健美操运动员空中转体过程中的肌肉活动特征研究

贺 莉，李慧萌，江绪兵，项亚光

（皖西学院体育学院，安徽六安 237012）

0 引言

作为体育强国，健美操在我国有了很好的发展，在国际大赛中获奖无数，已处于一个较高水平，为了完善运动员的健美操训练方式，分析健美操运动员的肌肉活动特征，结合运动员自身肌肉特点，设计适合比赛的体操动作.文献［1］利用特征提取手段，从分解的健美操动作中，识别出肌肉活动特征；而文献［2］根据运动员的静态平衡能力，着重分析支撑运动姿态，分析平衡能力下的肌肉活动特征；文献［3］则根据健美操的连续性动作特点，通过视觉误差校正方法，获取不同的运动姿态，从而实现对运动员肌肉活动特征的分析.这三种方法虽然也得出了相应的分析结论，但根据该结论实施的训练课程并没有达到预期效果，导致肌肉活动特征分析结果不准确.因此针对这一现状，对健美操运动员支撑与空中转体过程中，肌肉的活动特征提出全新的分析方法.该方法通过掌握运动员的身体动力，建立分析模型，以此获取不同运动状态下的肌肉特征.该分析方法为健美操运动员的动作姿态设计提供肌肉活动数据，同时也为平衡木、高低杠、鞍马以及吊环等运动员肌肉特征分析，提供科学的理论依据.

1 健美操运动员空中转体时的肌肉活动特征分析方法

1.1 运动员身体动力变化分析

健美操蕴含了爵士舞、迪斯科舞、拉丁舞以及霹雳舞等多个舞种的动作姿态，健美操的基本动作包括：四肢、躯干、头部、足部以及髋关节等部位的伸展、支撑以及扭动，在上述动作基础上，结合不同的身体部位，形成具有一定难度的起跳、支撑、转体和落地等规范动作，这些动作根据运动姿态的不同，其肌肉活动量也不尽相同.因此研究肌肉活动特征，需要预先分解健美操运动员的身体动作，分析运动过程中的身体动力变化量.健美操支撑、转体的运动前提，是运动员的离地起跳动作，平稳、充满力量的起跳动作可以确保支撑稳定，从而借助起跳的惯性，实现高度滞空的空中转体动作.运动员助跑起跳过程中，身体重心会发生明显变化，该变化直接影响运动员的支撑落点，图1 为男、女运动员助跑起跳之前的身体重心变化曲线［4］.

图1 运动员起跳前的身体重心变化Fig.1 The change of body center of gravity before the athlete's jump

根据图1 可知，由于男、女运动员的体质差别，因此重心会有轻微不同.而男、女运动员在起跳时，足部着地的重心瞬时速度为：

公式中：vx表示重心水平速度；vy表示重心垂直速度；Δs表示步长位移量；Δt表示趋近于0时的助跑时间；v0表示运动员运动过程中重心的初始速度；k表示瞬时速度公式的固定系数；t表示运动开始到起跳之前的运动时间.根据该公式得出男女运动员的重心参数值，将该数值与国家优秀选手的重心参数相比较，对比结果如表1所示.

表1 健美操运动员的重心瞬时速度参数Tab.1 .Instantaneous speed parameters of center of gravity of aerobics athletes

上述所得计算结果，为身高、体重、性别不同的健美操运动员，在助跑起跳过程中的身体重心运动瞬时速度，根据该值设置动作分解参数，实现对身体动力变化的区别分析.

1.2 建立分析模型提取姿态特征

以公式（1）的计算结果为依据，建立补偿分析模型，利用该模型提取运动员的支撑、转体姿态.该模型参考互补分析算法的计算原理，引入身体动力特征参数，构建一个满足人体肌理变化特征的模型：

图2 空中转体健美操动作模拟图FIG.2 Aerobics movement simulation diagram

公式中：qs表示在三维空间s中的人体运动姿态特征向量；i表示骨骼衔接处的一个节点；j表示与该节点相连接的邻节点；xi、yi、zi表示i节点的空间三维坐标；xj、yj、zj表示j节点的空间三维坐标［6］.该姿态特征下的人体骨骼简图，如图3所示.

图3 人体骨骼简图Fig.3 Schematic diagram of human skeleton

根据图3所示的骨骼受力特点、运动角度，分析健美操运动员的肌肉活动特征.

1.3 计算关节耐力分析支撑运动时的肌肉活动特征

根据动作姿态特征，结合骨骼受力特点，计算关节在起跳时刻的耐力，根据耐力值分析运动员从跳点起跳或开始动作时，撑起过程中肌肉的活动特征.假设助跑的惯性力为F0，跳点位置为mi，运动员的足部蹬力为Fm，则关节的耐力值为：

上式中：sn表示支撑动作下发力的n个关节节点位置；Fsn表示每一节点位置的关节耐力值；t表示瞬时支撑时长；μ表示起跳时的双手摆臂幅度；ωi表示i个受力关节，在下蹲时的缓冲角度［7］.此时受人体重心的影响，肌肉随着人体的支撑运动形成伸缩-舒展-伸缩-舒展的活动方式.利用一个小型监测装置，截取运动员在支撑这一时段的肌肉活动动态图像，设置若干计算节点，如图4所示.

图4 支撑动作的肌肉分析节点设定位置Fig.4 Set position of muscle analysis node supporting action

图中的节点位置用Ai表示，根据分析算法的计算原理，结合公式（4）的计算结果，获取肌肉活动特征函数，存在：

公式中：xi表示第i个身体部位的肌肉伸缩值；n表示肌肉伸缩次数；ε表示肌肉弹性；ai表示部位i处的肌肉变化指标；Ei(xi)表示对所有肌肉伸缩值的i次特征分析［8］.根据该函数，实现对支撑状态下的健美操运动员肌肉活动特征分析.

