羽毛球蹬跨步膝关节力学特征研究*

赵 乐 刘卫国

羽毛球蹬跨步膝关节力学特征研究*

赵 乐1刘卫国1

（1.仲恺农业工程学院，广东 广州 510225；2.广西师范大学，广西 桂林 541004）

羽毛球蹬跨步法是较为常见的步法，由于动作速度快、冲击力大很容易导致膝关节运动损伤。通过测试法、仿真分析法、数理统计法等研究方法，采用Coda motion三维捕捉系统与ATMI三维测力台同步采集羽毛球蹬跨步法运动学与动力学参数，将运动学与动力学数据导入Anybody仿真分析软件分析膝关节受力特征，阐述不同运动速度情况下膝关节力的特征，使羽毛球运动员和爱好者能够清晰地了解此步法膝关节部位的力学特征，提高羽毛球运动技术水平，同时避免损伤。

Anybody；羽毛球蹬跨步法；膝关节力

羽毛球蹬跨上网步需要运动员急停、跳跃以及蹬伸发力，很容易造成膝关节的损伤[1-5]。为了清晰地了解此步法生物力学特征，以阐述不同运动速度情况下膝关节的受力特征，本文基于逆动力学原理，借助Anybody仿真软件，通过调用其现有模型，根据羽毛球蹬跨步的特征姿态对模型进行修整，从而构建出步法特征姿态的生物力学模型[6-10]，进一步利用负荷重载计算出对应时刻支撑腿膝关节的力学参数，并对比不同速度下膝关节力学参数，以探讨羽毛球蹬跨上网步膝关节受力特征[11-13]。

1 研究方法

1.1 测试法

1.1.1实验设备

本文使用的设备主要有英国产Codamotion三维动作捕捉系统（图1）、美国产ATMI三维测力平台系统、信号同步3D盒（图2）。

图1 Codamotion三维动作捕捉系统

图2 同步信号设备

1.1.2测试过程

1.1.2.1测试前准备

（1）受试者准备

本文共选取10名男子羽毛球运动员作为测试对象，为了控制测试数据离散程度，选择同一水平的运动员，运动水平均为羽毛球国家一级，所有受试者均自愿参加本实验，知晓各实验环节。受试者24小时内未进行剧烈运动，由专门测试人员按照实验方案对受试者进行Marker粘贴，粘贴位置见表1和图3，保证CX1装置能够较好地自动识别Marker。受试者进行热身活动，熟悉测试动作。

表1 Marker粘贴位置

序号位置序号位置序号位置 1左脚二脚趾8左髂后上棘15右髂前上棘 2左脚脚跟9右脚二脚趾16右髂后上棘 3左踝10右脚脚跟17C7颈椎棘突 4左膝外上髁11右踝18胸棘突 5左膝12右膝外上髁21右肩 6左大腿中线13右膝22右肘 7左髂前上棘14右大腿中线23右腕

图3 Marker点粘贴示意图

（2）Codamotion三维动作捕捉系统

图4 空间坐标标定

测试前首先布置测试场地，CX1装置放置于受试者周围，主光轴夹角为180°，高度为1.8米，距离测力平台中央均为3米，能够最大可能识别所有的Marker。对系统进行空间坐标标定，见图4，“1”代表X方向，即运动方向，“2”代表Y方向，“3”代表Z方向。动作捕捉频率设定为100Hz。

（3）三维测力平台系统

测试前利用重力调试检验设备的准确性。测力台测试频率为100Hz，阈值设置为10N。

（4）同步信号数据线连接扩展Hub和三维测力台，确保信号能够正常同步。

1.1.2.2正式测试

(1)运动速度控制

本研究通过控制喂球高度来控制运动员的速度，测试中采取羽毛球垂直下落的方式，分别从距离球网最高点40cm和60cm两个高度进行喂球，从而控制运动员分别采用快速与慢速的蹬跨上网步进行击球。并要求羽毛球在地面上的投影距离球网30cm，距离单打边线30cm。

