击剑弓步中膝、髋关节生物力学表现与弓步速度的灰色关联分析

管延飞，郭黎，吴娜娜，姜芹先，赵述强

●专题研究Special Lecture

击剑弓步中膝、髋关节生物力学表现与弓步速度的灰色关联分析

管延飞1，郭黎1，吴娜娜1，姜芹先1，赵述强2

探讨击剑运动员双侧下肢膝、髋关节在弓步过程中，生物力学表现对弓步速度的影响。14名击剑运动员以最快速度完成原地弓步动作，同步采集运动学数据和地面反作用力，运用Visual 3D软件计算运动员弓步速度及下肢膝、髋关节生物力学参数，对运动员弓步动作重心水平速度峰值和其影响因素进行灰色关联分析。结果：弓步动作中各因素对重心水平速度峰值的影响程度依次为，后膝关节活动范围＞后膝关节伸峰功率＞后髋关节活动范围＞前髋关节活动范围＞前膝关节活动范围＞前髋关节屈峰功率＞后髋关节伸峰功率＞前膝关节伸峰功率。结论：后膝关节活动范围及峰功率是弓步速度的主要影响因素，双侧髋关节和前膝关节的关节活动范围同样能够对弓步速度产生重要影响。

击剑；弓步速度；生物力学；灰色关联分析

弓步技术是击剑运动员重要的专项技术。研究表明，击剑比赛中男子运动员平均每23.9 s使用一次弓步，女子运动员平均每20 s就会使用一次弓步，如此高的使用率决定了弓步技术是影响击剑比赛胜负的关键因素之一[1-2]。弓步质量的高低与运动员竞技水平关系密切，而弓步速度和距离是评价击剑弓步质量的重要指标[1，3]。多数研究表明，击剑弓步动作中双侧下肢膝、髋关节的运动学和动力学表现是影响运动员弓步速度的主要因素[4-6]。其中，后腿和前腿分别在弓步动作中发挥着不同的作用，后腿伸肌肌群的快速收缩是弓步向前驱动力的主要来源，而前腿的快速伸膝可配合后腿蹬地维持弓步速度[4]。在弓步加速阶段，后腿膝、髋关节伸肌为主要收缩肌肉，后腿伸肌在短时间内产生更大的收缩力量可获得速度更快、距离更长的弓步[5]。BOTTOMS等[6]在对击剑运动员弓步动作中下肢关节的运动学表现进行研究后发现，后腿膝关节和双侧髋关节的活动范围对弓步速度影响显著。另有研究发现，优秀运动员前腿膝关节在弓步动作中的活动范围与击剑初学者存在显著差异[7]。然而，各影响因素对弓步速度的影响程度目前少有研究。

灰色系统理论中的灰色关联分析法能够对事物之间的相互关联程度进行定量分析，根据因素之间发展趋势的相似、相异程度衡量其关联度[8]，且研究对象可以是信息量较少的小样本，能够弥补多元线性回归分析需要大样本量数据和必须具有典型概率分布的不足[9]。彭道福等[10]采用灰色关联分析法对击剑运动员弓步动作中后腿踝、膝关节的角度、角速度和力矩峰值等指标与弓步速度的关联度进行计算，旨在研究不同因素对弓步速度的影响程度。然而，击剑运动员在弓步准备姿势中后脚方向垂直于进攻方向，踝关节伸肌的活动可能会因此受到限制，不能完全发挥作用[11]。相比于踝关节，运动员后腿膝、髋关节伸肌在弓步中的作用更加显著[11]。因此，本研究选取击剑运动员弓步动作中双侧膝、髋关节峰功率和关节活动范围分别作为动力学和运动学影响因素，采用灰色关联分析法分析上述指标对运动员弓步速度的影响程度，探讨弓步速度的主要影响因素，为击剑运动员提高弓步质量提供参考依据。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

上海市男子击剑队及某体育学院专业击剑运动员共16人，其中5人为国家健将，4人为一级运动员，7人为二级运动员。受试者平均年龄（22.90±2.13）岁，平均身高（1.88±0.06）m，平均体重（79.38±9.95）kg，平均训练年限（6.75±2.18）年。

