基于動(dòng)作分析的武術(shù)兵道護(hù)具設(shè)計(jì)

王小偉,周 莉*,李 兵

(1.西南大學(xué) 蠶桑紡織與生物質(zhì)科學(xué)學(xué)院,重慶 400715;2.西南大學(xué) 運(yùn)動(dòng)心理教育研究中心,重慶 400715)

武術(shù)兵道是中國(guó)古代戰(zhàn)爭(zhēng)和實(shí)戰(zhàn)訓(xùn)練的產(chǎn)物,其競(jìng)技動(dòng)作源于對(duì)動(dòng)物行為的觀察和模仿。2021年,國(guó)家體育總局武術(shù)運(yùn)動(dòng)管理中心推出了國(guó)家武術(shù)兵道的競(jìng)賽規(guī)則,致力于推動(dòng)中國(guó)武術(shù)的國(guó)際化進(jìn)程,促進(jìn)其成為奧林匹克運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目,助力體育強(qiáng)國(guó)建設(shè)[1]。武術(shù)兵道運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目中人體運(yùn)動(dòng)幅度大,除后腦、喉部、襠部、手部和足部禁擊部位外的頭部、軀干、腿部作為得分點(diǎn),需要佩戴經(jīng)中國(guó)武協(xié)認(rèn)可的護(hù)具,包括:護(hù)頭、護(hù)甲、護(hù)臂、護(hù)手、護(hù)襠和護(hù)腿。目前沒(méi)有武術(shù)兵道護(hù)具的標(biāo)準(zhǔn),在兵道運(yùn)動(dòng)比賽中,傳統(tǒng)的護(hù)具只能起到防護(hù)、美觀的功能,得分評(píng)判在一定程度上還依賴于裁判的經(jīng)驗(yàn)。為解決武術(shù)兵道護(hù)具的功能優(yōu)化和規(guī)范佩戴,急需設(shè)計(jì)出能夠滿足競(jìng)技防護(hù)功能需求和靈敏傳感自動(dòng)計(jì)分的護(hù)具,且兼具中國(guó)傳統(tǒng)競(jìng)技運(yùn)動(dòng)特色和審美要求。

1 武術(shù)兵道護(hù)具特征

武術(shù)兵道注重身體力量的控制和運(yùn)用。楊建營(yíng)[2]在武術(shù)分類之辨析中,采用二分法將武術(shù)分為“徒手”和“持械”2種類別,持械又可分為“持械套路”和“持械對(duì)抗”。其中“武術(shù)兵道”屬于持械對(duì)抗類項(xiàng)目,該項(xiàng)目于2021年由國(guó)家體育總局武術(shù)運(yùn)動(dòng)管理中心推出,前身為武術(shù)短兵,其規(guī)則和技術(shù)源自于傳統(tǒng)武術(shù)短兵。戴小平[3]認(rèn)為短兵運(yùn)動(dòng)是采用重新研制的、具有人體安全保護(hù)功能的運(yùn)動(dòng)器材來(lái)替代傳統(tǒng)的短兵器,參與者能夠綜合運(yùn)用各種原始短兵器格斗技巧進(jìn)行對(duì)抗,這一競(jìng)技運(yùn)動(dòng)旨在傳承和發(fā)展短兵器格斗技術(shù),同時(shí)為個(gè)體提供一種健身運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目。根據(jù)《武術(shù)兵道(短兵)競(jìng)賽規(guī)則(2021試行版)》,武術(shù)兵道運(yùn)動(dòng)是在指定的比賽場(chǎng)地上,同一年齡組和體重組的雙方運(yùn)動(dòng)員,裝備特制的短兵和護(hù)具,遵循一定的規(guī)則要求,運(yùn)用劈、砍、斬、刺4種得分技法進(jìn)行攻防搏斗的對(duì)抗性競(jìng)技體育項(xiàng)目。

武術(shù)兵道護(hù)具是一種專門用于保護(hù)兵道運(yùn)動(dòng)員在訓(xùn)練、對(duì)抗或比賽過(guò)程中免受傷害的裝備[4]。其設(shè)計(jì)與制造遵循嚴(yán)格的安全標(biāo)準(zhǔn)和人體工程學(xué)原理,經(jīng)過(guò)精心調(diào)研和優(yōu)化,以確保功能需求。武術(shù)兵道護(hù)具通常包括:護(hù)頭、護(hù)甲、護(hù)臂、護(hù)手、護(hù)襠和護(hù)腿(該課題研究不含護(hù)頭和護(hù)襠),如圖1所示。護(hù)具通過(guò)采用多層材料結(jié)構(gòu)、吸震材料和強(qiáng)化裝置,有效地吸收和分散外力對(duì)身體的沖擊,保護(hù)頭部、頸部、胸部、四肢等易受傷部位免受損害。