(2)测试动作及过程

当指挥员发出“开始”口令后，喂球人员立即松手，保证球自由下落。受试者采用三步蹬跨上网步法模拟挑球动作，要求第二步采用垫步的方式，且第二跨步时受试者右脚落于测力台宽度的中间位置，步法如图5，“1”代表第一跨步，即启动后第一步，“2”代表垫步，即第二步，“3”代表第二跨步，即第三步。根据Codamotion系统数据实时反馈，每个喂球高度每人分别采集3次成功动作，保证每个动作没有可直接观测的错误，而且Marker点识别度较好。

图5 蹬跨上网步法示意图

1.1.3 数据采集

运动学原始数据采用Codamotion Odin软件解析，主要获取指标包括下肢关节角度、角速度、运动时间、位移等。动力学数据采用ATMI三维测力台系统获取，主要指标包括足底压力与膝关节反作用力。

1.2 仿真分析法

膝关节作为人体最为复杂的关节，包括内、外胫股关节和髌股关节，可绕冠状轴做屈伸运动，绕垂直轴做内旋与外旋运动。在日常活动与体育运动中膝关节均发挥着重要的生物力学功能。蹬跨上网步法足地接触力对膝关节反作用力具有较大的影响。本文借助东北大学Anybody仿真分析软件，就运动员缓冲蹬伸阶段足地接触力对膝关节膝关节反作用力的影响进行分析，期望能够找到不同速度蹬跨上网步法膝关节反作用力的变化特征。

1.3 数理统计法

2 结果与分析

2.1 蹬跨步法缓冲蹬伸阶段运动学数据统计

采用Codamotion三维动作捕捉系统获取羽毛球蹬跨步法缓冲蹬伸阶段的运动学数据，见表2、表3。

表2 缓冲阶段右侧下肢各关节角度变化（单位：°）

关节时相快速组慢速组 髋关节落地时刻113.56±5.89110.25±8.69 缓冲结束时刻75.06±9.0371.57±6.48 变化值38.50±8.0338.68±6.70 膝关节落地时刻163.20±5.24*156.90±7.87 缓冲结束时刻110.63±8.32105.59±6.07 变化值52.57±4.9351.31±7.31 踝关节落地时刻104.59±5.15**112.78±6.64 缓冲结束时刻90.05±4.90*94.40±5.94 变化值14.55±5.2818.38±7.83

注：*代表P＜0.05，表示具有显著性差异；**代表P＜0.01，表示具有非常显著性差异，下同。

表3 蹬伸阶段右侧下肢各关节角度变化（单位：°）

关节时相快速组慢速组 髋关节蹬伸开始时刻75.06±9.0371.57±6.48 离地时刻141.25±5.90141.10±8.67 变化值66.19±8.0869.52±6.73 膝关节蹬伸开始时刻110.63±8.32105.59±6.07 离地时刻167.74±5.89*160.84±7.79 变化值57.11±5.4955.25±7.20 踝关节蹬伸开始时刻90.05±4.90*94.40±5.94 离地时刻115.41±5.03114.51±6.45 变化值25.36±5.19*20.11±6.15

2.2 蹬跨步法缓冲蹬伸阶段动力学数据统计

采用ATMI三维测力平台系统获取羽毛球蹬跨步法缓冲蹬伸阶段的动力学数据，见表4、表5。

表4 缓冲阶段三维力极值统计结果（单位：N）

力值方向快速组一般组 Fx-351.71±52.94**-250.88±52.95 Fy-764.97±97.26**-555.14±97.26 Fz1628.75±207.91**1321.75±204.54

表5 蹬伸阶段三维力极值统计结果（单位：N）

力值方向快速组一般组 Fx-149.34±53.41-111.92±50.58 Fy-494.63±105.86**-375.15±105.86 Fz1250.78±214.4**1020.69±171.07

