穿戴传统护膝对羽毛球正手后场蹬跨步动作的下肢生物力学影响分析.pdf

文章编号564(2023)04-0104-060ct.2023Journal of Xian UnivNatural Science Edition2023年10 月No.4Vol.26第2 6 卷第4期西安文理学日然科学版）穿戴传统护膝对羽毛球正手后场瞪跨步动作的下肢生物力学影响分析王超，闫相宁,才官印3,李小生4（1.新余学院体育学院，江西新余338 0 0 0;2.陕西交通职业技术学院体育学院，西安7 10 0 6 8；3.新疆工程学院体育教研部，乌鲁木齐8 30 0 0 0;4.西安体育学院运动与健康科学学院，西安7 10 0 6 8)摘要：羽毛球运动损伤非常常见，不同运动级别运动员损伤形式不同，特别是在被动状态下的击球动作最容易造成损伤，因此选择正手后场跨步被动击球技术的下肢动作进行研究是十分必要的.文章运用文献资料法、实验测试法、数理统计法对羽毛球正手后场跨步动作的下肢受力数据进行分析，对比在是否穿戴传统护膝的情况下地面反作用力的变化特征，分析传统护膝对于下肢影响.总结可得：垂直方向的力值最大且影响力最大；传统护膝减小垂直方向和前后方向的地面反作用力；护膝对于优秀运动员帮助更大.关键词：羽毛球运动；下肢损伤；地面反作用力；三维测力台中图分类号：G847文献标志码：AAnalysis of Biomechanical Influence of Wearing Traditional Kneepads onLower Limbs During Backfield Pedal Movement of Forehand in BadmintonWANG Chao,YAN Xiang-ning,CAI Guan-yin,LI Xiao-sheng*(1.School of Physical Education,Xinyu University,Xinyu 338000,China;2.School of Physical Education,Shaanxi College of Communications Technology,Xi an 710068,China;3.Department of Sports Teaching and Research,Xinjiang Institute of Engineering,Urumqi 830000,China;4.School of Sports and Health Sciences,Xian Physical Education University,Xi an 710068,China)Abstract:Badminton Sports injury is very common,different sports level athletes have differentforms of injury,especially in the passive state of the stroke most likely to cause injury.There-fore,it is necessary to study the lower limb movements of forehand backfield pedal stride pas-sive hitting technique.In this paper,the methods of literature review,experimental testing,and mathematical statistics are used to analyze the lower limb force data of forehand backfieldpedal in badminton,compare the changes in ground reaction force with and without traditionalkneepads,and analyze the impact of traditional kneepads on the lower limbs.In summary,it收稿日期：2 0 2 2-0 6-2 9基金项目：陕西省体育局2 0 2 2 年科研攻关课题（ST20224205）作者简介：王超（19 9 7 一），男，安徽黄山人，新余学院体育学院助教，主要从事体育教育训练，运动技术分析与诊断研究.