1.2 研究方法

1.2.1 测试方案测试之前受试者进行5 min慢跑，跑步机速度为6.5 km/h，慢跑完毕后进行5 min拉伸活动。正式测试时，受试者以实战姿势面向剑靶，双脚分别位于2块测力台上。根据受试者身高设置剑靶距离，使靶面与运动员前脚脚尖水平距离为1.5倍身高[12]。要求受试者持剑以最快速度弓步刺靶（见图1），每个受试者试刺5次，正式测试时对受试者弓步动作运动学数据和地面反作用力进行同步采集。正式测试成功采集至少6次，选取速度最快的3次进行分析。

图1 本研究受试者弓步动作Figure 1 Fencing lunge of the subject

1.2.2 所用仪器和评价参数采用英国生产的16镜头红外高速运动捕捉系统（NEXUS1.6，采样频率为100 Hz）和瑞士生产的KISTLER三维测力台（型号9287B，内置信号放大器，本试验采样频率为1 000 Hz）对受试者弓步动作运动学数据和地面反作用力进行同步采集。

1.2.3 数据处理使用Visual3D（C-Motion，Inc.，Germantown，MD，USA）软件对试验采集数据进行计算。运动学数据和GRF滤波采用4th-order Butterworth低通滤波，截止频率分别为12 Hz和100 Hz[13]。在Visual3D中构建14环节人体模型[14]，根据人体惯性参数[15]确定人体重心位置，以重心在水平方向的速度峰值代表弓步速度。使用Visual3D软件计算受试者下肢三维运动学和

动力学数据（采用右手法则）。角速度、力矩、功率等指标，膝、髋关节屈定义为负值（-），伸定义为正值（+）。弓步动作起点定义为前脚离开地面瞬间，动作终点定义为前腿膝关节伸达最大角度。以运动员持剑手侧下肢为弓步动作前腿，对侧为后腿。

1.2.4 选取指标（1）弓步过程中运动员身体重心水平方向速度峰值（Horizontal Maximal Velocity of Center of Gravity，HV-max），单位为米/秒（m/s）；（2）经体重标准化的后腿蹬地获得的水平方向地面反作用力（HorizontalGroundReactionForce，GRF），单位为体重（BW）；（3）关节活动范围（Range of Motion，ROM）：选取运动员弓步动作中膝、髋关节在矢状面的活动范围，单位为度（°）；（4）经体重标准化后的关节功率峰值（Peak Joint Power，PP），分别为运动员弓步动作中双侧膝关节伸峰功率、后侧髋关节伸峰功率以及前侧髋关节屈峰功率经体重标准化后的结果，单位为瓦/千克（W/kg），为便于后期灰色关联分析中的数据计算，本研究前侧髋关节屈功率峰值取绝对值；（5）关节最大活动幅度到达时间（Time to Knee and Hip Maximal Range of Motion，TROM），关节峰功率到达时间（Tine to Knee and hip Peak Power，TPP），单位为秒（s）。

1.2.5 分析方法灰色系统理论是处理少数据、不确定性问题的理论，灰色关联分析是能够对事物之间相互关联程度进行定量分析，根据因素之间发展趋势的相似、相异程度衡量因素之间关联度的方法[8]。灰色关联分析法的特点能够弥补多元线性回归分析需要大样本量和具备典型概率分布的不足[9]。本研究采用灰色关联分析法对击剑运动员弓步过程中双侧下肢膝、髋关节活动范围和功率峰值等指标与重心水平速度峰值的关联度进行计算，按各因素对弓步水平速度峰值的影响程度进行排序。

2 击剑弓步动作阶段划分

击剑弓步动作从准备姿势开始，可分为连续的6个阶段（见图2）[2]。a：准备姿势，持剑手同侧下肢为前腿，异侧为后腿，身体重心在两腿之间；b：持剑手肘关节伸，前脚离地；c：后腿开始蹬地，身体重心开始前移；d：后腿持续蹬地，后侧膝关节伸达最大幅度，前腿快速向前摆动，身体重心加速前移；e：后脚离地，身体处于腾空阶段，前腿膝关节伸达最大幅度，重心继续前移；f：前脚落地，弓步进入制动阶段。整个弓步动作快速连贯，使运动员重心能够在短时间内快速靠近对手。弓步动作中，运动员双侧膝、髋关节峰功率的出现时间应在后腿伸膝达最大幅度（0.99±0.22）s之前，且各关节峰功率出现时间极为接近（见表1）。运动员弓步动作中，双侧膝、髋关节峰功率出现时间应在图中c-d阶段，即从运动员后腿开始蹬地到后腿伸膝至最大程度的阶段（见图2，表1）。