2.3 基于Anybody仿真软件计算膝关节力特征分析

Anybody仿真软件在逆动力学研究领域处于较为领先的地位，其已构建较为广泛的各类体育项目相关动作的骨骼肌肉模型，能够满足广大研究者的需求，具有软件专属的脚本语言“AnyScript语言”，可对模型进行修整以及工作环境的限定。广泛应用于步态、自行车运动、汽车产业等方面，可进行步态特征分析、技术分析、损伤分析以及性能测试等方面的研究。国内学者纪仲秋在此方面研究较为深入，比如通过对太极拳动作的仿真与验证，研究分析下肢生物力学特征。

本文基于逆动力学原理，借助Anybody仿真软件，调用其现有模型，根据蹬跨步法特征姿态对模型进行修整和重载，从而构建步法特征姿态生物力学模型，进一步计算对应时刻的右侧膝关节力，分析膝关节力特征规律，同时对比分析不同速度对膝关节力的影响。

2.3.1调用模型，定义模型姿势

2.3.1.1选取、调用、修整和重载模型

Anybody软件中的人体站立模型是应用较为广泛而且是根据大样本量构建的模型，在仿真分析中属于较为通用的模型，避免产生针对每名运动员进行模型定义的较大工作量，所以本研究中选取人体站立模型（Human Standing Template Model），加载之后如图6。

模型加载之后需根据本研究目的进行模型修整，此过程需在模型文件“Mannequin.any”中进行，利用脚本语言“Any Folder Posture={ }，Any Folder Load{ }”对模型参数进行设定。本研究中主要分析下肢生物力学特征，并没有对上肢数据进行采集，经过检验计算，有无上肢对膝关节力的计算没有影响，同时考虑到蹬跨步模型美观，所以去掉了模型的上肢以及躯干部分的肌肉，如图7所示。模型修整结束，需重载模型。

图6 站立初始模型

图7 站立修整模型

2.3.1.2编写AnyScript脚本语言，以关节角度定义模型姿势

AnyScript语言是Anybody软件中特有的脚本语言，例如“AnyVar KneeFlexion=0.0”即是对膝关节屈曲角度的定义，“PostureVel”是对关节角速度的限定。

本研究中主要针对右侧下肢进行模型姿势的调整，主要包括髋关节、膝关节和踝关节。由于模型本身具有自动平衡功能，所以需对异侧腿的关节角度进行调整，模型调整关节角度以Codamotion红外捕捉系统采集的运动学数据为准。模型姿势修整结束后对模型重新加载，图8为缓冲蹬伸阶段落地时刻调整后的姿势示意图。

图8 定义重载后模型示意图（左为快速组，右为一般组）

选择足地接触点为受力点，在AnyForce3D Force={X，Y，Z}三个方向力值输入施加三维力向量的命令语句后，重载模型，进行逆动力学分析（Inverse Dynamic Analysis），获取膝关节力。

2.3.2设定三维力向量，逆动力学计算

选择足地接触点为受力点，在AnyForce3D Force={X，Y，Z}三个方向力值输入施加三维力向量的命令语句后，重载模型，进行逆动力学分析（Inverse Dynamic Analysis），获取膝关节力。

2.3.3膝关节力学特征分析

表6 缓冲蹬伸阶段极值时刻膝关节力

膝关节力缓冲阶段蹬伸阶段 快速组一般组快速组一般组 垂直轴*4303.64±537.01*4157.50±561.11*4051.64±457.23*3821.53±438.72 矢状轴1424.92±205.62**1027.68±283.502410.54±568.41*2026.41±358.14 冠状轴679.59±196.43*531.47±119.141171.37±256.82*936.72±215.74

