我国优秀棒球投手投掷臂动作关节角度特征分析

马秀杰，陈亮，和平，王健，张霈

我国优秀棒球投手投掷臂动作关节角度特征分析

马秀杰1，陈亮2，和平2，王健2，张霈3

借助三维录像系统，对我国5支棒球队中6名优秀投手进行比赛现场测试，运用运动生物力学原理与方法，对我国优秀棒球投手的投掷臂在投球过程中进行投球技术动作的测试与分析，试图揭示这一技术的运动学特征，并对受试者动作技术的合理性作出诊断与评价。

优秀棒球投手；投掷臂；关节角度；三维摄像

棒球比赛中，投手技、战术水平的高低对比赛胜负起到80%左右的作用，它是全队的灵魂，亦是衡量一支棒球队强弱的主要标志。棒球比赛每一局的开始都是以投手的投球为起始的。因此，掌握好投球技术，利用投球的速度、路线、高低、内外和时间差等变化，向击球队员进攻是一个球队在防守上变被动为主动的首要环节。

本研究运用运动生物力学原理与方法，对我国优秀棒球投手的投掷臂在投球过程中进行投球技术动作的测试与分析，试图揭示这一技术的运动学特征，并对受试者动作技术的合理性作出诊断与评价。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

参加中国2008年棒球联赛6名投手，其中北京队1名，上海队1名，四川队1名，广东队1名，天津队2名。基本情况见表1。

表1 研究对象一览表Table 1 Basic condition of subjects

1.2 研究方法

1.2.1 比赛现场录像采用JVC9800型常速摄像机，对研究对象投球技术动作进行三维定点拍摄。拍摄频率为50 Hz，两台摄像机高都为1.40 m，两台摄像机分别放置在投手板与本垒板连线的两侧，两台摄像机通过投球坡中心的主光轴之间的夹角约为90°，两台摄像机距投手坡约20 m，拍摄范围8 m。拍摄现场布置和摄像机的位置放置（见图1）。架设完毕后，用三维标定框架对运动范围进行标定。

1.2.2 录像解析每个动作分析从伸踏脚离地瞬间开始到球离开手后为结束的完整的投球动作技术。录像解析采用郑秀瑗1994的中国人体模型，应用Ariel Dynamics系统进行动作解析。所得数字化数据采用数字滤波法进行平滑处理，截断频率Fc＝8。

图1 现场录像拍摄布置示意图Figure 1 On-site tape layout diagram

1.3 参数定义

在参考北京体育大学学者刘卉[1]对人体关节角度定义的前提下，对本研究所涉及的关节角度进行定义如下[2]。

（1）上臂内收外展角：人体向下垂直轴和上臂矢量（肩-肘）在人体额状面上投影间的夹角；（2）上臂水平内收外展角：左右肩连线和上臂矢量（肩-肘）的夹角；（3）上臂外旋内旋：前臂矢量（肘-腕）和人体矢状轴分别在与上臂垂直的平面上的两线投影间夹角；（4）肘关节屈伸角：肘关节点-腕关节点连线和肘关节点-肩关节点连线之间的夹角；（5）球速：以球出手后4张Ariel Dynamics解析系统所纪录的球速平均值。

2 结果与分析

2.1 投球动作投球过程的阶段划分

根据Fleisig等学者[3]和Escamilla等学者[4]所提的动作划分方法，按照投球动作的运动学特征及其本论文研究目的和任务进行划分，分为6个动作时相和5个动作阶段（见图2）。

图2 投球动作流程特征图（本研究对象的投球动作）Figure 2 Pitching motion process characteristics graph（The pitching of the subject）

6个动作时相：①前导脚离地瞬间；②伸踏腿抬腿的最大屈膝；③前导脚触及投手坡瞬间；④肩关节的最大外旋；⑤球出手瞬间；⑥肩关节最大内旋。

5个动作阶段：第一阶段为提膝转轴阶段（①-②）；第二阶段为前导脚伸踏阶段（②-③）；第三阶段为上肢后摆阶段（③-④）；第四阶段为手臂加速阶段（④-⑤）；第五阶段为手臂减速阶段亦手臂随挥阶段（⑤-⑥）。

2.2 投掷臂肩关节、肘关节角度变化运动学特征分析

2.2.1 投掷臂上臂水平外展内收角度变化分析投手投球动作各阶段的肩关节水平外展内收角度的变化不仅可以反映投手肩关节柔韧性的好坏，而且可以反映运动员肩部肌肉能力的强弱。

