不同架勢“并步云手”手眼協(xié)調(diào)與重心變化相關(guān)性研究

摘要：太極拳是我國優(yōu)秀文化中的瑰寶，對運(yùn)動功能的發(fā)展也有其獨(dú)特優(yōu)勢。協(xié)調(diào)能力和平衡能力是身體素質(zhì)的組成部分，對人體的健康發(fā)展有重要作用，然而太極拳對發(fā)展人體協(xié)調(diào)能力和平衡能力關(guān)系的研究尚未見報道。因此，該文通過對太極拳動作—“并步云手”進(jìn)行研究，探討太極拳不同架勢下“并步云手”動作完成過程中手眼協(xié)調(diào)能力與重心之間的關(guān)系，為太極拳在健身鍛煉中的應(yīng)用提供實驗證據(jù)。

關(guān)鍵詞：“并步云手”；架勢；手眼協(xié)調(diào)；平衡能力；相關(guān)性；

Research on the correlation between the hand-eye coordination and the change of the center of gravity on different positions of Tai Chi movement：Wave-hand in cloud

CHEN Chang-De， WANG Cen-Yi， Zhang Heng-Rui， LU A-Ming

（1.Institute of Physical Education and Sports Science， Soochow University， Suzhou， Jiangsu Province，215021，China）

Abstract： Tai Chi is a treasure in Chinese excellent culture and has its unique advantages for the development of sports functions. Coordination ability and balance ability are components of physical fitness and play an important role in the healthy development of human body， however， theirs the relationship has not been reported。Therefore， this paper explores the relationship between hand-eye coordination ability and center of gravity during the completion of the \"wave-hand in cloud\" movement in different positions of Tai chi， and to provide experimental evidence for the application of Tai chi in fitness exercise.

Key words： \"wave-hand in cloud\"; different positions; Coordination of hand and eye; balance; correlation;

近年來，太極拳對人體的健身功效被越來越多的國內(nèi)外研究者所認(rèn)可，對太極拳的人體作用效應(yīng)相關(guān)研究日益深入，涉及平衡協(xié)調(diào)能力、神經(jīng)肌肉控制功能以及預(yù)防或延緩慢性疾病等方面^[1-3]，太極拳已經(jīng)成為了風(fēng)靡世界的“動藥”^[4]（medicine in motion）。太極拳根據(jù)練習(xí)難易程度可分為高架勢（high position）和低架勢（low position），架勢的高低目前多用膝關(guān)節(jié)最大屈曲角度來劃分，高架勢和低架勢的膝關(guān)節(jié)角度分別為150°和120°^[5-6]。

“并步云手”是二十四式簡化太極拳的第十式，是太極拳側(cè)向移步步伐的典型動作，有著太極拳的“母式”之稱^[7]。在練習(xí)“并步云手”過程中需要通過髖關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)以腰為軸、上下相隨，身體動作整體協(xié)調(diào)配合，速度緩慢均勻，雙臂及手配合做轉(zhuǎn)圈畫圓動作，眼神跟隨在上的手掌，做到“迎掌來、送掌去”，同時雙腿側(cè)向開步及并步側(cè)向行走，身體重心會在雙腿間不斷地變換 ，強(qiáng)調(diào)對身體重心的控制^[8]。而對運(yùn)動員平衡控制能力的衡量通常以受試者在運(yùn)動過程中重心位置變化來確定，對太極拳練習(xí)過程中重心的研究就很有必要。另一方面，太極拳的運(yùn)行法則是意念支配動作，通過意識來控制關(guān)節(jié)位置和動作方向的準(zhǔn)確性，形成的本體感覺可以增強(qiáng)協(xié)調(diào)性，而協(xié)調(diào)性對兒童活動能力的發(fā)展、運(yùn)動員動作技能的學(xué)習(xí)與發(fā)揮、傷殘者技能恢復(fù)以及老年人動作平衡有重要的影響，此外，在太極拳等武術(shù)中，協(xié)調(diào)性也經(jīng)常作為評判武術(shù)套路表現(xiàn)的根本點(diǎn)，因此人體運(yùn)動協(xié)調(diào)問題一直備受相關(guān)學(xué)科研究者重視^[9-10]。目前， 具有多種方法可以量化運(yùn)動協(xié)調(diào)的方式及其變異性，其中，主成分分析因其自身的獨(dú)特性，逐漸受到研究者的青睞，被應(yīng)用于多個領(lǐng)域的研究中。有大量研究應(yīng)用函數(shù)型主成分分析法探究人體中樞神經(jīng)系統(tǒng)支配運(yùn)動分配方式，在運(yùn)動科學(xué)領(lǐng)域，函數(shù)型主成分分析法常被用來研究運(yùn)動協(xié)調(diào)方式，因而，函數(shù)型主成分分析法可以作為量化運(yùn)動協(xié)調(diào)的方法之一。