圖1 武術(shù)兵道護(hù)具組成

2 武術(shù)兵道動(dòng)作分析

人體運(yùn)動(dòng)受各關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍和運(yùn)動(dòng)方向的影響。人體關(guān)節(jié)包含頸、肩、肘、腕、腰、髖、膝、踝8大關(guān)節(jié)系統(tǒng),這些關(guān)節(jié)系統(tǒng)相互配合,協(xié)同完成人體大部分動(dòng)作[5]。在武術(shù)兵道運(yùn)動(dòng)中,與其關(guān)聯(lián)最大的關(guān)節(jié)有肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、腰關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié),其基本技術(shù)體系包含進(jìn)攻技術(shù)和防御技術(shù)2種形式。

2.1 進(jìn)攻動(dòng)作分析

進(jìn)攻技術(shù)是指在格斗中擊打?qū)Ψ降募夹g(shù),武術(shù)兵道基本進(jìn)攻技術(shù)主要包括“力劈華山(劈)”“石破天驚(砍)”“蒼龍?zhí)阶?斬)”“仙人點(diǎn)畫(刺)”4種基本動(dòng)作,如圖2所示。“劈”是由上至下的直線動(dòng)作,手臂向上迅速伸開(kāi),快速縱向劈擊目標(biāo),其技術(shù)要領(lǐng)為以腕為軸,伸臂松腕,進(jìn)攻迅猛,直起直落;“砍”是由上至下的斜線動(dòng)作,右手持短兵上舉,腰髖向左發(fā)力,大臂帶動(dòng)小臂斜線45°砍出,其技術(shù)要領(lǐng)為擰腰轉(zhuǎn)胯,斜向發(fā)力,松弛適度;“斬”是由外向內(nèi)的橫向動(dòng)作,舉兵由外向內(nèi)迅速旋轉(zhuǎn)斬出,其技術(shù)要領(lǐng)為腰胯為軸,橫向發(fā)力,動(dòng)作迅猛,斬到即回;“刺”是由后向前的直線動(dòng)作,由腕帶肘,肘帶肩直線向前刺出,技術(shù)要領(lǐng)為把握時(shí)機(jī),動(dòng)作果斷,迅猛出擊[6]。

圖2 武術(shù)兵道4種進(jìn)攻動(dòng)作

在戰(zhàn)術(shù)策略中,“劈”“砍”和“斬”的攻擊方式屬于“面狀進(jìn)攻”,這意味著這些攻擊方式將得分點(diǎn)集中在一個(gè)平面上;“刺”的攻擊方式則屬于“線狀進(jìn)攻”,得分點(diǎn)集中在一條直線上。根據(jù)武術(shù)兵道(短兵)競(jìng)賽規(guī)則(試行),在武術(shù)兵道比賽中,標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)動(dòng)作、清晰的擊打效果、明確的得分意識(shí)和良好的攻防狀態(tài)是評(píng)判武術(shù)兵道比賽得分的重要標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 防御動(dòng)作分析

