体操后空翻类落地动作的下肢关节负荷及其控制特征

吴成亮 郝卫亚

1 武汉体育学院（武汉430079）

2 国家体育总局体育科学研究所（北京100061）

体操的落地或下法涉及到高速度的冲击，并且在落地前要控制身体的旋转，落地中要保持身体平衡。体操运动员要承受频繁的落地冲击，每周可能会超过200 次[1]。流行病学调查显示，体操运动损伤的发生率很高，其中膝和踝关节损伤发生率最高[2-5]。

体操落地负荷被认为是引起下肢损伤的重要因素[5，6]，体操运动员落地过程中吸收过大的载荷与下肢损伤高发存在关联[6-10]。人体所受的地面反作用力（ground reaction force，GRF）是最常用的落地负荷指标，尽管有学者认为GRF 与损伤之间的相关性尚不明确[11，12]，但当力学载荷过高时，骨组织产生较大应变，会引起骨骼损伤[13]。然而，目前很少有研究讨论如何通过有效的方法来减小落地的GRF，从而减小落地损伤的发生率。Mills等[14]通过修改落地垫的材料参数减小了GRF，但是会增加关节的内部载荷，以及落地过程中踝关节和距下关节损伤风险[15]。另外，有研究发现在垂直落地阶段，下肢先伸展，然后在即将落地前屈曲[16]，可以减小GRF峰值，然而并不清楚类似的落地策略是否会在复杂的体操落地中出现。

向后空翻技巧动作是体操两大空翻类技巧之一（另一类是向前的空翻技巧）[17]，运动员使用频率非常高。后空翻（backward somersault，BS）是基础难度动作，直体后空翻转体720°（S720）是一般难度动作，直体后空翻转体1080°（S1080）是较高难度动作，它们都属于同一类型动作。Marianne 等[18]分析了体操平衡木的后空翻落地，他们从运动学的视角研究了身体在空中的转动特征。čuk等[19]对体操后空翻和前空翻落地的对称性进行了分析，为了更好地实现对称性落地，运动员需要较大的腾空高度和角动量，并控制好角速度的变化。国内文献中关于体操后空翻类动作的研究多集中在对单个难度动作的落地分析，暂未见到对不同难度后空翻类落地动作的系统研究。因此，本研究探讨高水平体操运动员不同难度向后空翻技巧动作（BS、S720 和S1080）落地的下肢关节负荷及其动作控制特征，为预防落地中下肢关节损伤提供科学的理论依据。

1 研究方法

1.1 研究对象

中国国家体操队男子运动员6人，年龄17.3 ± 1.3岁，身高165.7 ±5.0 cm，体重57.3 ± 3.9 kg。其均参加过体操世界杯或锦标赛，并且近6 个月没有骨骼肌肉损伤。所有运动员均被告之实验过程，并签署知情同意书。本研究获得国家体育总局体育科学研究所伦理委员会同意并批准（委16-27）。

1.2 数据采集

本研究3个动作（BS、S720和S1080）的数据采集过程如图1所示。

图1 技术路线图

1.2.1 BS动作数据采集

地点：国家体育总局体育科学研究所运动生物力学实验室。6名体操运动员在进行15分钟的热身活动（包括慢跑、跳步和拉伸）后，依次完成3 次BS（团身后空翻）落地动作。要求：运动员赤足站立于测力台前方适合位置，BS落地后不能有迈步或跳步。使用包含8个摄像机的QualisysOqus 运动捕捉系统（瑞典）对三维运动数据进行采集，采样频率为250 Hz，另外使用1台高清摄像机记录动作。标准红外反光markers（直径16 mm）粘贴于头、第7 颈椎，以及两侧的肩胛骨内角、膝、踝、跖趾关节、脚后跟和脚趾，具体的位置参考CAST 全身markers（共52 个）模型[20]。使用一个测力台（40×60 mm，Kistler，瑞典）采集垂直地面反作用力（vertical ground reaction force，vGRF），采样频率为1000 Hz，在上面放置与其大小相同的落地垫（厚5 cm），并在周围用泡沫软垫进行保护。测力台上的落地垫对测量获得的vGRF 结果影响很小，有研究报道12 cm 厚的落地垫使测力台测得的结果大约减小了5%[21]。使用Delsys无线表面肌电系统（美国），采集两侧下肢股直肌（rectus femoris，RF）、股二头肌（biceps femo⁃ris，BF）、胫骨前肌（tibialis anterior，TA）和腓肠肌外侧（lateral gastrocnemius，LG）共8 块肌肉的表面肌电信号，采样频率：2000 Hz。肌电粘贴方法及位置事先参考SENIAM 指南[22]。QualisysOqus 运动捕捉系统、Kis⁃tler 测力台和无线表面肌电系统使用内同步进行同步处理。

