基于三维动态测量的网球运动状态下人体上肢防护研究

韩 焕，彭绍群，吴大伟，谢 红

（上海工程技术大学，上海201620）

随着网球运动的普遍开展，网球运动服的需求也出现不断上升的趋势。目前对于网球运动服的研究主要集中于外观设计以及通过多种面料的结合来达到网球运动服装吸湿快干的效果，其研究手段从最初的研究静止人体特征而转化到通过结合网球运动的动态特点来研究设计网球运动服装。但是，这些研究只仅限于人体舒适性范围的研究，对于网球运动服的研究还没有上升到防护性能范畴。

因此，本文通过测量人体各关节点运动的三维坐标数据的变化，将其转化为人体关节运动的生物力学参数，为进一步设计具有防护性能的网球运动服提供理论基础。

1 实验部分

实验对象：网球熟练者与网球初学者各5人。

实验动作：通过参考《网球入门宝典》、《网球技巧图解》等网球专业书籍，确立实验动作为上抛式发球动作。

实验工具：NDI三维动态测量系统，网球拍，网球。

实验对象着装要求：

（1）上身着运动背心，露出手臂及腰部；下身着运动短裤，运动鞋；实验对象身上不佩戴任何饰品。

（2）女生头发盘起以免掉落肩部影响实验数据。

实验设计：

（1）实验包括运动过程中三维数据捕捉以及数据的客观计算分析。

本实验主要探究人体运动过程中人体上肢各关节部位的运动损伤情况，因此在人体肩部，肘部内外侧，腕部内外侧黏贴标记点，记为mark1.2.3.4.5。

（2）在地面做站立标记点，以确保每位实验者都站在同一位置向同一面墙壁的同一目标点进行上抛式发球实验（实验者在进行正式实验之前，进行半个小时热身以及熟悉发球过程，以确保在实验中能够较准确地将球打击在目标位置），从而能够确保数据的精确性。

（3）实验分组：实验采集分为10组，每组人员进行没有戴护具的空手发球，以及戴1号护腕、2号护腕、3号护腕等三组带球发球动作即每位实验者要做4组实验，每组实验连续做10遍，采集后挑选最稳定的5次进行后续数据分析。每组采集时间为2s，在运用三维动态捕捉系统采集数据同时，架有高清摄像机同时摄录实验过程。

2 结果分析

2.1 数据预处理

三维动态捕捉系统原点定义在摄像头探测范围内的空间某一点，规定人体面向摄像头站立是前后方向为X轴，左右方向为Y轴，上下方向为Z轴。

根据在实验时与三位动态捕捉系统同时设立的高清摄像机视频资料，在实验进行的2s过程中，0～0.5s之间是实验对象从侧身至挥拍的过程，因此本实验截取此段时间数据进行分析。

2.2 结果与分析

根据网球运动力学原理，在鞭打动作过程中，主要通过动量矩的传递来实现末端环节最大动量的获得。末端环节即肩部，因此，在鞭打动作过程中，正确的方式应是借助于肩部的力量来带动整条手臂的力量从而打出有效的球。运用肩部的力量可以减缓手腕以及手肘部的力量负担，正确的鞭打动作可以避免手腕及手肘受到较大的伤害。

在前0.5s制动阶段，从图1中可以看出，熟练组与初学组在这一过程中上肢各关节产生的动量顺序呈相反状况，熟练组在末端环节即肩部产生了最大动量来带动整个手臂的击打行为，而初学组则是依靠手腕部的力量来进行击打行为，并且在数据中可看出，熟练组产生的动量远小于初学组产生的动量，熟练组运用正确的动量传导过程，利用远小于初学组的动量，达到了与其相同的击球效果。

图1 制动环节中两组实验者上肢肩部，肘部，腕部各动量大小比较

从上述结果中可以看出，网球初学者在对击打动作不熟悉的情况下，没有经过系统的指导与训练，很容易因为发力部位不准确等原因而频繁使用肘部与腕部的力量击球，从而导致肘部与腕部负担过重产生损伤。针对初学者发力部位集中于腕部这一特征，对初学者进行了佩戴护腕的实验。通过比较佩戴不同弹性护腕后初学者上肢各部位情况来验证护腕对人体的防护效果，并将在后续的服装设计开发中参考这一结果来选择有效面料。

通过对比市场所售的护腕面料及款式，挑选三种相同厚度不同弹性的护腕作为本次实验的研究对象，1号实验护腕是现在市场上最常见的棉质护腕，2号实验护腕为国内某品牌生产的弹性护腕，3号实验护腕为美国某知名护具品牌生产的缠绕式护腕，在实验之前对于三款护腕的基本参数进行了测量（见表1）。

表1 三款护腕的基本参数

从表1中可以看出，三款护腕中2号护腕的弹性回复率明显优于其他两款护腕，而其他两款护腕的弹性性能相差不大。因此，此次实验用防护护具是否具有有效的防护性能主要通过其弹性回复率这一性能参数来显示。

运用与之前一样的分析方法，将初学组佩戴3个型号的护腕后制动环节的上肢各部位产生动量大小进行比较（见图2）。从图中可以看出，虽然在此次实验中初学组在制动环节上肢各部位的动量传递顺序还没有矫正，但是可以明显看出，各个关节产生的动量小于没有佩戴护腕时产生的动量。

图2 制动环节中初学组实验者佩带护腕后上肢肩部，肘部，腕部各动量大小比较

表2 各部位佩戴护腕后动量减少量（与无护腕比较）

从表2中可看出，佩戴护腕后手腕部位动量减少最明显，而其中2号护腕的减少量明显大于其他两个护腕，结合之前的护腕面料基本参数，可以得知，佩戴护腕在防护人体方面的确有一定的效果，并且防护效果与护腕的弹性回复率呈正相关。

3 结论

本文分别对两组不同竞技水平的网球爱好者进行了三维动态测量实验动态实验，实验主要比较了网球熟练者与初学者之间在制动环节人体上肢的动量传导过程，通过比较来观察初学者较易损伤部位。并且通过佩戴护腕实验来验证护腕对人体的防护作用，以及防护作用与护腕弹性回复率之间的相关性，为后续设计防护性网球运动服面料的选择提供了参考依据。

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