專業工作要求，具有8-bit曲度解析率、佩戴舒適、低漂移、開放式結構、簡單易用、波形系數小、驅動程序完備、超高的數據質量、較低的交叉關聯、以及高數據頻率等特點。共測試16名羽毛球運動員（包括世界大學生羽毛球比賽冠軍1名、現役國家羽毛球隊運動員2名、現役中國大學生羽毛球隊運動員1名和12名大學高水平羽毛球運動員）的右手、正手持拍手型。

圖2 5DT數據手套展示與調試Figure 2.Present and Debug the 5DT Data Glove

1.2 數據采集方法

利用5DT數據手套配套軟件采集每一位運動員的右手、正手持拍手型數據。為了保證數據采集的準確性：1）正式測試前，多次試用1副全新的5DT數據手套，確認數據手套靈敏、有效；2）正式測試時，運動員佩戴數據手套，經被試多次空手抓握，確認設備無誤后再持拍測試。

1.3 數據提取

利用3DS Max軟件，導入數據手套采集的運動員正手持拍手型參數，獲得手掌骨架的三維圖像（圖3）。

圖3 運動員正手持拍技術手型三維骨架圖像Figure 3.3D Skeleton Image of the Hand Shape Data of Forehand Grip

數據手套通過檢測手指的彎曲，利用磁定位傳感器精確標定手指在三維空間的位置，生成各個關節在三維空間的坐標，通過點擊3DS Max軟件呈現的手掌骨架圖像中的關節，自動生成各個關節的三維坐標（圖4）。

圖4 采集正手持拍指關節三維坐標數據Figure 4.The Finger Joints’3D Coordinate Data when the Athletes Use Forehand Grip

實驗發現，受手指生理結構的影響，拇指第2指節和食指第3指節可標定羽毛球正手持拍的手型，因此需提取拇指第1和第2指關節、食指第2和第3指關節的三維坐標數據，分別標記為A1和A2、B1和B2（圖5）。

圖5 采集三維坐標數據的指關節Figure 5.The Finger Joints Which Need to Extract the 3D Coordinate Data

采集拇指關節A1坐標為（A1x、A1y和A1z）、關節A2坐標為（A2x、A2y和A2z）；食指關節B1坐標為（B1x、B1y和B1z）、關節B2坐標為（B2x、B2y和B2z）（表1、2）。

表1 運動員正手持拍拇指關節的三維坐標Table 1 3D Coordinate Data of the Thumbs Finger Joint when the Athletes Use Forehand Grip

1.4 數據整理

每名運動員正手持拍時拇指第2關節和食指第3關節的三維坐標一致，產生持拍技術差異的是拇指第1關節和食指第2關節的位置（表1、2），因此只需確定其關節點的空間關系，以標定正手持拍拇指和食指的位置。由于測試誤差客觀存在，為了保證數據可靠性，將提取的指關節A1和B1的三維坐標輸入Matlab軟件，利用Matlab中線擬合功能對數據進行整理，結果顯示，雖然運動員的持拍手型存在一定的差異，但2個關節的6個三維坐標均分布在中線附近（圖6），可見：1）高水平羽毛球運動員的正手持拍手型基本一致；2）本次測試采集的數據未見異常。

圖6 運動員正手持拍拇指第1指關節和食指第2指關節的三維坐標Figure 6.The First Finger Joint of Thumbs and the Second Finger Joint of Index Fingers’3D Coordinate Data when the Athletes Use Forehand Grip

2 羽毛球正手持拍基本手型參數

羽毛球正手持拍技術的表現形式多樣，但羽毛球初學者和持拍技術不當的業余愛好者掌握持拍基本手型困難是較為突出的問題。羽毛球練習者只有掌握了持拍基本手型，才能在此基礎上豐富和熟練多種持拍技術。