从图3中前导脚离地瞬间时刻和伸踏腿最高提膝时刻的肩关节水平外展内收角的数值分析，6名投手在前导脚离地瞬间时刻和伸踏腿最高提膝时刻的肩关节水平外展内收角的平均值分别为90.48°和95.47°。由前导脚离地瞬间时刻的肩关节水平外展角度平均值到伸踏腿最高提膝时刻变化了4.99°，可以看出6名投手的肩关节水平外展内收角度在这两个动作时刻之间没有很大的变化。因为在这一动作阶段（提膝转轴阶段）所有投手的上肢基本上没有动作，这样更有利于维持轴心脚的平衡性，从而可以提高投球的准确性和稳定性。

图3 投掷臂肩关节水平外展内收角度－时间曲线示意图Figure 3 Throwing arm shoulder horizontal adduction Angle-time curve graph

在前导脚伸踏阶段，伸踏腿伸踏的同时投掷臂开始后摆，肩关节水平外展角度开始增加，使肩部肌肉充分拉长，从而为进行超等长收缩奠定基础。在前导脚触地瞬间时刻6名投手肩关节水平外展角度的平均值为150.28°，就水平外展角度Escamilla等人[5]的研究结果，前导脚触地瞬间水平外展角度澳大利亚队（205±12）°，意大利（202±8）°，荷兰（213±11）°，日本（198±13）°，韩国（203±9）°美国（200±5）°，古巴（225±11）°，尼加拉瓜（204±10）°。相比之下，我国棒球投手在该动作的肩关节水平外展角度就太小了，这也与我国投手投球速度不高有直接关系。

在该时刻邹某的肩关节外展角度最小（132.8°）。比平均值150.28°要小很多，说明邹某在伸踏阶段投掷臂的后摆幅度相对较小。

在上肢后摆阶段，外展角度越大说明动作越舒展，越充分，越合理，并能为下一阶段的手臂最后用力鞭打动作提供良好的条件。在④动作时刻，6名投手肩关节外展角度为（158.7±10.71）°，这与Escamilla等人[4]分析11位美国与8位韩国职棒投手的肩关节水平外展角度很相近，美国职业投手在最大外旋时刻的肩关节水平外展为（164±7）°，韩国职业投手为（166±7）°。说明该阶段我国投手动作相对上一阶段要好。

棒球出手瞬间时刻，6名投手的肩关节水平外展角度平均值166.40°，这与Escamilla等人[6]分析美国和韩国职棒投手的肩关节水平外展角度在棒球出手时刻角度（美国的肩关节水平外展为（172±8）°，韩国职业投手为（175±6）°相当。

2.2.2 投掷臂肩关节外展内收角度变化分析投手肩关节外展内收角度变化与正确动作顺序联系比较密切。因为外展最能直接影响躯干能量转移至手臂上。故通常肩关节外展内收角度变化作为评价投球动作合理性和正确性的一个重要角度类参数。

从图4前导脚离地时刻分析，6名投手的外展角度平均值为15.13°，其中张某某、邬某某、汤某的投掷臂外展角度都比较大，分别为21.26°、30.82°和20.7°。肩关节外展角度与投手在提膝阶段投掷臂不同的持球方式有关。

图4 投掷臂肩关节外展内收角度－时间曲线示意图Figure 4 Throwing arm shoulderadduction Angle-time curve graph

6名投手从前导脚离地时刻到触地时刻投掷臂肩关节外展角度平均增大了80.07°。在该阶段投掷臂肩关节外展角增大的幅度越大说明投掷臂上摆的越充分。上摆越充分肘关节就越高于肩关节，这样可以防止肘关节发生损伤。

在前导脚触地瞬间6名投手的肩关节外展角度为（95.20±14.57）°。这与Fleisig等[3]和Escamilla等[7]的研究结果很相似。说明在这一时刻我国投手与国外投手没有什么差别。

伸踏阶段过后，投掷臂继续向后向上做拉伸的运动，投掷臂肩关节外展角度随之增大。6名投手的投掷臂肩关节外展角度在④时刻平均为102.04°。从图4投掷臂肩关节外展的角度曲线分析，手臂后摆阶段的肩关节外展角度的变化不一，像邬某某和赵某某的肩关节外展角度是相对减小了，而其他的图像显示肩关节外展角度是增加的。

2.2.3 投掷臂肘关节角度变化分析肘关节在整个投球过程中作用是最为关键的，肘关节将身体其他部位产生的动量传递至棒球。投手必须利用身体重心转移及势能、动能的变换来投出时速高达140～160 km的球速，在球出手前的0.05 s，肘关节的内侧必需要承受一极大的外翻力矩（valgus torque）[8]。

