对排球跨步垫球上肢各环节的运动学分析

曾盛誉　赵小平　周文

摘 要：排球跨步垫球及以其为基础的各种低姿势垫球是排球比赛过程中使用频率较高的垫球技术动作。本文采用文献资料法、专家访谈法、实验法、数理统计法、理论分析法等方法，利用三维高清摄影图像解析技术，运用生物力学原理和方法，对排球跨步垫球技术进行测试和分析，寻求跨步垫球动作各环节运动的规律和特征，并在此基础上再进行解剖学、运动学和力学原理综合分析，对受试者动作技术做出诊断、分析与评价，丰富排球教学理论，补充和完善排球垫球的生物力学研究，旨在为排球技术评价、教学与训练提供理论参考，促进我国排球技术水平提高和排球运动的发展。

关键词：排球；跨步垫球；运动学分析

一、前言

向前或向侧跨一步垫球的动作叫跨步垫球。跨步垫球是当来球离身体前方或斜前方较远而低，队员来不及移动正对球时采用，在接发球和防守中运用较多，它又是各种低姿垫球动作的基础。现代排球教材对跨步垫球的概述、对动作技术的路线方向进行一个大体的概括，缺乏对其技术动作科学化的描写和分析，导致在现实教学中，教学标准不统一，教学效果也不是很理想。本文采用三维高速摄影解析技术对跨步垫球技术特点进行分析研究，旨在探寻跨步垫球技术的动作结构特征，丰富和完善排球技术教学和教材理论，给动作技术教学、训练、评价、诊断提供客观的理论依据。

从目前国内外学者的研究现状来看，现有的对于排球跨步垫球技术的研究有了一定的探索和成果，但是从现实情况来看，还有很多的问题和不足。排球跨步垫球是排球垫球中的基本技术动作，大力加强排球技术动作的研究力度，推动排球技术水平的提高势在必然。本文将利用三维高速摄影图像解析技术，运用生物力学原理和方法，对排球跨步垫球技术进行测试和分析，寻求跨步垫球动作各环节运动的规律和特征，并在此基础上进行解剖学、运动学和动力学的综合分析，对受试者动作技术做出诊断、分析与评价，丰富排球教学理论，补充和完善排球垫球的生物力学研究，旨在为排球技术评价、教学与训练提供理论参考，促进我国排球技术水平提高和排球运动的发展。

二、研究对象与方法

1.研究对象

研究对象为湖南师范大学男子排球队的3名主力运动员和女子排球队的1名主力运动员，共计4名优秀大学生排球运动员（运动员基本情况见表2-1）。研究内容为排球跨步垫球技术。

2.研究方法

本课题的研究方法主要采用实验法，运用三维高清摄像解析系统对优秀排球运动员的排球跨步垫球技术进行运动学的研究。

（1）文献资料法。通过人工及网络搜索，查阅了中国期刊全文数据库里面近二十年来关于排球垫球技术运动生物力学及相关研究的文献资料，以及其它期刊中相关论文和著作。对排球技术的研究情况和生物力学的研究进展，有了较全面的了解，并形成了文獻综述，为本研究打下了坚实的理论基础。

（2）专家访谈法。咨询有关的运动生物力学研究专家和教师，向其请教论文实验方法、设计及数据处理和分析等方面的问题。

（3）实验法。采用三维高清摄影图像解析技术，对运动员技术动作的结构特征进行拍摄并后期进行分析。

（4）数理统计法。利用QToolS软件和Excel软件对获得的数据指标进行计算和统计。

3.测试程序

模拟比赛情况，受试者进行充分的准备活动后，按实验要求，在专家的指导下在测试范围内作跨步垫球动作，每名测试对象完成两次跨步垫球，按规范标准进行拍摄（以右侧跨步动作为例）。由现场专家选定效果较好、技术较规范的两名运动员的跨步垫球动作为分析对象，然后计算数据的平均值。

4.测试方法

采用三维定点摄像的方法，用两部高清摄影机，对实验测试对象的跨步垫球技术进行三维定点拍摄，运用相应的解析系统对其动作技术进行解析，得出测试指标参数。一部置于运动员的右侧，一部置于运动员的前方，两部摄像机主光轴约成 90度，拍摄频率为50Hz。高清录像拍摄，频率25帧/秒，经奇偶场分离后频率相当于50场/秒。采用2台sony FX-2000E高清摄像机拍摄视频。