1.2.2 S720动作数据采集

地点：国家体育总局训练局体操馆。1名体操运动员在热身活动后，成功完成3 次S720 落地动作。使用两台高速摄像机（JVC，GC-PX100BAC）进行三维定点录像，拍摄频率为250 Hz，两台摄像机离地高度1.2 m，夹角约为90°，两台摄像机的拍摄距离分别为18 m、23 m，满足拍摄距离大于拍摄范围5～6 m 的要求[23]。采用28 个Marker 球的三维辐射型Peak 框架对落地位置进行空间标定。

1.2.3 S1080动作数据采集

地点：中国第13 届全运会体操决赛现场。1 名体操运动员完成S1080 落地，使用两台高速摄像机（JVC，GC-PX100BAC）进行三维定点录像，拍摄频率为250 Hz。两台摄像机固定于体操馆看台座位的前方，夹角约为90°，并安排专人看管以免摄像机被观众误碰，两台摄像机的拍摄距离都超过25 m，同样也满足拍摄距离的要求。提前用28 个Marker 球的三维辐射型Peak框架对落地位置进行空间标定。自由操决赛开始时，对指定运动的成套动作进行拍摄。

对于BS、S720，每名运动员的落地动作由两名国家级裁判选取最佳的一个动作进行结果分析；S1080来源于比赛现场，选取成功的一次落地动作进行结果分析。

1.3 实验数据处理

将3种动作的落地过程都分为预激活阶段（T0，触地前100 ms[24]）、落地冲击初期[T1，从触地到峰值vGRF（peak vertical ground reaction force，PvGRF）]和落地冲击后期[T2，从PvGRF 回到1 倍体重（body weight，BW）]（图2左）。

图2 BS落地阶段划分示意图（左）及19环节人体模型（右）

BS 落地：使用Qualisys Track Manager 软件对三维运动捕捉数据进行后期处理，低通截断频率10 Hz进行滤波[25]。通过关节上3 点组成的两条直线计算关节角度和角速度。对vGRF 使用低通截断频率50 Hz进行滤波[25]。对PvGRF用每名运动员的体重进行标准化处理。将落地瞬间时刻定义为测力台vGRF 大于10 N的初始时刻[26]。全波整流原始肌电信号后，再进行带通滤波处理（10～400 Hz）[27]。肌电信号采用各个肌电的最大值进行标准化，用标准化后的胫骨前肌除以腓肠肌外侧表面肌电表示踝关节拮抗肌-主动肌的共激活，用标准化后的股二头肌除以股直肌表面肌电表示膝关节拮抗肌-主动肌的共激活。实验结果采用20 ms内的平均值来呈现，并对结果进行描述性统计分析。

S720 与S1080 落地：使用SIMI MOTION 软件对三维录像进行人工解析，对解析获得的数据采用低通滤波进行平滑，截断频率为10 Hz[25]。获取各关节的位移、关节角度和角速度，根据汉纳范人体模型计算身体重心轨迹[28]。

另外，3 种落地动作的髋、膝和踝关节刚度（joint stiffness）使用公式（1）进行计算：

其中，△M 为某关节力矩的变化量，△θ为对应关节屈曲角度位移的变化量[26]。

1.4 计算机建模与仿真

建模与仿真通常可以获得实验无法测量的指标，如关节力和力矩等，人体系统多体动力学模型已经广泛应用于人体运动的仿真研究中[29]。LifeMod（LifeMod⁃eler，Inc.San Clemente，CA）是较为先进的多体动力学计算机仿真软件，主要运用于人体运动的仿真，是基于主流仿真软件系统ADAMS （automatic dynamic analysis of mechanical systems）的人体建模插件。BS测试结果发现，6名高水平体操运动员落地的动作表现差异较小，选取近似中间结果的1 名运动员（年龄17岁，身高168 cm，体重63 kg），以及分别完成S720 和S1080 动作的2 名运动员（前者：年龄19 岁，身高162 cm，体重59 kg；后者：年龄19 岁，身高160 cm，体重51 kg）进行计算机建模与仿真。对上述3 种最佳落地动作所涉及的3名运动员，分别建立19环节、50自由度的多刚体人体模型（图2 右），根据他们的性别、年龄、身高和体重参数在GeBod人体数据库（BRG.LifeMODTM）中进行个性化建模。人体模型包括头、颈、上躯干、中躯干、下躯干、肩胛骨、上臂、前臂、手、大腿、小腿和足（图2）[30，31]。利用仿真软件ADAMS建模体操落地垫模型（长宽高：2 m × 2 m × 0.05 m）。落地垫材料性能的优化（公式2，3）（BS仿真落地垫模型优化之后，S720与S1080仿真使用了相同的落地垫模型），以及人体模型的验证（公式4），详细过程参考郝卫亚团队之前的研究[32-35]，此处作简要介绍。

