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运动生物力学分会:运动生物力学学科发展研究报告

来源: 发布日期:2011-10-27 19:25:11浏览:22588次

 

运动生物力学学科发展研究报告(2006

Report on the Research Progress of Sports Biomechanics (2006)

王清                    国家体育总局体育科学研究所

Wang Qing          China Instiute of Sport Science, General Administration of Sport

忻鼎亮                上海市体育科学研究所

Xin Dingliang     Shanghai Institute of Sport Science

严波涛                西安体育学院

Yan Botao           Xi-anUniversityofSport

张跃                    广东省体育科学研究所

Zhang Yue           Guangdong Institute of Sport Science

曲峰                    北京体育大学

Qu Feng                     BeijingUniversityof Sport

This paper made a research on the progress of sports biomechanics inChina. It consisted of three sections. In the first section, the paper summarized the formation and development of sports biomechanics, and its application inChinaas well. In addition, it also touched on its research focuses and prospect. In the second section, the paper briefly described sports technique diagnosis as well as the progress, research status and prospect of the computer simulation applied in sports technique diagnosis. In the third section, the paper discussed the research status and progress of dynamics measurement and analysis on equipment, basic theory and application.


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一、运动生物力学简况

()概述

运动生物力学是一门应用性很强的边缘学科,它兴起于20世纪60年代,是研究人体运动力学规律的一门学科[1]。它的基本内容是运用各种实验测试手段,测定人在实际运动中的力学参数,然后运用力学、数学、物理学的理论进行分析推导,得出有应用价值的各种运动规律,解决竞技体育和大众体育中的生物力学问题。因此,运动生物力学必然与力学、物理学、数学、医学、生理学、体育学,以及计算机科学、机械学、电子学、精密仪器等理、工、医学科之间,存在密切的关系。所以,它又是一门交叉性的学科,需要有比较广泛的理、工、医及体育学科的基础知识。

从研究方法上划分,本学科可分为实验研究方法和理论研究方法两大部分[2]。实验研究方法主要是研究和测定人体运动各种具体参数的测试方法和手段。它包括测定人体运动的姿态和运动过程(人体各部分的位置、速度、加速度)、人体各部分在运动中所受的各种外力、合外力矩、人体内部的内力变换和运动中的能量变换。这些测试,不但技术难度相当大,而且很难保证测试的精度和重复性,因而必须应用高技术测试手段,而且要不断地进行新的探索和创新。理论研究方法主要是应用已测得的实验参数,进行内在机理的探索,并寻找有价值的运动规律。运用的主要方法有力学模型方法、数理统计方法、能量分析方法、人体各器官的数学模拟及其他各种新的理论方法。由于人体科学研究至今尚处在探索阶段,所以运动生物力学的理论方法的难度相当大,实际成效仅处在初级阶段。

从应用领域上划分,本学科的研究主要应用在竞技体育和大众体育两个方面。竞技体育的研究主要是分析各种竞技项目的运动技术动作。通过分析和研究,寻找最佳的技术动作,预防运动员的运动损伤,探索有效的训练途径、方法等,从而提高运动员的训练水平和运动成绩。我国在此方面的研究比较突出,特别在田径、举重、体操、游泳、跳水、乒乓球、射击、水上等运动项目中,取得了一些有价值的研究成果[3]。大众体育的研究主要集中在运动对健康的促进,并应用于预防人体运动器官的损伤、运动对人体代谢的功效、减少职业劳动的伤残、外伤病人和伤残人士的运动功能康复等方面。在此,近期的国外研究已取得许多有价值的成果,它是21世纪运动生物力学研究领域的一个热点,而我国在此方面与发达国家相比,存在一定的差距。

()运动生物力学学科的形成和发展

早在公元前,人体运动中的力学问题就引起了许多自然科学家和哲学家的兴趣。20世纪中叶,由于医学、解剖学、体育学的发展,许多运动中的力学问题亟待解决,而电子学、精密仪器等学科的发展为这些问题的解决创造了前提。另外,力学、物理学这些古老学科在寻找应用新领域中,发现运用力学方法研究人体运动有相当广阔的前景,这些因素的结合使运动生物力学这门边缘学科应运而生,并得以发展。1967年召开了第1届国际生物力学学术会议,1973年成立了国际生物力学学会(简称ISB),1982年成立了国际运动生物力学学会(简称ISBS)。我国于1980年成立了下属中国体育科学学会的运动生物力学分会。此后,该学科的研究工作蓬勃开展,取得了不少有应用价值的成果。

实验测试方法

实验测试方法的研究是运动生物力学学科的一个重要部分,其主要内容大致可分为3个方面,即测人体惯性参数、测力和测运动学参数。

测人体惯性参数是指测定人体形态参数和质量分布参数,具体是指人体各部分的质量、质心所处的位置以及各分体绕3个轴的转动惯量(总称为人体的惯性张量),进一步还包括测量人体骨骼的弹性模量、肌肉粘弹性系数、血液流变学参数等。由于人体是有意识的生命体,所以这项研究十分复杂,已超出了普通测量学的范围。最初国外的研究是通过尸体解剖方法进行具体测定,但这样的研究只有个性特征,而且限于尸体,对活体运动中的惯量分布确定没有普遍意义。1958年,日本的松井秀治采用X射线摄影方法,将人体分为15个环节,简化成各种几何形体,确定了个环节的质量和质心位置,初步得出了人体共性的惯量参数,将这项研究推进了一大步。但是,他的研究成果仅是将人体简化为质点系,缺少惯量参数,而且误差的置信区间为1831 mm,与实际差距较大,影响了实际应用价值。美国的Hanavan[14]1964年、原苏联的Zaqiorsky[4]1978年等,用γ射线扫描方法进行大样本统计获得人体惯性参数,得出了一套比较完整的人体惯量参数,使这项研究有了重大突破,至今仍在航空航天领域、人体科学研究中广泛应用。但是,他们的参数基于欧美人种的样本,与我国亚洲人种仍有较大的差别。20世纪末,我国清华大学和白求恩医科大学用CT计算机图像分析系统研究得出一套中国人体惯性参数[5],为我国填补了这项研究的空白,并得到了国内研究者的应用。虽然,这项研究已基本达到了应用的需求,但其精度和个体性特征仍不能满足深层次研究的需要,更精细的人体参数测量在21世纪仍是本学科的一项重要工作,特别是对人体骨骼、肌肉、血液等动力参数的测量更是新的研究热点。

力参数的测量研究可分为人体外力和内力参数两大类,这项研究伴随着电子技术和传感器技术的进步而同步发展。人体外力测试的仪器主要是测力平台和各种专用传感器。自瑞士Kistler公司和美国Bertec公司推出具有广泛应用价值的测力平台产品以来,测力研究进入了一个新的阶段;前者应用压电晶体传感器的高频性能,使频响干扰对测量误差影响减少到很低程度;后者应用桥式应变片组合的功能,消除平台各部位测试的偏差率。这些产品随着科技进步而多次更新换代,但基本设计原理依然体现了其应用的长效性。人体内力测试仪器主要是各种肌力测量系统,这些系统能测试人体肌肉收缩力量。到20世纪末,测力研究大致在三个方面有了新的发展:其一,各种专项运动测力系统的研制,以适应具体实际运动需要;其二,多功能测力系统的研制,以适应运动员力量训练的需要;其三,足底压力分布测试仪器的产生和研究,使外力测试精细化,为大众体育和竞技体育的深入研究提供实验基础。

人体运动参数的测量是运动生物力学实验方法中的核心部分,测量的主要仪器是图数转换测试系统。它来自运动实际的需求,现代科学的发展又为该方法的实施提供了必要条件。它的应用十分广泛,特别在我国竞技体育领域中普遍应用,并取得了不少有价值的成果。20世纪70年代末,国外已研制成这类测试系统,并于20世纪80年代初在我国开始应用。发展至今,其方法的演变大致经历3个阶段:第1阶段中,运动实地采样多用胶片高速摄影机,图形的数字化过程和计算机数据处理是分开的。所以,实验的工作量很大,数据的精度较高。第2阶段中,随着计算机科学的迅速发展,电脑智能化的功能日益加强,图数转换过程很快由电脑来完成,这样,图数转换和数据处理及计算就一体化了。另外,高速录像也完全代替了影片,实验过程大大简化,量化数据相对精确,图数分析方法已初步成熟。虽然该方法在仪器及应用上都有了质的进步,但其实验数据仍缺少可比性,过程依然相当繁琐,且不能与测力数据有效同步。因此,实验数据标准化、图数分析自动化、测力与运动学测量一体化的需求,成为第3阶段中方法创新的核心问题。例如,国外的Motion测试系统、PEAK测试系统、Vicon测试系统、Qualisys测试系统等,均有自动分析功能,并设测力、测肌电的同步装置。我国的一些省、市已相继购买了这类先进仪器,并在应用上取得了一定的效果。测运动参数除了图数分析系统外,还有GPS卫星定位测试系统、光电测试系统等,这些系统虽然有其应用的局限性,但都是随着现代科技发展而不断产生的新技术手段。

21世纪以来,随着人们生活质量的提高和科学技术的迅速发展,运动生物力学实验方法的发展大致有以下几个特点:

1.研究领域的重点是与健康有关的大众体育。这是因为,健康已是当前提高人们生活质量的重要因素。所以,这类研究的价值相应提高,特别在国际研究领域,这类论文和研究成果已占大多数。在国内,虽然竞技体育研究仍占相当比重,但趋势也在向大众体育方向发展。

2.实验测试手段渐趋简明易行,工作量大、成效低的实验方法逐渐被淘汰。新研制的测试仪器通常是专用性强、指标有针对性、反馈快速、使用简便等特点。

3.新一代的同步测内外力和测运动学参数的综合测试系统不断出现,多项指标同时被测定,能更客观、更准确地分析测试对象的运动能力和状态。

4.测试人体内部各器官运动的参数研究是本学科实验研究的新热点,这能深层次地研究人体运动的内在机理,高境界地探索运动规律,其应用价值更具有长效性。

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理论研究方法

运动生物力学理论研究方法不同于实验方法,它着眼于对人体运动机理和运动规律的探索,这类研究始于20世纪70年代。

人体运动的理论研究最初几乎都是力学家的工作,如美国的Kane[15]、德国的Wittenburg[16]、南非的Hazte[17]等。他们先用多刚体系统来模拟人体运动,然后用经典力学的方法,确定运动的约束条件,建立运动方程,根据一部分实测数据,对方程求解,得出能解释运动机理的运动规律。当时,将此方法称为力学模型方法,这类论文和研究在20世纪7080年代很多,为运动生物力学的深入研究奠定了力学理论基础,也出现了一些应用性成果。我国的梁昆淼、周起钊、刘延柱、钟奉俄等为代表的力学家,也为该方法的理论探索和实际应用做出了有价值的贡献。但是,该方法仅能考虑研究人体运动的力学特征,缺少辅之的实验手段,人体生物性的特征不能在该方法中得到反映。虽然Hazte等也考虑了人体器官的模拟,但毕竟与实际状况相差甚远,而且方法的推导和运算极为繁琐,很大程度上影响了该方法应用的有效性和全面性。

与力学模型方法同时并存的另一理论研究方法是数理统计方法。它将人体运动考虑为非确定性问题,提出人体运动的不可测性,并认为实验测试中无法对运动的力学性和生物性两者兼顾。因此,这些研究者用研究社会科学的现代数学方法,对运动的一些关键参数用数理统计的方法进行数据统计,或用模糊数学的方法进行多因子综合评估。这样,也能得出一些有应用价值的结论,而研究的方法和过程则有了很大程度的简化。虽然这类研究整体的精度和理论性尚有较大欠缺,但对局部运动的分析和诊断仍不失是一种简便可行的方法,至今还有相当的生命力。当然,21世纪的这类研究必然结合其它理论分析方法,并辅以足够的实验手段,以提高该方法的实际应用价值。

由于力学模型方法的繁琐和忽视人体生物性的缺陷,一些研究者开始从另一角度考虑人体运动问题。他们认为,人体运动的过程也是能量转换过程。人在运动中,由人体内部提供化学能,使人进行(有氧和无氧)运动,一部分能量在运动中耗散转换成热能,另一部分转换为实际运动所需的机械功(有效功和无效功),这样,就能从运动的有效功与耗散总能量的比值判断运动的有效性。这种方法能兼顾人体运动的生理特征和力学特征,又避免了力学模型方法的繁琐计算,只要将能量转换的全过程进行数学描述,有价值的研究结论也就不难得到。在此方面,Lloyd[18]Ward-Smith[19]等在该方法理论推导和实际应用中,做出了有价值的贡献,这一方法结合了力学和生理学两者的特点,所得的结论也更贴近于实际,具有应用前景。

理论和实验相结合

最近几年,理论和实验相结合的研究方法应用十分广泛。人体运动十分复杂,实验方法的不可重复性、误差不可避免性、缺少可比性等,都说明单用实验方法研究人体运动有很大的缺陷。同样,力学方程的不封闭性、理论误差不可测性、生物特征模拟困难性等,也说明了单用理论方法研究同样无法弥补研究成效的不足。这样,理论分析与实验新技术的结合自然地逐渐形成,实验方法研究日趋理论化、理论分析必须由实验测试数据的补充等,成为近年来研究论文的重要特征。国内和国际上的论文报告会上,这类论文日趋增多。例如,在2005年第23届国际运动生物力学学术年会上,美国学者Hamill[20]研究的运动坐标测量问题,是测试实验研究理论的典型论文;而德国学者Brüggemann[21]对艺术体操中带操生理极限理论研究,则有相当充分的实验基础和统计数据。我国2003年第10届全国运动生物力学学术交流大会上,理论分析与实验技术结合的论文较前几届增加了许多,不少这类论文质量相当高,已成了论文集中的精品。此外,近年来,我国运动生物力学的博士论文中,许多都是理论分析与实验技术有机结合的研究论文,说明了这类方法已成为本学科新的热点和发展趋向。

另外,属于运动生物力学理论方法研究范畴的还有运动技术最佳化的研究、人体各器官的模拟研究等方法。运动技术最佳化研究主要应用于竞技体育,通过先进实验测试和系统的理论分析,寻找竞技运动项目中合理的运动技术。人体各器官的模拟研究是一项前沿的理论研究工作,它对骨骼系统、肌肉系统、心血管系统、特别是对神经系统的模拟等,是近年来运动生物力学学科中最富有挑战性的高层次研究,也是探索人体奥秘的一项基础性的理论工作。

()运动生物力学在我国的实际应用

我国运动生物力学的研究,特别是在应用上,具有自己的特色,大致可归结为如下几个方面:

