面料复合方式拟对上肢包缠方式的不同对上肢运动参数的影响

孟祥龙

摘要：以网球运动为例，从生物力学角度对面料复合方式护具对上肢包缠方式的不同对上肢运动参数的影响进行研究。在击球时以上肢不同关节处的动量峰值与变化率作为防护评价指标，构建由击球初、击球中和击球后组成的人体骨骼关节防护模型;从面料的厚度和弹性两个属性出发，分别制作相应的，上肢护具（护肩、护肘和护腕），通过穿戴者进行的运动测量实验获取2个，上肢关节的指标参数。通过单因素方差得到厚度对指标的影响比弹性更明显（P<0.01）的实验结果。分别从护具的面料复合及其对上肢的包缠方式出发，研究了对上肢运动参数的影响。实验结果表明，面料复合方式护具从其面料的弹性、材质厚度、面料复合方式和包缠方式上，均能够改变上肢运动参数，而且在肘部和腕部更为明显（P<0.01）。本研究为上肢类运动护具设计和优化提供了有效借鉴。

关键词：面料复合;运动护具;网球运动;上肢关节;参数影响

中图分类号：TS941.727;TS941.17

文献标识码：A

文章编号：1001-5922（2020）07-0162-06

0引言

通过对近些年的职业网球赛的数据统计发现，在比赛中因伤退赛的机率达到了近50%"。而在高负荷和过度训练中，由于长时间的击球动作导致骨骼承受巨大压力从而出现运动特异性适应性反应，在高频率的机械力作下，也极容易出现肌肉、关节和肌腱的损伤。因此，运动员们越来越重视加强自身安全健康的保护，最常用的措施之一便是通过佩戴运动护具来避免损伤。而这种运动护具需要由特殊的复合材料制成，具有质地柔韧、缓冲冲击且佩带舒适等特点。例如织物衬垫中常用到的三维织物衬垫，经硅橡胶涂层处理后会有效抗击冲击，并在冲击力消散后迅速回复到原始形态。另外，以某种运动护具为例，其斯以通過加压协助肌肉发力，可有效帮助运动员保持耐力，同时也保护了关节和肌肉不受表面损伤。然而对于运动护具在人体防护中，其有效性还没有相应的行业标准加以评估，但在产品设计时还需要综合考虑生物力学、运动医学和材料力学等因素，以满足基本的压力舒适度、皮肤拉伸性能需求等。本文从生.物力学角度出发，通过运动损伤机制研究面料复合方式护具在不同上肢包缠方式下对上肢运动参数的影响。

1基于运动损伤机制的防护模型

1.1运动损伤机制分析

根据对，人体的生理学研究，通常情况下人体受到外加载荷时，骨骼、关节和肌肉都有各自的承受能力，用以保护人体不受伤害。如果外加载负荷过高，例如在剧烈运动当中，就会超出骨骼、关节和肌肉的最大承受值，从而造成人体运动损伤。另外，在受到外力冲击时，外围肌肉层可通过产生变形吸引和消散外力加以保护易脆的人体骨骼，有效增强自身运动素质并降低了人体损伤机率。

1.2网球运动人体防护模型

本文根据前人学者研究的弹簧模型理论，分别将其构成元素肌肉进行简化：负责主动收缩舒张的收缩元（CC），负责肌肉储能和外力缓冲的串联弹性元（PEC）及并联弹性元（SEC）国。本研究基于上述运动损伤机制分析，选择弹簧振子模型来简化肌肉。然而当外力大于肌肉的最大承受值时，就会对肌肉、骨骼或关节造成损伤。而且，由于肌肉损伤会影响其保护功能，从而会产生二次损伤。基于上述分析，若在肌肉表面增加一个保护层，可以代替肌肉接受第一波外力的冲击，通过缓冲减小对肌肉的冲击。

在进行网球运动时，力量的传递是有一个整体链的，即最初从下肢触地开始，经腰部传递到上肢并到达球拍。网球运动损伤与网球冲击有着复杂的联系烈，当球拍接触到球的一瞬间（0.001s左右）会对前臂造成一定的冲击，因时间太短，无法对外力进行有效缓冲，从而造成关节损伤。针对网球运动中的击球初、击球中和击球末的完整过程，建立人体上肢骨骼关节防护模型，如图1所示。

以参数m，代表网球质量，图中F代表网球对球拍的垂直作用力，也即上肢所受到的外力载荷。在人体运动参数上可表现为通过护具防护层产生形变对F的消散，减轻击球时上肢各部位受到的冲量。用vo代表肩部的初速度，在球网接触球以后，因受冲击速度减至v，通过动量定理可得到肩部的冲击量，计算方式如（1）所示。

式中：Fi为t时间内上肢关节所受到的平均力度;m为上肢质量（kg）;v，为接触到球后在t=0.5s时间内关节部位的速度（m/s）。

在时间变化过程中，F，可称为动量缓冲力系数，并随着时间曲线变化，且其大小与关节骨骼所受到的力成正比。由式（1）可知，击球速度越大，F就越大，因此，可将击球时各关节部位的动量峰值作为其中一个评价指标;而另一个指标则是在指定时间内的动量变化率，即F1.

