运动生物力学分析的新技术

运动生物力学分析的新技术

1爱络运动分析系统介绍人体运动是科学研究人体各部分的空间位置和时间的变化规律的科学。目前普遍使用的数据获得方法为电学法和光学法。电学法常用设备有:①角度传感器:其优点是测试周期短;缺点是它对动作的完成有一定的影响。②加速度传感器:优点是测试周期短,可以实际测试和处理;缺点是只能测出相对运动的特征量。另外,由于加速度传感器必须与被测对象连接,因此它对被测对象的运动有干扰作用。若与器械连接,则给器械添加额外的重量;若与人连接,则容易造成运动失真。光学法所使用设备如下:①影片数字化处理:此方法可用于拍摄高速运动,而且拍摄时对人体不施加任何约束,是正式比赛中非常可行的方法。但此方法需要冲洗胶片,且技术含量和价钱高、费时,所以现在不常用。②录像解析系统:由于国内目前普遍使用爱捷录像解析系统,所以仅以此系统为例加以介绍。系统提供的工具:a)标准平面定点测量;b)标准三维DLT测量;c)爱捷单参考点平面扫描测量;d)爱捷多参考点平面扫描测量。另外,该系统提供双人动作图像同步对比式分析:以及双人曲线和棍图同步对比式分析:a)左右双人曲线棍图比较;b)上下双人曲线棍图比较;c)单人棍图分解动作。除此以外,系统还提供专项化技术动作分析模板,它可以针对不同的技术动作建立专用的计算分析及输出模板,实现通用软件的专用化。爱捷系统是一种开放式的系统,输出的报告、曲线、棍图、图片均可由通用的办公软件加工处理。但爱捷不能直接获得角加速度,这是解析时应考虑的不利因素。在体育运动动作分析中为了说明问题多使用三维分析方法,用两台以上摄像机拍摄运动员的技术动作图像,对其进行多机、同步的三维运动图像解析,合成其关节点和人体重心的三维空间坐标,计算出三维速度、人体环节姿态角、关节角度等。应用生物力学的方法对运动员的动作技术进行分析并得出诊断,这种方法的特点是强反馈。运动生物力学中一般的影像分析系统仅仅计算和反馈给教练员和运动员某个运动动作的数据和曲线,而爱捷系统除了满足所有以往影像分析系统所提供的参数外,还独具以下两种反馈形式,特别适合于运动训练的要求。此方法可以直接将计算结果和运动图像叠加在一起,还可以在加注释之后输出到录像带中。这样使运动员和教练员们在直接看到技术动作图像的基础上,得到分析数据和曲线。在一个画面上可以同时显示最多达四个运动员的技术动作图像,这样可以方便地比较不同运动员之间的技术动作差别。上述两点可以产生比以往生物力学分析更加强烈的反馈效果,为教练员和运动员们所欢迎,直接为提高运动技术服务。③光电运动检测分析系统:该系统在上世纪60、70年代末出现,目前已发展得比较完善。其研究方法为使用具有高精度的红外光点摄像测量系统的摄像机,在运动物体上贴红外光点反光片,然后,通过系统的采集部件和专用计算机对红外光点运动数据进行采集、运算、处理,从而获得人体和运动器械等的运动学数据、曲线、图表等。其所需摄像机情况:一维需一台机器,二维需一台机器,三维需两台以上机器,三维拍摄二维解析需两台以上机器。2动力学方法2.1肌肉力量分析系统测试方法:①测力计——拉、压力计包括电阻式拉、压力传感器及测关节力的装置,如CYCBEX。CYCBEX等动测试与等长、等张相比,其显著特点是运动速度相对稳定,不会产生爆发式等运动现象,且在整个运动过程中所产生的阻力与作用的肌力成正比,即肌肉在运动全过程中的任何一点都能产生最大的力量。