太極拳運(yùn)動兼具發(fā)展人體協(xié)調(diào)能力和平衡能力，然而兩者在太極拳動作中的關(guān)系研究尚未見報道。近幾年來，動作控制和協(xié)調(diào)性的研究已成為體育科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一，對協(xié)調(diào)性和姿勢控制的深入研究，有望了解人體各種動作模式的協(xié)調(diào)控制模式，為運(yùn)動技能的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練提供依據(jù)^[11]。因此，本研究通過主成分分析法評價太極拳典型動作“并步云手”高低兩種架勢下的手眼協(xié)調(diào)能力，探索高低架勢“并步云手”手眼協(xié)調(diào)能力與重心位移的關(guān)系，為不同架勢太極拳提高運(yùn)動表現(xiàn)提供理論依據(jù)與借鑒意義。

1 研究對象與研究方法

1.1 研究對象

選取某高校體育學(xué)院民族傳統(tǒng)體育學(xué)專業(yè)14名太極拳專項學(xué)生，練習(xí)太極拳時間在三年以上，并參加過國內(nèi)和國際太極賽事或大型比賽，在研究前的三個月中未出現(xiàn)明顯運(yùn)動損傷且不存在心理精神障礙，測試前一天休息良好，受試者在實驗前均被告知實驗的內(nèi)容和研究目的，自愿參與本實驗并保證完成。篩選后最終受試者為11名，年齡（20.7±1.4）歲，身高（172.7±6.4）cm，體重（69.4±11.3）kg。本研究方案通過蘇州大學(xué)倫理委員會（202104A331）審查和批準(zhǔn)。

1.2 實驗設(shè)計

根據(jù)前人的相關(guān)研究^[12]，本文的實驗設(shè)計為，選取Z1-頭部旋轉(zhuǎn)角、Z2-軀干旋轉(zhuǎn)角、Z3-左肩屈曲角、Z4-左肘屈曲角、Z5-左腕屈曲角、Z6-右肩屈曲角、Z7-右肘屈曲角、Z8-右腕屈曲角和重心在三個方向上的位移作為實驗數(shù)據(jù)指標(biāo)。受試者分別進(jìn)行高低兩種架勢“并步云手”動作，選取自第一個云手動作左腳著測力臺時刻（地面反作用力＞10N）起至第二個云手動作右腳離測力臺時刻（地面反作用力＜10N）止的一個完整“并步云手”動作，高低架勢各測3次作為實驗數(shù)據(jù)，每次間隔休息30s，剔除未按要求完成動作和不完整的數(shù)據(jù)，最終高低架勢各得到27組有效數(shù)據(jù)。

1.3 實驗設(shè)備

采用MX-T40 Vicon八攝像頭紅外高速運(yùn)動捕捉系統(tǒng)（Vicon Motion Analysis，英國）對整個太極拳運(yùn)動過程中的“并步云手”動作進(jìn)行捕捉采集，采集頻率設(shè)為100Hz。使用Vicon的Nexus（Oxford Metrics， 0xford，UK）和Plug-in-Gait Full body模型（0xford metrics，Oxford， UK）分別計算上肢三維運(yùn)動學(xué)和身體重心（Center Of Gravity，COG）的位移。

采用德國Biovision多導(dǎo)運(yùn)動生物電記錄分析系統(tǒng)（Biovision-sEMG，德國）實時監(jiān)測運(yùn)動過程中受試者的膝關(guān)節(jié)屈曲角度。

