健美操運(yùn)動(dòng)員空中轉(zhuǎn)體過程中的肌肉活動(dòng)特征研究

賀 莉，李慧萌，江緒兵，項(xiàng)亞光

（皖西學(xué)院體育學(xué)院，安徽六安 237012）

0 引言

作為體育強(qiáng)國(guó)，健美操在我國(guó)有了很好的發(fā)展，在國(guó)際大賽中獲獎(jiǎng)無(wú)數(shù)，已處于一個(gè)較高水平，為了完善運(yùn)動(dòng)員的健美操訓(xùn)練方式，分析健美操運(yùn)動(dòng)員的肌肉活動(dòng)特征，結(jié)合運(yùn)動(dòng)員自身肌肉特點(diǎn)，設(shè)計(jì)適合比賽的體操動(dòng)作.文獻(xiàn)［1］利用特征提取手段，從分解的健美操動(dòng)作中，識(shí)別出肌肉活動(dòng)特征；而文獻(xiàn)［2］根據(jù)運(yùn)動(dòng)員的靜態(tài)平衡能力，著重分析支撐運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，分析平衡能力下的肌肉活動(dòng)特征；文獻(xiàn)［3］則根據(jù)健美操的連續(xù)性動(dòng)作特點(diǎn)，通過視覺誤差校正方法，獲取不同的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)員肌肉活動(dòng)特征的分析.這三種方法雖然也得出了相應(yīng)的分析結(jié)論，但根據(jù)該結(jié)論實(shí)施的訓(xùn)練課程并沒有達(dá)到預(yù)期效果，導(dǎo)致肌肉活動(dòng)特征分析結(jié)果不準(zhǔn)確.因此針對(duì)這一現(xiàn)狀，對(duì)健美操運(yùn)動(dòng)員支撐與空中轉(zhuǎn)體過程中，肌肉的活動(dòng)特征提出全新的分析方法.該方法通過掌握運(yùn)動(dòng)員的身體動(dòng)力，建立分析模型，以此獲取不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的肌肉特征.該分析方法為健美操運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)作姿態(tài)設(shè)計(jì)提供肌肉活動(dòng)數(shù)據(jù)，同時(shí)也為平衡木、高低杠、鞍馬以及吊環(huán)等運(yùn)動(dòng)員肌肉特征分析，提供科學(xué)的理論依據(jù).

1 健美操運(yùn)動(dòng)員空中轉(zhuǎn)體時(shí)的肌肉活動(dòng)特征分析方法

1.1 運(yùn)動(dòng)員身體動(dòng)力變化分析

健美操蘊(yùn)含了爵士舞、迪斯科舞、拉丁舞以及霹靂舞等多個(gè)舞種的動(dòng)作姿態(tài)，健美操的基本動(dòng)作包括：四肢、軀干、頭部、足部以及髖關(guān)節(jié)等部位的伸展、支撐以及扭動(dòng)，在上述動(dòng)作基礎(chǔ)上，結(jié)合不同的身體部位，形成具有一定難度的起跳、支撐、轉(zhuǎn)體和落地等規(guī)范動(dòng)作，這些動(dòng)作根據(jù)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的不同，其肌肉活動(dòng)量也不盡相同.因此研究肌肉活動(dòng)特征，需要預(yù)先分解健美操運(yùn)動(dòng)員的身體動(dòng)作，分析運(yùn)動(dòng)過程中的身體動(dòng)力變化量.健美操支撐、轉(zhuǎn)體的運(yùn)動(dòng)前提，是運(yùn)動(dòng)員的離地起跳動(dòng)作，平穩(wěn)、充滿力量的起跳動(dòng)作可以確保支撐穩(wěn)定，從而借助起跳的慣性，實(shí)現(xiàn)高度滯空的空中轉(zhuǎn)體動(dòng)作.運(yùn)動(dòng)員助跑起跳過程中，身體重心會(huì)發(fā)生明顯變化，該變化直接影響運(yùn)動(dòng)員的支撐落點(diǎn)，圖1 為男、女運(yùn)動(dòng)員助跑起跳之前的身體重心變化曲線［4］.

圖1 運(yùn)動(dòng)員起跳前的身體重心變化Fig.1 The change of body center of gravity before the athlete's jump

根據(jù)圖1 可知，由于男、女運(yùn)動(dòng)員的體質(zhì)差別，因此重心會(huì)有輕微不同.而男、女運(yùn)動(dòng)員在起跳時(shí)，足部著地的重心瞬時(shí)速度為：

公式中：vx表示重心水平速度；vy表示重心垂直速度；Δs表示步長(zhǎng)位移量；Δt表示趨近于0時(shí)的助跑時(shí)間；v0表示運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)過程中重心的初始速度；k表示瞬時(shí)速度公式的固定系數(shù)；t表示運(yùn)動(dòng)開始到起跳之前的運(yùn)動(dòng)時(shí)間.根據(jù)該公式得出男女運(yùn)動(dòng)員的重心參數(shù)值，將該數(shù)值與國(guó)家優(yōu)秀選手的重心參數(shù)相比較，對(duì)比結(jié)果如表1所示.