其中，xi是实际测试的运动学数据，yi是仿真的运动学数据，△δ是实际运动学数据与仿真数据的均方根误差（root mean square error，RMSE），△T是达到PvGRF 时间的RMSE ，△vGRF是vGRF 的RMSE，△Joint angles是下肢关节角度的RMSE，n为每条曲线的数据点的个数，最优化时S需最小。

其中，m 是曲线的条数，n 是每条曲线所含点的数量，xij是第i条曲线的第j个点，是m条曲线的第j个点的平均值，是m 条曲线n 个数据点的总体平均值。为了验证模型的可靠性，对实测结果与仿真结果进行复相关系数（coefficients of multiple correlation，CMC）计算，0.25～0.50、0.50～0.75 和>0.75 分别表示较差、中等和好的相关性[36]。在验证模型的可靠性之后，通过仿真获得下肢关节力和力矩。

2 结果

如图3所示，从运动员BS、S720和S1080动作起跳离地瞬间开始，经空中动作再到落地后200 ms 为止，这3 个动作身体重心（center of gravity，COG）最大高度分别为：1.41 m、1.98 m 和2.18 m，其腾空时间分别为：640 ms、948 ms 和1250 ms。3 个动作的身体重心高度在起跳瞬间基本相同，落地瞬间时分别为0.83 m、0.85 m 和0.73 m；落地后200 ms 重心分别下降了0.08 m、0.21 m和0.30 m。

图3 BS、S720和S1080动作身体重心（COG）垂直位移变化曲线（n=3）

BS落地的T0阶段，两侧髋关节平均伸展了22°，膝关节角度基本没有变化，踝关节角度先跖屈了8°，后背屈了24°（图4A）；T1阶段下肢3个关节角度变化较大，髋、膝和踝关节（背屈）分别屈曲了8°、20°和18°；在T2阶段变化很小，3 个关节最后分别维持在90°、120°和60°附近（图4A）。踝、膝和髋关节角速度先后在T1 阶段达到峰值，分别为－3026°/s、－1578°/s 和－1086°/s，T2阶段末，3个关节角速度分别都趋近于零（图4B）。

S720 落地的T0 阶段，髋、膝和踝关节的角度基本没有变化（图5A），T1阶段其分别屈曲了4°、16°和34°，T2阶段又分别屈曲31°、50°和21°；踝、膝和髋关节角速度先后在T2阶段达到峰值，分别为－1093°/s、－720°/s和407°/s（图5B）。

S1080 落地的T0、T1 和T2 阶段，髋、膝和踝关节一直在屈曲，T0阶段分别为27°、6°和22°，T1阶段分别为19°、42°和25°，T2 阶段分别为52°、71°和7°（图6A）；踝、膝和髋关节角速度先后在T1 及T2 阶段达到峰值，分别为－679°/s、－1415°/s和837°/s（图6B）。

3种动作落地的下肢关节力矩在T1阶段表现出屈肌力矩（踝背屈），T2阶段力矩方向反转，表现出伸肌力矩（踝跖屈），且力矩幅值远大于T1 阶段（图4C、图5C和图6C）。BS和S720落地，T2阶段下肢关节伸肌力矩大小关系为：膝>髋>踝（图4C 和图5C），S1080 落地中这种大小关系为：髋>膝>踝（图6C）。

3 种动作落地下肢关节反作用力（joint reaction force，JRF）大小关系为：踝>膝>髋，JRFs 峰值都出现在PvGRF 之后，即T2 阶段（图4D、图5D 和图6D）。BS落地左侧下肢JRFs比右侧先达到峰值（时差约8 ms），且两侧的踝、膝和髋JRFs峰值先后出现（图4D）。S720和S1080动作落地中，两侧的踝、膝和髋JRFs峰值几乎同时出现；另外，S720 落地的左侧下肢JRFs 峰值小于右侧，而S1080落地的左侧下肢JRFs峰值大于右侧（图5D和图6D）。