1.4 實驗流程

實驗人員先進(jìn)行建檔、標(biāo)定和設(shè)定原點(diǎn)等操作，受試者進(jìn)入實驗室，進(jìn)入更衣室更換測試時所穿的緊身衣褲后，進(jìn)行身高、體重、下肢長度（同側(cè)髂前上棘到腳內(nèi)踝的長度）、膝寬（同側(cè)膝內(nèi)外側(cè)寬度）、踝寬（同側(cè)腳內(nèi)外踝之間的距離）、肘寬（肘內(nèi)外側(cè)寬度）、腕寬（腕關(guān)節(jié)內(nèi)外側(cè)寬度）、掌厚（手掌掌骨最厚部位厚度）、肩峰端與肩關(guān)節(jié)活動中心之間距離等形態(tài)學(xué)數(shù)據(jù)測量，用于系統(tǒng)構(gòu)建骨架模型。用SM膠將39個紅外反光球貼在選用模型所需的固定位置。運(yùn)動數(shù)據(jù)采集前，需要對每位受試者采集一組靜態(tài)數(shù)據(jù)，用于后期數(shù)據(jù)處理時確定人體關(guān)節(jié)解剖位置。靜態(tài)數(shù)據(jù)采集時，先對力臺上的重量進(jìn)行歸零，然后叮囑受試者站在力臺5秒，站姿標(biāo)準(zhǔn)為雙腳與肩同寬，足尖朝前，雙上肢與肩同高側(cè)平舉，指尖朝外，掌心朝下，兩眼平視正前方。完成以上工作后，即可進(jìn)行動作數(shù)據(jù)采集，受試者通過自由練習(xí)太極拳完成熱身活動，時間約為5分鐘，完成熱身后再次檢查實驗裝置并開始實驗。測試者輸入受試者信息后，采集靜態(tài)模型。發(fā)出指令“開始”，分別對受試者高低2種不同架勢的“并步云手”動作進(jìn)行采集。預(yù)實驗證明受試者使用節(jié)拍器能夠很好的控制動作頻率，因此使用了節(jié)拍器（每分鐘30拍）來控制頻率，每個動作測試3次，每兩次之間休息調(diào)整 30s。

1.5 統(tǒng)計方法

采用SPSS26.0對高低架勢各27組完整數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，用所選的角度指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，以對手眼協(xié)調(diào)能力進(jìn)行評分，得分越高說明手眼協(xié)調(diào)能力越好。采用 Pearson方法對高架勢和低架勢的綜合得分與重心在三維方向上位移進(jìn)行相關(guān)分析，顯著性水平確定為p lt;0.05。

2 研究結(jié)果

2.1 手眼協(xié)調(diào)能力

對指標(biāo)變量進(jìn)行主成分分析，得到各指標(biāo)變量相關(guān)系數(shù)矩陣的初始特征值、主成分的貢獻(xiàn)率和累計貢獻(xiàn)率。高架勢提取了三個特征值大于 1 的主成分，記為F₁、F₂ 和 F₃，特征值分別為2.695、1.708和1.239，方差百分比分別為33.683%、21.347%和 15.494%，累計貢獻(xiàn)率達(dá)到 70.523%。低架勢提取了三個特征值大于 1 的主成分，記為F₄、 F₅和 F₆，特征值分別為3.006、 1.519和1.090，方差百分比分別為 37.577%、18.993%和 13.622%，累計貢獻(xiàn)率達(dá)到 70.191%，兩種不同架勢的累計貢獻(xiàn)率均可代表大部分的評價指標(biāo)。為進(jìn)一步了解主成分與原始指標(biāo)變量之間的關(guān)系，計算主成分因子載荷矩陣，見表1。

高低架勢各主成分綜合得分情況：根據(jù)主成分因子載荷矩陣中的數(shù)據(jù)除以主成分相對應(yīng)的特征值開平方根，得到主成分中每個指標(biāo)所對應(yīng)的系數(shù)，可得到F₁-F₆主成分表達(dá)式，結(jié)果如下：