基本防御技術(shù)由“格擋”和“閃避”2部分技術(shù)體系組成。“格擋”即是在對(duì)手進(jìn)攻時(shí),利用自己的兵器,改變對(duì)手兵器的進(jìn)攻性行進(jìn)路線,以達(dá)到讓對(duì)手無(wú)法有效命中得分點(diǎn),從而達(dá)到得分的目的;“閃避”即是在對(duì)手進(jìn)攻時(shí),利用自己的身法和步法,躲避對(duì)手兵器的進(jìn)攻性行進(jìn)路線,以達(dá)到讓對(duì)手無(wú)法有效命中得分點(diǎn),從而達(dá)到得分的目的。“格擋”動(dòng)作分為“上格擋”“中格擋”和“下格擋”3部分;“閃避”動(dòng)作分為“屈身閃避”和“撤步閃避”2部分。如圖3所示,“上格擋”是通過(guò)肘關(guān)節(jié)發(fā)力,使其外旋并抬起,從而帶動(dòng)大臂和小臂向上,將短兵橫置于頭頂之上,其尖梢略高于柄或與柄平齊;“中格擋”是通過(guò)左右移動(dòng)手臂來(lái)進(jìn)行格擋,以應(yīng)對(duì)對(duì)手進(jìn)攻;“下格擋”是通過(guò)手腕帶動(dòng)小臂、肘部和大臂協(xié)同運(yùn)動(dòng),使短兵格擋于身體左右側(cè)下方位置;“屈身閃避”是當(dāng)對(duì)手進(jìn)攻頭部時(shí),下肢和軀干保持不動(dòng),頭部側(cè)仰、后仰或下蹲閃避攻擊,進(jìn)攻軀干時(shí),下肢保持不動(dòng),上身側(cè)仰、后仰閃避攻擊,進(jìn)攻下肢時(shí),抬腿閃避攻擊;“撤步閃避”是當(dāng)對(duì)手進(jìn)攻上、中、下3路得分點(diǎn)時(shí),結(jié)合步法或跳躍動(dòng)作,躲避對(duì)方短兵的進(jìn)攻路線。防御動(dòng)作的技術(shù)要領(lǐng)為全神貫注,精神集中,判斷準(zhǔn)確,果斷反應(yīng),動(dòng)作迅速,步法靈敏。

圖3 武術(shù)兵道5種防御動(dòng)作

3 受擊打部位的壓力傳感分析

3.1 受擊打部位的特征分析

根據(jù)《武術(shù)兵道(短兵)競(jìng)賽規(guī)則(2021試行版)》,禁擊部位包括后腦、喉部、襠部、手部(腕關(guān)節(jié)以上)、足部(踝關(guān)節(jié)以下);得分部位包括頭部(除禁擊部位外的整個(gè)頭部,包括頭頂、面部和兩側(cè))、軀干(軀干的前、側(cè)面、背部以及肩部護(hù)具覆蓋的區(qū)域)、腿部(從踝關(guān)節(jié)上方到膝關(guān)節(jié)下方護(hù)具覆蓋的區(qū)域,不含膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié))[4]。如圖4所示,“劈”主要擊打頭部;“砍”主要擊打頭部、頸部、軀干、腿部;“斬”主要擊打軀干;“刺”主要擊打頭部和軀干。在武術(shù)兵道運(yùn)動(dòng)中,身體受擊打部位容易受到多種類型的損傷,根據(jù)《運(yùn)動(dòng)損傷的治療與康復(fù)》,頭部在受到?jīng)_撞、擊打過(guò)程中,容易導(dǎo)致腦震蕩、頭痛、眩暈等頭部外傷;手部受到撞擊易造成扭曲損傷,如腕關(guān)節(jié)扭傷、手指骨折等;肘關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)在被擊打時(shí)也容易受到損傷,如肘關(guān)節(jié)脫位、膝關(guān)節(jié)半月板損傷等;由于頻繁起跳、下蹲等動(dòng)作會(huì)給膝蓋帶來(lái)較大的壓力,造成膝關(guān)節(jié)軟組織損傷、半月板損傷、韌帶拉傷或撕裂等[7]。

圖4 人體軀體受擊打部位示意圖

3.2 壓力傳感模塊設(shè)計(jì)

電子護(hù)具是一種集成了感應(yīng)芯片和傳統(tǒng)護(hù)具的新型護(hù)具,運(yùn)用有效技術(shù)擊打得分部位從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)分,護(hù)具部位包括頭部、軀干和四肢。如圖5所示,壓力傳感兵道護(hù)具的工作過(guò)程基于柔性壓力傳感、磁電交互技術(shù),通過(guò)在服裝關(guān)鍵部位嵌入壓力傳感器,當(dāng)擊中對(duì)方得分點(diǎn)部位并達(dá)到一定的力度時(shí),就會(huì)實(shí)時(shí)感知運(yùn)動(dòng)員身體部位的壓力變化并自動(dòng)計(jì)分,并將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)外界壓力的感知,比賽得分也會(huì)直接反饋到電腦屏幕上,實(shí)現(xiàn)高精度信號(hào)采集與傳輸[8]。另外,使用電子護(hù)具能夠顯著降低傳統(tǒng)護(hù)具在激烈比賽中存在的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)盲區(qū)以及肢體反應(yīng)遲鈍的問(wèn)題,從而減少比賽比分受影響的可能性[9],確保比賽的公平和公正性,為選手提供更好的參賽體驗(yàn),同時(shí)也有助于武術(shù)兵道評(píng)價(jià)體系的客觀化發(fā)展。