该系统可记录某个关节的不同运动速度下、不同关节运动范围内的一组对抗肌群的肌肉力量、爆发力、耐力、功率值,伸、屈肌发挥最大力量时所处的解剖学角度,标准位置(30°、45°)时的肌肉力量以及屈伸肌的力量比例,两侧肢体同名肌的力量相位差值,肌肉力量与体重关系等一系列数据。这些数据对运动训练、运动损伤的诊治和治疗都具有不可估量的价值。另外,该系统还可观察不同项目运动员之间、同一项目不同等级运动员之间各主要用力关节、肌群的力量水平与有关肌群之间的合理肌力比例,探讨规律,有效地制定负荷,进行有针对性的训练,弥补肌肉力量的不足,有利于运动员运动水平的提高。②三维测力平台——测试运动员在进行跳跃时的下肢力量。其主要目的是进一步分析和研究运动员下肢肌群的反映力量,分析动作完成过程中的动力特性。指标:三维坐标、三维力、三维力矩、冲量。③压力分布测试方法——足底压力分布。其最新研制的测力鞋垫,丰富了对足底压力分布的分析。④流体中测力方法——风洞试验。2.2测力装置速度在许多体育项目中是成绩好坏的决定因素,因此对速度的测量与预测将对指导训练和提高运动成绩具有重大意义。方法:用测力装置测出力值,经过积分后算出动量和冲量。如预测标枪、球类出手速度或对各环节的动作加以诊断。其测力装置由于采用积分原理,误差较小,能够满足要求,但其缺陷是对动作有一定的限制,而且难以获得各环节的动量。因此,目前有条件的实验室都采取测力与摄影同步的方法进行研究。2.3动量矩守恒定律在体育运动中,身体各环节运动可使身体保持平衡,且在不同动作中,各环节对全身动量矩的贡献率不同,而动作技术完成的好坏与各环节动量矩的贡献率直接相关。另外,人体腾空时无依托,只受重力作用,而重力作用在人体重心上,正好通过人体转动轴,故外力矩为零。因此,人体腾空时,应遵循动量矩守恒定律,即H=J·ω,那么可通过改变身体姿势而改变转动惯量以改变运动速度与方向。动量矩守恒定律多用于研究体操、跳水等项目的运动。具体方法为:通过摄像法获得不同方向的角速度及环节位置变化并通过解析分析判定其运动效果的好坏。2.4能量变化的分析如果作用于质点系的力全为有势力(重力、引力),其对质点系所做的功可用势能的改变来表达:T2-T1=-(V2-V1)。其中-(V2-V1)为势能的变化量,它说明动能的变化量与势能的变化量相等,即当动能增加时,势能会相应减少,反之亦然。在体育运动的各个项目中都存在能量的转换和消耗。如何使能量朝最有利于技术发挥的方向转换、减少不必要的能量消耗是人们普遍关心的问题。而能量的变化是可以通过一定手段获得的,即通过高速摄像机拍下并获得整个运动过程的数据,然后进行能量计算,从而判定能量变化情况,进行指导训练。具体方法为:通过摄像获得机械能和动能计算中所需的速度和位移,然后对人与机械系统进行能量计算。通过以上分析可以看到动力学方法存在一定缺点,即对动作有一定的限制,不能有效诊断实际比赛能力。为了更为有效地诊断运动技术,各国学者开始探讨更为有效的分析方法,具体情况如下。3肌肉参与工作程度分析目前普遍使用方法:①将测力平台与摄像结合并利用逆动力学方法计算出各关节处力和力矩。②将肌电仪与摄像相结合直接分析动作相关的肌群中肌肉参与工作程度。③将测力平台与摄像结合,用测力平台分析三维力量对应与各关节角度的变化分析技术特点。④将测力平台、等动测试装置与摄像三种方法结合,分析不同运动员各关节肌力特征与成绩的关系,并分析不同运动阶段的运动特征与人体受力的比较。4肌肉动力学变化通过以上论述,可以看出大多数方法所得的各环节的各项数据难以在实际比赛时应用。所以将运动场测量方法与实验室测量方法结合起来进行综合分析,并得出关节在任意角度、任意速度下的动力学估计,是目前检查与评定运动员肌肉力