标定框架采用国家体一育总局体育科学研究所的PEAK辐射式三维标定框架，标定精度高。选择被分析的动作时，选择的整个动作位于框架标定范围内。

使用SIMI motion视频解析系统对技术动作进行解析，采用扎齐奥尔斯基人体模型，人体模型取系统软件自带的人体模型，分析数据包括身体重心、躯干、各关节点位移速度以及各关节和躯干的角度和各时段的时间等数据，所得数据采用数字化滤波法进行平滑处理，截断频率为10，用EXCEL 2000对视讯系统得到的数据进行坐标转换，计算得到运动学数据，并编辑公式计算人体基本平面方程系数以及关节点在各个平面的投影坐标，再用Q-Tools计算关节角度。用Origin7.0做三维坐标图。对解析出的数据进行对比分析与研究，并做参数间的相关分析，运用相关参数数据描述动作过程，建立整个动作结构相关环节间夹角、角速度、角加速度、速度、身体重心等量化指标和参数，揭示动作过程的运动学特点和规律。

三、动作阶段的划分

动作阶段划分是研究技术动作的重要环节。排球运动员跨步垫球技术是由准备姿势、跨步、垫球、随后动作四个环节组成，而对击球效果起决定作用的是跨步和垫球两个环节。为了确定动作结构和时相划分方便，本文首先确定了不同动作阶段的临界点，它可表征各动作阶段基本力学特征与动作质量。我们依照排球跨步垫球动作的顺序把跨步垫球动作分为跨步阶段、击球阶段、随后阶段。

1.跨步阶段

准备姿势→跨步结束。该阶段对应的时间为1.4s-3.3s。

2.击球阶段

跨步结束→击球瞬间。该阶段对应的时间为3.3s-4.1s。

3.随后阶段

击球瞬间→击球结束。该阶段对应的时间为4.1s-5.2s。

四、研究结果与分析

1.排球跨步垫球技术上肢各环节运动学分析

（1）肩关节的角度特征。由图1可看出两肩关节在击球过程中的角度随时间的变化，说明运动员左右肩关节角度在跨步垫球各个阶段都非常接近。左右肩关节角在整个击球过程中变化的趋势是一致的，而且两条曲线几乎重合。在跨步阶段，两手臂合拢同时向前下方运动，插入球的底部，为击球做好准备，此阶段两肩关节角变化不大。在击球阶段，双臂上抬同时双脚蹬地带动身体平稳向上运动迎击来球，两肩关节角处于不断增大过程中。当击中球后，两肩则保持击球时的角度，主要由下肢带动上体运动完成击球后的随后动作。

（2）肘关节的运动。图2是左右肘关节运动随时间的变化曲线。从上图中可以看出在整个动作中左右肘关节几乎一直保持在伸展的状态，击球时肘关节达到最大伸展，接近180°。在抬臂击球过程中双手肩、肘、腕三个关节的连线尽可能的形成一条直线，在击球时以一个较大、较平的接触面迎击球，左右肘关节是否夹紧伸直是击球是否平稳的关键。

（3）腕关节的运动。图3是腕关节运动随时间变化的曲线。由图7可知，在整个击球过程中腕关节的变化不大，在135°～170°之间，这是因为腕关节活动情况和击球时腕关节姿势主要影响球的方向，在跨步阶段时，击球手型就已经固定，在击球时要求手腕下压，使前臂随之外展，从而前臂的近腕关节端形成一个较大的接触面。在与球接触时增大了击球面，也就达到了更稳定的击球效果，同时击球结束后保持击球时的手型。完成击球后的随后动作使球垫击后达到平稳的运行效果。