从图5中前导脚离地时刻分析，6名投手投掷臂肘关节角度参差不齐，最大值为赵某某的140.16°，最小值为邬某某的58.5°。平均值为90.42°。之所以这样分散不集中，是因为投手在提膝转轴阶段持球的位置不同，有的投手习惯两手合手于在胸前（像汤某、邬某某），有的投手习惯放在小腹前（张某某、赵某某），这些不影响投球的质量。在②时刻，平均值为82.74°。其中赵某某的数值最大，分别为124.29°，这是由于在提膝的同时，投掷臂离开手套移到体侧，所以角度值变大。

在前导脚触地瞬间时刻，投手的双臂应形成所谓“弯曲T型”[9]，6名投手的投掷臂肘关节角度平均值为72.83°。Fleisig等[5]研究结果少年为（74±17）°，高中生为（82±17）°，大学生为（85±18）°，职业投手为（87±15）°。Escamilla等[4]研究结果分别是韩国投手（96±18）°美国投手（89±12）°。Escamilla等[8]的研究结果，前导脚触地时刻的投掷臂肘关节的角度分别是大洋洲投手为（92±20）°，欧洲投手为（78±26）°，亚洲投手为（74±26）°，美洲投手为（97±21）°。由以上数据比较可知，我国投手前导脚触地瞬间时刻的肘关节角度偏小，这可能是影响球速的一重要因素。

图5 投掷臂肘关节屈伸角度－时间曲线示意图Figure 5 Throwing arm elbow flexion Angle-time curve graph

在手臂加速阶段，肘关节变化很大，由肩关节最大外旋时刻的平均值97.01°到球出手瞬间时刻的平均值136.26°，平均差值为39.25°。在手臂加速阶段，投掷臂肘关节角差值的大小可以反映投手在最后用力阶段前臂的摆动幅度和加速距离的大小，差值越大，越有利于前臂的加速和提高球的出手速度。

棒球出手瞬间时刻，6名投手的肘关节伸展角度平均值为（134.54±18.22）°，相对Escamilla[5]的研究结果，我国投手的肘关节伸展角度要比国外优秀投手的大。

2.3 棒球投球动作上肢动作角速度特征分析

汤姆·豪斯[8]指出，投球动作是一项连续的肌肉负载动能的连锁，也就是说把力量从轴心脚的脚尖到另一前导脚的脚尖，透过身体传达到投球点。其动作实质也就是：运动员的肌肉不断产生力量，力量作用于跨关节的骨骼使关节的角度发生变化（关节产生角速度），并且角动量由大关节向小关节传递，最后将动量传递至人体的末端效应器（手），使棒球获得较大的出手速度。因此，研究投手参与投球动作的主要关节的角速度，对于分析投手各关节周围的肌肉力量，动作的准确性等都有比较重要的意义。

2.3.1 肩关节内旋外旋角速度变化特征分析投手投掷臂上臂加速运动的主要发力机制是以胸大肌为主的肌肉群收缩带动肩关节活动来完成的，对棒球出手速度的大小起着至关重要的作用[10]。投球动作主要是通过肩关节把下肢的力量传递到上肢最后传到末端——手，所以说投掷臂肩关节内旋外旋角度在整个投球动作过程中起着很重要的作用[11]。

由表2看出，从肩关节最大外旋至球出手瞬间这一阶段，也就是棒球出手前投手的最后用力过程，6名投手的最大水平内收角速度的平均值为786.52°/s，上臂的最大内旋角速度平均值为7266.1°/s。与国外职业选手还有差距，Escamilla等的研究中测得美国职业投手最大肩内旋角速度为（7844±954）°/s，而韩国选手最大肩内旋角速度为（8006±1071）°/s[6]。这可能也是我们球速较低的原因之一，同时也说明我们选手的肩关节肌群快速力量与国外职业选手还有差距。

Werner等[11]学者研究40位职业投手，分析他们投直线快球时，各运动参数与肘关节外翻压力的关系。研究发现，手臂加速期时，最大肩水平内收角速度越大时，肘关节外翻压力就越大（其研究中最大水平内收角速度为（933±320）°/s。另外，Sabick[12]等学者研究平均年龄12岁少年棒球手时发现，肩关节外旋角度越大时，肘关节外翻压力就越大（其研究中最大肩外旋角度平均为（166±9）°。过大的肘关节外翻压力都会造成肘部肌群损伤。

表2 投掷臂肩关节角速度参数表（°/s）Table 2 Throwing arm shoulder internal rotation angular velocity parameter（°/s）

因此，要在适当提高肩内旋角速度和肩水平内收角速度的同时要注意加强肘部相关肌群的训练，以避免造成损伤。

2.3.2 肘关节屈伸角速度变化特征分析投球最后的鞭打速度主要有肘关节把下肢的动力传递到末端环节，棒球投球动作也不例外，而前臂作为投手投球动作的次末端环节，其速度变化可以用肘关节角速度来表示，并且其速度对棒球的出手速度有直接影响。