本研究發現，指關節在縱向上可以前屈，但在橫向上幾乎無法運動，所以運動員持拍后手指與拍柄形成的位置關系穩定，不管持拍后手部如何運動，只要不改變正手持拍手型，手與球拍的位置就不會發生變化。由于拇指與食指是持拍的關鍵手指，其位置能夠基本確定其他手指、手掌與球拍的位置，因此確定拇指與食指的持拍手型，則可標定正手持拍手型，在此過程中，拇指第2指節和食指第3指節發揮關鍵作用。由于運動員正手持拍時拇指第2指節、食指第3指節與球拍的水平線形成一個夾角，通過計算拇指第2指節和食指第3指節的水平夾角可以確定拇指和食指的位置。拇指第2指節（A1～A2）的水平夾角標記為alpha1，食指第3指節（B1～B2）的水平夾角標記為alpha2（圖 7）。

圖7 運動員正手持拍拇指第2指節和食指第3指節的水平夾角Figure 7.The Horizontal Angles of the Thumbs’Second Knuckles and the Index Fingers’Third Knuckles when the Athletes Use Forehand Grip

表2 運動員正手持拍食指關節的三維坐標Table 2 3D Coordinate Data of the Index Finger Joint when the Athletes Use Forehand Grip

根據正手持拍時拇指關節A1和A2的坐標、食指關節B1和B2的坐標，用兩點之間的距離公式計算出關節間的距離，再計算兩個關節點相連的直線與球拍柄垂直方向坐標差的絕對值，根據高度差與斜邊比值的反正弦公式計算正手持拍時拇指和食指的水平夾角alpha1和alpha2。

A1、A2 的相對高度設置為 h1，h1=（A2y-A1y）；B1、B2的相對高度設置為h2，h2=（B2y-B1y）。拇指關節A1和A2間距離設置為a，食指關節B1和B2間距離設置為：

拇指第2指節的水平夾角設置為alpha1，alpha1=arcsin（h1/a）；食指第3指節的水平夾角設置為alpha2，alpha2=arcsin（h2/b）。在每名運動員正手持拍手型的alpha1和al‐pha2計算結果（表3）的基礎上獲得水平夾角均值，用作羽毛球正手持拍技術定型/矯正器設計的參考數據。

3 羽毛球正手持拍技術定型/矯正器設計

根據上述運算獲得的羽毛球正手持拍拇指第2指節和食指第3指節的水平夾角平均數，結合正手持拍時的手指形狀，用SOLIDWORKS進行三維建模，通過2個指套虛擬拇指和食指的持拍位置，根據持拍手虎口至球拍柄底部的距離，標定正手持拍手型與球拍炳的位置關系（圖8）。

圖8 羽毛球正手持拍定型/矯正器的初始設計模型與3D打印件Figure 8.The Initial Design and 3D Model of the Forehand Grip Technique Setting/Corrective Apparatus

采用3D打印機制作塑料材質的設計模型，邀請3名羽毛球教練員（羽毛球訓練和教學經歷為12～31年）試用3D打印模型，根據其給出的修改意見優化設計方案，并再次予以3D打印。通過8輪不斷修改和優化設計，確定了羽毛球正手持拍技術定型/矯正器的技術標準，主要工作包括：1）拇指和食指的水平夾角。運動員持拍技術多樣，拇指和食指的水平夾角均值確定了拇指和食指的位置關系以及基本持拍手型，但存在一定的偏差。3名羽毛球教練員經2輪試用和討論，確認拇指和食指的水平夾角；2）優化套管與拍柄的吻合度。經過2輪測繪和修改，套筒能夠緊密安裝在拍柄上，并可以自由拆卸；3）試用發現，帶指套的套筒很難黏上手膠，且長期使用指套會磨傷手指，所以去掉套筒上的指套，將指套設置在手膠上；4）根據新設計制作的樣品，經上海紅雙喜股份有限公司羽毛球部的專業技術人員測試，指出持拍定型/矯正器增粗了拍柄，學生使用會產生問題的不足之處，因此重新測繪和設計套筒的尺寸，要求套筒壁厚1 mm，適配無手膠拍柄（拍柄周長從小到大有5個型號，本研究依據3號拍柄設計）；5）新樣品多次重復使用，發現按扣不易打開，會對卡槽產生拉扯，所以根據持拍時手指間隙，在摁扣卡槽一邊設計3個凹槽，便于使用打開按扣；6）為了優化產品外觀，由德辰設計有限公司對樣品進行三維掃描和數字化塑形后，予以3D打印，經實用確認，取得本產品的定型設計方案。