BS、S720和S1080落地，仿真获得的PvGRF分别为11.9 BW（图4E）、16.8 BW（图5E）和18.3 BW（图6E）。使用测力台获取的BS 落地的PvGRF 为12.5 BW，与仿真结果（11.9 BW）相差4.6%，并且实测值与仿真结果的复相关系数CMC 为0.86（>0.75）（图4E）。BS 落地中左、右脚的PvGRF 分别为5.9 BW 和6.0 BW（图4E），S720落地中左、右脚的PvGRF分别为7.3 BW和9.5 BW（图5E），S1080 落地中左、右脚的PvGRF 分别为11.1 BW和7.3 BW（图6E）。

图4 BS落地下肢关节角度（A）、角速度（B）、力矩（C）、力（D），以及垂直地面反作用力（E）曲线（n=1）

图5 S720落地下肢关节角度（A）、角速度（B）、力矩（C）、力（D），以及垂直地面反作用力（E）曲线（n=1）

图6 S1080落地下肢关节角度（A）、角速度（B）、力矩（C）、力（D），以及垂直地面反作用力（E）曲线（n=1）

BS、S720 和S1080 落地，下肢关节刚度大小关系为：髋>膝>踝（图7），但S1080的T2阶段出现踝关节刚度大于膝关节的情况。另外，T2 阶段的下肢关节刚度大于T1阶段。3种动作落地的下肢关节刚度比较未见明显规律。

图7 BS、S720和S1080落地时下肢关节T1和T2阶段的刚度（n=3）

BS落地T0阶段，左右下肢共8块肌肉的肌电都已预激活（图8），肌电幅值从T0 到T1 都在增加，并在PvGRF附近达到峰值，且在T2阶段仍保持较高振幅。

图8 BS标准化后肌电均方根（EMGRMS）的共激活（n=6）

3 讨论

BS 是体操中的一个非常基础的技巧动作，它是发展难度动作以及组合动作的基础，S720、S1080与BS同属于向后的空翻类技巧动作[17]。BS、S720 和1080 难度依次增加，其腾空高度、落地后重心下降的幅度、峰值vGRF 也依次增加。冲击初期3 种落地的髋、膝和踝关节快速屈曲，表现为屈肌力矩（踝背屈），而冲击后期转变为伸肌力矩（踝跖屈），且下肢EMGs、JRFs 及关节刚度达到较高水平。

落地前（T0 阶段），3 种落地动作的膝关节角度基本没有变化，大致保持在约170°的微屈状态。BS由于腾空时间较短，髋关节在此阶段有一定幅度的伸展，主要是为了增加身体的转动惯量，以减小落地的角速度；踝关节有较大幅度的背屈，以至于踝关节的角速度在此阶段达到或接近最大值。S720、S1080的腾空时间相对较长，身体处于伸展状态，S720下肢3个关节角度基本没有变化，S1080的髋、踝关节同时小幅度屈曲（踝背屈），后者可能是由于难度更大，需要尽早地为落地做准备。

落地冲击初期（T1 阶段）时间较短（36～40 ms），3种落地动作的下肢关节都快速且有较大幅度的屈曲（踝背屈）。BS、S720都是踝关节角速度最大，而S1080却是膝关节角速度最大，踝关节的最小，说明高难度动作的落地站稳需要踝关节更好的固定，这对踝关节提出了更高要求。流行病学调查研究发现，踝关节损伤发生率是体操项目中最高的[37，38]。BS、S720 和S1080动作落地PvGRF 分别达到11.9BW，16.8 BW 和18.3 BW。有文献报道BS落地PvGRF 为7.1～13.2 BW[25]，后空翻两周落地时PvGRF 可以达到8.8～14.4 BW[21]。本研究S720 和S1080 落地的PvGRF 超过前人文献的报道，可能因为这两个技巧动作难度高于后空翻两周落地，但目前暂未看到更高难度动作落地有关GRF 的报道。

另外，BS、S720 双脚几乎同时落地，而S1080 双脚并非同时落地（间隔4～8 ms）。有研究发现双脚依次着地技术与同时着地相比，可以减少落地冲击力2～3 BW[5]，这可能是本研究S1080中左、右脚不同时落地的原因。虽然体操裁判很难分辨极短时间内的不同步落地，但S1080先落地的左脚PvGRF比右脚大很多，左下肢JRFs 也明显大于右侧，这势必会增加左下肢损伤风险。3个动作落地下肢关节都表现出屈肌力矩，意味着体操运动员并不是一旦触地就马上来抵抗冲击负荷，而是下肢关节有主动屈曲动作。根据动量定理（F·△t=m·△v），落地站稳后速度为零，等式的右边只由触地瞬间的速度决定，所以体操运动员下肢关节主动屈曲，有利于增加冲击力作用时间，从而达到有效减小冲击力的目的。娄彦涛等[39]在研究自由式滑雪空中技巧落地时发现，采用主动屈髋、屈膝和背屈踝动作，可以有效减少损伤的发生。所以，此阶段运动员下肢关节快速而主动的屈曲（踝背屈），有利于更好地减缓落地冲击；而高难度技巧动作双脚的不同步落地可能会增加一侧关节损伤风险，尤其是踝关节。

