运动生物力学学科发展研究报告.docx
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运动生物力学学科发展研究报告
运动生物力学学科发展研究报告
引言
一、方法学研究进展
(一运动学研究方法
(二动力学研究方法
(三人体运动的生物力学模型与动作的计算机模拟
二、运动技术生物力学研究进展
(一优秀运动员动作技术的分析与监控
(二运动技术原理和成绩提高规律的研究
三、运动训练的生物力学研究进展
(一运动生物力学在训练方法中的应用
(二运动生物力学在训练器械的研制与开发中的应用
四、运动损伤生物力学研究进展
(一前交叉韧带损伤生物力学研究进展
(二腘绳肌拉伤的生物力学研究进展
五、健康促进的生物力学研究
六、运动装备生物力学研究进展
七、我国运动生物力学教学情况
八、对我国运动生物力学发展的建议
(一继续加强运动生物力学在竞技体育中的应用
(二加强开展提高国民健康水平的研究
(三加强解决我国经济建设和体育产业实际问题的研究
(四加强人才培养,促进方法学的研究
引言
近三年来,国内外从事运动生物力学的教学科研人员在有关科学研究的
方法学、运动技术分析、运动训练监测与评估、运动损伤发生机制探讨及预
防、全民健身指导、运动装备评价与改进等领域都取得了一定的进展。
本文
就以上内容进行较简要综述,分析我国运动生物力学学科在教学、科研等方
面的现状和问题。
一、方法学研究进展
(一运动学研究方法
基于研究目的的不同,目前获得人体在运动过程中运动学参数的方法主
要有三维摄像与影像解析、红外光点运动捕捉与分析和电磁感应式运动捕捉
系统(magneticmotioncapture。
在我国,三维摄像及影像解析仍是运动生
物力学研究的主要测试手段。
特别是对比赛或训练中运动员进行技术分析与
诊断时,三维摄像机影像解析方法可以在不接触运动员的条件下获得描述其
运动的生物力学参数。
随着摄像设备的不断升级,高清摄像和高速摄像设备
已逐渐广泛应用于人体运动技术的图像采集,而不断追求影像解析的快速反
馈成为提高摄像法分析人体运动的主要突破点。
国内一些学者还对基于影像
的三维重构的精度开展了一些探讨研究。
例如,李旭鸿等(2011研究发现
水下三维重构所得到的均方根(RMS重构误差都高于空气中的测量,随
着标定空间的增大两种测试环境下的RMS重构误差均随之增大。
为了快速准确获取运动技术数据,一些研究者致力于运动图像自动识别
技术的研究,虽然目前还没有得到广泛应用,但已经在部分竞技项目的运动
技术分析中进行了有益的尝试。
例如,王向东(2008在对我国优秀女子举
重运动员技术的生物力学分析中对杠铃杆端点的运动轨迹进行了自动识别,
从而可以对运动员的技术效果进行快速反馈和评价。
—209—
光点运动捕捉系统在国外的运动生物力学实验室中已被广泛应用,国内
也有越来越多的实验室拥有此类设备并逐步开展了高水平的研究。
例如,国
家体育科学研究所、北京体育大学、上海体育学院、南京体育学院等的生物
力学实验室都曾将光点运动捕捉系统应用于高水平运动员的动作技术采集
与分析、运动损伤预防、运动鞋评价、人体基本运动规律等的生物力学研究
中。
电磁感应式运动捕捉系统(magneticmotioncapture是通过捕捉在磁场
中的、固定在人体肢体上的电磁传感器的位置和旋转来获得人体运动学参
数,此系统在国内实验室还不多见,在国外人体运动研究领域的应用也不普
遍,主要应用于对人体一些基本动作规律的研究。
这一系统主要优点是使用
较少的传感器就可以获得人体肢体运动的位置、角度等信息,而缺点是系统
容易受环境中其他电磁信号和皮肤运动的影响,数据易受噪音污染,且数据
采集频率较低。