通讯作者：李小生（19 8 0 一），男，陕西西安人，西安体育学院运动与健康科学学院副教授，主要从事运动生物力学研究.105第4期王超对羽王球正影响分析can be concluded that the vertical force value is the largest and has the greatest impact.Tradi-tional kneepads reduce the vertical and forward and backward ground reaction forces,andkneepads are more helpful for excellent athletes.Key words:badminton;lower limb injury;ground reaction force;three-dimensional forcemeasuring platform羽毛球运动属于一项隔网对抗类运动项目，比赛结果受到多方面因素的影响，羽毛球运动的不确定性、比赛无时限、快速爆发性以及全方位运动的特点对羽毛球运动员的综合能力提出较高的要求 1.跨步是羽毛球运动中使用率较高的一种步法 2 ,运用于多种击球技术，具有一定的研究意义.在被动状况下的击球动作相对于主动反应击球动作更易造成损伤 3，选择正手后场被动击球技术动作的下肢步伐进行实验研究，探究在下肢落地阶段和回位阶段的生物力学特征变化 41.本研究旨在分析正手后场瞪跨步下肢地面反作用力的变化特征，以及比较未穿戴护膝和穿戴护膝情况下完成正手后场瞪跨步动作的下肢生物力学变化特征，数据指标由三维测力台获得，包括动作时间、垂直、前后和左右方向的地面反作用力变化.一研究对象与方法1.1研究对象选取西安体育学院8 名男性羽毛球专项学生（其中3名二级运动员）（表1），在6 个月内均未出现明显下肢损伤，在进行实验时进行热身活动，受试前均签署知情同意书。1.2研究方法1.2.1文献资料法表1受试者基本情况(MSD)人数/N年龄/岁身高/cm体重/kg运动年限/年8241.38174.65.3867.95.7361.29通过知网等数据库查阅大量文献、阅读相关书籍、确立实验方案和实验指标深人分析羽毛球正手后场跨步的下肢生物力学行为.1.2.2实验仪器3台日本索尼高速摄像机对运动动作进行捕捉，采样频率10 0 Hz，所得视频与测力台进行同步分析.芬兰KISTLER9287C(900mm600mm100mm）三维测力台 5，采集运动落地过程中的地面反作用力数据,采样频率为50 0 Hz.1.2.3实验法采用高速摄影和三维测力台（坐标轴方向见图1同步的方法 6)，利用田径塑胶跑道模拟羽毛球场地（图2），分别获得运动员支撑脚落地支撑阶段的整个运动过程视频，利用三维测力台得到整个运动过程中落地支撑腿的地面反作用力（GRF)数据，对所获得的参数进行滤波、平滑，然后进行分析.摄像机同步灯测力台摄像机区三维测力台坐标轴启动中线位置注：摄像机距离测力台中心均为450 CM图1坐标系方向图2场地设置1.2.4运动方案运动员在充分热身后，在规定距离的羽毛球单打中场站位，均利用三步（启动步、交叉步、瞪跨步）106第2 6 卷西安文理学院日然科学版）跨启动 7 ，启动后完成一个完整的正手后场底线接球动作（技术动作如图3），共进行4次动作；再穿戴护膝后进行一次正手后场底线接球动作，记录整个运动的完整过程，共进行4次动作.通过三维测力台记录右脚落地时的地面反作用力数据 8 1.2.5传统护膝的定义选择带有髋骨硅胶支撑、和双侧钢骨弹簧支撑的（KADUN公司X28款）传统羽毛球护膝（如图4），市面上多数护膝一样带有髋骨前支撑和双侧支撑.1.2.6测试动作的定义正手后场三步跨步技术，属于后场底线被动抽球技术，右脚先向正手底线迈出一步，紧接着左脚接一次后交叉步，随后右脚抬起，利用左脚地跨出一大步，向右侧底线做出跨步动作，在完成底线抽球后，快速回瞪发力回到启动前位置.根据跨步技术特征，可将研究阶段的动作分为跨落地、缓冲和地发力回位三个阶段.DCA、B、C正手低手位击球动作D正手被动吊球击球动作图3正手后场脚步动作图4传统护膝1.2.7实验参数和数据处理对采集到的完整动作时间内的力学数据进行时间标准化处理（Normalized），取整个落地阶段的总时间为10 0%，标准化时间分辨率是1%.对力学数据进行相对化处理，减少因个体带来的误差，采用力值/体重，单位为（N/kg），分别比较在不同阶段下数据的变化特征 9 1.2.8统计学方法运用Excel2016对数据进行处理，运用SPSS22.0软件对所获得两组数据进行配对样本T检验，利用Matlab2018b进行时间标准化，使用Origin2019b进行绘图.2研究结果2.1动作时间实验数据显示在未穿戴护膝完成动作过程，右足接触测力台到完成缓冲至结束动作回位阶段右足离开测力台的完整过程时间为0.52 60.112s；穿戴护膝完成完整动作，右足接触测力台到完成缓冲至结束动作回位阶段右足离开测力台的完整过程时间为0.48 7 0.8 36 s.