基于惯性动作捕捉系统的冰球护具动态舒适性评估

【作者】 吴益巍； 陈骐； 孙利鑫； 田寅生； 沈燕飞；

【机构】 北京体育大学体育工程学院； 国家体育总局体育科学研究所体育工程研究中心；

【摘要】 研究目的:作为一种个体防护装备,冰球护具的材质、尺寸设计和适配性可能会干扰正常活动并影响球员的运动表现。因此,了解冰球护具对活动性能的影响,特别是对上肢活动范围的影响,对于改进护具设计、提高舒适性和防护性能以及指导球员如何选择适合自己的护具以提高运动表现具有重要意义。过去主要采用非量化的主观评测法,但该方法在评价周期及评价尺度上存在缺陷,不利于产品设计与评估的规范化。因此,本文提出了一种基于惯性动作捕捉系统的冰球护具动态舒适性评价方法,旨在客观、准确地评估冰球护具的动态舒适性。研究方法:个体防护装备的工效性能评估通常包括静态及动态任务两种,其中静态任务是指穿戴者穿戴护具后所进行的关节单自由度(DOF)运动。动态任务是指模拟佩戴者的真实任务或工况中的运动而进行的防护装备活动性能评价。本研究首先通过Perception Neuron Studio (PNS)惯性动作捕捉系统采集球员穿戴不同冰球护具(不穿戴护具与穿戴五款不同类型护具)时完成静态(肩关节屈曲、肩关节伸展、肩关节内收、肩关节外展、肩关节内旋、肩关节外旋、肘关节屈曲、前臂旋前及前臂旋后)、动态(冰球拉射及大力击射)任务时的上肢运动学数据来对护具对于球员活动性能的影响进行量化。关节活动范围(range of motion,ROM)一般被用作对受试者在穿戴个体防护装备时活动能力的主要测量指标。在本研究中,上肢关节活动范围(即肩关节和肘关节在矢状面、冠状面和水平面)被用来描述六种不同护具条件下的运动学。六种类型护具的测量顺序是随机的,而测试任务的顺序是一致的,依次为肩关节屈曲/伸展、肩关节内收/外展、肩关节内旋/外旋、肘关节屈曲、前臂旋前/旋后、拉射及大力击射。因此,本研究将不穿戴护具作为对照组,将穿戴不同类型冰球护具下所采集到的关节活动范围与对照组进行差异性分析。其次,本研究通过主观量表获取冰球运动员对于不同护具舒适性、防护性的感知并且将主观评价结果与客观数据进行相关性分析。因此,基于Likert设计主观评价问卷并在每种护具测试后收集主观评价结果,并将舒适性主观评价结果与不同类型冰球护具下的关节活动范围进行相关性分析以探究活动性能与舒适性间的关系。研究结果:研究结果表明,相比不穿戴护具,所有冰球护具均对静态任务中球员上肢关节活动存在显著限制(P<0.05,h2p=0.394),平均关节活动限制范围为11.8%至16.7%不等。舒适性主观评价结果与静态任务下的关节活动范围高度相关(r=0.821),表明基于静态任务可以提供相对准确的冰球护具舒适性评价结果。同时,相比不穿戴护具,五款护具对动态射门任务中的球员上肢关节活动均有显著限制(P<0.05,h2p=0.284)平均关节活动限制范围在14.0%至21.8%间。舒适性与动态任务下的关节活动范围存在较高的相关性(r=0.718),表明基于动态任务可提供较为准确的护具舒适性评价。此外,本研究还综合静、动态任务中的上肢关节活动范围与舒适性评价结果进行相关性分析,结果发现两者间存在极度相关(r=0.975,p<0.01),表明基于两种任务的综合评价方法可对冰球护具动态舒适性提供更为客观、准确的评价结果。研究结论:(1)现有的冰球护具在静态任务中都对球员的关节活动产生了不同程度的负面影响。这种活动限制可能是由于护具保护面积的增加所造成的。此外,评估防护装备的工效性能时,静态测试任务的目的是研究个人防护装备对于着装人员单一关节活动性能的影响。而本章节研究所设计的静态测试任务更有利于获得护肩、护肘特定部位的设计特点和人体工程学性能的信息。(2)与静态任务不同的是,动态任务中球员穿着护具后的活动性能受到多个关节同时运动的影响。因此,动态任务更接近于获得冰球运动员在比赛中如何受到护具影响的真实情况。根据动态任务的结果,本研究发现护具对球员的关节运动同样存在有明显的负面影响,这也与静态任务中发现的情况相似。(3)本研究基于惯性动作捕捉系统的运动学分析方法对冰球护具对活动性能和舒适性的影响进行了量化,静态任务下的关节活动范围测试可以提供对护具在关键部位限制性的评估,而动态任务则可以提供对护具在实际运动中的运动表现评估。综合使用静、动态任务可以获得更全面、准确的评估结果,并更好地了解冰球护具的优点和缺陷,基于惯性动作捕捉系统的评价方法可为冰球护具的动态舒适性评估提供客观、准确的评价结果。更多还原