伴随科学技术的进步,新技术、新方法被不断地应用在运动生物力学领
域,传统的影像分析技术虽然具有非侵入性、对人体运动无干扰、高速等优
点,但是它只能记录人体的外在运动。
虽然光点运动分析系统可精确记录贴
在人体表面光点(marker的位置,并以此推算关节和骨骼的位置,但推算
的骨骼关节位置的精度一直令人质疑。
近年来,一些新的影像分析方法,如
高速荧光透视技术(fluoroscopicimagingtechnique及核磁共振技术结合被
应用于分析人体内部骨骼关节的精细三维运动(Boyer等,2008;DeFrade等,2011,包括人体在运动过程中与运动装备的互动,如篮球运动员急停变向
运动时足部的骨骼关节在运动鞋内位置的变化(Nurse,2010。
高速荧光透视技术实际上就是高速X光成像,其优点是无侵入性、放射量低、可高速
拍摄等,在医学研究领域已有广泛应用,其拍摄成像速率一般在30fps,最
高可达300fps。
三维陀螺仪运动测量技术也可以对人体肢体的运动情况进行测量与分
析。
陀螺仪是一种基于角动量守恒的原理设计出来的能够精确确定运动物体方位的仪器。
根据这一特性,最近几年陀螺仪被应用到了生物力学测量领域,如在人体运动学的测量方面,通过陀螺仪可获取肢体的位置,角度、转动及
—210—
—运动速度等参数(Monaghan等,2009;运动模式识别、运动距离、能量消耗估算等(Lau等,2008;Peyrot等,2009更多地被应用到医疗康复领域
中,用以评定及分级一些病症(如下垂足,中风对人体动作、运动姿态造
成的影响(Lau等,2008;2009。
(二动力学研究方法
在动作技术分析中,动力学的测试已经越来越受到研究者的重视,将运
动中的人体运动学和动力学数据结合起来分析可以更好地了解和揭示人体
运动的生物力学机制。
目前,应用于动力学参数的测量手段主要有三维测力
台、分布式足底压力测量系统、等动力量测量系统和各种专用测量设备。
随
着对人体运动机制研究的深入,国内越来越多的高校和科研院所配备了以上
这些设备,其中测力台的使用最为广泛。
三维测力台系统广泛应用于测量和计算人体完成跳跃、落地、步态等动
作过程中所受到的地面反作用力及相关指标,也为逆动力学计算、平衡稳定
性评价等研究提供数据。
目前,在测力台各指标的应用过程中依然存在压力
中心(COP运动与重心(COM运动的关系还不够明确,测力台软件计
算出的“摩擦系数”意义不明确等问题。
国外一些实验室根据研究目的装备
了测力跑台、测力台阶、可水平移动和翻转的测力台等,这些测力系统的应
用可以使研究人员更深入和准确地了解人体运动的动力学特征。
20多年前,足底压力分布系统在国外开发。
我国运动生物力学实验室
也相继配备了足底压力分布测试系统,包括平板式和鞋垫式两种系统。
国内
外研究人员利用足底压力分布系统通过测试运动过程中足部的受力分布特
征,研究了与运动有关的不同医学和体育问题,主要包括:
①疾病(如关节
炎、糖尿病或相应康复手段(如矫形鞋垫、骨科手术对行走或站立时足
底压力分布的影响。
②不同鞋底材料或地面材料对足底压力分布的影响。
③
不同人群(儿童、肥胖人群、老年人特定运动过程中足底压力的特征。
④
完成各种体育动作技术(如太极拳、跳远起跳、射箭等时的足底压力分布
特征。
等速力量测试与训练系统可以测量人体一些主要关节的肌肉力量,包括
—211—
主要关节的最大静力矩,关节活动范围内的向心、离心等速运动力矩和功、功率等指标。
国内目前主要应用等速力量测试对运动员关节的力量情况进行评价,主要采用向心运动下的最大肌力矩、最大屈伸力矩比等指标。
国外研究者除了评价受试者的力量水平外,还经常用力量测试系统评价关节损伤的危险性。