F₁=-0.150* Z1-0.058* Z2+0.367* Z3-0.428* Z4+0.308* Z5+0.482* Z6-0.468* Z7+0.331 * Z8；

F₂=-0.407 * Z1+0.409* Z2+0.440* Z3-0.042* Z4-0.445* Z5+0.321* Z6+0.304*Z7-0.280 * Z8；

F₃=-0.578 * Z1-0.268* Z2+0.203* Z3+0.533* Z4+0.280* Z5-0.106* Z6+0.222 *Z7+0.362* Z8；

F₄=-0.289* Z1+0.106 * Z2+0.421 * Z3-0.354* Z4+0.249* Z5+0.412 * Z6-0.441* Z7+0.422* Z8；

F₅=-0.266* Z1-0.300 * Z2+0.321 * Z3+0.270* Z4-0.629* Z5+0.352 * Z6+0.374* Z7+0.071* Z8；

F₆=0.610* Z1+0.643 * Z2-0.124 * Z3+0.114* Z4+0.490* Z5+0.065* Z6+0.061* Z7+0.394* Z8。

再根據(jù)各主成分對應(yīng)的方差百分比作為權(quán)重，分別計算高架勢和低架勢的綜合得分，公式為：

F_（高）= 0.3368*F₁+0.2135*F₂+0.1550*F₃" F_（低）=0.3757*F₄+0.1899*F₅+0.1362*F₆，其結(jié)果如表2所示。通過公式計算結(jié)果顯示，在高架勢的“并步云手”手眼協(xié)調(diào)能力綜合得分中，N4的得分最高，得分為1.11分；低架勢中N5的得分最高，得分為1.21分，表明手眼協(xié)調(diào)能力最佳。在高架勢和低架勢的“并步云手”手眼協(xié)調(diào)能力綜合得分中，N25的得分均為最低，得分分別為-1.26分和-1.71分。

2.2重心三維變化

對人體重心在前后方向（X-COG）、左右方向（Y-COG）和垂直方向（Z-COG）的位移進(jìn)行分析，計算結(jié)果見表3。

2.3 相關(guān)性分析

為研究不同架勢下“并步云手”手眼協(xié)調(diào)能力與重心位移的關(guān)系，本文采用 Pearson 方法對高架勢和低架勢的綜合得分與重心在三維方向上位移進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果見表4。結(jié)果顯示高架勢的“并步云手”手眼協(xié)調(diào)能力與重心在X軸、Y軸和Z軸方向上的位移無顯著性相關(guān)（r =-0.312、r =0.101和r =-0.204）；低架勢的“并步云手”手眼協(xié)調(diào)能力與X軸位移呈顯著負(fù)相關(guān)（r =-0.544， p =0.005），與Y軸上的位移呈現(xiàn)出顯著的正相關(guān)（r =0.605， p =0.01）。

3 分析與討論

Bernstein最早對運(yùn)動協(xié)調(diào)問題展開了系統(tǒng)性研究，他提出了一個可以定義運(yùn)動協(xié)調(diào)的一個最基本的概念—自由度，他認(rèn)為運(yùn)動協(xié)調(diào)是中樞神經(jīng)系統(tǒng)對神經(jīng)-肌肉-骨骼系統(tǒng)中自由度的組織。但人體的神經(jīng)-肌肉-骨骼系統(tǒng)所包含自由度的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了運(yùn)動所需的參數(shù)，造成運(yùn)動時會存在非常龐大的冗余自由度，繼此，運(yùn)動協(xié)調(diào)被定義為中樞神經(jīng)系統(tǒng)將神經(jīng)-肌肉-骨骼系統(tǒng)中冗余的自由度轉(zhuǎn)換成可控系統(tǒng)的過程。手眼協(xié)調(diào)屬于視覺-肢體動作協(xié)調(diào)的范疇，它既是云手練習(xí)的重要條件，也是提升人體神經(jīng)肌肉協(xié)調(diào)性的主要內(nèi)容。李翔^[12]等人采集受試者“定步云手”的肘部、肩部、頭部和軀干部數(shù)據(jù)，運(yùn)用主成分分析法發(fā)現(xiàn)，“定步云手”動作可以劃分為由軀干旋轉(zhuǎn)角度與頭部旋轉(zhuǎn)角度組成的頭-軀干旋轉(zhuǎn)部分和由上肢的肩關(guān)節(jié)屈曲角度與肘關(guān)節(jié)屈曲角度組成的上肢屈曲部分，對主成分組成部分之間進(jìn)行相關(guān)性發(fā)現(xiàn)，兩個主成分組成部分間具有高度相關(guān)性。本研究也發(fā)現(xiàn)，手眼協(xié)調(diào)能力與左右方向上的重心位移呈正相關(guān)，練習(xí)“并步云手”過程中頭隨手動，左右腿側(cè)向移動帶動軀體重心移動，頭部旋轉(zhuǎn)又與脊柱旋轉(zhuǎn)在空間和時間上具有高度一致性，構(gòu)成了“手-頭-軀干”相關(guān)鏈，三者具有較好的運(yùn)動協(xié)調(diào)模式，與此同時，練習(xí)“并步云手”過程中頭隨手動，增加了受試者視野范圍，外界環(huán)境信息輸入可以更多輸入到中樞神經(jīng)系統(tǒng)，提高姿勢控制能力^[13]。本研究基于前人研究和“并步云手”的動作特點(diǎn)，加入腕關(guān)節(jié)屈曲角度，并對主成分和其方差百分比進(jìn)行乘和，計算綜合得分，以此來量化“并步云手”手眼協(xié)調(diào)能力，結(jié)果發(fā)現(xiàn)N25的高低架勢手眼協(xié)調(diào)能力得分最低，N4和N5分別得到高架勢和低架勢最高分。