表1 健美操運(yùn)動(dòng)員的重心瞬時(shí)速度參數(shù)Tab.1 .Instantaneous speed parameters of center of gravity of aerobics athletes

上述所得計(jì)算結(jié)果，為身高、體重、性別不同的健美操運(yùn)動(dòng)員，在助跑起跳過程中的身體重心運(yùn)動(dòng)瞬時(shí)速度，根據(jù)該值設(shè)置動(dòng)作分解參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)身體動(dòng)力變化的區(qū)別分析.

1.2 建立分析模型提取姿態(tài)特征

以公式（1）的計(jì)算結(jié)果為依據(jù)，建立補(bǔ)償分析模型，利用該模型提取運(yùn)動(dòng)員的支撐、轉(zhuǎn)體姿態(tài).該模型參考互補(bǔ)分析算法的計(jì)算原理，引入身體動(dòng)力特征參數(shù)，構(gòu)建一個(gè)滿足人體肌理變化特征的模型：

圖2 空中轉(zhuǎn)體健美操動(dòng)作模擬圖FIG.2 Aerobics movement simulation diagram

公式中：qs表示在三維空間s中的人體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)特征向量；i表示骨骼銜接處的一個(gè)節(jié)點(diǎn)；j表示與該節(jié)點(diǎn)相連接的鄰節(jié)點(diǎn)；xi、yi、zi表示i節(jié)點(diǎn)的空間三維坐標(biāo)；xj、yj、zj表示j節(jié)點(diǎn)的空間三維坐標(biāo)［6］.該姿態(tài)特征下的人體骨骼簡(jiǎn)圖，如圖3所示.

圖3 人體骨骼簡(jiǎn)圖Fig.3 Schematic diagram of human skeleton

根據(jù)圖3所示的骨骼受力特點(diǎn)、運(yùn)動(dòng)角度，分析健美操運(yùn)動(dòng)員的肌肉活動(dòng)特征.

1.3 計(jì)算關(guān)節(jié)耐力分析支撐運(yùn)動(dòng)時(shí)的肌肉活動(dòng)特征

根據(jù)動(dòng)作姿態(tài)特征，結(jié)合骨骼受力特點(diǎn)，計(jì)算關(guān)節(jié)在起跳時(shí)刻的耐力，根據(jù)耐力值分析運(yùn)動(dòng)員從跳點(diǎn)起跳或開始動(dòng)作時(shí)，撐起過程中肌肉的活動(dòng)特征.假設(shè)助跑的慣性力為F0，跳點(diǎn)位置為mi，運(yùn)動(dòng)員的足部蹬力為Fm，則關(guān)節(jié)的耐力值為：

上式中：sn表示支撐動(dòng)作下發(fā)力的n個(gè)關(guān)節(jié)節(jié)點(diǎn)位置；Fsn表示每一節(jié)點(diǎn)位置的關(guān)節(jié)耐力值；t表示瞬時(shí)支撐時(shí)長(zhǎng)；μ表示起跳時(shí)的雙手?jǐn)[臂幅度；ωi表示i個(gè)受力關(guān)節(jié)，在下蹲時(shí)的緩沖角度［7］.此時(shí)受人體重心的影響，肌肉隨著人體的支撐運(yùn)動(dòng)形成伸縮-舒展-伸縮-舒展的活動(dòng)方式.利用一個(gè)小型監(jiān)測(cè)裝置，截取運(yùn)動(dòng)員在支撐這一時(shí)段的肌肉活動(dòng)動(dòng)態(tài)圖像，設(shè)置若干計(jì)算節(jié)點(diǎn)，如圖4所示.

圖4 支撐動(dòng)作的肌肉分析節(jié)點(diǎn)設(shè)定位置Fig.4 Set position of muscle analysis node supporting action

圖中的節(jié)點(diǎn)位置用Ai表示，根據(jù)分析算法的計(jì)算原理，結(jié)合公式（4）的計(jì)算結(jié)果，獲取肌肉活動(dòng)特征函數(shù)，存在：

公式中：xi表示第i個(gè)身體部位的肌肉伸縮值；n表示肌肉伸縮次數(shù)；ε表示肌肉彈性；ai表示部位i處的肌肉變化指標(biāo)；Ei(xi)表示對(duì)所有肌肉伸縮值的i次特征分析［8］.根據(jù)該函數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)支撐狀態(tài)下的健美操運(yùn)動(dòng)員肌肉活動(dòng)特征分析.