落地冲击后期（T2 阶段）时间相对T1 较长（120～140 ms），BS 落地下肢关节角趋于稳定，而S720 和S1080 落地会继续快速屈曲（踝背屈）。随着难度的增加，下肢关节的屈曲程度也会增加，结果发现S1080最后下肢关节角度都小于90°，这种落地通常被称为软着陆（膝关节屈曲小于90°）[40]。研究报道增加落地时下肢关节角度可以有效减小GRF[25]，但可能会导致肌肉和韧带的损伤风险、影响落地的稳定性[5，41]。另外，3个动作落地的下肢JRFs 在此阶段达到峰值，且都是踝关节最大，膝其次，髋最小，这可能与3 个关节距地面作用点的距离有关，体现了多关节之间的协同[42]。还有，这些JRFs 峰值都发生在各自的PvGRF 之后，S720、S1080 落地下肢JRFs 几乎同步达到峰值，说明更难的技巧动作落地下肢关节会采用同步用力方式来抵抗落地冲击。3个动作落地下肢关节从T1阶段的屈肌力矩转变为此阶段的伸肌力矩（踝跖屈力矩），且大小为屈肌力矩的几倍，说明此阶段下肢关节在全力抵抗落地冲击。BS、S720落地膝关节伸肌力矩大于髋和踝关节，提示膝关节在落地中缓冲了更多的GRF。然而，在S1080 落地中，髋关节的伸肌力矩最大，提示运动员在一般难度动作中使用以膝关节为主的缓冲策略，而在更高难度的动作中会使用以髋关节为主的缓冲策略。因此，随着动作落地难度的增加，下肢关节会增大屈曲角度和伸肌力矩，以及由膝关节为主的缓冲策略向髋关节为主的缓冲策略转变，与此同时也对踝关节及周围韧带提出了更高的要求，增加了其损伤风险。

下肢关节刚度和肌肉的激活水平在落地过程中起到重要的调节作用。尽管刚度本身是一个材料力学概念，但可以将关节的变形和屈曲行为简化成弹簧-质量模型[43]。关节刚度自身的调节也要依赖于关节周围肌肉的激活程度和神经反馈作用[44]。上述所测的下肢表面肌电信号结果表明，T0阶段都已激活，为落地做好积极准备，T0到T1阶段肌电均方根振幅总体上呈增加趋势，并在T2阶段仍保持较高的激活水平。下肢关节刚度在T2阶段大于T1阶段，这种刚度的调节有利于身体姿势的稳定，以及顺应周围的环境[45]。T2阶段下肢关节刚度的增加有利于防止身体的“坍塌”，它和下肢关节力、伸肌力矩和肌肉激活程度共同吸收或抵抗落地冲击。另外，值得关注的是S1080的T2阶段踝关节刚度大于膝关节，可能是由于踝关节屈曲角度减小所致。踝关节在这3个关节中属于较小的关节，在高难度动作落地中刚度过大，可能会增加其撞击性损伤风险[46]。Brad⁃shaw 等[5]曾对两名体操运动员长期跟踪研究发现，其踝关节刚度的增加，引起了单脚或双脚足跟疾病。

综上，本研究显示，着地前体操运动员伸展下肢关节，即将落地和落地冲击初期快速主动屈曲下肢关节，而在落地冲击后期全力伸展下肢关节。这种落地策略可以有效减缓落地冲击，有利于下肢损伤的预防。本研究也存在局限性：①样本量较小，BS、S720 和S1080每个动作只取了1 个样本，都是基于体操评分规则选择的最好的一个动作。②研究只涉及到男子体操运动员，而没有女子体操运动员，男子和女子运动员在身体形态、素质和机能上存在差异。因此，今后的研究仍需增加动作的样本，并包含男子和女子运动员。

4 结论

体操后空翻类技巧动作的落地，下肢关节负荷随着动作难度的增加而明显增加。在即将落地前，更高难度的动作需要提前屈曲下肢关节为落地做积极准备；落地冲击初期，下肢关节快速主动屈曲，更高难度的动作可能还会采取双脚不完全同步落地的缓冲策略；落地冲击后期，下肢关节全力伸展，更高难度的动作落地还会继续增加下肢关节屈曲以抵抗冲击。