从数据上看穿戴护膝使得整个跨步右下肢负载阶段的总时间有所减少，数据分析显示右下肢缓冲阶段没有显著性差异，2.2地面反作用力变化曲线通过数据采集，经过Excel2016处理，利用Matlab2018b进行时间标准化，使用Origin2019b第峰值Fx前后方向力20Fy左右方向力Fz前后方向力(15第二峰值10波谷50020406080100标准化时间/%图5地面反作用力示意图经过数白107第4期王超，等.穿戴传统护膝对羽毛球正手后场跨步动作的下肢生物力学影响分析进行绘图，显示受试者完整运动过程中右脚任一部分接触测力台至完成接球右脚全部离开测力台阶段垂直方向、前后方向、左右方向的地面反作用力值变化曲线，如图5所示。2.3穿戴传统护膝前后的地面反作用力变化曲线对受试者是否穿戴护膝在前后方向、左右方向、垂直方向上的冲击力值进行比较，变化曲线如图6、图7 和图8.0.51.6Fx未穿蛾护膝Fx穿戴护膝周Fy未穿戴护膝Fy穿藏护膝局F2未穿戴护膝F之穿戴护膝局1.4200.01.2（）1.0150.50.8100.61.00.51.50.20.0-2.0-0.2020406080100020106080100020406080100标准化时间（%）标准化时间（%）标准化时间（%）图6前后方向力值变化对比图7左右方向力值变化对比图8垂直方向力值对比图6、图7、图8 为受试者在最后一步瞪跨右脚落地时，右脚任一部分踏在测力台进入落地缓冲阶段到右脚离开测力台完成击球启动回位过程中在前后方向、左右方向、垂直方向地面冲击力随时间变化的曲线图.横坐标为时间的标准化（%），纵坐标代表标准化后的地面冲击力（N/kg）.2.4穿戴传统护膝前后的特殊点对比据统计分析，总结地面反作用力变化特征，得表2.受试者完成测试动作未穿戴护膝的Fx最大值、Fy最大值、Fz第一峰值、Fz第二峰值的地面反作用力峰值均值标准差及显著性如表2 所示，Fy最大值、Fz第二峰值地面反作用力峰值在穿戴传统护膝前后无显著性差异，穿戴后Fx最大值、Fz第一峰值的地面反作用力小于穿戴护膝前且出现显著性差异（P0.05）.3讨论3.1垂直方向力表2正手后场侧向跨步地面反作用力峰值对比（MSD)特殊点未穿戴护膝/（N/kg）穿戴护膝/（N/kg）显著性(P)Fx最大值2.110.441.870.380.05Fy最大值1.540.361.610.500.58Fz第一峰值23.476.3520.175.30.04Fz第二峰值21.203.7619.583.030.082地面反作用力所展现的变化曲线图（图5）来看，整个动作包括了缓冲阶段和回位阶段，在垂直方向上出现两次峰值，两次峰值间出现一次波谷，波谷值是缓冲阶段与回位伸阶段的转换点，可以发现第一次峰值属于被动受力，第二次峰值属于主动发力伸.数据显示第一次峰值大于第二次峰值，则说明在运动过程中缓冲阶段接受的冲击力更大。虽然足底材料以及小腿肌肉会吸收部分冲击力，由平移定律可知大部分力传导至膝关节.由此可见在缓冲阶段和回位阶段，垂直方向上缓冲阶段更易造成膝关节的损伤.根据膝关节半月板的解剖学结构10 1可知，半月板传递着膝关节的负荷，吸收膝关节大部分的震荡，在完成底线抽球动作时，膝关节半月板在缓冲阶段接受较大的冲击，虽然未发生非正常运动体位（屈膝时的股骨内旋、胫骨外旋，外翻），但是多次连续的跨步会增加非正常体位出现的几率.结合运动学数据分析，膝关节屈曲角度在不断变小，半月板在缓冲阶段承载冲击，若持续三次以上完成底线抽球动作，半月板短时间内承受了多次冲击负载，增大了半月板过度挤压 1 而产生的损伤风险.3.2前后方向力出现两次峰值，且第二次峰值远大于第一次峰值，但从地面反作用力变化曲线（图5）发现前后方向出现108第2 6 卷西安文理学院学报（自然科学版）是前后方向的力值远小于垂直方向的力值峰值，前后方向的力值峰值第二次主动发力的力值变化率更大.力值为负数和运动方向相关，在落地时刻有向后侧方运动的趋势，则在地面反作用力呈现负值.在完成击球动作后，运动员主动发力来遏制向后的趋势，改变运动的方向，回到启动位置，则需要主动发力获得更大的反方向加速度，则呈现出二次发力的峰值.根据相关运动学研究可知，完整的运动膝关节会产生小角度的外旋，踝关节也同样程度的外旋，致使足尖和膝关节朝向后侧方，在膝关节处产生扭转力矩 12 .