图2 击剑弓步动作阶段划分示意图[2]Figure 2 Schematic of the sequence of a fencing lunge

表1 本研究选取指标峰值对应时刻Table1Corresponding moment for selected variables

3 关联度计算

选取每位受试者测试中HVmax值最大的3次弓步动作，计算3次动作中各指标的平均值（见表2）。3.1 确定参考序列和比较序列

表2 运动员弓步重心峰速度，双侧膝、髋关节活动范围、峰功率Table 2 HVmax，ROM and PP of knee and hip joints

设Y0（K）为参考序列，代表HVmax。X1（K），X2（K），X3（K），X4（K），X5（K），X6（K），X7（K），X8（K）为8个比较序列，依次代表弓步动作中运动员后膝ROM、前膝ROM、后髋ROM、前髋ROM、后膝PP、前膝PP、后髋PP和前髋PP。序列K=1，2，…，16依次代表16名运动员，用均值化对原始数据进行无量纲化处理之后得到的均值化数列[16-17]见表3。

3.2 计算参考序列和比较序列的绝对差

计算参考序列和比较序列的绝对差[17-18]，两极最小绝对差值min|Y0（K）-Xi（K）|=0.001 4，两极最大绝对差值max|Y0（K）-Xi（K）|=1.065 4（见表4）。

3.3 计算关联系数

依据公式：χ0i（K）=（Δmin+ρ×Δmax）/（Δ0i+ρ×Δmax），分辨系数ρ=0.5[16-18]。

3.4 计算关联度和权重

依据关联度公式

权重系数公式

4 研究结果

结果显示，本研究所选取各指标对运动员弓步动作HVmax指标的影响程度依次为后膝ROM>后膝PP>后髋ROM＞前髋ROM>前膝ROM>前髋PP>后髋PP>前膝PP（见表5、表6）。

表4 参考序列和比较序列绝对差Table 4 Absolute difference between reference sequence and comparison sequence

表5 运动员各指标关联系数Table 5 Comparison of correlation coefficient

5 讨论与分析

5.1 关联排序对比分析

目前，国内外对于击剑弓步的研究多集中于运动员弓步前、后腿运动学和动力学表现的比较及其与弓步速度的相关性。大多研究认为，击剑运动员弓步动作中后腿的动力学表现是弓步速度的决定因素[4-5，20]。本研究结果显示，运动员弓步动作中，后膝PP在关联度排序中为第2位，是影响弓步速度的主要因素之一。与前人研究结果不同的是，除后膝PP外，本研究运动学指标的关联度排名均高于动力学指标，运动学指标关联度大小依次为后膝ROM>后髋ROM>前髋ROM>前膝ROM，说明下肢双侧膝、髋关节的关节活动范围等运动学因素同样对弓步速度有重要影响。导致结果差异的原因可能是，多数研究只要求受试者以最快速度做向前弓步，并没有设置弓步距离和目标，且受试者未持剑，为了做出最快速度的弓步，受试者可能会选择距离较近的短弓步，而长距离大幅度弓步和近距离快节奏弓步对受试者下肢关节运动幅度的要求可能并不一样。本研究在咨询运动员和教练员后，结合击剑比赛中运动员发动弓步的距离，将剑靶设置在距离运动员准备姿势前脚脚尖1.5倍身高处[12]。在这一距离下的弓步为长弓步，要求运动员在后腿快速蹬地为弓步提供较大驱动力的同时[21-23]，双侧膝、髋关节加大运动幅度来延长弓步驱动力的作用时间，从而提高弓步速度，增大弓步距离。结合前人研究结果，本研究认为，击剑运动员后腿膝关节在弓步动作中的关节活动范围及伸膝峰功率是弓步速度的主要影响因素，双侧髋关节和前侧膝关节的关节活动范围同样能够对弓步速度产生重要影响。

表6 弓步重心水平速度峰值各影响因素关联度、权重Table 6 Comparison of correlation degree and weight coefficient in all influence factors

