基于运动捕捉系统的自由泳转身动作三维运动学特征分析

【作者】 黄东香； 黄波； 温泽华； 黄卓楠；

【机构】 韶关学院； 华南师范大学；

【摘要】 研究目的:自由泳往往被看作是衡量一个国家游泳水平的标志,纵观历届世界级游泳赛事,自由泳奖牌数很大程度上决定了竞技游泳的奖牌总数。竞技游泳由出发、途中游、转身及冲刺到边四个部分组成,转身对提高竞赛成绩有重要影响。优化转身技术不仅可以帮助运动员提高成绩,还能使运动员在长距离项目中节省体能。蹬壁瞬时速度(Vpush-off)是量化转身动作的关键指标。本研究采用不需要人工识别关节点的三维运动捕捉系统,获取相关运动学指标,一是探讨影响蹬壁瞬时速度的运动学因素,二是分析指标的三维特征,从而进一步细化和丰富自由泳转身理论。研究方法:采用VENUS3D R(日本)三维运动捕捉系统,对运动员自由泳转身动作进行运动学参数捕捉。该系统包含15台光学相机,其中水下9台光学相机被摆放成椭圆形,高度均为0.4米。陆上6台光学相机高度均大于1米,左侧2台相机高度为1.5米,前面2台为1.2米,右侧2台为1米。所有相机的角度均以运动员自由泳转身动为焦点。1台120HZ的高速摄像机被放置在水下泳池一侧,用于记录测试对象的转身动作视频。为使数据更准确、可靠,高速摄像机和动作捕捉系统进行了时间上的同步。将8个marker球分别粘贴在运动员双侧髋骨、双侧股骨大转子、双侧膝关节以及双侧踝关节等部位。测试前,要求每名运动员进行400米热身和6次自由泳转身练习。测试中,要求运动员以最大的速度从转身前15米游进,并于转身后15米结束,每名运动员均进行3次转身,时间间隔为2分钟。由于水波和光照等的影响,最终获得28次转身轨迹。运动学指标为蹬壁瞬时速度、角速度(ωmax)、屈膝指数(Tuck Index)、瞬时加速度(a)以及蹬壁时间(Tpush-0ff),并用平均值±标准差(Mean±SD)表示。多元线性回归法被用来分析屈膝指数、瞬时加速度、角速度以及蹬壁时间对蹬壁瞬时速度的贡献度。研究结果:1)角速度、瞬时加速度、蹬壁时间分别与蹬壁瞬时速度之间正相关(r=0.862,P<0.01;r=0.532,P<0.01;r=0.436,P<0.05)。屈膝指数与蹬壁瞬时速度负相关(r=-0.523,P<0.05)。2)蹬壁瞬时速度、蹬壁时间、屈膝指数、角速度及瞬时加速度的平均值依次为3.14m/s、0.30s、0.72、229.8°/s和0.51m/s2;蹬壁瞬时速度的回归方程为:Vpush-off=2.84+0.165Tpush-0ff+0.385a-0.118Tuck Index+0.332ωmax。3)蹬壁瞬时速度最大的是运动员S7的3.76m/s,其次为S1的3.532m/s,第三是S4的3.5m/s。矢状轴、垂直轴与额状轴的蹬壁瞬时速度的平均值和标准差依次为0.36±0.19m/s,0.99±0.48m/s,2.98±0.32 m/s;矢状轴蹬壁瞬时速度最小值为0.13 m/s,最大值为0.8 m/s;垂直轴蹬壁瞬时速度最小值为0.31 m/s,最大值为1.85 m/s;额状轴蹬壁瞬时速度最小值为1.98m/s,最大值为3.76 m/s。4)垂直轴角速度最大(230±68.76°/s),其次是矢状轴角速度(57±20.36°/s),第三是额状轴角速度(14±7.77°/s)。5)垂直轴瞬时加速度与蹬壁瞬时速度之间正相关显著(r=0.582,P<0.05),矢状轴、额状轴的瞬时加速度均与蹬壁瞬时速度负相关(r=-0.631,P<0.05;r=-0.428,P<0.05);屈膝指数在三维空间轴的值均大于零。研究结论:1)提高滚翻速度和瞬时加速度有利于获得较大的蹬壁瞬时速度。蹬壁时间与蹬壁瞬时速度正相关,但贡献度很小,且从转身总时间角度考虑,增大蹬壁时间,转身总时间有可能增长,因此,不建议运动员通过增加蹬壁时间来提高蹬壁瞬时速度。从提高蹬壁瞬时速度的角度出发,应减小屈膝指数,可通过减小膝关节角度及增大人体下肢长度来实现。2)角速度和瞬时加速度是影响蹬壁瞬时速度的两个主要因素,贡献度分别占40.3%和36.5%,其次是屈膝指数,占13.6%,蹬壁时间的贡献最低,占9.4%。蹬壁瞬时速度的提高,可以通过转身前的加速,滚翻时身体收紧,滚翻速度加快,以及触壁时膝关节角度保持在90-110度之间来实现,当以上条件都满足时,才有可能达到最优的转身蹬壁效果。3)运动员在蹬离池壁时刻,身体在三维空间已经发生了运动,即身体发生了倾斜。蹬离池壁时,身体在三维空间发生运动,会使身体横截面增大,从而给运动员在接下来的滑行阶段带来更大的阻力。因此,建议运动员在平时的蹬伸池壁练习中,尽量控制身体前进方向与水平方向一致。4)运动员在自由泳转身的滚翻与蹬壁阶段以屈伸髋运动为主,其次是上下运动,然后是横向运动。垂直轴方向的运动与运动员自由泳转身的前进方向相同,然而,运动员在矢状轴与额状轴上产生了角速度,即在横向与上下方向上消耗了能量,削弱了运动员前进方向的动能,使运动员稳定性变差。因此,游泳运动员应在平时练习中,提高对身体稳定性的训练。5)在上下、左右方向上的加速运动越大,蹬壁瞬时速度越小,因此,自由泳转身过程中,运动员应尽量避免做上下运动和左右横向运动。S7屈伸髋过程加速能力最大;建议运动员在平时的转身练习中,加强对蹬壁时身体方向感的训练。更多还原