1.4 計(jì)算關(guān)節(jié)最大運(yùn)動(dòng)角度分析轉(zhuǎn)體時(shí)肌肉活動(dòng)特征

健美操運(yùn)動(dòng)員借助支撐時(shí)的瞬間撐起力度，在空中做出規(guī)定的轉(zhuǎn)體動(dòng)作，此時(shí)動(dòng)作受轉(zhuǎn)體力度以及關(guān)節(jié)角度的影響，做出的轉(zhuǎn)體動(dòng)作弧度會(huì)有一個(gè)極大值，該極大值會(huì)牽制肌肉的活動(dòng)峰值.統(tǒng)計(jì)不同性別、不同類型的健美操選手身體特征，其關(guān)節(jié)的最大活動(dòng)角度如表2所示.

表2 運(yùn)動(dòng)員轉(zhuǎn)體過程中的關(guān)節(jié)活動(dòng)參數(shù)Tab.2 Parameters of joint movement of athletes during body rotation

根據(jù)表2中的偏離量數(shù)據(jù)可知，雖然男女運(yùn)動(dòng)員在體質(zhì)上存在一些差距，但對(duì)于均衡系數(shù)還是比較接近的，偏離量數(shù)值處在一個(gè)較小的范圍內(nèi).轉(zhuǎn)體動(dòng)作經(jīng)分解后，其中一個(gè)動(dòng)作如圖5所示［9］.

圖5 空中轉(zhuǎn)體示意圖Fig.5 .Schematic diagram of air rotation

根據(jù)圖5可知，身體在空中做出規(guī)定技術(shù)動(dòng)作時(shí)，肌肉的活動(dòng)量與關(guān)節(jié)角度的極限值呈正相關(guān)，當(dāng)轉(zhuǎn)體幅度大時(shí)，則肌肉在最大關(guān)節(jié)角度的限制下，此時(shí)其肌肉活動(dòng)伸展量，也為最大極限.結(jié)合表2 中的數(shù)據(jù)，計(jì)算健美操運(yùn)動(dòng)員，在空中展示轉(zhuǎn)體技術(shù)時(shí)，關(guān)節(jié)的最大運(yùn)動(dòng)角度為：

公式中：α表示關(guān)節(jié)最大運(yùn)動(dòng)角度；arctan(*)表示任何轉(zhuǎn)體方向上的關(guān)節(jié)角度運(yùn)算函數(shù)；x1、x2表示支撐點(diǎn)和受力點(diǎn)的橫坐標(biāo)；y1、y2表示支撐點(diǎn)和受力點(diǎn)的縱坐標(biāo).根據(jù)該角度值并結(jié)合公式（4），求出運(yùn)動(dòng)員轉(zhuǎn)體過程中的肌肉活動(dòng)特征值：

公式中：Ej(xj)表示在轉(zhuǎn)體狀態(tài)下，運(yùn)動(dòng)員肌肉伸縮值的j次特征分析結(jié)果，其中xj表示j處身體部位的肌肉伸縮值；m表示肌肉活動(dòng)次數(shù)；αj是公式（6）計(jì)算得到的關(guān)節(jié)活動(dòng)角度；?j表示每一身體部位的轉(zhuǎn)體運(yùn)動(dòng)方向［10］.根據(jù)該函數(shù)公式求得角度變化下的肌肉活動(dòng)特征值，根據(jù)該值設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)的健美操技術(shù)動(dòng)作，提升運(yùn)動(dòng)員的日常訓(xùn)練水平，至此根據(jù)健美操運(yùn)動(dòng)員的空中轉(zhuǎn)體運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)肌肉活動(dòng)特征的分析與研究.

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與分析

為了驗(yàn)證健美操運(yùn)動(dòng)員空中轉(zhuǎn)體過程中的肌肉活動(dòng)特征分析方法的有效性，利用雙核英特爾第二代酷睿處理器，在OPTIPLEX3010為主頻，VS2010+OpenCV2.4.13，Windows10操作系統(tǒng)Inte（lR）Xeon（R）CPU GB 內(nèi)存，且測(cè)試圖像的幀率為30 fps，分辨率為800*600，軟件為Matlab2009 a 的環(huán)境下進(jìn)行一次仿真實(shí)驗(yàn).將所提分析方法和傳統(tǒng)方法，均應(yīng)用到實(shí)際檢測(cè)環(huán)境中.將實(shí)驗(yàn)環(huán)境作為基本測(cè)試條件，對(duì)比不同分析方法的分析能力，找出方法之間的差異，根據(jù)測(cè)試結(jié)果得出具體研究結(jié)論.