5.2 膝、髋关节动力学表现对弓步速度影响的关联度分析

在击剑弓步速度影响因素的研究中，运动员后腿的动力学表现一直是研究热点。在击剑弓步动作中，运动员后腿蹬地产生地面反作用力在水平方向的分力是弓步向前的驱动力[21-23]，而后腿膝、髋关节的动力学表现是影响弓步驱动力大小的关键[8]。GUILHEM等[5]对10名优秀击剑运动员弓步动作中双侧下肢主要肌肉的活动进行肌电测试并分析后发现，后腿膝、髋关节伸肌是弓步加速阶段进行收缩的主要肌肉，且后腿膝、髋关节伸肌最大等速向心肌力与弓步水平速度峰值显著相关（r=0.60～ 0.81）。另外，CRONIN等[23]对31名击剑运动员的力量、灵活性、人体测量学等指标与其弓步峰速度进行多元线性回归分析后发现，后腿膝关节伸肌最大等速肌力到达时间是预测弓步速度的最佳指标。本研究结果显示，运动员弓步过程中，后膝PP在关联度排序中列第2位，前髋PP、后髋PP和前膝PP在关联度排序中位列最末3位。可见在击剑弓步动作中，运动员后膝关节所能达到的最大伸膝功率是影响弓步速度的主要动力学因素，其贡献明显高于双侧髋关节和前膝关节的动力学表现。本文认为，相比于髋关节和前腿膝关节，运动员后腿膝关节在弓步动作的动力学表现对弓步驱动力的影响更加明显。优秀击剑运动员后腿膝关节伸肌具有较强的爆发力，能够在快速伸膝蹬地时产生较大的伸膝功率，从而在后腿蹬地时获得较大的水平方向地面反作用力，加速弓步向前，使弓步速度达到较高水平。

5.3 膝、髋关节运动学表现对弓步速度影响的关联度分析

5.3.1 膝关节活动范围对弓步速度影响的关联度分析目前，对击剑运动员弓步动作中后腿膝关节运动学方面的研究多集中在准备姿势及落地时的后腿膝关节角度。彭道福等[10]对12名击剑运动员的弓步速度与其影响因素进行灰色关联分析后发现，准备姿势中后膝关节角度是影响弓步速度的重要因素，推测运动员降低重心减小弓步准备姿势中的膝关节角度有利于提高弓步速度。然而，在节奏极快的击剑比赛中，运动员很难控制弓步准备姿势中的膝关节角度，研究弓步准备姿势中运动员下肢关节角度对弓步速度的影响可能有一定的局限性[24]。本研究选取击剑运动员弓步动作中膝、髋关节的活动范围作为弓步速度的运动学影响因素，结果显示，后膝ROM在所有因素的关联度排序中列第1位，说明运动员在弓步动作中加大后膝关节活动范围、充分蹬伸后腿有利于提高弓步速度，此结果与前人研究结果相似。ZHANG等[25]通过分析击剑弓步动作后发现，运动员弓步落地时后膝关节角度平均在170°以上，后腿基本接近伸直。本文认为，运动员弓步过程中后腿快速蹬地获得水平方向地面反作用力的大小是弓步速度的决定性因素[21，23]，而后膝关节充分的伸展有助于延长后腿蹬地的时间，从而延长蹬地获得水平方向地面反作用力的作用时间，因此延长弓步加速的时间，有利于提高弓步速度。

近年来，击剑弓步动作中运动员前腿膝关节的运动方式引起了研究者的注意。GHOLIPOUR等[7]发现，优秀击剑运动员弓步动作中前腿的伸膝程度高于初学者。舒建平等[20]认为，击剑运动员弓步动作中前腿的大幅度摆动可以延长后腿蹬地力的作用时间，配合后腿蹬地将弓步速度维持在较高水平。本研究结果显示，运动员弓步动作中，前膝关节活动范围与弓步重心水平峰速度关联度为0.735 0，与排序在第4位的前髋关节活动范围关联度（r=0.735 2）接近。认为，前膝关节在弓步动作中的活动范围同样是影响击剑运动员弓步速度的重要因素之一。在弓步动作开始后，运动员后腿快速蹬地获得弓步向前的驱动力，而此时前腿膝关节的大幅度伸展能避免前腿过早落地，使后腿蹬地获得的驱动力能完全作用于加速运动员重心向前。另外，前膝关节的大幅度伸展可能有助于延长运动员弓步动作的腾空时间，有利于将弓步峰速度维持更长时间。