1.在竞技体育领域的应用成果较为显著[6],为我国在国际体育大赛中取得优异成绩起到了积极的辅助作用。

2.通常应用实验测试与理论分析结合的方法(以实验测试为主)对高水平的运动员进行精细的技术诊断,为提高其训练水平和运动成绩提供了必要的科学基础。

3.自行研制许多针对各个竞技专项技术的专用测试仪器和评价系统,其设定的各项指标对该项目能起技术诊断作用,为运动员有针对性的科学训练提供了有效的科技保障。

我国在这些方面的研究成果数量上远超过其他国家,在研究水平上也有许多独特的创新,特别表现在注重实际应用上,为我国竞技体育的发展做出了贡献。以下是本报告的简要举例。

1.乒乓球项目的应用研究

1)直板反面进攻技术的可行性研究[78]

面对高旋转速度的欧洲弧圈球打法,中国运动员原有的直反手推挡在对付弧圈球上,由于手臂功能受到握方法的限制,已显示出许多不足。为解决这一难题,准备奥运会和重大国际比赛,中国乒乓球队设计了用直反面击球进攻技术,即今天所看到的“直横打”的方法,增加直反手击球的进攻力。其可行性如何,需要运动生物力学的科学研究和证明。由此,对1名优秀乒乓球运动员进行了实验研究。该运动员进行直左推右攻的技术训练已6年,并已进行了近3年的直反面击球技术的实验训练,兼备两种技术,存在可比性。

采用立体定点定机摄影方法。用两台EPL高速摄影机以100/秒的拍摄频率同步拍摄直正手正面和反面两种击球动作,用GP-2000型影片解析仪对两台摄影机拍摄的电影图片进行数字化处理。在计算机上对原始数据进行平滑处理和三维运动学分析。

本研究结果表明,直反面击球,可使腕关节有足够的动作幅度,可使上肢对球的鞭打动作更加充分,可使球倾角较小而盖住球体避免“吃转”,可使台内击球动作更加细腻准确,有较强的应变能力。从教练员的经验判断上,直反面击球出手快,照顾范围广,能攻能防,可打可拉。由于球倾角较小,能有效地回击弧圈球。因此,直反面击球的技术是可行的。

本研究结果为教练员制定训练计划和比赛战术提供了科学依据。随后,直板反面进攻技术正式成为中国直板乒乓球选手在奥运会和重大国际比赛上,夺取冠军的一个重要技术手段。

2不同直径和重量的乒乓球对击球速度的影响[78]

乒乓球运动发展至今天,由于击球速度过快,旋转过强,比赛的难度越来越大,比赛中每分球的回合次数明显减少,普通人对运动员变化莫测的击球难以理解,逐渐失去了对乒乓球运动的兴趣,从而导致近年来观看乒乓球比赛的观众不多,电视及其他传播媒介对乒乓球比赛的转播或介绍兴趣较低。由此,国际乒乓球领域的许多有识之士已经清醒地意识到,失去观众这个“上帝”,就会失去这项运动的观赏价值,因此,乒乓球运动必须改革。

为了达到改革的目的,国际乒乓球联合会做了很大的努力,对比赛规则做了一些修改。例如,规定两面不同性能胶皮的颜色区别,把比赛用球由过去单一的白色改为白黄并存,对发球做了进一步限制等。但是,这些措施没有从根本上解决球速过快,旋转过高的难题,对增加乒乓球比赛观赏性没有取得明显的效果。

在这种情况下,国际乒乓球联合会提出建议,增加乒乓球的直径,由原来的38 mm改为40 mm,以减小击球的旋转强度和运行速度,增加比赛中的击球次数,使乒乓球比赛具有更强的观赏性,吸引更多的人来关心乒乓球项目,保证其健康地向前发展。这是一个牵动全局的改革措施,如果得以实施,将对现有的乒乓球技术、战术、打法、规则等都会产生巨大的影响。因此,必须有足够的依据证明其科学性和可行性,方可实施。据此,国际乒乓球联合会委托中国,就不同直径和重量的乒乓球受击球旋转和速度的影响进行定量的实验研究,为国际乒乓球联合会的改革提供科学依据。该研究由我国的国家体育总局体育科学研究所承担。

该研究的实验对象为3名优秀乒乓球运动员,所采用的测试方法为乒乓球动态测转方法和平面定点定机摄像方法。

乒乓球动态测转方法:采用PD-1乒乓球动态测转仪(光学成像、高速扫描、空间滤波)测量运动员击打不同直径和不同重量的乒乓球后的旋转速度。该仪器的视场面积为0.75 m ×1.05 m,测量范围为20200 r/s,不确定度为<±3%,短期稳定度为<2%

平面定点定机摄像方法:采用PEAK运动分析系统,拍摄和分析运动员击打不同直径和不同重量的乒乓球后,球在空中运行的状态。拍摄频率为120/秒,拍摄位置为击球运动员的正侧面。

本研究的核心结果是,运动员在分别击打基本相同重量的直径为38 mm40 mm乒乓球时,40 mm乒乓球与38 mm乒乓球相比较,扣杀速度平均降低了13%,旋转速度平均减少了21%。这一研究结果表明,40 mm乒乓球更有利于增加比赛中运动员击球的回合数,使比赛更加精彩。

该研究为国际乒乓球联合会于2000101日起,将直径38 mm的乒乓球改为直径40 mm的乒乓球,提供了科学依据。同时,我国乒乓球教练员和运动员根据这项研究结果,探讨相应的技术和战术,科学地准备奥运会和重大国际比赛,取得了优异的成绩。

2.男子跨栏项目的应用研究[9]

近几年来,中国男子跨栏项目拥有了刘翔(雅典奥运会男子110 m跨栏冠军)、史冬鹏等优秀运动员。其中,刘翔在训练和比赛中所表现出的潜力,给中国田径队带来了希望。为使刘翔在2004年奥运会上取得佳绩,中国田径协会于2002年成立了男子跨栏项目研究与服务组。该组的主要任务是,根据教练员在准备2004年奥运会的训练和比赛中所提出的问题,进行相应的研究与服务。该组研究与服务的一个重点是,对刘翔等人的技术训练进行诊断与服务。国家体育总局体育科学研究所承担了此项工作,并从2002年起采用运动生物力学的方法,长期配合教练员进行专项技术诊断和技术服务。

此项工作的基本技术路线为:

 

 

需要指出的是,在进行此项工作中,教练员和运动员所需要的研究结果和服务形式是快速、直观、真实、易于比较,而不是难以理解的数学模型和复杂的定量数据。据此,所进行专项技术诊断和技术服务以定性分析为主、定量分析为辅。

本研究与服务所采用的主要方法为影像测量与分析和图像处理技术。图像采集设备主要为常规数码摄像机(如SONYJVC),拍摄频率一般为25/秒(分幅为50/秒)。所采用的运动分析系统为“爱捷运动技术分析系统”、“SIMI-运动分析系统”和“DARTFISH-运动分析系统”。

本研究与服务中令教练员和运动员满意的结果为跨栏全程时间结构的研究与监测、栏间跑节奏的模拟与强化、运动技术图像处理与反馈。

栏间跑节奏的模拟与强化

栏间跑节奏是影响运动成绩的一个重要因素,也是教练员较为重视的指标之一。为此,课题组除了在向运动员和教练员及时反馈训练图像和栏间跑时间的数据外,为了强化刘翔对最短栏周期节奏的长时记忆,将刘翔训练和比赛最高水平的最短栏周期编辑成10个连续栏周期后,常速连续播放视频文件。同时,将刘翔栏间跑的节奏制作成音频同步叠加到视频文件上,反复播放,对刘翔进行多信息的表象训练。

运动技术图像处理与反馈

运动图像处理后的反馈是教练员和刘翔提出的需求,也是他们直观和有效了解技术状况、改进技术训练的一个方法。为此,课题组长期、系统、快速地提供双画面或三画面或四画面的视频录像比较输出、视频画面叠加、视频暂留、连续或单个技术动作图等。这项工作取得较好的反馈效果,受到教练员和刘翔的称赞。

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3.力量诊断[6]

力量诊断是我国许多优秀运动员在准备奥运会和重大国际比赛的训练实践中的一个需求。为此,我们研究与建立了用于肌肉力量诊断的测量系统(图1)。该系统在实验室条件下利用系统中各肌力测量系统之间的互补作用,从纯粹的力量素质角度上对运动员完成运动技术的重要肌群所需的力量成分,进行科学的定量测量。

下面仅以游泳项目为例,简要说明其应用过程。

n  问题的提出:提高游泳运动技术中的出发和转身速度,是中国优秀游泳运动员挖掘潜力和提高运动成绩的一个途径。游泳运动技术中的出发和转身速度主要取决于运动员的专项技术、专项协调性和专项力量。其中,专项力量是基础。它主要体现在运动员的下肢力量训练水平上。诊断运动员的下肢力量训练水平,从中发现问题,进而提高其针对出发和转身的下肢力量训练效果,是中国部分游泳教练员在准备2000年悉尼奥运会过程中所亟待解决的一个训练问题。为此,我们根据教练员的需求进行了相应的研究和诊断。

n  诊断方法的确定:根据与教练员讨论的结果,游泳运动员完成出发和转身技术动作中最重要的关节运动是髋、膝、踝三个关节的协调运动,即下肢在蹬离出发台或蹬离池壁的协调运动。其中,髋关节伸和膝关节伸起主要作用。完成髋关节和膝关节伸的主要肌群是伸髋肌群和伸膝肌群。它们在完成出发和转身技术动作中所需要的力量能力为快速力量。

就测量而言,采用实验室测量方法,对下肢蹬伸肌群进行多关节运动和单关节运动的测量,能够从纯粹的力量素质角度上定量检查运动员下肢蹬伸运动链肌群和局部重要伸肌群快速力量的训练水平。在此基础上,通过个体间的比较来发现问题,从而确定有针对性的力量训练方案。为此,选择了以实验室测量方法为主要手段进行相应的诊断。

n  诊断方法:诊断对象为中国游泳队的10名优秀男子选手和7名优秀女子运动员。

采用本肌肉力量诊断系统中的TKK肌力测量系统和BKM肌力测量系统,对诊断对象的左右伸膝肌群及左右下肢蹬伸肌群的最大力量和快速力量能力进行了规范测量。测量时的膝关节关节角度为90°,其重复测量次数为3次。诊断对象在测量时均要求爆发用力,即以最快的速度发挥出最大力量。所采用的主要基本测量参数为最大力量(N)、起动力量(N)、爆发力量(N/ms)和相对爆发力量(1/ms)。

诊断对象在TKK肌力测量系统上的测试动作为单关节运动,即伸膝;在BKM肌力测量系统上进行腿部蹬伸时,其完成测试的关节运动是多关节运动,即髋关节和膝关节伸,而踝关节起一个相对固定的作用。因此,BKM的测量数据主要反映的是髋关节和膝关节伸肌群协调工作的结果。如果运动员伸髋肌群的快速力量训练水平明显高于或明显低于伸膝肌群,将能通过对比个体间在TKKBKM的测量数据得以反映,从而诊断出某一研究对象在伸髋肌群和伸膝肌群力量训练中所存在的主要问题和进一步提高的途径。

n  主要结果:诊断对象之间的下肢快速力量训练水平存在个体差异,出现的问题也不相同。例如,蒋承稷(中国50 m自游泳记录保持者)与其他男选手相比,其快速力量训练水平,尤其是最大力量成分不占优势。以蒋承稷的项目特点(50 m自游泳)和现阶段的力量训练而论,应进一步提高快速力量的整体训练水平。其中,以提高最大力量能力为突破口。其原因为,游泳运动员的出发和转身动作所需要的力量能力为快速力量。快速力量则由最大力量、爆发力量和起动力量这三种能力成分所构成,而这三种能力成分在不同的肌肉收缩时间内对快速力量的贡献率是因条件而有所变化的。根据Schmidtbleicher[32] [33] [34]的研究结果,在完成技术动作时,当抵抗阻力的力量发挥过程(肌肉收缩时间)明显长于150 ms时,最大力量成分对快速力量起主要作用;当短时发挥力量的过程约为或小于150 ms时,起动力量和爆发力量成分则成为快速力量的决定性成分。游泳运动员的出发和转身技术动作(下肢蹬伸过程)一般大于500 ms。就此意义而言,最大力量能力对于运动员下肢快速蹬离出发台和蹬离池壁将起重要的作用。又如,与其她优秀女子运动员相比,齐晖(悉尼奥运会女子100 m蛙泳第四名)具有两个主要特点。其一,下肢蹬伸肌群的最大力量训练水平相对较好。其二,伸髋肌群的最大力量训练水平明显优于伸膝肌群。她的主要问题是,伸膝肌群的快速力量整体训练水平发展滞后于伸髋肌群。就齐晖的个人特点和现阶段的力量训练而言,应考虑重点发展伸膝肌群的最大力量和爆发力量。

n  阶段训练方案:如何根据诊断结果,研究相应的力量训练方案,以提高其针对出发和转身的下肢力量训练效果,是教练员提出的一个要求。为此,我们根据诊断对象的以往力量训练计划和不足,在建立新刺激和符合力量训练规律的原则上,研究和提出了3种针对性阶段力量训练方案,提供给教练员。

此方案被有关教练员所接受和实施,并达到了解决诊断对象个体问题的目的。

4.水上项目的应用研究

水上运动是人和器械的共同运动,运动结构比较复杂。近年来,我国运动生物力学在水上运动技术研究中,特别是研制一些专项技术测试仪器中取得了不少有价值的科研成果。

例如,湖北是我国培养赛艇、皮划艇优秀运动员的重点基地。自20世纪80年代起,武汉体育学院的科研人员对水上项目的生物力学研究始终没有间断。开始,他们研制表现运动员专项能力的赛艇、皮划艇测功仪,至今这些仪器仍对运动员的陆上训练起着重要作用。其后,他们又研制了许多测定水上运动的运动学和动力学指标的专用仪器;特别是在近两年,他们与华中理工大学合作研究,对赛艇划桨阻力的测定、对运动流体特征的计算、对帆船运动姿态等进行了分析和测定[10],对水上运动的理论研究和实际应用起到了积极作用。

又如,上海体育科学研究所的科研人员探讨水上运动项目已有20余年的历史,他们围绕运动队实际训练的需要,在近期研制的GPS赛艇实时测速系统中,突出了及时调控训练的功能。该成果不仅在研究领域中有所创新,而且解决了运动控制的实际问题。他们还与中科院兰化所结合,用先进的纳米材料对船艇实施减阻成功,为上海水上运动队在“十运会”上取得好成绩做出了贡献,获得了上海市科技进步三等奖。