手眼協(xié)調(diào)能力下降會使人較難完成日常生活目標(biāo)性活動，如直行時緊急避讓、在斜坡上支撐，這些活動給人增加了側(cè)向姿勢控制的難度，身體重心的側(cè)向移動將改變了側(cè)向姿勢控制的策略，從而易誘發(fā)跌倒的發(fā)生概率，本研究相關(guān)分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，高架勢手眼協(xié)調(diào)能力與重心三維方向上位移相關(guān)性不密切。可能是太極拳練習(xí)者在完成高架勢“并步云手”動作過程中負(fù)荷強(qiáng)度較低^[5，14]，重心位移較小，對身體協(xié)調(diào)和控制能力的要求較低，本研究的受試者均為專業(yè)太極拳運(yùn)動員，具備較強(qiáng)的運(yùn)動協(xié)調(diào)能力和良好的下肢肌肉能力，動作穩(wěn)定性高，平時習(xí)練太極拳以低架勢為主，在完成高架勢練習(xí)時其手眼協(xié)調(diào)能力沒有變化，而重心位移相對較小，這是兩者相關(guān)性變?nèi)醯闹匾蛩兀毩?xí)低架勢太極拳動作時，運(yùn)動負(fù)荷較大，對機(jī)體的承受能力要求較高，與高架勢相比，低架勢太極可以激發(fā)更大的能量消耗和肌肉活動^[15-16]，前后方向和左右方向上重心位移數(shù)值大，使得低架勢重心位移與手眼協(xié)調(diào)能力相關(guān)性增強(qiáng)，運(yùn)動效率提高。本研究還發(fā)現(xiàn)手眼協(xié)調(diào)能力與前后方向上的重心位移呈負(fù)相關(guān)，這啟示我們在練習(xí)“并步云手”時要避免身體前后晃動，做到行步過程中身體保持中正，不可歪斜。不同架勢太極拳其運(yùn)動強(qiáng)度存在顯著差異，對身體機(jī)能的影響不同，因而不同人群可根據(jù)需求選擇不同架勢進(jìn)行太極拳練習(xí)。低架勢太極拳練習(xí)時，機(jī)體重心較低，運(yùn)動強(qiáng)度相對較大，對下肢肌肉力量要求較高，對機(jī)體刺激的改善具有架勢依賴性，因此，專業(yè)人員和協(xié)調(diào)能力較強(qiáng)者可習(xí)練低架勢太極拳，高架勢太極拳對手眼協(xié)調(diào)能力要求不高，動作不易變形，可避免損傷。因此更適合初學(xué)者、普通老年人和協(xié)調(diào)能力較弱的人群習(xí)練高架勢太極拳以提高身體活動功能。