5.3.2 髋关节活动范围对弓步速度影响的关联度分析在击剑弓步启动后，运动员后侧髋关节伸配合后腿蹬地使身体重心向前移动，前侧髋关节屈使前侧大腿抬起，前脚离地，为前膝关节的大幅度伸展创造条件。结果显示，后侧和前侧髋关节的活动范围在所有影响因素关联度排序中为3、4位，提示运动员双侧髋关节在弓步动作中的活动范围对弓步速度贡献明显。周继和等[26]认为，在后腿接近伸直的状态下，后侧髋关节的大幅度伸展可以减小后腿与地面的夹角，使后腿蹬地获得的地面反作用力在水平方向上的分力加大，从而增大弓步向前的驱动力，提高弓步速度。然而，目前对击剑运动员弓步动作中前侧髋关节的运动学研究较为少见。BOTTOMS等[6]使用Visual3D软件对弓步运动学数据进行计算并分析后认为，运动员弓步动作中前侧髋关节活动范围与弓步速度显著相关，前侧髋关节屈的程度越大，说明其前侧下肢的运动越主动，随后前腿向前摆动的幅度可能更大。根据运动学原理，击剑运动员弓步动作中前侧髋关节屈的范围由躯干前倾程度和前侧大腿向上的运动幅度共同影响。认为，弓步过程中躯干的积极前倾能带动运动员身体总重心前移，有助于重心速度的提高。屈髋动作能够使大腿向上运动，带动前腿离地，从而使运动员身体向前移动。另外，运动员前侧大腿向上的大幅度运动为前腿随后的大幅度伸膝创造了条件，使前侧膝、髋关节协调运动，共同配合后腿蹬地提高弓步速度。

6 结论与建议

击剑运动员后腿膝关节在弓步动作中的关节活动范围及伸膝峰功率是弓步速度的主要影响因素，双侧髋关节和前侧膝关节的关节活动范围同样能够对弓步速度产生重要影响。提示，发展弓步后腿膝关节伸肌爆发力，并在弓步动作中增大双侧膝、髋关节的关节活动范围，有助于提高击剑运动员的弓步速度。

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BiomechanicsofKneeandHipJointsDeterminingFencingLungeVelocity：AGrayCorrelationAnalysis

GUAN Yanfei1，GUO Li1，WU Nana1，JIANG Qinxian1，ZHAO Shuqiang2
（1.Joint Key Lab of Exercise by Province and Ministry，Shanghai University of Sport，Shanghai 200438，China；2.School of PE，Shandong University of Science and Technology，Qingdao 266590，China）

To investigate contribution of biomechanics of knee and hip joints to lunge speed when performing fencing lunge，14 professional fencers were asked to perform fencing lunges as fast as possible.Kinematics and ground reaction force of both legs were recorded during lunge movements.The range of mo⁃tion（ROM）and peak power（PP）of knee and hip joints in both sides during lunges were calculated with Visual3D software.A grey correlation analysis was conducted to determine the contribution of these variables to maximal horizontal speed of center of gravity（HVmax）.The results showed that factors account⁃ed for HVmax were presented as following：ROM of rear knee joint>PP of rear knee joint>ROM of rear hip joint>ROM of fore hip joint>ROM of fore knee joint>PP of fore hip joint>PP of rear hip joint>PP of fore knee joint.Conclusion：ROM and PP of rear knee joint are the dominant factors associated with lunge speed.ROM of fore knee joint and both hip joints are also important factors influencing lunge speed.

fencing；speed of lunge；biomechanics；grey correlation analysis

G 804.6

：A

1005-0000（2014）06-501-05

10.13297/j.cnki.issn1005-0000.2014.06.008

2014-09-15；

2014-11-06；录用日期：2014-11-07

上海体育学院研究生国（境）外访学项目（项目编号：stfx20140205）

管延飞（1988-），男，山东青岛人，在读硕士研究生，研究方向为优秀运动员训练监控。

1.上海体育学院运动科学学院，上海200438；2.山东科技大学体育学院，山东青岛266590。