圖5 壓力傳感兵道護(hù)具工作過(guò)程

如圖6所示,兵道護(hù)具壓力傳感模塊示意圖中得分部位護(hù)具有大面積的感應(yīng)區(qū),在A點(diǎn)均設(shè)有與裝備感應(yīng)元件信號(hào)連接的信號(hào)發(fā)射器,分別為護(hù)頭內(nèi)側(cè)頭頂、護(hù)甲的后頸點(diǎn)以及護(hù)腿的膝蓋位置;B點(diǎn)為得分感應(yīng)區(qū),環(huán)繞護(hù)具包裹的區(qū)域。利用磁電交變技術(shù)記錄有效擊打,運(yùn)用壓敏電阻實(shí)現(xiàn)擊打電流分級(jí),再通過(guò)算法實(shí)現(xiàn)力量分段,當(dāng)短兵兵器感應(yīng)區(qū)接觸到對(duì)方護(hù)具的有效得分感應(yīng)區(qū),且當(dāng)力度不低于系統(tǒng)設(shè)定的得分閾值時(shí),計(jì)分裝置開(kāi)始工作,感應(yīng)區(qū)通過(guò)無(wú)線電的方式將得分信號(hào)傳輸?shù)接?jì)分牌上。

圖6 兵道護(hù)具壓力傳感模塊示意圖

4 兵道護(hù)具設(shè)計(jì)模型構(gòu)建

4.1 兵道護(hù)具的功能需求

武術(shù)兵道護(hù)具的設(shè)計(jì)需滿足防護(hù)、緩沖減震、運(yùn)動(dòng)舒適、耐用、輕便以及美觀等多重功能需求,以提供全方位的保護(hù)和支持,讓武術(shù)運(yùn)動(dòng)員在訓(xùn)練與比賽中更加安全自信。

在兵道訓(xùn)練或比賽中,身體可能會(huì)受到擊打、摔倒等各種傷害,因此護(hù)具需要具備防護(hù)性,從而有效地保護(hù)身體免受外界傷害。如使用耐磨、耐撕裂的材料,以及加強(qiáng)關(guān)鍵部位的防護(hù)等;其次,緩沖減震性能可以通過(guò)吸收和分散來(lái)自外界的沖擊力量,減輕對(duì)身體的壓力,避免骨折、扭傷等嚴(yán)重傷害。護(hù)具設(shè)計(jì)中可采用一些新型材料,如D3 O 凝膠,正常情況下,D3 O 凝膠材料表現(xiàn)出柔性且可彎曲的狀態(tài),當(dāng)遭受外力沖擊時(shí),其自由運(yùn)動(dòng)的分子會(huì)在0.001 s內(nèi)快速停止并交織在一起,使材料變成堅(jiān)硬狀態(tài),它因常態(tài)下呈柔軟狀態(tài)不限制人體活動(dòng),廣泛應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)防護(hù)領(lǐng)域[10]。運(yùn)動(dòng)舒適性是指能夠提供良好的穿著體驗(yàn),競(jìng)技動(dòng)作要求身體的靈活性、敏捷性和協(xié)調(diào)性,因此護(hù)具的設(shè)計(jì)也應(yīng)考慮到人體工學(xué)原理、吸濕透氣、排汗性能等,以確保護(hù)具的合身度和活動(dòng)范圍;護(hù)具還應(yīng)具備較高的耐用性和輕便性,能適應(yīng)長(zhǎng)時(shí)間的訓(xùn)練和比賽,不易磨損、不額外增加運(yùn)動(dòng)員的負(fù)重;此外,護(hù)具的設(shè)計(jì)應(yīng)具有美觀性,不僅能提升運(yùn)動(dòng)員的自信心和形象,也能夠吸引觀眾的注意和贊賞。