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

以某省的A 體育大學(xué)和B 體育學(xué)院為實(shí)驗(yàn)背景，在健美操部門和健美操俱樂部中，分別隨機(jī)挑選10 人作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，分析這些學(xué)生在空中轉(zhuǎn)體運(yùn)動(dòng)時(shí)的肌肉活動(dòng)特征.實(shí)驗(yàn)對(duì)象的基本信息如表3所示，表中的編號(hào)W表示女同學(xué)，編號(hào)N表示男同學(xué).

表3 實(shí)驗(yàn)對(duì)象基本信息Tab.3 Basic information of experimental subjects

根據(jù)表3 中的學(xué)生信息可知，A 體育大學(xué)和B 體育學(xué)院均挑選4名女生和6名男生，且這些運(yùn)動(dòng)員的等級(jí)不同，令實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果更具合理性.將兩所學(xué)校的健美操運(yùn)動(dòng)員，帶入一個(gè)溫度適宜的體育館內(nèi)，將該體育館作為實(shí)驗(yàn)環(huán)境，令所有參與實(shí)驗(yàn)的學(xué)生所使用的場(chǎng)地保持一致，該實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地如圖6所示.

圖6 實(shí)驗(yàn)測(cè)試場(chǎng)地Fig.6 Experimental test site

將20個(gè)運(yùn)動(dòng)員搭配成4個(gè)人數(shù)不等的測(cè)試小組，設(shè)置10 套健美操動(dòng)作，每套動(dòng)作的測(cè)試時(shí)間為15 min，利用記錄儀記錄運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，分別利用本文方法、文獻(xiàn)［1］方法和文獻(xiàn)［2］方法分析健美操運(yùn)動(dòng)員的肌肉活動(dòng)特征.

2.2 結(jié)果分析

將文獻(xiàn)［1］方法和文獻(xiàn)［2］方法作為此次實(shí)驗(yàn)的對(duì)照組，與所研究方法進(jìn)行對(duì)比，圖7 為此次得到的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果.

圖7 是對(duì)20 名實(shí)驗(yàn)對(duì)象，身體上的10 個(gè)肌肉部分進(jìn)行活動(dòng)特征分析，已知身體在做出支撐和空中轉(zhuǎn)體動(dòng)作時(shí)，肌肉的活動(dòng)也是左右對(duì)稱的，這樣才能保持身體平衡.從圖中可以看出，在同類肌肉類型下，所提出方法分析得到的左、右肌肉活動(dòng)特征量的數(shù)據(jù)非常接近；而傳統(tǒng)方法分析得到的肌肉左右特征量相差較大，并不是一個(gè)相對(duì)平衡狀態(tài)，可見該分析方法存在一定分析誤差，導(dǎo)致對(duì)運(yùn)動(dòng)員肌肉活動(dòng)的特征分析結(jié)果失真.綜合上述分析，可見所提出的肌肉活動(dòng)特征分析方法，得出的測(cè)試結(jié)果更加精準(zhǔn).

為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文方法的有效性，對(duì)本文方法、文獻(xiàn)［2］方法和文獻(xiàn)［3］方法的肌肉活動(dòng)特征分析結(jié)果準(zhǔn)確率進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)比結(jié)果如圖8所示.

圖8 三種方法的分析準(zhǔn)確率對(duì)比結(jié)果Fig.8 Comparative results of analysis accuracy of the three methods

根據(jù)圖8 可知，本文提出的方法中肌肉活動(dòng)特征分析結(jié)果準(zhǔn)確率最高可達(dá)80%，而文獻(xiàn)［2］方法和文獻(xiàn)［3］方法肌肉活動(dòng)特征分析結(jié)果準(zhǔn)確率最高只有65%和50%，即本方法中肌肉活動(dòng)特征分析結(jié)果準(zhǔn)確率比傳統(tǒng)方法的分析結(jié)果準(zhǔn)確率高.

3 結(jié)束語(yǔ)

在健美操運(yùn)動(dòng)員空中轉(zhuǎn)體過程中，根據(jù)傳統(tǒng)肌肉特征分析方法存在的不足，提出全新的肌肉活動(dòng)特征分析方法，該方法通過建立分析模型，控制特征量的分析誤差，同時(shí)設(shè)立大量的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，保證對(duì)每一塊肌肉的具體分析.根據(jù)此次提出分析方法獲取的肌肉特征，設(shè)計(jì)出更加適合運(yùn)動(dòng)員自身的健美操組合動(dòng)作，提升動(dòng)作完成標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，增強(qiáng)運(yùn)動(dòng)員在競(jìng)技賽場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力.但該分析方法由于設(shè)置的節(jié)點(diǎn)數(shù)量居多，計(jì)算量偏大，因此該方法的分析效率不高，今后要對(duì)節(jié)點(diǎn)設(shè)置問題進(jìn)行精簡(jiǎn)處理.