例如,常采用“功能性膝关节屈伸肌力矩比”这一指标评价腘绳肌拉伤危险性,即膝关节离心屈曲最大力矩与向心伸展最大力矩之间的比值
(Yeung等,2009。
再如,对向心或离心力矩曲线进行分析,了解关节不
同角度下力矩特征以及峰值力矩出现的位置,以全面了解运动员关节力量特点,也可以评价肌肉力量训练效果或肌肉拉伤后的康复效果(Sole等,2011,并预测肌肉拉伤危险(Skurvydas等,2011。
一些传感器的应用帮助生物力学研究者获得准确的描述人体运动的力
学数据。
确定人体基本运动过程中膝关节的负荷大小的方法以往主要有两
种,一种是实体测量,一种是模型推算。
随着测量技术的发展,植入式膝关节力学测试系统可以测量胫骨上受到的三维力和力矩的大小。
Kutzner
(2010等人利用测试设备测量了上下楼梯,单腿或双腿站立等日常动作中胫骨在膝关节的受力状况,报道了三维力和力矩的数据,结果表明下楼梯时受到的合力最大。
(三人体运动的生物力学模型与动作的计算机模拟
人体运动模型与动作模拟一直是运动生物力学的重要研究方法,运动生
物力学研究者往往通过建立模型对人体运动进行模拟,探讨人体运动的生物力学规律,寻找提高运动成绩的最佳动作。
Glazier和Davids(2009对近
年来进行的人体动力学模型和模拟的研究进行了分析,认为不一定数学上越复杂的模型就一定能越准确和有效地模拟人体运动,而且在考虑人体器官、运动环境和动作规则等约束条件的基础上,可能很难得到人体完成特定动作的最佳模式,而个体之间的差异也决定了每个人的动作模式可能有很大不
同。
近几年比较流行的人体模型与动作模拟的商业软件主要有Lifemod、
Anybody、Simm、SD/Fast等。
这些软件可以根据研究目的较方便地建立不—212—
同形式的人体模型,结合动作捕捉测量得到的人体运动数据,进行人体系统
的动力学分析和肌肉力计算,同时还可以通过建立外界环境,分析人体运动
过程中人体与环境之间的作用力关系。
例如,吴成亮和郝卫亚(2011采用
Lifemod建立了人体多体系统模型,并对国内外著名运动员跳马技术动作进
行了个性化的计算机仿真研究,对比分析不同踏板和撑马动作的特点。
钱竞
光等(2008应用Lifemod建立了鞍马全旋动作的多体动力学模型,并试图
通过运动学数据和肌电测试结果验证模型的准确性。
Hamner等(2010应
用OpenSim模拟人体跑步动作后发现,股四头肌和跖屈肌群是跑步中使身
体加速的主要肌群,上肢的摆动对人体重心的加速几乎没有贡献,而主要是
与下肢动作相协调。
尽管目前商业软件可以建立比较复杂的人体模型,甚至
可以模拟人体运动过程中的肌肉收缩情况,有助于人们了解人体运动机制,
但我们目前仍然很难通过实验对比这些模型是否真正准确有效的模拟了人
体复杂的神经肌肉运动特征。
很多研究都建立了人体的弹簧-阻尼器-质量模型来模拟计算人跑步时
受到的地面反作用力。
Allen(2010等人建立了13环节的二维力矩驱动的
人体多刚体模型,模拟三级跳三跳过程中上肢摆动情况。
结果表明,与非对
称的单臂摆动相比,三跳起跳时双臂同时摆动有利于落地时缓冲地面反作用
力,增加起跳时身体动能和重心高度,因此可以提高跳跃成绩。
Liu和Yang
等(2009建立了冠状面内的2环节单自由度的模型,采用动态的动力学优
化方法,计算人体失去平衡而侧向滑倒的速度阈值。
Nigg(2009的模型则
用一个非线性原件来模拟鞋的中底和地面弹性,以精确计算人所受到的地面
反作用力。
这一模型又被Ly(2010等人发展为将鞋的中底和地面的粘弹
性模型,从而获得鞋和地面之间的作用力情况,为鞋底材料的设计提供参考。
二、运动技术生物力学研究进展
运动员的运动技术检测、分析与优化主要采用两大类手段。
一类是定性