注：纵向三者比较用“*”表示数值大小相邻间的差异有显著性，并标注在较大数值前方

由表6分析，在缓冲阶段极值时刻快速组与慢速组的膝关节垂直轴力无差异。膝关节矢状轴力具有非常显著性差异，冠状轴力具有显著性差异，说明在缓冲阶段，速度对矢状轴和冠状轴上的力影响较大，对垂直轴影响较小。分析认为，在缓冲阶段极值时刻，膝关节屈曲程度较小，几乎以伸直状态触地，由于身体移动速度产生的惯性作用，人体呈以右脚为圆心向前滚动运动，膝关节快速屈曲，股骨在胫骨平台上前移，同时膝关节有旋外动作，在速度越快的条件下，地面冲击力越大，膝关节在矢状轴与冠状轴上的力相对会呈增大趋势。在蹬伸阶段膝关节三个方向上的力变化特征与缓冲阶段基本一致，垂直轴力没有显著性差异，矢状轴与冠状轴上的膝关节力具有显著性差异。

羽毛球运动员蹬跨上网步法缓冲蹬伸阶段膝关节主要是快速屈曲和伸展运动，垂直轴方向膝关节力过大且作用时间较短时，关节内部组织对力的缓冲效果降低，会增加半月板损伤、关节面软骨的磨损等。在蹬跨上网步法缓冲蹬伸阶段，快速组与慢速组垂直轴膝关节受力最大值大约是自身重力的6.7倍和5.8倍左右，在缓冲结束时刻左右受力最小，快速组大约是自身体重的2倍，慢速组稍高，大约是自身重力2.6倍左右。膝关节矢状轴力控制股骨与胫骨的相对位移，使二者出现相对滑动的趋势，容易造成前交叉韧带的损伤。同时在矢状轴上，股四头肌需要收缩对此进行控制，使得髌骨面牵拉力增大，导致髌骨损伤。在冠状轴上，人们在行走中膝关节在左右方向上是较为稳定的，但是在蹬跨步法中，由于膝关节有明显的旋外动作，膝关节内外侧副韧带负荷增加，长期疲劳积累可能会造成损伤。

综上研究分析，对比分析快速组与慢速组膝关节力，快速组蹬跨上网步法缓冲蹬伸阶段膝关节力相对较大，这是由于快速组速度较大，足底冲击力更大，速度与足底受力对膝关节力影响较大。随后快速组膝关节力下降更快，而且缓冲结束时膝关节力小于一般组。快速组动作速度较快，结合运动学以及动力学特征，足底落地时刻下肢伸展程度大，角度变化快，身体前倾幅度小，更有利于缓冲冲击力，减少膝关节力，对膝关节胫骨平台以及韧带等组织的保护性更强。在蹬伸阶段，快速组膝关节力逐渐增大，最大值超过慢速组，这与快速组在缓冲阶段的良好缓冲效果有关，快速组缓冲效果好，肌肉蓄积力量更多，蹬伸力量更大，膝关节受力也就越大。

3 结论与建议

3.1 移动速度对羽毛球蹬跨步的缓冲与蹬伸阶段膝关节三个方向的受力分布均无影响，都是垂直方向的力远大于左右与前后方向，分别是自身重力的6.7倍和5.8倍。

3.2 移动速度对羽毛球蹬跨步的缓冲与蹬伸阶段膝关节的矢状轴和冠状轴的受力均有影响：移动速度越快，膝关节在矢状轴和冠状轴上的受力越大。提示：高强度训练与比赛应强化专业装备的配置，尤其要注意配置膝关节护具以减少膝关节损伤。

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Analysis of Forces Transmitted by Knee Joint of Badminton Pedaling Footwork based on Anybody

ZHAO Le，etal,

（Zhongkai University of Agriculture and Engineering, Guangzhou 510225 Guangdong, China）

全国教育科学规划课题，青少年运动技能“选-学-评”的适应性研究及其标准构建（BLA150064）。

赵乐（1989-），硕士，讲师，研究方向：体育教学训练学。