4.2 兵道護(hù)具設(shè)計(jì)構(gòu)建

兵道護(hù)具由護(hù)甲、護(hù)臂、護(hù)手和護(hù)腿組成,其整體穿戴方式為套頭式和卡扣式,如圖7所示。護(hù)甲采用無(wú)接縫拼接式設(shè)計(jì),護(hù)手從肘部延伸至手部,形成一體式穿戴設(shè)計(jì),護(hù)腿采用行纏樣式設(shè)計(jì),完全環(huán)繞腿部,起到收緊腳口的作用,減少束縛感。此外,款式設(shè)計(jì)還重點(diǎn)考慮對(duì)關(guān)鍵部位(如胸部、腹部、手臂和腿部)的保護(hù)性布局。兵道護(hù)具的色彩以傳達(dá)力量、自信和尊重為目標(biāo),該設(shè)計(jì)選用中國(guó)紅和鈷藍(lán)色作為兵道雙方運(yùn)動(dòng)員的護(hù)具顏色,適當(dāng)?shù)纳蕦?duì)比度能夠增強(qiáng)護(hù)具的辨識(shí)度,提升整體視覺(jué)效果。

圖7 兵道護(hù)具

壓力傳感式電子護(hù)具,能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)和記錄使用者身體部位的壓力分布情況,需要兼顧舒適性、防護(hù)性以及良好的壓力傳感性能,如圖8所示。外層面料考慮防水、耐磨損和抗撕裂等特性,以保護(hù)電子元件和傳感器不受外部環(huán)境的影響;中間層面料考慮緩沖和支撐功能,采用具有良好彈性和耐用性的復(fù)合材料,如聚氨酯泡沫或?qū)Ｓ玫臏p震吸能材料,能夠減輕外界壓力對(duì)身體的沖擊,并提供額外的支撐作用;里層面料注重透氣性和吸濕性,提高穿戴者的舒適感,選用具有良好吸濕排汗性能的纖維材料或功能性透氣面料,如滌綸/錦綸混紡布料或運(yùn)動(dòng)型纖維材料、防菌面料等,能夠迅速將體表汗水吸收并迅速蒸發(fā),有助于保持干爽和衛(wèi)生;輔料的選用上,為便捷佩戴,在護(hù)甲兩側(cè)使用卡扣連接,手部及腿部使用魔術(shù)貼,可自由調(diào)節(jié)松緊度,其次還考慮到面料的緩沖和吸能性能,采用高彈性聚氨酯材料和D3 O 凝膠等。

圖8 兵道護(hù)具材質(zhì)示意圖

4.3 兵道護(hù)具的三維模型構(gòu)建

在兵道護(hù)具設(shè)計(jì)方案中,選取紅色款式進(jìn)行三維模型構(gòu)建,并進(jìn)行虛擬仿真試衣效果試驗(yàn)。模型構(gòu)建過(guò)程中,選用一組進(jìn)攻動(dòng)作和防御動(dòng)作進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬,如圖9所示,當(dāng)對(duì)手進(jìn)攻頭部得分點(diǎn)時(shí),下肢保持不動(dòng),頭部側(cè)仰、身體后仰閃避攻擊。兵道護(hù)具三維模型的構(gòu)建,可以進(jìn)一步優(yōu)化和改善設(shè)計(jì)方案,后續(xù)還可與數(shù)字化制造設(shè)備聯(lián)動(dòng),將兵道護(hù)具設(shè)計(jì)方案轉(zhuǎn)化為物理實(shí)體。

圖9 兵道護(hù)具虛擬模型

5 結(jié)束語(yǔ)

為探究兵道運(yùn)動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)員競(jìng)技動(dòng)作、擊打部位與服裝運(yùn)動(dòng)功能性之間的相互關(guān)聯(lián),采用多學(xué)科交叉的研究設(shè)計(jì)方法,涉及服裝設(shè)計(jì)、體育、運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)、通信工程、材料等專業(yè),為壓力傳感式護(hù)具的構(gòu)建提供全方位的學(xué)科基礎(chǔ)支持。在護(hù)具設(shè)計(jì)中充分考慮兵道運(yùn)動(dòng)的實(shí)際需求,建立壓力傳感系統(tǒng)模型,優(yōu)化了現(xiàn)有兵道護(hù)具的設(shè)計(jì),為構(gòu)建競(jìng)技武術(shù)運(yùn)動(dòng)智能裝備系統(tǒng)提供借鑒。該研究仍存在一些問(wèn)題和挑戰(zhàn),未來(lái)的研究可以進(jìn)一步優(yōu)化和改進(jìn)設(shè)計(jì),提高動(dòng)作準(zhǔn)確性和力量施加的精度和穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)。同時(shí),可以考慮引入更多的傳感器技術(shù),如姿勢(shì)識(shí)別、肌肉活動(dòng)監(jiān)測(cè)等,以實(shí)現(xiàn)更全面和準(zhǔn)確的采集、分析和應(yīng)用。