5.其他研究

目前,我国运动生物力学的主要研究成果集中在竞技体育的应用上,其他方面较国际先进水平有一定的差距,但也有一些亮点,在此仅做分类简述。

1理论研究

上海交通大学[11]和清华大学先后在人体运动模拟(仿真)领域进行了有价值的理论和实际应用研究,为精细分析和设计高难技术动作奠定了理论基础。

清华大学[5]和白求恩医科大学所做的中国人体惯性参数研究,结束了用国外参数分析中国人运动动作的历史,填补了我国这方面研究的空白。

西安体育学院和国家体育总局体育科学研究所[6]采用神经网络技术构筑运动技术分析和诊断的专家决策系统,属于国际前沿研究内容。

2大众体育研究

香港中文大学[24]对太极拳促进人体平衡功能的研究,是一项现代科技与传统民族体育结合的新型课题,近两年已得出了许多有意义的结果。

近两年,宁波大学对足底压力和运动鞋的测试研究已形成自己的特色[12]。其中,有简易实用的高跟鞋影响稳定性的研究,也有较深层次的足后部骨骼三维有限元模拟研究。

解放军和上海体育科学研究所合作的投弹肱骨骨折机理的研究,是一项临床医学结合运动生物力学的应用研究[13],已获2006年度全军总后科技进步二等奖。

()运动生物力学研究热点和学科发展展望

科学技术的不断进步为运动生物力学研究方法的开拓创新,提供了良好的基础和广阔的发展前景,特别是计算机科学和生命科学的发展,直接为运动生物力学方法研究创建了必要的条件。近年来,运动生物力学研究方法形成一些新的热点,大致可归结为以下几个方面:

1.运动生物力学与运动医学结合。近年来,运动生物力学与运动医学结合的论文数量急剧增加,论文质量也相应提高。例如,2005年北京第23届国际运动生物力学学术年会的主题报告,近半数是属于这类文章。新西兰的Bartlett[22]明确提出,改进运动技术和避免运动损伤是未来运动生物力学的主要研究趋向。德国学者Gollhofer[23]对训练中肌肉系统的适应性研究,也为这类文章树立了一个很好的范例。

对人体运动的研究本来就需要兼顾运动的力学特性和生物特性。所以,运动生物力学与运动医学相结合的研究是本学科进一步发展的必然趋向。目前,局部的独立研究已进行得相当深入。例如,神经肌肉系统对运动训练的适应性改变问题:德国Albert Gollhofer[23]等人于2005年的研究结果表明,神经肌肉系统的适应性并不具备唯一性,目前也难以明确区分,神经系统对运动神经元的指令和控制可以是“兴奋”也可能是“抑制”。大量的研究结果表明,不同的训练方法都可能使神经肌肉系统出现高度专项化的适应性。今后的工作可能深入到大脑磁场刺激(TMS)研究H—反射等,并结合肌电的各种研究方法,才有可能进一步了解神经肌肉对外负荷刺激(训练)的适应性机理。

2.实验测试新技术与理论分析结合。理论分析与实验新技术的结合逐渐形成、实验方法研究日趋理论化、理论分析必须由实验测试数据补充等,成为近年来运动生物力学研究中的一个趋势。

其中,人体运动的计算机模拟(仿真)研究是本方法的典型范例,理论研究可以从运动方程中定性探索运动规律和趋势,实验的各种测量方法可以提供较精确的已知参数,两者的结合可以完整地求得运动全过程,并将其以各种图形或图表显示出来。例如,郝卫亚等[36]研究并实现了一个适合于跳水运动的三维人体运动仿真与显示平台—数字化三维跳水专项运动仿真系统。通过该系统,可以对跳水运动员的空中动作技术和连接方式进行精细的生物力学研究,可以利用三维动画对运动员的动作技术进行模拟(仿真),从而指导运动员的技术训练。

3.各种专项和大型综合的测试仪器的设计和研制。例如,人体运动自动跟踪捕捉系统是21世纪高技术的典型仪器。该仪器基于视频的人体运动捕捉(在某种分辨率下,捕捉大尺度的人体运动的过程)问题,对于解决不在人体粘贴标记点(Marker)的人体关节点自动识别、提高运动技术诊断和相应数据的反馈速度等,具有重大的意义。其解决问题的基本思路是:多角度采集运动员完成技术动作的图像信息→视频处理算法和跟踪算法对拍摄的视频进行处理→计算出运动参数。这里涉及人体模型、底层特征提取技术、多关节体的运动跟踪算法、跟踪的自动初始化、特定人体运动的捕捉等几个关键问题。其中,最具挑战意义的是“基于模型的人体运动跟踪算法”研究。它主要通过定义人体骨架模型与人体外观模型,搭建起一个通用的多摄像机下的人体运动跟踪实验平台。然后,利用投影和采样,建立起模型与图像特征的正向联系。为从图像特征中反求运动参数,可使用反向运动学来建立投影坐标与运动参数之间的反向联系。最后,建立起一个基于灰度、边界和轮廓三种图像特征的优化目标函数,并用牛顿高斯优化算法求解最优姿态。在此基础上,通过增加各种约束,使跟踪的目标函数更加平滑,保证在严重遮挡和信息缺失的情况下仍能给优化的姿态以足够的约束。通过引入“运动库指导”,“人体自相交限制”,“肤色区域约束”等一些手段,在一定程度上解决“局部收敛”,“误差累积”,“遮挡带来的跟踪失败”等问题。目前,国家体育总局体育科学研究所和中国科学院计算技术研究所在此方面进行合作研究,并取得了较好的进展。

与国际上先进的研究相比,我国运动生物力学发展有如下几个不同点:

Ø  竞技体育运动动作的技术分析研究是我国的强项。在此方面,我们的研究覆盖面宽、数量多、紧密联系运动实际,但论文研究的质量和深度与国际先进水平相比,尚有待提高。建议今后力求提高质量,减少低水平重复研究。

Ø  小型、专项的测试仪器研制是我国运动生物力学研究的一个特色。它对体育运动训练水平的提高起到了积极的作用。但是,此方面的研究工作在合作、协调、与高等院校及科研单位的结合、开拓市场等,存在一定的问题。建议今后设立一个协调机构,促进研究的深入和成果的有效应用。

Ø  运动生物力学的基础研究是我国的薄弱环节。今后,应当重视基础研究的组织工作,增加此方面的研究投入。

Ø  大众体育研究的不足也是我国运动生物力学领域的一个问题。在此方面,与国际上的同类研究相比,存在明显的差距。

Ø  运动生物力学与其他学科相结合,是本学科发展的趋势。在此这方面,我们也落后于国际研究前沿。建议今后加强各学科的结合,加强综合性研究,以提高我国运动生物力学的整体研究水平。

目前,运动生物力学在体育运动实践中的需求主要集中在三个方面,即运动技术诊断与计算机模拟、动力学测量与分析、肌电测试与分析。以下是运动技术诊断与计算机模拟、动力学测量与分析的研究与应用现状、发展趋势、问题等。

参考文献

1   刘延柱.运动生物力学中的力学模型问题[J].力学与实践,19835(3).

2   忻鼎亮.运动生物力学.上海:东华大学出版社,2002.

3   王清,等.运动生物力学在竞技体育中的应用.第七届全国体育科学报告大会运动生物力学专题主报告,2004.

4   弗拉基米尔 M 扎齐奥尔斯基.运动生物力学.北京:人们体育出版社,2004.

5   郑秀瑗,等.现代运动生物力学.北京:国防工业出版社,2002.

6   王清(主编).我国优秀运动员竞技能力状态诊断和监测系统的研究与建立.北京:人民体育出版社,2004.

7   吴焕群,张晓蓬,等.乒坛竞技科学诊断.中国乒乓球协会科研委员会,1996.

8   吴焕群,张晓蓬,秦志锋.中国乒乓球竞技制胜规律的科学研究与创新实践.国家体育总局体育科学研究所,2004.

9   李汀,李爱东,苑廷刚,等.刘翔备战2004年奥运会的科研攻关与科技服务.国家体育总局体育科学研究所,2004.

10  柏开祥,等.帆板最佳航线的设计与实现.第十一届全国运动生物力学交流大会论文汇编.2006129.

11  洪嘉振.人体运动生物力学计算机仿真研究.生物力学的研究与应用,389.

12  李建设,等.运动鞋的生物力学研究.第十一届全国运动生物力学交流大会论文汇编,200630.

13  忻鼎亮,刘大雄,等.投弹运动力学原理的研究.体育科学,72005.

14    Hanavan E P. A mathematical moder of the human body. AD 608463, 1964.

15    Kane T R. Experimental investigation of astronaut maneuvering scheme. Biomechanics J. 1972, (5).

16    Wittenburg J. Dynamics of systems of rigid bodies. Teubner B G,Stuttgart, 1977.

17    Hazte H. Optinization of.human motion. Biomechanics, IV 1973.

18    Lloyd B B. Energeties of running. An analysis of world recolds. Sci., 1966.

19    Ward-Smith A J. A mathematical theory of running based on the First Law of Thermodyna- mics and its application to the performance of world-class. Biomechanics J. 1985, 5: 337-349.

20    Hamill Joseph, Haddad Jeffry M; Van Emmerik, Richard E A. Using coordination measures of movement analysis. Wang Q (ed.). Proceedings of XXIII International Symposium on Biomechanics in Sports. The People SportPress,China, 2005.

21    Brüggemann Gert-Peter. Biomechanical and biological in artistic gymnastics. Wang Q (ed.). Proceedings of XXIII International Symposium on Biomechanics in Sports. The People SportPress,China, 2005.

22    BartlettRoger. Future trends in sports biomechanics –Reducing injury risk. Wang Q (ed.). Proceedings of XXIII International Symposium on Biomechanics in Sports. The People SportPress,China, 2005.

23    Gollhofer Albert. Adaptive responses of neuromuscular system to training. Wang Q (ed.). Proceedings of XXIII International Symposium on Biomechanics in Sports. The People SportPress,China, 2005.

24    Hong Youlian. Bionechanics of oriental martial art: Why practicing Tai Chi Chuan help to improve the human balance control. Wang Q (ed.). Proceedings of XXIII International Symposium on Biomechanics in Sports. The People SportPress,China, 2005.

25    BartlettRoger (ed.). Sorts Biomechanics.Volume 3 No2 July 2004. Published by Edinburgh University Press LTD on behalf of International Society of Biomechanics in Sports.

26    BartlettRoger (ed.). Sorts Biomechanics. Volume 4 No1 January 2005. Published byUniversityofOtagoon behalf of International Society of Biomechanics in Sports.

27    BartlettRoger (ed.). Sorts Biomechanics. Volume 5 No2 July 2006. Published byUniversityofOtagoon behalf of International Society of Biomechanics in Sports.

28    BartlettRoger (ed.). Sorts Biomechanics. Volume 4 No2 July 2005. Published byUniversityofOtagoon behalf of International Society of Biomechanics in Sports.

29    Kostas E. Gianikellis (ed.). Scientific Proceedings of the XXth International Symposium on Biomechanics in Sports. Universidad de Extremadura, Spain, 2002.

30    Mario Lamontagne, Gordon E. Robertson, Heidi Sveistrup (ed.). Proceedings of the XXIInd International Symposium on Biomechanics in Sports. University of Ottawa, Canada, 2004.

31    Sanders Ross (ed.). Sorts Biomechanics. Volume 3 No 1 January 2004. Published by Edinburgh University Press LTD on behalf of International Society of Biomechanics in Sports.

32    Schmidtbleicher D. Strukturanalyse der motorischen Eigenschaft Kraft. Lehre der Leicht- athletik, 1984, 35: 1785-1792.

33    Schmidtbleicher D. Kraft. In: Röthig P (Hrsg.). Sportwissenschaftliches Lexikon, 6., völlig neu bearbeitete Auflage. Schorndorf, 1992, 260.

34    Schmidtbleicher D. Maximalkraft. In: Röthig P (Hrsg.). Sportwissenschaftliches Lexikon, 6., völlig neu bearbeitete Auflage. Schorndorf, 1992, 302-303.

35    Schwameder Hollman, Strutzenberger Gerda, Fastenbauer Verena, Lindinger Stefan, Müller Erich (ed.). Proceedings of the XXIV International Symposium on Biomechanics in Sports. University of Salzburg, Austria, 2006.

36  郝卫亚.专项体育运动的计算机模拟与仿真.第十一届全国运动生物力学交流大会论文汇编.200610-13.

                                                            (忻鼎亮,王清) [pagebreak]

 

二、运动生物力学中的运动技术诊断与计算机模拟

()运动技术诊断

运动技术诊断(Technique Diagnosis)是运动生物力学学科中重要的应用研究领域。简单地说,它是以人体运动为考察对象,以运动生物力学理论为基础,以实验测试为手段,以评价和推断运动技术合理性、实现运动技术最佳化为研究内容,以提高运动技术训练水平为目标。因此,运动技术诊断就是以现有的训练条件和身体素质为基础,将运动目的和/或战术思想抽象化为理想运动效果,试图通过改进运动形式以提高运动效果为目的研究过程[1]

运动技术诊断与训练过程有着紧密的联系。最原始的技术诊断是由教练员完成的(如图1)。与图中3个工作环节的顺序一致,运动技术诊断研究也大致经历了3个发展阶段,即

l  初期(19世纪初叶至20世纪70年代),观察仪器和工具的研制;

l  中期(20世纪70年代至20世纪末),分析方法和分析仪器的发展;

l  现阶段(20世纪末至今),综合决策方法探讨。

由此形成目前的运动技术诊断系统(图2a,图2b)。

 

 

在国内外高水平运动队的训练中,由运动生物力学专家承担专项运动技术诊断任务已经相当普遍。例如,美国的奥林匹克训练中心有长期为训练服务的运动生物力学研究组,各个专项训练中心安装有先进的技术监测设备,常年聘请运动生物力学专家作为运动队科研教练,随时可以就训练中的技术问题进行分析,为教练员和运动员提供建议。又如,每41届的奥运会、世界田径青年锦标赛等,都有运动生物力学测试队进场为赛事服务,收集科研资料,世界优秀运动员的精彩动作能在12分钟内以三维动画的形式呈现在电视屏幕上,为比赛增添科学性和娱乐性。

国内运动生物力学服务于运动训练实践起步较早,成效显著[23]20世纪80年代初,上海体育科学研究所的运动生物力学工作者运用高速摄影和分析手段,长期跟踪朱建华的技术训练,及时反馈技术诊断意见,为朱建华的技术训练提供了有效的技术保证。江苏体育科学研究所运动生物力学实验室是省级重点实验室,多年来为江苏竞技体育的发展做出了贡献。国家体育总局体育科学研究所运动生物力学研究室两代科研人员长期深入训练第一线,跟踪研究和服务于我国田径、举重、跳水、羽毛球、乒乓球等运动项目,为吴数德、马文广、占旭刚等创造世界记录提供技术分析资料和改进意见,为跳水、羽毛球、乒乓球等项目的世界不败地位,做出了应有的贡献。此外,吴焕群等人关于乒乓球旋转的理论分析和实验研究,王云德、卢德明、王庆军等人关于赛艇运动生物力学技术参数同步遥测技术,梁昆淼等人关于“晚旋”动作力学模型预测研究等,都处于当时世界同行领先地位。