若运动落地动作错误则会导致前后方向的力与足朝向方向出现较大的夹角，则会使运动趋势与足尖方向不一致，增大了踝关节内翻的损伤几率3.3左右方向力从地面反作用力的变化曲线（图5）发现左右方向也出现了两次峰值，第二次峰值远大于第一次峰值,左右方向力的峰值相较小于前后方向力的峰值，但是左右方向的位移速度是否大于前后方向的位移速度还需要运动学数据的印证.同样曲线出现波谷的位置是下肢主动发力进行回位的起点.由此也可发现膝关节的特殊结构 13 很大程度限制了膝关节的外翻,这也是在前后方向上很少出现位移的原因.3.4合力作用效果根据牛顿第二定律和力的平移定律，可推断作用在膝关节上的合力方向由于X轴和Y轴方向的合力致使垂直方向的运动方向偏移，导致腔骨末端产生前伸的趋势.而防止膝关节过度前伸的是前交叉韧带 14，过大的缓冲力会使得前交叉韧带承受大量的运动负荷，致使前叉韧带的使用率增加，若在赛场上出现多次的连续底线抽球动作，则会大大的增加前叉韧带运动损伤风险.不正确的落地方式也会使得前交叉韧带的冲击载荷增大 15.加强运动员的规范化脚步训练是必不可少的，这也是优秀运动相较业余运动员不易受伤的原因之一.另外还考虑到髋骨关节的保护机制 16 ，为膝关节的屈伸提供基础，在完成正手后场抽球的下肢动作时最大缓冲力值出现在膝关节屈曲阶段，过大的力值可能会导致髋韧带的过度拉长，增加了髋骨不正常位移的风险，3.5穿戴护膝对于下肢地面反作用力的影响对比在穿戴护膝前后三个方向的数据变化，发现前后方向和垂直方向上的第一峰值有显著性差异，根据运动的形式结合护膝的保护机制，护膝缓冲了部分冲击力，前侧支撑和双侧支撑发挥作用.在分析实验数据时发现动作技术相对不成熟的运动员（2 名）在穿戴传统护膝后三个方向上的力值发生了明显的增大，各方向的峰值出现了不同程度的增大.通过相关运动学研究可知，该类运动员在穿戴护膝后改变原有的位移距离，跨落地时落地脚出现了主动的上抬，则在落地的初始阶段主动施加了上抬的力，致使增大了落地脚与地面的垂直距离，增加了落地的时间，在重力加速度的作用下使得在正常落地的基础上增加落地的足底冲击速度，地面冲击力会相应的增大.而在穿戴传统护膝后，护膝在提供稳定保护的同时,还给膝关节增加了束缚，减小落地过程中的运动员屈曲角度 17 ，造成了落地脚上抬的距离增加，从而增加了穿戴护膝后的地面反作用力.步伐技术不成熟会增大运动过程的损伤风险.在未出现膝关节损伤情况下，使用护膝保护膝关节虽然提高了膝关节的稳定性，但是本体的外力加压会使运动员下肢出现暂时的不适应性，本身运动技术不成熟时，可能会加大运动员的使用初期的损伤风险.不可在初期穿戴护膝时进行过量的运动，以降低不适性带来的损伤风险3.6研究的展望本次研究主要基于三维测力台和原始运动视频对羽毛球正手后场落地动作和穿戴传统护膝后的地面反作用力进行研究分析，在此后的研究中还需要增加更多的动力学分析、运动学分析和表面肌电数据分析进一步揭露内部的损伤机制，另外扩大实验样本容量，提高研究分析的说服力，为羽毛球下肢损伤研究提供更合理的理论数据4结论和建议4.1结论1.正手后场跨步动作下肢地面反作用力在垂直方向上出现两次力值峰值，并出现在被动缓冲阶.左右方向和前后方向上出现两次峰值，都出现在主动发力回位阶段.三个方向上的力值峰值，垂直方责任编辑张蓉珍109王超，戴传统护膝对羽丰球正：一肢生物学影响分析第4期向上最大2.穿戴传统护膝后，发现减小了缓冲阶段的垂直方向和前后方向上冲击力峰值，为动作落地阶段提供缓冲.技术动作未成熟的运动员，不建议长时间穿戴护膝进行高强度运动，防止出现不必要的损伤.3.相对标准的技术动作将三个方向上的冲击力分配的更加合理，降低了髋骨关节和半月板因冲击力过大造成损伤的风险4.2建议1.运动员需要不断地提高下肢步伐技术的动作标准性，以降低在运动过程的意外损伤，强化下肢肌肉的训练，以提高接受冲击的能力.2.运动技术相对不成熟的运动员不宜长时间穿戴传统护膝进行高强度的下肢运动，虽然护膝提高了下肢膝关节的稳定性，但是错误的下肢步伐会增加运动损伤的风险.3.不同运动项目下肢运动损伤的特点都不相同，建议针对特定运动项目使用不同类型的护膝，在不降低运动表现的情况，最大程度上降低损伤的风险.参考文献1高缓.羽毛球运动中跨步步法的生物力学分析 D.广州：广州体育学院，2 0 18.2KUNTZE G,MANSFIELD N,SELLERS W.A biomechanical analysis of common lunge tasks in badminton JJ.Journal ofsports 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