【原】三维运动学分析过程和实例参考

运动机能形态学 2023-01-27 发布于北京

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一、三维运动学分析

三维运动学主要测量方法是高速录像和摄影，不直接接触运动员，所以不会对运动员的比赛或训练造成较大干扰。通过分析所拍摄到动作技术的每一帧画面，获得符合人体运动规律的技术量化参数。再对比分析这些数字，可以明确运动员技术动作的好与坏，将技术动作规律直观化，加快运动员的技术水平提升。

过去的运动科学科研中，常使用高速摄像机拍下视频资料，之后配合手动标点、运动解析软件得到人物模型与运动参数。近些年来，科研中以被动光电运动捕捉系统、惯性传感器居多，例如瑞典Qualisys远红外线三维运动分析系统、荷兰Xsens惯性传感器等。

图1. 高精度三维运动捕捉系统

在科研中，如果要对动作进行捕捉分析并获取参数，通常需要分为前期准备工作、图像采集、视频剪辑、数据处理、分析等几个步骤进行，如下图2所示。

图2. 运动捕捉分析流程

二、实例-散打运动员鞭腿技术

陈玉民^[1]等对优秀男子散打运动员的鞭腿技术进行了运动学、表面肌电特征研究。研究方法：

-三维录像分析法：2台德国产Basler602f高速摄像机（100帧/s），两台摄像机间主光轴夹角90°，采用日本松井秀治男子人体模型(16个环节，22个关节点)，并用8Hz低通数字滤波对原始数据进行平滑。

-表面肌电分析：采用芬兰产 Mega win T8通道表面肌电测试仪(采样频率1000Hz)，采集臀大肌(GM) 、股直肌(ＲF)等8块肌肉肌电信号，利用Mega自带的同步装置，将肌电信号 - 三维录像信号同步起来。

散打运动员的鞭腿技术动作阶段划分

-时刻划分：a-预备姿势时刻、b-鞭打腿离地时刻、c-膝角开始增大时刻、d-击中目标时刻、e-鞭打腿落地时刻。

-阶段划分：a~b-上步送髋、b~c-提膝转髋、c~d鞭打、d~e收腿。

测试结果与分析

图3. 受试者鞭打腿运动学参数、积分肌电

b鞭打腿离地时刻

-膝关节相对速度最大。（该时刻需要积极主动屈髋屈膝，为下一步转髋踢腿做准备）

-股直肌、股二头肌（屈膝屈髋），腓肠肌，缝匠肌、阔筋膜张肌（髋内旋）肌肉贡献率最大。（积分肌电越大，肌肉做功越多^[2]）

c-d鞭打阶段

-下肢关节速度表现：踝＞膝＞髋，符合鞭打末端速度最大的力学原理（鞭打：人体在做下肢鞭打时，应该遵循关节顺序原理，即大关节带动小关节，不仅有利于动量矩的传递，而且能充分动员各个环节的发力效果）。

-击中目标时刻，膝关节没有完全伸直，曹华^[3]认为这是条件反射自我保护，避免膝关节震荡损伤。膝关节适当的弯曲还可以减小鞭打动作的回旋半径，减小转动惯量，增大摆腿角速度，打击效果更好。

三、实例-羽毛球运动员后场正手吊球技术

向慧^[4]等对2名羽毛球国家队优秀运动员的后场正手吊球技术进行了运动学分析。研究方法：

-三维录像法：采用两台SONY FX-2000E高清摄像机（50帧/s），一台置于受试者正前方、一台置于受试者右侧，主光轴夹角60-120°。采集后使用Ariel运动生物力学分析系统分析，并用Excel进行数据平滑。

动作阶段划分：

图4. 羽毛球正手吊球动作阶段划分

-超越器械（a-b）^[5]：运动员在预判启动移位的过程中，在躯干和髋关节的带动下，身体绕左髋-左肩连线（身体的一条纵轴）转动，形成左肩在前上、右肩在后下的侧身对网、下肢蹬伸的准备击球姿态。

-击球鞭打（b-e）：从下肢蹬伸开始，通过上肢肩、肘、腕协调配合依次加速，速度依次传递至运动末端，使得球拍在击打羽毛球时获得最大速度。

-收拍（e-f）。

运动学结果分析

图5. a-正手吊球关节速度极值时间、b-躯干转动角度、c-上肢运动环节速度曲线图

观察5-a

-动量传递中，不同环节间速度极值间隔时间不到0.1s，说明吊球动作结构各环节配合十分精准，在专项训练中，教练员要注重动作技术中各环节的肌肉协调配合相关训练。

观察5-b

-侧身幅度：劈吊≈轻吊＞拦截吊。

-在引拍-击球过程中，劈吊轻吊躯干绕 Z 轴旋转时，转动幅度明显＞拦截吊，说明劈吊、收吊符合侧身驾拍-引拍击球的动作模式，动作一致性高。

-拦截吊来球快，反应时间短，更强调完成整个动作的速度，强调球在飞行途中高点拦截快速下落来取胜，因此侧身幅度更小，动作更突然。

观察5-c

-三种吊球，运动环节速度极值出现时序基本符合近年来提出的上肢鞭打动作“肩-肘-肩-腕-手”的时序性。各环节速度极值出现的时间也反映了击球阶段上肢各环节加速过程是否合理，且速度的最大峰值应当是：手＞腕＞肘＞肩，大环节达到速度最大值→次大环节→小环节，速度依次增大，呈现“梯次递进”的规律。

四、总结

通过对视频资料的处理，转化成的三维人体模型可以通过分析得出一系列的运动学数据：关节角度、运动速度、角速度、躯干扭转程度、环节间速度传递顺序等，分析得出相关肌群的运动是否合理协调、技术动作是否规范到位、高难度动作失败的原因等。配合肌电、超声影像学等测试还能进一步精确得出合理的发力模式和时序，总结出正确优秀的“发力曲线、关节曲线”，为日常训练、科学锻炼提供科学有效的直观化参考。