1.4 计算关节最大运动角度分析转体时肌肉活动特征

健美操运动员借助支撑时的瞬间撑起力度，在空中做出规定的转体动作，此时动作受转体力度以及关节角度的影响，做出的转体动作弧度会有一个极大值，该极大值会牵制肌肉的活动峰值.统计不同性别、不同类型的健美操选手身体特征，其关节的最大活动角度如表2所示.

表2 运动员转体过程中的关节活动参数Tab.2 Parameters of joint movement of athletes during body rotation

根据表2中的偏离量数据可知，虽然男女运动员在体质上存在一些差距，但对于均衡系数还是比较接近的，偏离量数值处在一个较小的范围内.转体动作经分解后，其中一个动作如图5所示［9］.

图5 空中转体示意图Fig.5 .Schematic diagram of air rotation

根据图5可知，身体在空中做出规定技术动作时，肌肉的活动量与关节角度的极限值呈正相关，当转体幅度大时，则肌肉在最大关节角度的限制下，此时其肌肉活动伸展量，也为最大极限.结合表2 中的数据，计算健美操运动员，在空中展示转体技术时，关节的最大运动角度为：

公式中：α表示关节最大运动角度；arctan(*)表示任何转体方向上的关节角度运算函数；x1、x2表示支撑点和受力点的横坐标；y1、y2表示支撑点和受力点的纵坐标.根据该角度值并结合公式（4），求出运动员转体过程中的肌肉活动特征值：

公式中：Ej(xj)表示在转体状态下，运动员肌肉伸缩值的j次特征分析结果，其中xj表示j处身体部位的肌肉伸缩值；m表示肌肉活动次数；αj是公式（6）计算得到的关节活动角度；ϑj表示每一身体部位的转体运动方向［10］.根据该函数公式求得角度变化下的肌肉活动特征值，根据该值设置标准的健美操技术动作，提升运动员的日常训练水平，至此根据健美操运动员的空中转体运动特点，实现对肌肉活动特征的分析与研究.

2 实验测试与分析

为了验证健美操运动员空中转体过程中的肌肉活动特征分析方法的有效性，利用双核英特尔第二代酷睿处理器，在OPTIPLEX3010为主频，VS2010+OpenCV2.4.13，Windows10操作系统Inte（lR）Xeon（R）CPU GB 内存，且测试图像的帧率为30 fps，分辨率为800*600，软件为Matlab2009 a 的环境下进行一次仿真实验.将所提分析方法和传统方法，均应用到实际检测环境中.将实验环境作为基本测试条件，对比不同分析方法的分析能力，找出方法之间的差异，根据测试结果得出具体研究结论.

2.1 实验准备

以某省的A 体育大学和B 体育学院为实验背景，在健美操部门和健美操俱乐部中，分别随机挑选10 人作为实验对象，分析这些学生在空中转体运动时的肌肉活动特征.实验对象的基本信息如表3所示，表中的编号W表示女同学，编号N表示男同学.

表3 实验对象基本信息Tab.3 Basic information of experimental subjects

根据表3 中的学生信息可知，A 体育大学和B 体育学院均挑选4名女生和6名男生，且这些运动员的等级不同，令实验测试结果更具合理性.将两所学校的健美操运动员，带入一个温度适宜的体育馆内，将该体育馆作为实验环境，令所有参与实验的学生所使用的场地保持一致，该实验场地如图6所示.

图6 实验测试场地Fig.6 Experimental test site

将20个运动员搭配成4个人数不等的测试小组，设置10 套健美操动作，每套动作的测试时间为15 min，利用记录仪记录运动数据，分别利用本文方法、文献［1］方法和文献［2］方法分析健美操运动员的肌肉活动特征.

2.2 结果分析

将文献［1］方法和文献［2］方法作为此次实验的对照组，与所研究方法进行对比，图7 为此次得到的实验测试结果.

图7 是对20 名实验对象，身体上的10 个肌肉部分进行活动特征分析，已知身体在做出支撑和空中转体动作时，肌肉的活动也是左右对称的，这样才能保持身体平衡.从图中可以看出，在同类肌肉类型下，所提出方法分析得到的左、右肌肉活动特征量的数据非常接近；而传统方法分析得到的肌肉左右特征量相差较大，并不是一个相对平衡状态，可见该分析方法存在一定分析误差，导致对运动员肌肉活动的特征分析结果失真.综合上述分析，可见所提出的肌肉活动特征分析方法，得出的测试结果更加精准.

为了进一步验证本文方法的有效性，对本文方法、文献［2］方法和文献［3］方法的肌肉活动特征分析结果准确率进行对比分析，对比结果如图8所示.

图8 三种方法的分析准确率对比结果Fig.8 Comparative results of analysis accuracy of the three methods

根据图8 可知，本文提出的方法中肌肉活动特征分析结果准确率最高可达80%，而文献［2］方法和文献［3］方法肌肉活动特征分析结果准确率最高只有65%和50%，即本方法中肌肉活动特征分析结果准确率比传统方法的分析结果准确率高.

3 结束语

在健美操运动员空中转体过程中，根据传统肌肉特征分析方法存在的不足，提出全新的肌肉活动特征分析方法，该方法通过建立分析模型，控制特征量的分析误差，同时设立大量的节点坐标，保证对每一块肌肉的具体分析.根据此次提出分析方法获取的肌肉特征，设计出更加适合运动员自身的健美操组合动作，提升动作完成标准的同时，增强运动员在竞技赛场上的竞争力.但该分析方法由于设置的节点数量居多，计算量偏大，因此该方法的分析效率不高，今后要对节点设置问题进行精简处理.