（4）各环节的速度特征。跨步垫球动作在排球运动中是一项基本技术，在比赛中主要用于接发球、接扣球、接拦回球等，要求接球后，球的运行速度较慢而且平稳飞行，以便于接球后组织进攻。由图4中我们可以看出，在击球阶段肘关节和手腕关节的速度是上升的过程，因为在该阶段手臂以肩关节为轴向上抬臂，以减小击球前全身运动的幅度，保证击球的稳定性。跨步垫球动作上肢各运动环节是依次加速和制动的，肘、腕的速度在击球前几乎同时达到最大值。肩关节在2.94s时出现最大速度为0.40m/s，肘关节在3.76s时出現最大速度为0.55m/s，腕关节在3.96s时出现最大速度为0.68m/s。上肢各环节在跨步阶段速度都很小，随着跨步结束，双脚蹬地、提肩、压腕、抬臂，肩关节作为环节链的起点首先加速，紧接着双臂以肩关节为轴向上加速。手臂成直线向上击球，肘、腕环节的速度变化趋势相同，但腕关节处于环节链的最远端，因此，腕关节的速度高于肘关节的速度。

2.排球跨步垫球技术躯干运动学分析。肩髋与水平面的夹角，反映上体的倾斜程度。由图5可知，上体的倾斜度在55°～72°之间，而且在整个击球过程中变化的幅度非常小。跨步垫球要求躯干保持直立稍前倾，这样有利于移动，同时给手臂的运动有恰当的空间。在跨步阶段，随着双臂向前下方运动准备击球，肩髋与水平面的夹角处于缓慢下降的过程。在击球阶段，随着双脚蹬地手臂上抬击球，肩髋与水平面的夹角则处于平稳上升的过程。

五、结论

1.跨步垫球技术动作结构的分类

本研究对排球跨步垫球技术的尝试性划分是对目前排球跨步垫球技术划分理论的大胆尝试。笔者根据运动生物力学中关于技术动作的阶段划分原理，根据动作结构与动作任务的不同，把排球跨步垫球术分为跨步阶段、击球阶段和击球后的随后阶段。

2.跨步垫球技术上肢的运动学特征

上肢各环节活动顺序为：躯干—肩关节—肘关节—腕关节，并符合鞭打类技术动作生物力学原理。肩关节在2.94s时出现最大速度为0.40m/s，肘关节在3.76s时出现最大速度为0.55m/s，腕关节在3.96s时出现最大速度为0.68m/s。上肢各环节在跨步阶段速度都很小，随着跨步结束，双脚蹬地、提肩、压腕、抬臂、肩关节作为环节链的起点首先加速，紧接着双臂以肩关节为轴向上加速。手臂成直线向上击球，肘、腕环节的速度变化趋势相同，但腕关节处于环节链的最远端，因此，腕关节的速度高于肘关节的速度。上肢各运动环节的速度变化表现为从上臂到手的依次加速与制动，速度从近体运动环节到末端运动环节依次递增，并使末端运动环节在击球前表现出最大运动速度。

3.跨步垫球技术躯干的运动学特征

本研究用肩髋与X轴的夹角反映上体的倾斜程度，该角度在55°～72°之间，而且在整个击球过程中变化的幅度非常小。在跨步阶段，随着双臂向前下方运动，肩髋与X轴的夹角处于缓慢下降的过程。而在击球阶段，随着双脚蹬地手臂上抬击球，肩髋与X轴的夹角则处于平稳上升的过程。

六、结语

跨步垫球技术在比赛中与其他垫球技术相比应用广泛，技术结构较为合理。采用跨步，身体重心位于两支撑脚之间，支撑比较稳定。跨步垫球有利于肌肉用力的控制，也就可以较好地控制来球。

三维摄影技术是先进的、可行的研究排球技术动作的方法，它可对排球技术动作进行三维运动学分析，可得出身体各个环节在空间位置的各种变化情况。但今后应结合三维动力学进行进一步的研究，通过同步装置，对跨步垫球进行运动学与动力学的同步分析，只有这样才能更全面地分析跨步垫球的技术特征和内在规律。

随着社会的发展，排球运动将得以更广泛的普及和更科学化的发展，排球运动的技术原理、动作、科学的教学训练理论与方法等课题还有待于深入研究，揭示其科学的本质和内在的规律，将有助于推动其科学化发展。

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注：本论文为2012年湖南省教育厅科学研究项目，项目编号为12C1035。

作者简介：曾盛誉（1982— ），女，湖南益阳人，硕士研究生，讲师，研究方向：体育教育训练学。