近年来,尤其是我国成功申办2008年北京奥运会后,我国运动生物力学工作者紧密结合运动训练实践需要,在诊断手段、应用领域、服务方式等都有独创性发展[46]。钱竞光等人就跳水运动的“压水花”问题进行了大量理论分析,建立了“压水花”楔形体模型,并首先在江苏跳水队试验成功,为减小运动员入水水花技术问题提供了科学依据。对人体运动过程无干扰、实时采集运动信息的GPS测速系统,我国运动生物力学研究人员已研制成功和应用。计算机运动技术诊断的模拟(仿真)已经作为训练常规工具,并在跳水、体操、蹦床等项目中应用。在先进的图像处理技术和设备支持下,运动图像定性分析、快速反馈手段几乎成为田径、游泳、滑冰、举重等项目教练员日常训练的常规工具,并在刘翔准备2004年雅典奥运会过程中发挥了积极作用。在诊断方法方面,我国研究者已成功开创了运用人工神经网络理论完成运动技术诊断和训练决策,这和国际上其他国家的运动技术分析专家建立的专项技术诊断专家系统相比,具有自我学习、系统自动更新、易于推广、方法适用面广等优点。

从目前的运动技术诊断研究发展看,有以下两点值得注意:

1.运动技术诊断研究实际上是由研究者承担了部分教练员工作,研究的价值体现在对运动训练实用、有效,提高了训练成绩。

2.运动技术诊断研究的发展逐渐逼近人的认识过程。按照从简单到复杂,由外到内的原则,以对人的感知能力、分析能力和综合决策能力进行更新。目前,相应分析方法的进步主要得益于其它自然科学学科的发展。但是,在综合决策环节上,即分析和诊断方法研究中仍有较大的发展空间[2]

()运动技术诊断系统

运动技术诊断系统的概念是由我国学者在2004年提出的[1],这和以前对运动技术诊断认识的最大不同是:它不再只是一个简单孤立的问题研究,而是一个系统应用问题。作为典型的应用研究领域,科学性固然重要,但有效性、实用性、可操作性更重要。同时,也说明了经过半个世纪的知识积累,运动技术诊断在理论、方法和解决实际问题等方面已相对成熟,已经开始从研究阶段走向实质性应用阶段。将技术诊断看作系统的好处是系统的结构、功能和特征明确后,就有向训练领域直接推广使用该系统的可能。

王清等人(2004)在总结了前人大量研究成果基础上,建立了我国优秀运动员技术诊断系统,并应用于我国优秀运动员准备奥运会和重大国际比赛中,取得了良好效果。总结一下,一个有效的技术诊断系统主要由以下几方面要素和条件保证,即

Ø  规范的测量方法和设备;

Ø  必要的现场测量条件;

Ø  配套的图像量化、数据处理和分析系统;

Ø  较为专业的图像处理设备和软件;

Ø  科学实用的技术分析和诊断方法;

Ø  合适的输出资料和反馈方式。

运动技术诊断的基本模式是一个反馈控制系统,系统的作用对象是训练中的运动员。从长期看,它是一个正反馈作用过程,但短期、局部作用效果有时可能是负反馈(技术调整后成绩略会下降)。就目前的发展水平而言,整个系统的自动化程度不高。因此,研究人员的经验、知识等智能因素,即时心理状态,操作测量工具、分析仪器等的能力,实验设置、环境条件对运动员心理状态的干扰等,都会影响控制系统的工作状态和结果输出。构成系统的硬件主要包括两个部分。其一,各种类型的传感器、换能器、组合型的测量仪器、分析仪器、计算机等工具类硬件;其二,设计和实现诊断的研究者和设备、工具的使用者。如何克服系统现有不足,提高系统的稳定性、处理和反馈速度等,是当前甚至今后一个时期运动技术诊断方法学研究的主流。

1.运动信息采集

需要完成技术诊断的研究任务常常要在特定的环境(如训练,比赛等)、时间、运动员即时状态(如疲劳,最佳竞技状态等)下收集运动信息。因此,要求信息采集对运动过程无干扰,最常使用的是反射性光信号技术。这类研究手段也称之为运动学方法,主要包括以摄影、摄像、光点反射(激光,红外光等)类设备为主的现场测量。

运动学方法以运动图像的现场记录为主,并在专用的图像量化分析仪器上获取运动学数据。历史上,这一方法有一个相当长的发展过程。在20世纪90年代前,主要使用以胶片记录运动图像的运动摄影技术;在计算机和电子技术飞速发展的支持下,运动摄影基本淘汰,取而代之的是运动摄像技术。但对研究者而言,获得的原始运动信息性质是一样的。与摄影相比,摄像技术的最大优点是设备轻便、现场操作简单、记录信息量大、图像即时可见、资料易于使用和保存等。

运动现场的图像测量方法主要有平面定点定机摄影(像)、平面定点跟踪摄影(像)、立体定点定机摄影(像)和立体定点跟踪摄影(像)。平面定点定机测量技术使用较早,立体定点定机测量原理在20世纪80年代前就已成熟,国内实用的运动现场测量技术是由国家体育总局体育科学研究所与其他大学合作,从20世纪90年代开始研究,并逐渐推广使用。

与早期使用的摄影机相比,数码摄像机在运动现场使用占尽了优势,但常用的数码摄像机拍摄频率仅有25 Hz(或30 Hz)。尽管采用分场方式能提高拍摄频率,但却损失了图像的分辨率。较低的拍摄频率和图像分辨率都会降低信息量,给后续的数据处理带来较大的误差。此外,较大运动范围的图像拍摄和测量技术目前尚不成熟,现场操作难度大,因此无论平面或立体定点跟踪摄像方法使用并不普遍,限制了许多专项运动技术问题的深入探讨。解决与之相关的测量技术问题,是近年来运动现场图像采集方法研究的重点。

此外,定点定机拍摄的测量范围有限(一般为5m3),运动实践中还有许多运动范围大的项目(如撑杆跳高、三级跳远、划船等)的运动技术问题需要采用跟踪运动体扫描拍摄测量,其测量技术原理上已解决,但实用性较差,尤其在比赛场合下很难做到,亟待研究解决。

目前,已有研制成功的实时高速摄像系统应用于运动现场,主要包括两大类型:一是存贮卡暂存式(如美国Fastec公司高速摄像仪Troubleshooter,美国DRS公司高速摄像仪,扬州CN-001摄像机等);二是计算机内存—转存硬盘式。其拍摄频率都可达100 Hz以上。两类相比,存贮卡暂存式的最大优点是轻便,但一次运动图像记录后,需要较长时间才能将图像存贮卡腾空;计算机内存—转存硬盘式存贮速度快,但系统庞大,需要大容量电源支持。这些问题有待于相关领域的技术和研究者支持解决。

随着运动训练科学化的发展进程,运动技术诊断已经广泛的应用于高水平运动队的训练中,训练对研究也提出了更高要求,即快速、准确地解决训练问题。因此,迫切需要对运动学测量方法规范,从而达到控制测量误差、提高数据获取速度和通用性,为协作研究、资源共享等创造条件。从2000年开始,我国运动生物力学工作者以《运动生物力学测量方法规范化》课题研究形式,进行了深入归纳和研究,尤其在运动学测量方法的规范化方面取得为大家广泛认可的研究成果[3]

2.图像量化、数据处理与分析

目前,运动图像量化和数据处理软、硬件系统已相对完善,国外已开发出较成熟的产品,如美国的APAS系统和PEAK系统、德国的Simi系统、瑞士的DartTrainer系统、瑞典的TEMA系统等。这些系统几乎占领了体育、康复、医疗等研究和应用领域的全球市场。由于国内在此方面的基础研究、产品研发等相对落后,因而国内主要的体育科研单位都是直接购买和使用上述国外系统。

传统的运动学数据处理和分析方式的最大缺点是工作量大、处理速度慢、实效性差。近年来,为解决数据处理、分析手段与训练实践需要之间的矛盾,国内外研究者都在原有图像处理系统基础上开发图像定性处理系统,以弥补原系统反馈速度较慢的不足,较成功的有DartTrainerSimi等系统。国内也开展了这方面的研究工作,如科技部在2002年设立了专项奥运科技攻关项目,国家体育总局体育科学研究所、中科院、北京体育大学等都投入力量进行应用研究,一些成果在2004年国家队准备奥运会中使用,取得了较好成效,但没有转换为产品,与国外研究相比仍有差距。

综合解决定量分析与快速反馈的最好方法,是把人工量化运动图像的过程用自动解析替代。国内外这方面的研究一直在进行[30][35]。尽管取得了一些可喜成绩,但没有突破性进展。其原因是,人体运动的复杂性特征致使解决该问题的技术支持力度不够。实际上,对人体运动图像处理方面的问题研究不仅是体育科研的需要,同时也是智能监控、虚拟现实、基于模型的视频编码(如网络远程会议)、动画设计、网络游戏等众多应用领域的需要,已经引起研究者广泛重视。美国、德国、日本的多所大学和科研机构长期获得各方面的资助,开展对人体运动分析的研究工作,IEEE也定期举办关于人体运动分析的专题会议。国内一些研究院所、大学也建立了人体建模、人体跟踪、人体动画等方面的专门研究机构和实验室,如浙江大学庄越挺、罗忠祥等人,西安交通大学王强等联合美国贝尔实验室研究人员,清华大学高云峰,中科院王兆其、李桦等人,都在人体运动提取和关键点识别研究方面做出了国际高水平的研究[18][20][30][31][33]。目前,人体运动视频处理研究领域已成为国际、国内图像处理学科的新研究热点。

3.综合决策

综合决策是技术诊断的关键一步,实质上这是一个方法学问题。按照使用数据和资料的种类不同可以分为定量方法和定性方法。体育实践中往往是定量方法和定性方法混合使用。依据具体使用的技术可以划分为:

Ø  常规方法;

Ø  数学、物理模型法;

Ø  专家系统法;优化法等。

与常规方法相比,其他几类诊断方法的适用面窄,但针对性强。

常规的技术诊断研究大多建立在比较基础上,即寻找一些技术关键指标或敏感指标,然后与标准值(常态值)或世界优秀选手的技术参数比较,按照经验确定出各个技术参量与运动效果之间的趋势关系,从而指出运动员当前的主要技术缺陷,完成诊断任务。按照这一思路,获得必要的技术参数就成为关键。这种研究模式几乎成为目前国内外大多数技术诊断研究的标准程式。

常规诊断方法的优点是适用面广,操作简单,结果反馈较快,但决策的经验性成分较多,尤其在没有该项运动的技术参数标准值和更高运动水平选手的数据资料可以利用时,就完全变成了经验性决策。决策的正确性程度取决于研究者个人的知识水平、研究经验丰富程度、对运动项目技术原理的理解深度等。采用其他诊断方法就成为必要。也有研究者在吸收了前人研究成果的基础上建立了一种定量结合定性的指标确定和筛选办法[6],这能部分克服常规技术分析和诊断方法的极端个体性、经验性等弊端,这种方法的基本工作步骤是:

l  确定分析目标和效果指标;

l  建立与效果指标相关的层次因素模型;

l  利用动力学方法确定运动项目(或动作)的环节主链;

l  确定主链上的关节运动自由度,对应每个自由度指定一个技术变量;

l  按照对动作姿态、速度和节奏三方面的技术描述,确定整体技术参量和局部参量,构成基本技术因素集;

l  计算效果指标以下各层之间的相关系数;

l  依据效果指标对样本分组,并对指标差异做方差检验;

l  依据相关程度和显著水平对参量排序、筛选,确定主要技术因素集。

以上方法不但可以作为常规技术分析和诊断方法的指标选取,也可以为其他定量诊断方法提供可靠的技术参数。

本质上,数学、物理模型法和优化法都是将运动技术问题数学化处理的方法,它有明显的专一性特征。无论问题多复杂,中间的逻辑过程、方程形式、计算等多么不同,这类方法都是以模型抽象开始,最终以模拟(仿真)给出分析结果。尤其是近年计算机模拟(仿真)技术的高度发达,强大的编程能力和计算功能支持着理论研究成果向实践应用领域渗透,这种技术诊断模式有越来越广的应用空间,发展迅速。

专家系统方法是近年来发展最为迅速的技术分析方法之一。它是在优秀运动员的技术资料有一定积累、国际上部分先进运动生物力学实验室已初步建立了优秀运动员资料库的基础上,开展起来的。例如,比利时学者玻森建立了游泳运动员的专家诊断系统,詹姆斯·海建立了跳远运动员的专家诊断系统。国内也有研究者采用人工神经网络技术建立运动技术分析和诊断的专家系统。

为了缩短研究与实践应用之间的距离,许多运动技术分析和技术诊断方法在科学性基础上已经把数据处理与资料反馈作为诊断决策的组成部分来考虑,如数学和物理模型法、专家系统法、优化法等,都是借助计算机技术实现快速决策和快速反馈功能,并已成为运动技术分析和技术诊断方法的发展趋势,我们不妨统称为运动技术分析和诊断的计算机模拟(仿真)技术[716]

()运动技术诊断研究中的计算机模拟(仿真)技术

采用计算机模拟和仿真技术完成运动技术分析和运动技术诊断,始于20世纪80年代末。其理论研究可能更早些,如现代多刚体力学创始人之一Kane1968年就发表了《依靠肢体运动实现人体的自旋》。计算机模拟人体运动是以人体运动的刚体力学模型为基础,采用实验数据结合逻辑演算的方式,编制程序求解运动规律和预测运动特征。例如,美籍华人宋载镇曾用计算机模拟方法对标枪运动进行了分析,该研究为新型标枪设计提供了理论基础。南非运动生物力学专家Hazte1981)以建立的人体肌肉骨骼系统模型为基础,采用参数实测、微分方程计算等应用于人体动作模拟。国内许多学者也做过开创性研究,如梁昆淼采用力学模型和计算机模拟分析了体操“晚旋”动作技术的形成;刘延柱采用陀螺理论模型分析鞍马全旋技术;洪嘉振、刘志成等还开发了人体空中运动的多刚体力学模型的计算机模拟软件系统,并应用于跳高技术分析;这些研究为计算机模拟技术应用于人体运动分析奠定了基础[1718]