的分析对比,包括标记分析法和影像的视频与图像处理等。
传统的运动生物
力学测量分析方法是另一种运动技战术分析手段,包括运动学测量与分析、
—213—
动力学测量与分析、肌电测量与分析和建模与仿真方法等。
可以通过这些方法,对运动员进行个性化技术分析,解决运动员的技术训练问题,提高运动员的运动训练科学化水平。
(一优秀运动员动作技术的分析与监控
对国家队和各省市运动队的高水平运动员进行技术分析与监测一直是
我国运动生物力学研究者的重要任务,科研工作者的努力工作为提高运动员训练水平和运动成绩提供了有力的科技保障。
在竞技体操难度动作的研究方面,郝卫亚等对“踺子转体180°前手翻直体前空翻180°”和“踺子转体180°前手翻直体前空翻540°(程菲跳”这两个动作结构相似却难度不同的技
术进行运动学数据的对比研究,揭示了两个动作的运动学规律和技术点,以及在细节技术上的差别,为我国运动员从掌握低难度的“踺子转体180°前手翻直体前空翻180°”到掌握高难度的“程菲跳”提供了训练学依据和技术参考。
肖丹丹等(2009应用红外光点运动捕捉分析系统对国家乒乓球队10名运动员正手快攻和弧圈球技术的上肢动作进行分析,揭示了优秀乒乓
球运动员正手快攻、弧圈球技术中上肢执拍手臂和非执拍手臂的肩、肘关节的角度、角速度的运动学特征。
杨洁等(2009运用三维摄像分析的方法对近几届参加奥运会集训的优秀举重运动员的抓举技术进行研究,通过对不同动作阶段杠铃上升时间比、高度比和做功比这3个敏感指标进行分析,从而揭示优秀运动员抓举技术特征和男女选手在技术上的差异,为教练员制定针对性训练计划提供了数据。
(二运动技术原理和成绩提高规律的研究
除了对优秀运动员进行技术分析与监控外,很多运动生物力学研究者还
致力于对运动技术原理和规律的研究,他们对运动技术和提高成绩的研究已不满足于对高水平运动员动作技术的描述和归纳,而是应用各种方法更加细致的分析影响运动成绩的原因。
特别是国外研究者在这方面做出的贡献更加突出。
以下对近两年在这方面的研究举几个例子。
—214—
投掷最佳出手角度问题一直并无定论,因此有研究者不断用各种方法对
各个投掷项目的最佳投掷角度进行研究。
近年来的观点是,出手速度会随着
出手角度的变化而变化,因而不能在假定出手速度不变的情况下研究最佳出
手角度,而是要根据运动员身高、能力及技术特点的因素确定出手速度与出
手角度之间的关系。
Leigh等(2009在获取了铁饼运动员多次试投数据的
基础上通过回归分析获得每个运动员出手速度和出手角度之间的关系,以及
空气动力学距离和出手角度之间的关系,应用这些关系和抛物体运动方程可
以获得铁饼投掷距离和出手角度之间的关系,并找到获得最大投掷远度的出
手角度。
国内的龚劲涛等(2011应用数值计算方法讨论了运动员推力大小、
身高、推力与出手角度关系以及铅球质量对铅球投掷最佳出手角度的影响;
结果发现最佳出手角度对身高和铅球质量并不敏感,但推力越大,最佳出手
角度越大。
国内外很多运动生物力学研究者依然在不断探索运动员合理的技术以
达到最佳训练效果和最好的比赛成绩。
Kugler和Janshen(2010认为短跑
加速跑过程中水平推进力的大小主要受身体姿态的影响,而与运动水平无
关。
他们对28名男子和13名女子短跑运动员加速跑步技术进行测试分析发
现,运动员蹬离地面时刻身体前倾程度越大,所产生的向前推进力就越大,
从而产生的水平加速度也就越大。
跑得快的运动员往往采取脚落地位置靠后
或增加支撑阶段时间的策略使身体前倾。
所以加速跑时产生最大的蹬地力量
并不是产生水平加速度关键,而应该调整身体姿态获得尽量大的水平推进
力。
游泳运动员划水时手指是否应该并拢,如果应该分开,那分开多大程度
可以达到最佳划水效果呢?