在前导脚离地瞬间－伸踏腿最大提膝阶段，投掷臂和非投掷臂为了保持身体的平衡应该尽量避免做过大的动作，为提高身体重心速度做好基础，在该阶段大部分的投手肘关节屈伸角度变化不是很大。在伸踏腿最大提膝—前导脚触地瞬间阶段，肘关节的伸展肌群（肱三头肌、三角肌后束等）主动收缩，使前臂加速伸展，为下一动作阶段的手臂后摆呈弯曲T型做好铺垫。所以说前导脚触地瞬间的肘关节屈伸角速度变化率与伸踏腿最大提膝时刻的肘关节屈伸角速度变化率的差值可以反映投手肘关节伸展肌肉群收缩用力、加速投球的能力。6名投手在该阶段肘关节屈伸角度变化率差值为315.21°/s，说明我国投手肘关节的伸肌肌肉群力量还需加强（见图6）。

图6 肘关节屈伸角速度－时间曲线示意图Figure 6 Elbow extension angular velocity-time curve graph

棒球出手瞬间时刻6名投手的肘关节速度变化率平均值为2350.87°/s（韩国投手为2401°/s、美国投手2565°/s）[6]，肩关节最大外旋时刻为244.05°/s。可见，手臂加速阶段的肘关节屈伸角速度变化率的差值最大，为2106.82°/s。说明此阶段投手的肘关节角度和角速度变化都很大，充分体现出肘关节的快速鞭打用力，这一现象符合动量矩的传递规律，较好地向肢端末节传递了动量矩，有利于提高棒球的出手初速度。其中赵某某的角度变化率较其他投手大，为3071.27°/s，说明在手臂加速阶段赵某某的伸肘加速能力相对较强。

由图6也可以看出，肘关节屈伸角度变化率最大基本上都发生在手臂加速阶段。且肘关节角度变化率最高值基本上都在棒球出手瞬间时刻。这样有利于提高棒球出手速度。

3 结论

（1）本研究所测得到的球速平均数为（32.21±3.43）m/s。我国投手投出的棒球速度要比国外的投手小很多。

（2）受试投手均为中国优秀棒球投手，肩关节水平外展内收角度变化相对国外投手，我国投手在前导脚触地时刻的肩关节水平外展角度太小（平均值为150.28°），后摆不充分。这也与我国投手投球速度不高有直接关系。

（3）棒球出手瞬间时刻6名投手的肘关节伸展角度平均值为（134.54±18.22）°，较国外优秀棒球投手我国投手在该时刻大20多度。投掷臂肘关节在球出手瞬间时刻伸展角度太大，影响棒球的出手速度。

（4）6名投手的最大水平内收角速度的平均值为786.52°/s，而上臂的最大内旋角速度平均值为7266.1°/s。与国外职业选手还有差距，国外优秀投手最大水平内收角速度为（933±320）°/s，美国职业投手最大肩内旋角速度为（7844±954）°/s，而韩国选手最大肩内旋角速度为（8006±1071）°/s。这可能也是我们球速较低的原因之一。同时也说明我们选手的肩关节肌群快速力量与国外职业选手还有差距。

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Angle Characteristics Research on the Pitching Movement of Throwing arm of the Elite Baseball Pitchers in China

MA Xiujie1，CHEN Liang2，HE Ping2，WANG Jian2，ZHANG Pei3
（1.School of PE，Handan College，Handan 056005，China；2.Tianjin University of Sports，Tianjin 300381，China；3.Dept.of PE，Hebei Polytechnical University，Tianjin 300130，China）

At present，the level of the baseball pitchers in China is not good enough，which needs a sports biomechanics research to meet the need of practice and theory.In this study，Three-dimensional Video System was used to test the top 6 pitchers from five teams in China.The sports biomechanics principles and methods were used to test and analyze the pitcher's pitching technique of the excellent baseball players.Record the kinematics data of the participants.Attempt to reveal the kinematics characteristics，and make a reasonable diagnosis and evaluation to the participants'movement.Objectively analyze the best pitchers'movement in China so as to provide a theoretical and training reference.

pitcher；throwing arm；joint degree；three-dimensional cameras

G 804.3

A

1005-0000（2011）01-0086-04

2010-07-19；

2010-09-02；录用日期：2010-11-15

马秀杰（1983-），男，山东聊城人，助教，研究方向为运动生物力学、体育教育训练学，E-mail：maxiujie2008@163.com。

1.邯郸学院体育学院，河北邯郸300381；2.天津体育学院，天津300381；3.河北工业大学体育部，天津300130。