表3 運動員正手持拍手型拇指第1指節與食指第3指節的水平夾角Table 3 The Horizontal Angles of the Thumbs’First Knuckles and the Index Fingers’Third Knuckles when the Athletes Use Forehand Grip

4 羽毛球正手持拍技術定型/矯正器樣品試用

經多次實驗，成品配件包括：底襯（塑料）、蒙皮（手膠）和指套（潛水材料）（圖9）。

圖9 定型/矯正器樣品試用情況Figure 9.The Trial Application of Samples

樣品經3名羽毛球教練員試用認可后，邀請4名羽毛球業余愛好者和5名沒有羽毛球技術基礎的大學生實際使用。前者使用安裝了定型/矯正器的球拍打業余比賽，每次比賽約1 h，連續使用3～5次，后者使用安裝了定型/矯正器的球拍在教練員的指導下練習正手持拍顛球、抽擊球、挑球和擊高球（球用尼龍繩懸掛在金屬桿上），每次練習1 h，連續訓練8次。

試用結束后，每位試用者對該器材的優點評價包括：1）能夠幫助使用者快速掌握基本的正手持拍技術，很有效果；2）造價便宜，能夠普及使用；3）固定了手指的位置，對矯正錯誤持拍技術很有效。缺點評價包括：1）限制了手部活動，不能實現多種持拍技術之間的靈活轉換；2）需要考慮不同手型大小匹配問題；3）手被束縛住，感覺不舒服；4）安裝定型/矯正器使球拍炳增粗，與實際握拍不一樣。

本研究設計制作的羽毛球正手持拍技術定型/矯正器能幫助初學者和持拍技術不當的業余愛好者快速、有效地掌握基本的正手持拍技術，實現了研究目標。對于試用者提出的“手被束縛”，這正是本器材發揮定型/矯正功能的主要路徑；而“不能實現多種持拍技術之間的靈活轉換”的不足，因為臨場轉換持拍手法，需要結合當時的回擊球情況，除非實現大腦對定型/矯正器的智能化控制或定型/矯正器本身高度智能化（持拍手型隨定型/矯正器自動化轉換而動），才能保證持拍手型靈活有效的轉換。試用者提出的其他兩點意見，一方面可通過提供多種型號，適用于不同的手型，另一方面可以減小內襯的厚度（樣品內襯厚1 mm），并設計無內襯定型/矯正器。

5 小結

實用結果表明，本產品設計合理、有效，能夠幫助初學者和持拍技術不當的業余愛好者快速掌握基本的正手持拍技術，實現了預期研究目標。若練習者使用的羽毛球拍安裝了正手持拍定型/矯正器，持拍手型迅速固定，教練員無需花費較多時間和精力調整或糾正練習者的持拍技術，將有更多時間和精力用于其他關鍵技術教學方面，練習者也不用再受持拍技術不當的影響，以提高羽毛球技術學習效率。

試用者提出的部分建議，符合實際情況，但限于目前科技水平，尚無有效解決方法，關于“適配不同手型”和“不影響羽毛球拍柄大小”的建議，可以通過產品型號多元化和控制內襯厚度予以解決。

此外，由于羽毛球正手持拍技術較復雜，是羽毛球啟蒙教學和業余羽毛球愛好者不當持拍技術矯正的難點，而反手持拍基本技術比較容易習得和掌握，所以研制反手持拍技術定型/矯正器的現實意義不大。未來，后續研究需要研制一種適用于左手持拍的定型/矯正器，并提高定型/矯正器的智能化水平。