Minetti等(2010应用计算流体力学方法对不
同手指分开角度划水时的推进效率进行研究发现,手指之间分开12°时,也
就是手掌放松状态时划水产生的推进力最大,因为这个状态可以使手掌产生
最大等效对水面积。
棒球投球过程中髋部和躯干的扭转运动影响投球速度,因此Robb(2010
等人认为投手髋关节的柔韧性也可能影响投手高速投球的能力。
经过进一步
验证发现,投手非优势侧髋关节被动柔韧性要显著小于优势侧,而两侧柔韧
—215—
性的差异大小与躯干和骨盆在投球过程中的生物力学指标显著相关,且非优势腿柔韧性好坏与投球速度之间正相关关系显著。
目前只在棒球运动员中发现这一现象,因此需要进一步的研究确定是否在标枪投掷等上肢鞭打类动作中均有此规律,而且还需要进一步研究柔韧性提高后是否就能提高投掷速度。
在划船运动的生物力学研究中,运动员大小腿长度之比被认为是影响腰部运动生物力学表现的因素之一(Greene,2009。
研究表明小腿相对较短的运动员在划桨最初阶段的腰部伸展力矩较高,划桨达到最大功率的时间较早,下肢和骨盆在划桨过程中的角度和角速度形式与小腿相对较长的运动员相比存在差异,但运动成绩并不受下肢比例影响。
这些结果提示不同大小腿比例的运动员在训练中应有针对性的扬长避短,以获得最高效的技术和最佳成绩。
三、运动训练的生物力学研究进展
运动生物力学可以为运动训练学提供重要的测试手段和研究方法,以检验训练方法手段的有效性,并可以设计和开发新的训练方法和设备。
近几年我国引进了国外很多身体训练的理念和方法,如躯干力量及训练方法、超等长训练(Ploymetric、悬吊训练、振动训练等。
这些训练方法虽然主要从国外引进,但国外也在一直运用各种测试手段,特别是运动生物力学测试来检验这些训练方法在实践中针对某项目或某动作技术的有效性,以及实际操作过程中需要注意哪些问题。
相比国外,我国在训练方法的检验方面的研究尚有待进一步开展。
但我国的运动训练专家和运动生物力学专家合作攻关,也研制开发了一些针对某运动项目的辅助训练手段。
(一运动生物力学在训练方法中的应用
振动训练已被证实在一定条件下可以提高运动员肌肉力量和柔韧性,但如何确定针对不同项目、不同身体素质的运动员的最佳振动频率、振幅、振动方向和振动时间等因素仍需深入研究。
近年来有不少研究借助运动生物力
—216—
学测试与分析的方法对振动训练效果进行研究和评价,所得结论不尽相同。
例如,有研究认为振动训练后即刻即可增加下肢肌肉力量和柔韧性(Jacobs
等,2009,而也有研究发现振动训练对下肢肌肉力量和柔韧性的即时效应
并不明显(Colson等,2009;刘卉等,2010,振动训练不能减轻由于废用
(失重而造成的肌肉萎缩(Zange等,2009。
对最佳振动训练参数的研
究结果也并无一致。
例如,Adams(2009的研究结果是振动训练时间持续
30秒到5分钟都可以获得显著的即时训练效果,而高振动频率和高振幅相
结合,低振动频率和低振幅相结合可以达到最好的效果。
而Ronnestad(2009认为无论对运动员还是普通人群,只有50Hz高频振动训练才能增加练习者
下肢蹬伸功率。
李玉章(2011通过对不同频率的三维振动与单方向振动训
练过程中下肢肌肉的激活特性进行研究发现,三个方向上的组合振动训练可
以有更加有效的提高肌肉同步激活和工作的能力。
多数对振动训练效果的研
究集中于下肢,而Hand等(2009的研究表明增加振动训练并没有比单纯
的抗阻力练习更有效地增加肩袖肌群的力量。
造成这些研究不尽相同的原因
应该是每一个研究都不能把对影响训练效果的所有参数进行排列组合来试
验,而且训练对象的身体条件等因素也应该被充分考虑。
例如,有研究表明
穿鞋和赤脚进行振动训练的效果不同(Marin等,2009。
超等长训练(Ploymetric作为发展运动员肌肉离心收缩力量和肌肉爆
发力的方法而被采用。
结合下肢肌肉肌电数据,田石榴(2009进一步对负