尽管在研究初期,人们还对计算机模拟和仿真进行一定区别,如模拟技术主要是对抽象出来的运动系统、运动过程等的某些行为特征,用计算机系统再现它们的发展过程。仿真是用计算机系统仿制出运动系统或运动过程,把原型系统的数据和运动信息输入到仿制的计算机系统,执行仿真程序,获得与运动原型同样的结果。但是,由于两者的本质属性是一致的,即都要对运动过程进行抽象化处理,依据某种理论建模;都需要编制计算程序;都是在一定层次上对现实人体运动过程、关系、属性等的计算机表现。因此,目前已不在区别使用[1925]

在人体运动的计算机模拟(仿真)的探索性研究基础上,人们发现单纯的数理模型—计算机模拟(仿真)方法局限性较大,主要存在以下几方面制约:

1.数据获取有限,模型参数和技术变量冗余,大多数实际问题即模型化后,采用计算机模拟技术也无法给出确定解答。因此,经典的模型—模拟技术只适合个别运动问题分析(如空翻转体等)。

2.数理模型属于确定性关系,因素关系必须是数学表达式。而人体运动中的许多因素关系是模糊的、交互的、不确定的和未知的。具有明显的非线性动力学特征,无法写出确定的系统方程和边界条件。不合适的假设常常导致求解模型与实际问题偏离太远,导出的结论已面目全非。

3.由于人体的拒测特性,作为刚体处理的人体环节力学变量(如关节内力、关节力矩、肌肉韧带等软组织力等)始终是未知的,力学模型只能采用逆向求解法计算和模拟,需要输入人体关节点的运动学参数(如点的位置坐标和速度、环节角度和角速度等),而以目前的运动图像采集和量化精度远远满足不了计算要求(速度量的误差可达8%以上)。

4.建立力学模型需要完整的运动学数据测量,目前能在运动现场使用的测量方法主要以测量点的线运动,环节与环节之间的相对运动为主,仍无法解决环节自转运动的识别和测量问题,这也是采用多刚体力学模型—计算机模拟人体运动的困惑之一。

5.模型—模拟工作量大,程序的通用性差。因此,分析周期长,很难满足体育运动训练实践的需要。

以上问题的存在,致使人体运动分析的模型—计算机模拟研究在20世纪8090年代兴盛之后,渐进湮息。也让研究者转而考虑如何借用其它学科较成熟的理论和方法实现人体运动的计算机模拟,为体育运动训练实践服务。相对于经典的模型—模拟技术,这些方法应用了最新的计算机、智能、最优化、信息和图像处理等技术,因此实现基础更牢靠,具有应用面宽,容易推广,快捷等优点。这是运动技术诊断研究领域中使用计算机模拟技术的最大进步。归纳起来,大致有以下几个方面研究:

l  人体运动关节点的自动跟踪和三维动画技术;

l  人体运动图像的快速处理和反馈;

l  竞赛技战术研究的计算机模拟(仿真);

l  人体骨骼—肌肉系统的计算机模拟(仿真);

l  人体运动技术的智能决策研究[20252628][3740]

1.人体运动关节点的自动跟踪和三维动画技术

利用计算机对人体运动进行跟踪的基本任务,是从摄像机摄取的视频图像序列中恢复人体的结构参数和运动参数,并对人的行为进行识别和判断。人体运动关节点自动跟踪系统,就是实现这一功能的计算机视觉模拟系统。它的实现可以大大减轻图像量化操作人员的工作负担,系统的输出的是数据、人体运动模拟(仿真)、三维动画演示等结果[3940]

人体运动关节点跟踪和标定的关键技术,是在连续的图像帧之间创建基于位置(Position),速度(Velocity)、形状(Shape)、纹理(Texture)和色彩(Color)等有关特征的对应匹配问题,其任务是从包含人体运动的图像序列中恢复人体的结构参数,并对人体运动参数进行估计。一般可分3步完成,首先涉及到对图像中各帧底层特征进行处理,如对身体部位的标定、关节点位置的检测与识别;然后在各个帧之间建立身体部位和关节点的特征对应关系;最后从这些特征对应中恢复人体的二维或三维结构与运动信息。可以把这3步依次称为特征提取(Feature Extration)、特征对应(Feature Correspondence)和三维恢复(3D Recovery)。

跟踪方式可以分为基于模型的方法和非基于模型的方法两种[2029][3031]。基于模型的跟踪方法按照人体各部位的连接关系来建立人体模型,然后提取实际人体图像的特征,通过某种匹配算法(如色块匹配),在模型与实际人体图像之间建立起二维或三维对应关系,最终确定人体的结构参数(运动参数)。例如,瑞典的TEMA人体运动分析系统就采用以上原理设置了4种自动跟踪模式,即关联(Correlation,在连续图像帧中搜寻与模板相似的区域)、象限对称(Quadrant Symmetry,寻找圈定范围的对称中心点)、圆形对称(Circular Symmetry)、重心对称(Centre of Gravity,寻找几乎不变图形区域的中心)。当搜索出视频文件中的各个关节点在每一帧的具体位置后,就获得了该点位置坐标(和像素对应),参照摄像机特性参数就能算出每一帧图像上的各个关节点的运动速度。

三维跟踪需要的信息量大,现场采集运动信息的摄像机也要多(2台以上,多目视觉),计算量很大。常用的数学工具有卡尔曼滤波(Kalman Filtering)和Meanshift算法等[3334]。可实时地进行跟踪预测。关节点自动跟踪系统输出的是人体主要关节点时空坐标数据或人体几何模型-计算机模拟运动图(图3,图4)和人体运动棍图(Stick Figure,图5)。

目前的计算机技术可以支持人体三维动画实现。例如,中国科学院计算技术研究所王兆其等人(2004)成功研制的《体育训练三维人体运动模拟与视频分析系统》,在我国跳水、蹦床项目运动员训练中已经开始试用[313940]。关节点自动跟踪技术尚不成熟,大多数运动图像量化软件都配备了自动、半自动和完全手动跟踪功能,根据分析图像的复杂程度,可以选择或交替使用。

 

 

 

4     掷铁饼运动的人体几何模型计算机三维运动模拟

5     跳远运动的人体棍图模型计算机二维运动模拟

 

2.人体运动图像的快速处理和反馈

运动技术诊断的定量研究受繁重的图像量化限制,很难做到快速诊断及快速服务于训练实践。为了弥补定量研究的不足,近年来,研究者试图在运动图像定性分析方法上寻找出路,已取得了明显成效,并在我国的竞技体育科研攻关与科技服务中发挥了重要作用。例如,通过简单的图示对比(图6),经验丰富的教练员就可以发现我国运动员的技术与世界优秀运动员之间的差异。

 

6     高淑英和伊莘芭耶娃的撑杆跳高技术对比

广泛用于运动技术诊断研究中的运动视频图像的快速处理和反馈,主要包括以下几个方面:

1.多路视频同屏播放演示,叠加播放,视频翻转播放,镜向播放,单帧播放,连续快、慢放等;

2.运动视频图像局部放大后叠加在原视频上同步播放;

3.静态、动态背景处理;

4.抠像技术等。

它们一起构成了人体运动技术诊断的定性分析和反馈系统。这种定性分析技术的最大优点是反馈快、直观、实用、操作简便、容易为教练员和运动员接受。例如,只要将优秀运动员的运动图像叠加到分析对象的运动图像上,就能直观看出他们之间的技术差异,找到动作技术改进的重点环节 [38][39]

从运动图像处理技术来看,1)和2)两个应用模块的实现相对简单,已有许多体育应用软件实现的很好,如德国的Simi系统,瑞士的DartTrainer系统等。静态背景处理也相对容易些,已经达到实用水平。动态背景处理和抠像技术还有方法学缺陷,在体育训练的实际应用中尚不理想(图7,图8,图9)。

 

7      排球扣球静态背景下运动提取结果

 

8      短跑动态背景下运动提取结果

 

9     三级跳运动员连续运动视频图像抠像

一些在工程上使用很好的图像处理算法为什么用到人体运动上有问题?这是因为,人体运动远比一般工程问题复杂。差异最大的几个方面如下:

Ø  人体不是规则的几何体,也不是完全刚性的,运动中形态变化甚大,在图像处理时,任何模型都不完全适用。

Ø  运动场景极为复杂,运动的人体或器械往往与背景融合在一起,背景提取时的边界条件很难清晰把握。例如,图9中运动员和裁判都是竞赛场地上的主角,我们不可能要求在运动员进入场景后裁判员不能走动或走动的幅度。

Ø  运动图像处理的好坏往往与拍摄到的运动信息量有关。理想情况下,摄像机个数越多,提供的图像信息越多,图像处理效果越好。但是,在实际比赛或训练环境下,这是不可能的。

Ø  图像的初级处理往往是像素。色彩、灰暗等是重要的识别特征,而运动图像是在特殊场景下拍摄的,天气、设备状况,观众、裁判位置等都可能损坏图像视感质量。因此,用于体育运动研究的图像处理方法不能对图像质量期望过高。

目前,以上问题构成了运动图像技术成功用于运动技术诊断研究的最大障碍,与之相关的应用技术问题需要深入研究。

3.竞赛技战术研究的计算机模拟(仿真)

计算机虚拟现实技术(Virtual Reality)是利用计算机技术建立一种逼真的虚拟环境,集成了当今计算机图形学、多媒体、三维动画、人工智能等技术的最新发展成果。现已经广泛应用于工业、军事等领域。目前,已有研究者将其用于运动技术和战术的教学和训练。这也是较为成功的体育运动计算机模拟例子。国内外已有较为成熟的产品,如德国Simi系统和Dartfish团队分析系统,国内有中科院等单位和个人开发研制的专项运动应用系统(图10)。总的情况是,国外技术成熟,国内应用研究较多[123638]

 

10        台湾邱靖华博士研制的TE2002网球攻防系統界面示意

这类系统往往是从分析现实运动开始,对大量比赛或训练过程的视频录像,按特征量形式量化,采用建库的方式,以特征量形式把典型运动场景、典型动作、技术范式、战术范例等保存起来,在需要时调出特征量并赋给系统内置的动作角色。目前,在体育方面的虚拟现实技术应用还不是很充分,交互形式单一(一般是鼠标、键盘),参数设置后,程序化运行。就此而言,与运动技战术的仿真接近[2636]。另外,前期人工量化视频、收集资料建库的工作量大。主要应用领域如下:

l  辅助教学。作为运动训练和体育教学的工具,具有逼真、形象,语言简洁等特点。

l  辅助设计和模拟技术动作。它便于演练、模仿和设计新的技战术动作,编辑、修改、设计新动作。通过该工具还可以使教练员设计出自己头脑中的“理想”动作,据此建立标准技术动作库。

l  战术模拟、技术统计和分析。

4.人体骨骼—肌肉系统的计算机模拟(仿真)

采用计算机三维动画和模拟技术,能逼真地展示人体运动系统结构,动态地演示相关肌肉群、韧带、关节等在某一运动过程中的功能,能够方便地添加、取消某一运动器官或要素(如肢体、肌肉,模拟伤残人)等。在人体运动系统元素模型化后,这类系统也吸收了人体运动的经典力学模型—计算机模拟技术核心,从而实现运动仿真功能(图11)。它们为设计新动作、动作纠错、一般人群和特殊人群的运动技术分析和诊断(如伤残运动员)、肌肉力量训练手段的改进等,提供了一个有效工具[2732]

 

11        人体骨骼—肌肉系统的计算机模拟(仿真)

(引自LifeMOD生物力学仿真软件)

这类系统的基础是已知的人类解剖学知识和人体测量学知识。模型人所取的数据资料有标准人类数据支持,如关节形态、肌肉起止点位置、肌肉的横截面积、单位肌肉力量、环节长度和质量等人体物理学参数。在此基础上,设置某一参数的变化,就能考察其对运动的影响。其主要功能模块如下:

n  人体模型。选定模型首先要确定全身的环节总数、肌肉和关节总数。主要有3个资料库,即人体环节库、肌肉等软组织库、关节库。环节设置主要包括人体环节个数(有19个,也有15个的)、环节形态、每个环节的质量及长度比、转动惯量和刚度等物理量。关节设置包括关节形态、自由度数、活动范围、阻尼、固定的还是自由的,等等。肌肉及软组织设置包括形态、软组织类型、粘弹性体模量参数等。指定肌肉后,该系统能自动生成全身118块肌肉。

n  动力学模型。以经典力学理论为基础,建立模型人的多刚体力学模型,由人体模型设定运动器官参数数值及运动约束条件。编制计算软件,这部分的工作没有超出早期的人体运动的多刚体力学模型—计算机模拟方法的研究范畴。

n  模拟(仿真)。将运动已知条件、模型参数、环境参数和其他传感器测量数据(如测力台,肌电)等输入系统计算,就可以得到真实运动情况下的分析结果,然后对模型和环境的各种参数进行一定调整,得到在某种参数设置条件下进行特定动作时的人体运动情况。以不同的参数进行多次模拟得到不同的结果。通过比较就能够实现动作的优化设计。

n  结果输出:模拟(仿真)后的结果既可以数据、曲线输出,也可以形象的模型人动画演示形式输出。

这方面的工作与Hazte早期的研究思路不谋而合,即从运动的最终根源—运动器官的分析做起,将运动的表象与运动原因联系起来进行整体研究。借助当代高度发达的计算机模拟(仿真)技术将建模—模拟过程程序化。它修改方便,输出结果形象、直观,这无疑是开创了运动技术分析和诊断研究的新领域。需要指出的是,这类模拟(仿真)系统的结果是以人体肌肉工作和环节运动参数为自变量。因此,当模拟(仿真)满意后,就可以直接把这些参数转换为训练目标,使得训练的目的性更强。相比较,国外理论和方法学上的研究领先于国内,已有成品软件登陆体育界。国内在应用研究方面做的较多[3742]。例如,上海体育学院魏文仪带领的博士团队在近几年一直针对跳跃类专项运动,采用关节加速度测量、计算机模拟和高速摄像手段,在理论假设基础上,对下肢运动过程中的肌肉力学特性进行了模拟试验,对人体宏观运动进行模拟(仿真)研究,其研究手段和研究成果有较高的理论价值。

但是,目前这类运动技术分析和诊断研究模式的理想化成分过多。首先,个性化人体模型数据无法准确获得,采集的运动学数据精度误差较大,某些运动学参数无法获得,模拟(仿真)结果精度很低。其次,假设过多,无法验证,如肌肉力量是否与肌肉生理横截面积成正比?活体肌肉等软组织的粘弹性能?关节周围软组织在运动中扮演的角色?可以说,目前的生物组织的结构力学、材料力学等基础理论研究成果似乎还无法支持这么庞大、精细的运动分析系统。