4 結(jié)論與建議

高架勢“并步云手”手眼協(xié)調(diào)與重心位移相關(guān)性不密切，低架勢“并步云手”手眼協(xié)調(diào)能力與重心在前后方向上的位移呈顯著負(fù)相關(guān)，左右方向上的重心位移呈顯著正相關(guān)，低架勢“并步云手”手眼協(xié)調(diào)能力與平衡能力有顯著相關(guān)性。建議初學(xué)者、普通老年人和協(xié)調(diào)能力較弱的人群不要采用低架勢習(xí)練太極拳。

參考文獻(xiàn)

[1]梁占歌，汪美芳.太極拳與廣場舞鍛煉對中老年女性下肢肌力與平衡能力的影響[J].中國運(yùn)動醫(yī)學(xué)雜志，2020，39（04）：307-311.

[2]Yin Wu，" Blair T. Johnson，" Shiqi Chen， et al. Tai Ji Quan as antihypertensive lifestyle therapy： A systematic review and meta-analysis[J]. Journal of Sport and Health Science， 2020，

[3]趙悅. 手臂局部體操鍛煉對老年腦血栓患者生活精細(xì)動作與能力的影響研究[D].天津體育學(xué)院，2022.

[4]李樹管，梁培根，吳志建等.太極拳習(xí)練促進(jìn)老年人健康的研究進(jìn)展[J].南京體育學(xué)院學(xué)報，2022，21（09）：28-34.

[5]陳文鶴，趙釜生.太極拳練習(xí)的能量消耗和甲皺微循環(huán)變化[J].上海體育學(xué)院學(xué)報，1984，8（2）：1-7

[6]周雷，王健，吳飛等.太極拳3種高度架勢的確定及控制[J].中國體育科技，2005（03）：103-104+143.

[7]扈羅全.論太極拳動作的母式[J].武術(shù)研究，2018，3（08）：55-57.

[8]王會會，紀(jì)仲秋，張子華，等.24式太極拳典型動作的下肢生物力學(xué)特征[J].成都體育學(xué)院學(xué)報，2019，45（06）：111-119.

[9]林輝杰，嚴(yán)波濤，許崇高，梁海丹.基于函數(shù)型數(shù)據(jù)分析技術(shù)的運(yùn)動協(xié)調(diào)量化方法應(yīng)用研究[J].體育科學(xué)，2012，32（09）：81-87+97.

[10]林輝杰，嚴(yán)波濤，劉占鋒，許崇高，梁海丹.運(yùn)動協(xié)調(diào)的定量方法以及在專項技術(shù)分析領(lǐng)域的研究進(jìn)展[J].體育科學(xué)，2012，32（03）：81-91.

[11]王清，郝衛(wèi)亞，劉卉，等.運(yùn)動生物力學(xué)學(xué)科發(fā)展現(xiàn)狀及前景[J].體育科研，2016，37（03）：91-95.

[12]李翔，王健，李天驕，等.基于太極拳動作相關(guān)性康復(fù)訓(xùn)練模式研究[J].康復(fù)學(xué)報，2016，26（01）：20～24.

[13]Freeman Ellen E，" Mu?oz Beatriz，" Rubin Gary， et al. Visual field loss increases the risk of falls in older adults： the Salisbury eye evaluation.[J]. Investigative ophthalmology amp; visual science， 2007， 48（10）：4445-50.

[14]劉憲發(fā). 簡化太極拳能量消耗特征及鍛煉負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)研究[D].北京體育大學(xué)，2018.

[15]肖陽.不同架勢太極云手對膝骨關(guān)節(jié)炎患者肌肉活動和關(guān)節(jié)負(fù)荷的影響[D].福建中醫(yī)藥大學(xué)，2020.

[16]楊慧馨，虞定海，趙影.中老年男性太極拳高、低架野馬分鬃、倒卷肱與云手練習(xí)中的氣體代謝和能量消耗特征[J].中國運(yùn)動醫(yī)學(xué)雜志，2011，30（04）：323-325.

通信作者：陸阿明（1965—），男，博士，教授，，研究方向為運(yùn)動生物力學(xué)。

作者簡介：陳昌德（1996—），男，碩士研究生，初級-無。

基金項目：教育部社會科學(xué)司（18YJC890001）。