重超等长训练的神经肌肉适应机制进行了研究,结果表明负重超等长训练使
α运动神经元终池兴奋性降低,增加突触前抑制,高尔基腱器的敏感性显著
降低,并产生了神经适应。
身体训练方法只有在动作结构和肌肉工作方式上与比赛动作相接近,才
能最大限度地发挥训练的作用,否则可能适得其反。
通过运动生物力学方法
可以对比训练和比赛动作的差异,从而预测训练方法或设备的有效性。
例如
Stodden(2008等检测了躯干在四种方法的力量训练过程中的运动幅度和
速度,并与棒球投掷动作过程中躯干所表现出来的运动幅度和速度进行对
比,认为这些训练方法可以使躯干达到投掷过程中的运动幅度和速度。
—217—
(二运动生物力学在训练器械的研制与开发中的应用
设计与改进运动装备、训练器械,使之符合生物力学原理,既可有效地
避免运动损伤,又可为提高运动成绩提供条件。
此类研究突出了运动生物力
学应用研究的重要作用。
例如,上海体科所和上海体院联合开发的游泳水槽
中技术测试与分析系统,对自由泳、蛙泳技术进行了研究。
北京体科所刘颖
研制了武术难新动作训练实时测力反馈系统,此监测设备可以达到技术图像
和相关参数双重现场反馈的目的,使教练员可以直观地通过具体数据了解运
动员技术的特点,为武术难新技术动作训练效率的提高起到了积极作用。
Genc等(2010通过检测练习者足底压力情况对为国际空间站设计的力量
训练设备进行评价,结果表明,除带振动和稳定装置的功率自行车在最大负
荷设置时,其他三种设计的训练设备均不能对练习者施加足够的训练负荷。
Rhea等(2008的研究则表明VertiMax抗阻跳跃练习器可以有效提高优秀
运动员下肢蹬伸功率。
张国庆(2009研制了游泳下肢打腿训练器,并根据
游泳比赛时的强度进行下肢力量训练,发现应用符合游泳生物力学原理的下
肢打腿训练器训练可以有效提高游泳运动员的专项力量和专项能力。
上海体
育学院肖毅等通过现有的力量训练器材上加装位移传感器,研发了带减速制
动装置的智能化超等长重量训练设备,并研发了相应的训练数据实时采集与
监控系统,可以即时评价和储存运动员训练数据(2009a,2009b。
随着计算机、传感器和数据传输技术的发展,运动训练已开始借助虚拟
现实(VirtualReality技术和设备对运动员进行模拟各种场景和环境下的技
术训练。
体育场景虚拟系统可以根据运动的视觉、触觉、生理心理以及运动
项目特征,由计算机产生逼真的虚拟体育场景。
由于虚拟体育场景中装有视、
听、触、动觉的传感及反应装置,因此运动员在虚拟体育场景中可获得视觉、
听觉、触觉、动觉等多种感知,从而达到身临体育场的感受。
比如,当使用
者身体移动时,动作捕捉系统便可以捕捉到运动员的动作变化,虚拟环境中
的图像也实时地跟随变化,运动员通过头盔显示器可以看到在虚拟体育场景
中自己的动作和体育器械随着运动员的动作而移动,运动员可通过数字手套
等力反馈工具感受到外部力的作用。
运动员在逼真的虚拟体育场环境中如身
—218—
临现实的运动场。
例如,英国的Hiley(2010在28届国际运动生物力学会
议上报告了利用模型模拟和虚拟现实技术辅助体操运动员训练。
通过建立体
操运动员动作技术的计算机模型以确定针对不同个体的最佳动作技术,并通
过虚拟现实技术使运动员在学习新动作之前就了解了这一动作在空中运动
时的视觉感觉,从而缩短动作学习时间,提高动作完成成功率。
我国学者陈
云峰(2008借助3DStudioMAX和MATLAB虚拟现实工具箱建模,通过
光电检测方法对枪支三维姿态进行位置跟踪,为实现射手虚拟现实训练系统
进行了准备和可行性验证工作。
四、运动损伤生物力学研究进展
运动损伤的发生、发展和康复都与损伤部位的受力有关,运动生物力学
为探究运动损伤的原因和机制、评价康复效果提供了测试
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