5.技术诊断的智能决策研究

严格地讲,智能决策不属于计算机模拟(仿真)范畴,但在运动技术诊断研究领域,决策一直是人类大脑的事情。如何寻找一种能够部分代替人脑工作完成运动技术分析和诊断的方法,是目前运动生物力学中的一个热点问题。这个问题实际上变成了如何模拟人类大脑工作的问题。

20世纪80年代兴起的人工神经网络理论(ANN)是一种较为合适的选择,不仅是因为它本身是人脑结构、功能等的直接模拟,而且在生物信息处理、模拟(仿真)等许多方面的应用也有较成功的例子[611131642]。在运动技术诊断中,训练专家的经验性决策在某些时候很成功,但决策的依据和规则是模糊的和不清晰的。我们可以借用神经网络技术的学习功能,获得专家系统中所必需的规则。严波涛等人(2002)曾建立了铅球投掷技术分析和诊断的神经网络模型系统。采用这种方法完成技术分析和诊断的基本步骤为:数据采集和处理→运动因果关系分析→技术参数筛选和规范化处理→网络训练→专项运动技术分析和诊断应用模型→计算机模拟(仿真)→输出和结果反馈。图12是系统实现的基本框架。 

 

12        基于神经网络模型的运动技术分析和诊断系统

采用神经网络模型的运动技术诊断方法,能针对运动员个体情况进行分析,在系统中调整某些技术参数,模拟出该技术参数对运动效果影响方向和大小,据此做出训练决策(图13)。此外,在应用上,它所具有的许多属性和其他决策方法比较也有如下优势:

l  人体运动具有鲜明的整体系统性特征,任一活动都与全身各部分有关,是不可分割的。神经网络方法正是立足于整体,不轻易忽视某一部分的影响作用,并根据运动系统的真实表现分配权重。

l  人体运动中大量存在的是非线性关系,神经网络方法承认这一点,使用多重Sigmoid函数叠加拟合。

l  人体运动中的因果关系复杂且不明确,神经网络方法对这些关系并不做任何先验性假设,能够通过样本训练建立这种关系。较大样本训练的统计性质也可以避免完全定量分析中因个体变异可能做出的虚假因果关系结论。

l  人体测量中的误差来源广,有些是不可预先估计的。神经网络在大样本训练中具有极强的抗干扰能力,求得的规律较可靠。

l  一定目的下的人体运动大多是冗余自由度的,神经网络方法具有优化功能,正适合这类问题的研究。

尽管神经网络理论与技术已在其他领域获得了广泛应用,但在运动技术诊断领域的应用刚刚起步[6]。目前,采用神经网络技术构筑运动技术分析和诊断的专家决策系统尚需进行几个方面的基础工作,即

1.对现有的专项研究成果进行归纳整理,形成系统可用的知识库;

2.对大量的现存测试资料和数据进行整理,形成系统可用的数据库;
   
3.提倡标准化测试和资料分析的规范性,提高数据的通用性。

 

13    铅球出手瞬间人体重心水平速度Vx对出手参量和成绩影响模拟分析

()小结与展望

n  运动技术诊断研究的重点是方法学问题,对相关技术学科依赖性强,当前以运动学方法为主,主要包括信息采集,数据处理和诊断决策3个环节。信息采集手段相对成熟,数据处理方法发展迅速但有待完善,诊断决策方法发展空间较大,建立运动技术诊断专家决策系统是必然之路。

n  目前的运动技术诊断系统应在采集手段、数据处理、技术诊断指标筛选等方面进行完善,尽量减小系统的不确定性,提高数据的通用性。此外,建立专项技术分析和诊断的数据库、知识库,是今后的重点研究工作之一。

n  诊断决策方法的发展与本研究领域的知识积累和相关领域的技术支持密切关联,移植或借用相关学科的新理论、新技术,是在方法学上突破的最大可能途径。采用人工神经网络技术建立诊断决策模型,就是其中之一。此外,从实践应用上看,诊断方法的取舍应该兼顾数据处理和快速反馈需要。只有兼备科学性、实用性和快速反馈功能的诊断方法,才能在训练实践中推广使用。今后一段时期内,定性结合定量的决策策略将是运动技术诊断研究的主体方法。

n  就目前的发展情况而言,我国的运动生物力学在应用研究方面积累了丰富经验,与国外同行相比有优势。但是,我国相关的基础研究相对薄弱,在诊断系统的硬件和软件研制上明显落后,缺乏享有自主知识产权的高水平应用产品。这一状况应引起高度重视。

n  电子、计算机、视频图像处理等技术的飞速发展,是计算机模拟(仿真)技术在运动技术诊断研究领域大规模应用的推动力量。可以预见,随着技术进步,有越来越向众多项目延伸和普及的趋势。人体关节点自动跟踪研究、大多数运动项目的运动目标提取有效算法研究、研制快速运动图像处理和反馈系统等,仍是热点问题。其直接推动力量不完全来自体育运动需要,而是来自相关的视频动画、智能监控、人体运动模式识别等工业、娱乐业、军事等重要应用领域的需要。

n  基础研究应明显加强。许多技术诊断方法,尤其是人体运动计算机模拟(仿真),都是以人体运动环节和器官的几何和物理参数已知、肌肉等软组织本构属性和关系已经精确建立等为基础的,目前尚不完善。运动学数据采集精度有待提高,适合体育科研使用的实时高速摄像系统和大范围运动场景下的实用测量方法有待研究和改进。

参考文献

1    王清.我国优秀运动员竞技能力状态诊断和监测系统的研究与建立[J].北京:人民体育出版社,2004.

2    严波涛,吴延禧.运动技术分析研究发展历程考察和展望[J].西安体育学院学报,200017(2)9296.

3    中国体育科学学会编.体育科学研究现状与展望[J].北京:中国体育科学学会,2004.

4    Qing Wang. How we applied sports biomechanics to the preparations for the Olympic games. Wang Q (ed.). Proceedings of XXIII International Symposium on Biomechanics in Sports. Vol 1., The People Sport Press,China, 2005, 81-90.

5    Botao Yan, Houlin Li and Boqiang Zhang. Discussion on the characteristics of Liu - xiang’s hurdling techniques. Wang Q (ed.). Proceedings of XXIII International Symposium on Biomechanics in Sports. Vol 1., The People SportPress,China, 2005, 449-453.

6    严波涛.运动技术诊断与手段.第十一届全国运动生物力学学术交流大会论文汇编.成都体育学院,20067280.

7    钟平,刘望.基于人工神经网络的运动员训练模型研究[J].体育科学,2002(5).

8    赵永寿.关于构建铅球运动员成绩的人工神经网络预测模型的研究[J].北京体育大学学报,2006(4).

9    钟武,唐岳年.铅球运动员专项成绩的神经网络预测模型的构建[J].西安体育学院学报,2005(3) .

10  钟平,龚明波.链球运动员身体素质与专项成绩相关关系的神经网络模型[J].广州体育学院学报,2004(1).

11  陈海英,郭巧,徐力.基于神经网络的人体100 m跑运动能力综合评价[J].中国体育科技,2003(2).

12  徐力,郭巧,陈海英.虚拟人体运动系统建模方法研究[J].系统仿真学报,2004(8).

13  姜春福,余跃庆,刘迎春.冗余度机器人运动模型的神经网络辨识及实现[J].控制理论与应用,2004(3).

14    钟振新.基于神经网络的男子跳远项目训练模型研究[J].体育科学,2002(6).

15    马光,申桂英.基于神经网络的冗余度机器人运动学控制.高技术通讯[J]2002(1).

16  唐毅,葛运建,袁红艳,王定成.模糊神经网络在运动员脚力信息识别中的应用[J].系统仿真学报,2003(1).

17    卢德明,等.运动生物力学测量方法[M].北京:人民体育出版社,2001.

18  高云峰.体育运动中统一的人体多刚体模型及动力学分析方法[J].工程力学(电子版),2000(2).

19    何江华.计算机仿真导论[M].北京:科学出版社,2001.

20    罗忠祥.视频流中的人体运动提取与运动合成.浙江大学博士论文,2002.

21  Donald HearnM. Pauline Baker(蔡士杰等译).计算机图形学[M].北京:电子工业出版社,2002.

22  Kenneth. R. Castleman(朱志刚等译).数字图像处理[M].北京:电子工业出版社,2001.

23    章毓晋.图像分割[M].北京:科学出版社,2001.

24    赵士滨,等.多媒体技术与创作[M].北京:人民邮电出版社,1999.

25    李祥晨,孙晋海.体育系统仿真[M].北京:人民体育出版社,2004.

26    唐毅,葛运建.人体力学行为的计算机仿真的发展及其展望[J].系统仿真学报,200416(5)863867.

27  张爱丽,张建国.基于MATLAB的人体上肢运动学分析及仿真[J].电子机械工程(电子版),20031.

28  王人成,冯丽爽,等.一种新型人体运动图像实时分析系统[J].中国康复医学杂志,200015(3):165167.

29  王人成,黄昌华,等.基于摄像机的人体运动分析系统标志点图像处理[J].清华大学学报(自然科学版),199939(2)75-78.

30  罗忠祥,庄越挺,潘云鹤,等.基于视频的运动捕获[J].中国图像图形学报,200278):752756.

31  王兆其,等.面向体育训练的三维人体运动模拟与视频分析系统[J].国家科技成果网,http://www.nast.org.cn/achieve/achieve.jsp?ID=2401800.

32  中天诺亚.LifeMOD生物力学仿真软件特点.http://www. noahsports. Com .cn /NoahWeb /tabid/309/Default.aspx.

33  Yin Li, Mercy Wang, Heung-Yeung Shu. Video object. In Proceedings of ACM.  SIGGRAPH 2005, 323-328.

34  Bin Fan and Zeng-Fu Wang. Pose estimation of human body based on silhouette images. 0-7803-8629-9/04/ 2004IEEE.

35  王兆其,高文,徐燕.一种基于传感器的人体上肢运动实时跟踪方法[J].计算机学报,24(6)6166192001.

36  王兆其,高文,陈益强,等.虚拟人行为交互方法研究.1004-731X (2001) 04,系统仿真学报,13(4)2001.

37  Ralf Plankers and Pascal Fua. Articulated Soft Objects for Multi-View Shape and Motion Capture. IEEE PAMI, 25(10), 2003.

38  谈诚,郑亮,张春林.基于ADAMS/Lifemod的人体动力学模型研究.第十一届全国运动生物力学学术交流大会论文汇编.成都体育学院,2006126.

39  刘颖,阎琪,师玉涛,等.科研攻关与科技服务中的运动生物力学在北京体育科研工作中的实际应用.第十一届全国运动生物力学学术交流大会论文汇编.成都体育学院,20066165.

40  郝卫亚,王兆其,等.跳水空中转体和翻腾及连接技术的计算机模拟与仿真.国家体育总局奥运攻关课题研究报告,2006.

41  郝卫亚.专项体育运动的计算机模拟与仿真.第十一届全国运动生物力学学术交流大会论文汇编.成都体育学院,20061013.

42 刘宇,史世民.神经网络模型预测下肢关节内力矩.第十一届全国运动生物力学学术交流大会论文汇编.成都体育学院,2006157158.

43  伍勰,单大卯,魏文仪.下肢肌肉功能模型应用软件的开发与应用.第十一届全国运动生物力学学术交流大会论文汇编.成都体育学院,2006220221.

(严波涛)

 

三、运动生物力学中的动力学测量与分析

()前言

运动生物力学中的动力学测量与分析是以动力学理论和测量方法,描述和研究生物体尤其是人体的运动。竞技体育、大众健身、医疗康复、航空航天、仿生、军备、劳动保护等,都是运动生物力学中动力学的重点研究与应用领域。生物体本身的复杂性,使运动生物力学的动力学问题比纯粹物理学的动力学问题更加复杂,且有自身特点。很多现象可以用经典力学理论描述,如体操和跳水等项目运动员空中旋转和空翻,遵从动量矩守恒定律。人体与地面等周围环境或器材的相互作用和运动过程,遵从牛顿运动定律。而有些问题,如肌组织兴奋状态的力学特性等,不符合经典力学理论,要用粘弹性理论方法进行研究和分析。

动力学测量与分析,首先要对运动过程的动力学指标进行准确测量或计算,这是描述和研究一切生物体运动的动力学问题之基础。其中,力(矩)和作用时间测量是最基本的问题,以此为基础应用力学定律和相关理论方法计算其它动力学指标。运动生物力学研究一切生物体运动,但最主要的是研究人体运动。人类一切活动都受外力影响,但人体自身肌肉系统收缩发力则是人体运动的主要原动力。因此,运动生物力学中的动力学测量与分析,最重要也是最复杂的问题之一是肌力测量与分析。

()测量仪器的发展与现状

信息采集与处理是20世纪末和21世纪初信息革命的两大支柱。作为实验测量基础的信息采集技术之一是传感器。因此,运动生物力学中动力学测量与分析的主要成就,首先是测量仪器与方法的发展,这主要得益于传感器和计算机技术的不断进步。应用各种力传感器技术,实现准确快速的动力学指标测量,通过计算机对采集信息进行处理和分析,形成现代动力学测量与分析的技术核心。

力传感器的发展中,由于灵敏材料及微电测量与信号处理技术的不断进步,出现了多种测量原理、高灵敏度高精度的力传感器。运动生物力学中动力学测量与分析应用最广泛的是应力—应变电阻式、压阻式、压电晶体式力传感器。

应力—应变电阻式和应用“压电效应”设计的压电晶体式力传感器(以Kistler为代表),在力传感器发展史上占有非常重要的位置,尤其是压电晶体式力传感器至今仍在不断发展并有很高的市场占有率。而应用“压阻效应”设计的压阻式力传感器,由于灵敏度高、量程大、固有频率高、价格低等特点,是近10年来发展最快的力传感器技术。

在运动生物力学中动力学测量与分析的研究与应用领域,这3种力传感器的性能指标均可满足大多数测量要求。但是,压电晶体式力传感器有效采样时间较短,不适合需要较长采样时间的测量,也不能用于低频测量。

以上3种力传感器技术广泛应用于运动生物力学中的动力学测量与分析,如各种简单测力计、各种复杂肌力测试分析系统、三维测力平台系统、足底压力测试系统等。除力传感器外,不同测量条件设计和控制,以及不同测量指标和数据处理方法,又使各种动力学肌力测量分析仪器从测量原理与方法、测量指标与意义、功能特点与应用范围等方面,各具特色,各有所长。

等速测量(Isokinetics)的概念和方法最早出现在1967年。1970年,美国Cybex公司设计制造了第1台等速肌力测量仪器。20世纪80年代是等速测量技术发展最快的时期。近20年来,国际上推出了多种等速测量系统,如近期德国的Iso-med,瑞士的Con-trex等,其原理大同小异,功能升级主要取决于传感器技术水平的不断提高和数据处理软件的不断完善。