2动态测量实验

2.1实验设置

根据实验要求需要对网球运动上肢动作进行捕捉并加以分析。本研究选取Optotrak系统，该系统基于立体视觉测量原理的光电设备，其传感器由3个线阵CCD摄像头组成，其精确度可达到lmm，非常适合于动作频率高、幅度小的实验。具体实验原理为，通.过在人体不同部位设置Marker点，以3个为一组，通过传感器和摄像头对关节动作进行捕捉，根据采集到的动作数据建立上肢各Marker点的三维坐标。其中，设置各点之间的时间段为0.01s。为了提高实验结果的精确度，在被测对象前方5m处设置一个直径为10cm左右的圆，作为网球运动击球点的有效映射。

2.2护具复合材料防护性能测试

2.2.1材料弹性及厚度

在运行护具当中，运动员穿戴防护服装可用来维持其运动部位的稳定性和身体部位的协调性，同时还可以通过加压支撑原理，起到消散关节部位外力载荷的作用。而护具的材质和厚度都会影响其防护性能。因此，本实验以护具面料的弹性与厚度作为对人体束缚和加压效果进行分析的两个指标。

实验中所用到的护具面料参数见表1，针对上肢关节部位制成相应的护具，共45件。其中，涉及到的护具变量包括弹性、叠加层数和护具类别。首先在弹性相同的情况下，模拟面料复合形成的不同厚度下的实验。以专业网球运动员为测试对象，实验过程为：穿戴实验护具→网球发球→通过Optotrak采集，上肢关节点信息→转换成量化数据→构建三维空间模型→得到测点坐标值→运动学公式计算→得到运动参数。每隔10min进行一次实验，以减小实验结果因测试对象疲劳而造成的误差。

通过上述实验可得到不同护具下上肢肩关节、肘关节和腕关节的动量峰值的变化趋势，以及其动量缓冲力系数的变化趋势，分别如图2、图3所示。

1）分析弹性因数。根据图2动量峰值，分析不同的弹性因素影响下造成人体上肢各关节的动量峰值差异可知，手肘和腕部的动量的不同组之间差异性小，整体变化趋势基本一致;肩部动量多组之间对比则体现出较大差异性大，说明护肩对肩部荷载力的有效散力作用，对肩膀起到了保护效果，且上肢的肘、腕部在击球前后的动量缓冲力系数变化较大。

2）分析厚度因素。在护具弹性不变的情况下以面料厚度为变量，观察其对应关节部位的动量变化量。通过图2、图3可以得知，因为不同面料的弹性不一样，只有其中几种面料的叠加厚度与关节动量成反比，例如F_A、F_C、F_E组，其他几组变化不够明显。

3）单因素方差分析。对指标的影响分析采用单因素方差分析法，基于SPSS辅助得到显著性P值图，继而判断两个指标变化在不同组间对上肢各个被测部位动量峰值、动量缓冲力系数的显著性影响，具体分析结果如表2、表3所示。

通过表2分析结果，当面料叠加层数为1或3时，无统计学意义（P>0.05），表明弹性改变对上肢关节运动参数影响可以忽略不计;面料层数为2时，肘部关节动量、肘部动量缓冲力系数和腕部动量缓冲力系数的P等于0.04，具有统计学意义。综上可知，只有适当的面料叠加层数，才会发生面料弹性对上肢受力载荷的显著影响。

通过上述测试可知，对于同一组数据，当改变护具厚度时会对各關节运动参数产生显著影响，且在影响关节运动参数方面，面料厚度较面料弹性的作用更加明显。

2.2.2护具包缠方式实验

根据复合面料组成层次和材质不同，在实验中采用的复合面料共有6种，命名为C1、C2、C3、C4、C5、C6。其中C1、C2、C3、C4、C5均由2层面料复合而成，其中C2增加了绗缝，C3增加了粘合衬，C4增加了粘合衬和绗缝，C5则增加了海绵复合;而C6由2层复合+海绵+绗缝组合而成。

根据网球运动员在上肢不同关节部位的护具穿戴可分为护肘和护腕。本文实验通过改变护具的包缠方式，验证其在人体运动时对上肢各关节部位运动参数的影响。按照实际应用中常用的包缠方式来分，肘关节护具有直简型EW1和带型EW2、腕关节有直筒型WT1l、缠绕型WT2。采用材料弹性及厚度实验中的计算方法，通过对各被测点空间坐标的转换得到运动参数，得到以上四种护具对上肢各关节动量峰值及其动量缓冲力系数的影响，分别如图4、图5所示。

通过图4、5可以看出，面料复合方式护具在不同包缠方式下，对比护肘EW1、EW2对动量变化，总体差别较小，只有极个别复合方式下肩部动量峰值较高，并且EW1的防护作用更好;对于护腕WT1、WT2来说，其各自对应的各被测部位动量峰值差异性大，而且WT1在肩、肘2个部位的动量峰值要明显的大于WT2，所以很难判断哪种护腕效果更好，需要通过步实验加以推断。

3结语

在运动防护用品的核心技术拓展创新过程中，其结构设计理念必须要遵循运动生物力学的原则"。基于此，文章分析了肌肉对骨骼的防护原理，结合运动损伤机制构建了基于网球运动的人体防护模型并指出了2个评价防护指标，用在面料复合方式护具在对上肢的不同包缠方式下，研究其对上肢运动参数的影响。经过相应的实验分析了护具对上肢肘部、腕部和肩部关节处防护性能的影响因素。根据实验结果可得，运动护具面料的弹性、厚度以及复合面料下护具的包缠方式，都会对上肢运动参数产生影响，具体表现为：整体来说护具的厚度比弹性影响较大，且通过动量峰会实验得出护具的包缠方式对肘腕部的影响较大，也间接证明了运动护具对运动员具有有效的损伤防护作用，对于其他运动领域的运动护具设计和优化具有一定的参考价值。

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