等速测量是测量人体各环节在特定条件的运动过程中,关节肌群力(力矩)与时间和环节位置的关系,并以此为基础计算其它动力学指标。特定条件指通过系统软件控制动力头工作,实现环节运动在主要范围内速度不变,故称为等速测量。等速测量发明以来,一直在动力学测量与肌力分析中广泛应用,主要特点是由于环节运动过程速度恒定,不出现突然变速的短暂冲击式用力方式,因而测量过程中肌肉工作安全性较高,测量重复性较好。通过动力头控制,还可实现环节被动式工作,在人体运动系统损伤后进行运动性功能康复有一定的意义。

等速测量应用广泛,但争议不断。主要问题为,等速是通过仪器功能实现的一种非常特殊的运动方式。在实际人体运动中,如运动员完成各种专项技术动作,很少有环节运动速度恒定的情况。只有游泳、划船等少数项目某些环节的技术动作,在一定程度上接近等速状态。因此,对等速测量与肌肉实际工作状态的差异问题,一直存在争议。尤其是动力学测量与肌力分析应用于神经肌肉系统专项“适应性”研究时,等速测量有很大局限性。

针对等速测量的问题和局限性,近几年推出的多功能(Multi Function)测量系统,可通过对阻力与速度的控制和变化,完成变阻力和变速条件下的动力学测量与肌力分析。最具代表性的是美国Ariel Dynamics生物力学研究中心近两年推出的ACES系统。ACES由液压和气压系统提供阻力,其高灵敏度高频力传感器和位移传感器,对测量过程速度和阻力的实时采样频率高达16000 Hz。测量条件通过计算机软件设置,可实现多种状态的多功能测量与分析。例如,速度为零则形成静力性力量测量,速度不变则形成等速力量测量,速度或阻力按设置方式变化则形成变速度或变阻力条件下的动力学测量。

多功能测量系统的测量条件多种变化和控制,以及软件功能提供多种原始测量指标和派生指标,为运动生物力学动力学测量与力量诊断提供了更多方法。尤其是测量仪器上模拟神经肌肉系统在不同运动项目专项“适应性”条件下的动力学特点,已成为可能。这对竞技体育专项力量测试分析及实验室条件下的专项力量模拟训练,具有非常重要的意义。ACES多功能测量系统的理念和技术方法,是今后肌力测量与分析的重要发展方向之一。

目前,三维测力平台应用最广泛的是压电晶体与应力-应变(电阻式)式,代表性产品有瑞士Kistler和美国AMTI,其各自的性能特点及局限性取决于力传感器的技术特性。所有三维测力台基本动力学测量指标一致,主要派生指标则取决于软件功能:

基本指标           XYZ三个方向的力FxFyFz,三个方向的力矩

MxMyMz,力的作用时间t

主要派生指标      冲量动量变化,力(矩)变化梯度,平均力(矩),

功率,压力中心等。

三维测力平台测量系统近几年的发展有两个明显特点:其一,力传感器技术和材料工艺不断进步,使三维测力平台的灵敏度、采样频率、量程等不断提高,以满足不同测量条件的要求,如同一测力平台系统可测量高达几十kN的冲击力,也可测量声波传输过程对测力平台的微弱作用力。其二,针对运动生物力学中动力学测量的不同应用领域,数据处理软件逐步形成通用性和专门性相结合,满足不同研究和应用需求,如Kistler公司近几年推出了专门测量跳跃过程动力学指标的Quattro Jump系统,Ariel Dynamics公司设计的专门应用于步态测量与分析的Gait软件系统等。

足底压力测试是近几年发展较快的另一个运动生物力学中动力学测量领域。其市场需求主要来源于医学康复中的步态测量与分析,以及鞋类产品的研究开发等。目前应用较多的有足底压力测试鞋垫、各种软面足底压力测试系统等。技术核心是密集分布的力传感器及相应的数据采集处理软件。测量指标主要有压力分布和压力中心位置随时间的变化等。

国际上最具代表性的足底压力测试系统是德国Emed系列、比利时Foot-Scan系列等。其原理大同小异,功能各具特点,各有所长。目前,足底压力测试技术已扩展到对人体与各种材料相互作用过程的压力分布测量。其应用前景广阔,越来越受到关注和重视。

我国力传感器技术的研究和开发与国际水平相比,相对落后。各种力传感器在清华大学、中国航天科技集团、大连理工大学等,都有同类产品。但是,在灵敏度、固有频率、量程、稳定性等指标上,与国外同类产品相比,仍有一定的差距。足底压力测试系统研制开发方面也有过一些尝试,但技术水平与国外同类产品差距依然明显。

清华大学、大连理工大学、四川体育科学研究所等,相继推出过多种三维测力平台系统。但是,由于传感器技术等方面的原因,其灵敏度和稳定性等技术指标上,一直存在诸多问题,未能形成稳定成熟的产品。另一方面,数据处理分析软件的方便性和多功能性,与国外产品有很大差距。因此,目前我国三维测力平台测量系统大部分依赖进口。

在关节肌力测量方面,我国没有研制成功过类似Cybex等速测量系统和ACES多功能测量系统方面的产品。

()基础理论研究的发展与现状

运动生物力学中动力学测量与分析的基础理论方面研究,主要是肌肉力学特性及机理方面的研究,最富成果的是在20世纪30年代至70年代。重大成果有1938年Hill[50]以蛙缝匠肌为样本测量肌肉收缩过程的热释放率和功率,并从热力学第一定律确定能量释放率与负荷的经验关系,进而导出了著名的Hill方程:

P+a)(V+b=(P+a)b   1

其中,P为负荷(力),V为肌肉收缩速度;ab为热力学常数。

Hill进一步直接测量了肌肉收缩过程的速度与负荷(力)之间的关系,结果与(1)式结果完全一致。这是至今仍然在生物力学研究与应用中有重要意义的肌肉收缩过程力-速度关系。它揭示了肌肉的一种本质特性,即当负荷(力)增大时,肌肉收缩速度就会减小,其关系为(1)式双曲线函数。

随着实验测量技术的发展,1966年Gorden[9]在蛙缝匠肌细胞一组肌节水平上,精确测量了等长收缩张力与肌节长度的关系。这是迄今为止,在高倍显微镜下进行一组肌节水平肌力测量与分析最精细的实验。它精确描述了肌组织力—长度关系的基本生物力学特性,以及最佳初长度的概念和意义。

以显微结构观察和肌纤维动力学实验为基础,1969年Huxley[9]提出了肌细胞工作的横桥模型和理论,并以暂态响应实验探讨横桥的动力学特征。Hill实验结果和三元素模型,以及Huxley横桥模型和理论,几十年来一直主导着肌肉力学的研究。后人不断进行改进以概括更多新的实验结果,并应用粘弹性理论等方法建立活性状态肌组织的本构方程,但成果并不理想[9]。肌组织生物力学特性的复杂性,使本构方程的建立至今仍然没有唯一确定的形式。

我国在该领域的研究非常少,代表性研究有张跃[4](1986)以白鼠比目鱼肌为样本直接测量动态收缩过程张力F、肌长度L和收缩速度V的关系,导出肌肉收缩过程的特征方程为:

(C+DV)L

F(L,V)=(A-B)e     2

其中,A,B,C,D为常数。(2)式表明,肌肉收缩过程的张力是与长度和速度有关的指数函数,当收缩速度增加,则张力按(2)式的指数函数关系减小。

关于肌肉力学特性的实验测量与分析,以及描述肌组织力学性质的本构方程和工作机理方面的研究,20世纪70年代以来在世界范围内并没有形成突破性的进展,这方面的突破有待于实验技术创新和生物物理理论的进一步发展。

另一方面,以人为实验对象的肌力-长度关系及肌力-收缩速度关系测量与研究,国内外报道非常多。但是,各国学者的研究结果重复性并不好,主要原因是由于人体测量的条件控制难以同动物肌肉样本那样严格。尽管如此,肌肉力量与长度有关并存在最佳初长度的研究成果依然成立,力-速度关系的变化规律与Hill实验的结果也基本一致[8,15]

在肌力测量与分析方法的发展方面,欧美先进国家和地区的发展水平,从测量仪器、技术方法到实际应用成效,都处于领先地位。我国的发展则主要通过引进国外先进技术,并应用于高水平运动员训练实践的应用研究途径进行。近几年逐步形成了自身特点,并取得显著的成效。例如,王清等人[1]2004年对多种肌力测量系统和方法进行比较研究的结果表明,测量条件设置和控制对关节肌群力量诊断有非常明显的影响。进而指出,不能用一种肌力测量系统代替其它系统对人体关节肌群力量进行全面测量与分析,并提出“肌肉力量训练水平诊断系统”的概念及其测量分析方法。这对力量诊断的研究与应用,尤其对竞技体育优秀运动员力量训练水平的诊断与分析,具有重要指导意义和实用性。

20世纪70年代末至80年代初,Asmussen,Bosco[39, 43-47]等人以三维测力平台上SJ(Squat Jump)和CMJ(Countermovement Jump)的一系列测量与分析结果为基础(图1),结合肌肉力学特性方面的其他研究成果,提出肌组织在牵张条件下,除牵张反射外,还有弹性能储备并在收缩过程中释放的理论,引起了多年来对神经肌肉系统SSC(Stretching Shortening Cycle)效应的研究不断深入。

Bosco等人的测量方法成为三维测力平台上动力学测量与分析的经典方法,被称为Bosco实验[46]近期发展的趋势是三维测力平台上动力学与肌电同步测量与分析,研究神经肌肉系统SSC状态下的生物力学性质,对外负荷刺激的“适应性”现象及形成机制[36,37,55]

至今,Bosco实验依然是国际上公认并应用最广泛的三维测力平台上肌力测量和分析方法之一。近年来,秦硒和张跃[16,6]Bosco实验的动力学过程重新进行系统分析,以动力学理论为基础计算各相关派生指标,在Bosco实验的基础上建立了较完整的SJ和CMJ测量指标体系及计算方法(见图1和表1)。

 

 

 

目前,国际上先进的三维测力平台系统,已可以准确方便地计算表1中部分指标,但还不能直接计算所有指标。这说明,我国在SJ和CMJ测试方法研究方面,理论上有所超前,但还需在系统软件上不断实现

另一方面,张跃、Armin[5]对Bosco实验方法进行了改进,使其测量条件控制更加严格。结果证明,大幅度快速牵张更有利于发挥神经肌肉系统的SSC效应。这与Bosco、Komi等人[47]的研究结果相反,原因是Bosco等人的测量过程没有控制SSC“临界点”位置。这一成果不仅是测量方法的进步,且对进一步认识神经肌肉系统SSC状态的工作特点,以及作为优秀运动员力量训练理论和方法的科学实验依据之一,都有重要意义。

综上所述,20世纪70年代以来,肌肉力学特性及机理方面的研究,国际上没有取得突破性进展,我国的研究水平就更低。在测量方法方面,从国际发展趋势上看,今后运动生物力学中的动力学测量与分析,将由于信息采集与处理技术的不断突破,其测量仪器和分析方法日新月异。在传感器和测量系统研制方面,我国落后于国际水平。但是,在测量方法应用研究上,我国有部分领域与国际水平接近,有的方面还有所超前。另一个值得重点关注的发展趋势是,动力学测量与分析不能局限于测量本身。通过动力学测量与分析,研究肌肉系统的生物力学性质,如SJ和CMJ测量研究肌组织SSC效应[5,39,43-47],德国Gollhofer[37]实验室为代表的暂态动力学条件下神经肌肉系统牵张反射、专项测量条件下运动训练“适应性”机理等方面的研究方向,都需要我们引起足够的重视。

()动力学测量与分析的应用研究现状

虽然动力学测量与分析在肌肉力学特性及机理方面的研究没有突破性成果,但测量仪器和分析方法却高速发展,推动了应用研究领域的不断扩展和深入。

1.步态分析研究与应用

步态分析是运动生物力学中动力学测量与分析发展很快的研究领域之一。几乎所有从事运动生物力学测量仪器研究开发的国外知名大公司,如MotionArielViconSimi等,都推出有专门的步态测量与分析系统。欧美很多大学和医学研究机构都建有专门的步态分析研究实验室。近期的发展趋势是对步态进行运动学、动力学和肌电同步测量与分析[38,49,51,52,54]。其中,动力学测量方法主要是三维测力平台和足底压力测试系统。

我国在该领域的发展依然比较落后,自戴克戎[19]1987年提出“应该发展符合国情的步态分析系统”以来,相继有门洪学等人[20]1991研究报道了靴式步态分析系统,陈大跃等人[21](1996)的人体行走步态测试与分析系统,韦启航等人[22](2000)研制的用于人体步态分析的足底压力测试系统,等等。但是,同样由于硬件和软件方面的原因,难以得到广泛认可和应用,国外产品占据了主要市场。

近期国内外步态分析方法应用研究重点领域之一,是关注老年人行走安全。伍锶、陆爱云等人[23]2000)对60岁以上健康老人常速行走的步态分析结果表明,老年人行走能力随年龄增长而降低。赵芳等人[24]2003)的研究结果则认为,老年人步态功能及平衡能力下降,与关节柔韧性降低、视力减弱、前庭功能下降有关。Messier等人[51]2005的研究报道指出,患膝关节炎的老年人行走过程中膝关节承受的负荷会加大,影响老年人行走安全。朱晓兰等人[25]2006)基于大样本测量与分析,初步建立了我国老年人步态特征分析及评价系统。

国际上对帕金森病和偏瘫病患者的诊断和康复、下肢术后康复治疗与评估、鞋类产品研发等,应用步态分析都有非常重要的应用价值[49,52,54]。近年来,我国在此方面的研究与应用也有部分成果报道[26-34],但无论是研究水平还是应用水平与国外相比,仍有很大差距。

2.运动员的力量诊断与分析

在测量仪器与方法的研究方面,我国明显落后于国际水平,主要仪器和技术方法依赖进口。但是,我国竞技体育“举国体制”和“奥运争光战略”的实施,极大地推进了力量诊断与分析在具体应用研究中的发展。2006年,张跃、王清等人[2]完成了国家体育总局课题《突破力量训练中“平台现象”的理论与方法研究》。他们在研究中,提出了优秀运动员力量训练“平台现象”的概念,并以我国一些优秀运动员为研究对象,应用先进的动力学力量诊断与分析理论和方法,系统研究了优秀运动员力量训练“平台现象”的主要成因。同时,针对性提出了力量训练“功率强度”理论、“协调发展原则”、“适应性原则”、“神经肌肉系统SSC效应”的4个相对独立而又相互关联和影响的训练理论和方法。其中,力量训练“功率强度”理论的生物力学依据的论证,以及训练实践中的应用实证,在力量诊断与分析、力量训练理论研究等领域,具有理论意义和应用价值。其基本概念表述如下:

肌肉每一次收缩发力的工作过程,都有负荷阻力P和收缩速度V两个重要生物力学指标,P—V关系遵从Hill方程双曲线函数关系。以肌肉收缩过程的输出功率定义强度指标,则“功率强度”=肌肉输出功率=负荷阻力×收缩速度,即力速度关系双曲线上任意点所对应的阻力和速度乘积决定的面积(见图2),为该收缩速度下该阻力条件的“功率强度”。其极值特性说明肌肉工作过程PV的变化,可以使“功率强度”出现极大值。在“功率强度”极大值条件下进行力量训练,是快速力量和爆发力量训练的最佳状态。

 

 

图2     Hill速度关系定义肌肉工作的功率强度(张跃、王清等,2006)

张跃、王清等人[2]研究中的另一个具有应用价值的成果,是以我国优秀运动员为对象的系列Bosco实验结果神经肌肉系统SSC效应与训练水平有关,肌组织从牵张到收缩过程中的牵张反射和弹性能储备并在收缩过程中释放的“SSC效应”,在理论上是肌组织本质的生理和生物力学特性,但训练水平对“SSC效应”大小有非常明显的影响。国外同类研究中,主要实验对象是普通人和体育大学生。以大样本高水平优秀运动员为对象进行系统测量与分析,是我国力量诊断研究与应用的重要特点之一。

三维测力平台用于完整技术动作过程的动力学测量与分析,是运动生物力学中动力学测量与肌力分析近几年应用最广泛的领域之一。短跑、跨栏、游泳等出发起动,跳高,跳远,跳水等起跳过程,举重和射击等,都越来越多地应用三维测力平台进行完整技术动作过程的动力学测量与分析。

我国该领域的研究在某些项目的实际应用方面,与国际水平完全同步,并且成效显著。例如,我国的举重项目多次在奥运会上取得辉煌成绩,这与运动生物力学工作者长期跟踪研究训练过程、系统测量和分析力量训练水平、专项技术诊断等,有直接的关系。例如,图3中的曲线1为三维测力平台上完成抓举动作的蹬地力随时间变化曲线。通过对抓举过程动力学测量并结合运动技术分析,对抓举运动员的专项能力和技术特点的判断,具有理想的专项条件客观性和针对性。比如,引膝时相蹬地力迅速衰减为零,运动员引膝技术形成完全失重状态,是充分协调引膝技术的专项要求。而发力时相力量上升梯度和力的峰值,则准确反映了运动员蹬伸发力专项爆发力量和最大力量。

 

近几年,国际上出现了更先进的专项测量方法和系统,如游泳水槽中运动员游动过程实时动力学测量与分析系统、划船项目实际划动过程的动力学测量与分析系统等。仰红惠等人[35]2006)自主研发的游泳水槽动态阻力测量装置,从动力学测量方法和理论计算方面,都在国外同类产品和方法的基础上取得了进步,在游泳技术诊断与改进方面具有实用性。

国内外关节力量诊断的发展则有两个明显特点。第一,测量仪器推陈出新,功能不断改进。第二,测量分析的研究领域不断扩展,形成大量数据库,为健身、康复、竞技体育等提供服务。近年来,卢德明等人通过[7,13-15,17-18]系列研究,建立了我国青年人和部分项目优秀运动员等速条件下主要大关节的力量基础数据库。2006年,张跃、王清等人[2]较系统地建立了我国主要体能力量类项目优秀运动员等速条件下主要大关节力量训练水平数据库。这一类的数据库和研究成果,对培养高水平运动员有应用价值。

另一方面,关节力量诊断在一定测试样本条件下,可用于不同力量素质之间与专项成绩之间的相关性分析,以及力量比例“协调发展”水平测量分析等方面的研究。我国基于引进先进测量仪器和方法,并有大样本优秀运动员进行系统测量与分析的优势,在该领域的研究应用水平与国际同步,有的方面领先于国外同类研究。2006年,张跃,王清等人[2]的研究结果表明,优秀运动员不同力量素质之间需要协调发展。另一方面,我国优秀运动员关节力量“协调发展”水平不高,且项目差异较大,在运动训练中需要引起足够重视,以提高肌肉系统协调发力能力和最大程度预防运动性损伤。近几年国内外有关力量训练水平“协调发展原则”(Coordination)方面的研究与应用,是力量诊断与力量训练研究的热点问题之一[2,7,41,48,]

()研究与应用展望

运动生物力学中的动力学测量与分析,其研究发展的主要动力来源于竞技体育、大众健身、医疗康复、航空航天、仿生、军备、劳动保护等应用领域和市场需求的不断扩展和深入。以腰背痛(Back Pain)为例,美国相关行业和学科都非常重视,以期解决现代社会很多行业非常普遍的腰背痛职业病及高额赔偿问题。其中,运动生物力学测量与分析是最主要的研究方法之一。我国在这方面的研究逐渐受到生物力学研究领域的重视和相关行业及政府部门的关注,但仅仅开始起步。

动力学测量与分析在医疗康复方面同样有巨大的市场需求和发展前景。运动康复和物理治疗的理念和方法,在国外已经成为药物治疗(化学方法)之外倍受关注且发展很快的医学研究与应用领域。其诊断和康复治疗等过程,都与运动生物力学测量与分析密切相关。我国在该领域的研究与应用整体落后,但局部领域有特色。例如,香港中文大学洪有廉[11]和香港理工大许云影[12]等人,对中国太极拳运动提高平衡能力(尤其是老年人)的系列研究,取得了很多有应用价值的成果。

步态分析及三维曲面压力分布测量与分析的研究与应用,同样在医学康复、大众健身、安全舒适产品设计等领域,更加受到重视并迅速发展。

毫无疑问,运动生物力学中的动力学测量与分析最重要的应用研究领域之一仍然是竞技体育。测量仪器和方法的不断进步,将促进和提高运动员的力量诊断与训练水平,不断冲击人体能力极限和运动成绩。该领域值得重点关注的是ACES理念和方法为代表的实验室条件下,模拟专项特点的力量诊断与分析。而完整技术动作过程的动力学测量与分析,将会更加深入运动实践并直接服务于运动训练实践。

德国Gollhofer[37]实验室为代表的暂态动力学条件下神经肌肉系统牵张反射、专项条件下运动训练“适应性”机理等方面的研究,是动力学测量分析与神经生理学等学科的有效结合,以此对肌组织生物力学特性、神经肌肉系统在外力(负荷)作用下的内在机理性反应和变化、中枢神经“适应性”现象形成机制等方面进行深入研究。此类研究不仅在学术上有重要价值,还将对训练理论和方法的不断进步和创新,有非常深远的影响和作用。

参考文献

1   王清.我国优秀运动员竞技能力状态诊断和监测系统的研究与建立.北京:人民体育出版社,2004.

2   张跃,王清,等.突破力量训练中“平台现象”的理论与方法研究.国家体育总局攻关课题,2006.

3   张跃.肌肉力学.郑秀瑷等编.人体结构力学.成都:四川教育出版社,1990.

4   张跃.骨骼肌收缩过程的本构方程.生物力学,1986.

5   张跃, Kibeble Armin, Klaus-Juergen Mueller. CMJ测试的临界点控制及下肢伸肌SSC中弹性能储备与利用.医用生物力学,1997.

6  张跃.测力台上SJCMJ测试用于肌肉力学性能研究.体育与科学,1998.

7    张跃,等.举重、赛艇、田径运动员膝关节伸屈肌等动力量比较研究-力量训练的适应性协调性”.体育科学,2002.

8    张跃, Kibeble Armin. Influences of Body Configuration on the Biomechanical Properties of Leg Extensor Muscles in Squat Jump. 18届国际运动生物力学学术会议,香港,2000.

9  冯元桢.生物力学.北京:科学出版社,1983.

10    郑秀瑷.现代运动生物力学.北京:国防工业出版社,2002.

11    洪有廉.Biomechanics of oriental martial: Why practicing Tai Chi Chuan? Wang Q (ed.). Proceedings of XXIII International Symposium on Biomechanics in Sports. The People Sport Press,China, 2005.

12    许云影. A comparison of balance control under different sensory conditions between elderly Tai Chi and non-Tai Chi practitioners. In:Duysens J,Smits-EngelsmanBC; Kingma H,editors. Control of posture and gait.Maastricht: ISPGR, 2001.

13    李国平,等.用等速测力方法评定优秀运动员股四头肌和蝈绳肌力量和耐力.中国运动医学杂志,1988.

14    虞重干,等.篮、排球运动员下肢3关节肌等速测试的对比研究.体育科学,2000.

15    卢德明,等.膝关节不同起始角与结束角运动肌力的生物力学研究.体育科学,1999.

16    秦硒.测力台上CMJ测试的动力学性过程及主要力学指标计算.体育与科学,1997.

17    卢德明,王云德,等.运动生物力学测量方法.北京:北京体育大学出版社,2001.

18    卢德明,等.青年人六大关节肌力研究.北京:北京体育大学出版社,2003.

19    戴克戎.步态分析及其临床应用.上海第二医科大学学报,19871.

20    门洪学,等.靴式步态分析系统的研制与应用.中国生物医学工程学报,19913.

21    陈大跃,等.人体行走的步态测试与分析系统.中国生物医学工程学报,19962.

22    韦启航,等.人体步态分析系统-足底压力测试系统的研制.中国生物医学工程学报,20001.

23    伍锶,陆爱云,等.健康老人常速行走的步态分析.上海体育学院学报,20002.

24    赵芳,等.老年人站立及行走稳定性的生物力学研究.北京体育大学学报,20032.

25    朱晓兰,等.老年人步态特征的分析及其评价系统的初步建立.北京体育大学学报,20062.

26    李建设,王立平.足底压力测量技术在生物力学研究中的应用与进展.北京体育大学学报,20052.

27    吴剑,李建设.青少年女性穿不同鞋行走时步态的动力学研究.北京体育大学学报,20044.

28    周凌宏,丁海曙,王广志,张通.正常成人步态与偏瘫步态的比较与分析.生物医学工程学杂志,19954.

29    许光旭,王彤,王翔,周士枋,励建安.偏瘫不对称步态的生物力学研究.中国康复医学杂志,19953.

30    张伟.足底压力分析在足部疾病中的应用.中国矫形外科杂志,19983.

31    王亚泉.步态分析在偏瘫康复中的应用[J]中国临床康复.200425.

32    杨雅琴,张通.正常步态和偏瘫步态的特点及对比.中国康复理论与实践,200310.

33    励建安.神经疾病的步态分析.中国康复医学杂志,20054.

34    刘建军,胡莹媛,赵吉凤,耿香菊.42例痉挛型脑瘫患儿的步态分析.中国康复理论与实践,20014.

35    仰红惠,等.游泳水槽动态阻力测量装置的研制.第十一届全国运动生物力学学术交流大会论文汇编.成都体育学院,2006.

36    A. Lees. Plyometric training: A review of principles and practice. Sports Excercise and Injury ( SPORTS EXERC. INJ. ), (United Kingdom), 1996, 2/1 (24-30).

37    Albert Gollhofer. Adaptive responces of neuromuscular system to training. Wang Q (ed.). Proceedings of XXIII International Symposium on Biomechanics in Sports. The People SportPress,China, 2005.

38    Anderson FC, Goldberg SR, Pandy MG, Delp SL. Contributions of muscle forces and toe-off kinematics to peak knee flexion during the swing phase of normal gait: an induced position analysis. Journal of Biomechanics, 2004 May; 37(5):731-7.

39    Asmussen E, & Bonde-petersen F. Stortage of elastic energy in skeletal muscles in man. Acta Phsiol. Scand., 1974, 91.

40    Benno M. Nigg, Impact forces and movement control-two paradigms. Proceedings of XXII International Symposium on Biomechanics in sports. 2004, uOttawa.

41    Bartlett,Roger, Futher trends in sports biomechanics—reducing injury risk or improving performace? Wang Q (ed.). Proceedings of XXIII International Symposium on Biomechanics in Sports. The People SportPress,China, 2005.

42    Bompa T O. Power Training for Sport – Plyometrics for Maximum Power Development.Oakville–New York–London, 1993.

43    Bosco C, Fto A, Komi P V, etc. Neuromuscular function and mechanical efficiency of human leg extensor muscles during jumping exercises. Acta . Physiol. Scand.,1982, 114:543 -550.

44    Bosco C, Tarkka T, Komi P V. Effect of elastic energy and myoelectrical potentiation of triceps surae during stretch – shortening exercise. Int. J .Sports Med, 1982, 3:137 -140.

45    Bosco C, Tihanyi. J, Komi P V, Fekete G, Apor P. Store and recoil of elastic eneygy in slow and fast types of human skeletal muscles. Acta Physiol. Scand, 1982, 116:343 -349.

46    Bosco C. Strength assessment with the Bosco’s Test. Italian Society of Sport Science.Rome, 1999.

47    Bosco C & Komi P.V. Influence of countermovement amplitude potentitation of muscular performance. Biomechanics, 1981, VII-A.

48  Dietmar Schmidtbleicher. Strength training in high performance athletes. 2nd International Conference on Weightlifting and Strength Training,Ipoh,Malaysia, 2000.

49    Decker M J, Torry M R, Noonan T J, Sterett W I, Steadman J R. Gait retraining after anterior cruciate ligament reconstruction. Archives of physical medicine and rehabilitation 2004 May; 85(5):848-56.

50    Hill A V. Rate Proc.Roy. Soc. (London), Ser. B, 1938.

51    Messier S P, DeVita P, Cowan R E, Seay J, Young H C, Marsh A P. Do older adults with knee osteoarthritis place greater loads on the knee during gait? A preliminary study. Archives of Physical Medicine & Rehabilitation.2005, Apr; 86(4):703-9.

52    Melnick M E, Radtka S, Piper M. Gait analysis and Parkinsons disease. Rehab Management. 2002, Aug-Sep;15(6):46-8, 58.

53    P. Kannus. normality variability and predictability of work, power, and torque acceleration energy with respect to peak torque in isokinetic muscle testing. Int. J sports Med, 13, 1992.

54    Torry M R, Decker M J, Ellis H B, Shelburne K B, Sterett W I, Steadman J R. Mechanisms of compensating for anterior cruciate ligament deficiency during gait. Medicine and Science in Sports and Exercise. 2004, Aug; 36(8):1403-12.

55    TSAI, Feng-Jen. The characteristics of biomechanics and EMG activities on weighted countermovement jump. Proceedings of XXII International Symposium on Biomechanics in sports. 2004, uOttawa.

(张跃)