浙江省优秀青年男子排球运动员强攻扣球手臂挥摆动作运动学与表面肌电学分析

郑兆云

在排球众多技术中,观众最喜欢观看的无疑是扣球技术动作,因为它是所有技术中得分率最高的。有研究表明,强攻扣球在反攻中占有主要地位,女子大约占70％,男子约占80％以上,而在接发球进攻中强攻扣球也占大约30％～40％[9,11],可以看出,强攻扣球是得分的重要手段,同时万京一等人认为,挥臂击球是扣球各项环节的关键[6]。目前,对排球扣球动作的研究主要是通过摄像解析法单纯地从运动学角度进行外部动作结构的分析,而且,多是对助跑起跳阶段进行研究。华立军等人[3]对男子助跑起跳阶段下肢肌肉的活动情况进行了表面肌电分析与研究；吕品对女子排球运动员扣球助跑阶段的起跳技术进行了运动学分析[4]；Clutch和 David[14]以加拿大国家男子排球运动员为研究对象进行了扣球助跑起跳技术的运动学研究,发现起跳中髋关节伸展早于膝、踝关节；华立军等人[3]对男子排球运动员4号位扣球动作进行了下肢表面肌电的分析,发现臀大肌、股四头肌和小腿三头肌等伸肌群在起跳过程中发挥着重要的作用。

从以上的一些研究能够看出,对扣球技术动作的研究主要集中在助跑起跳技术,而缺少对扣球挥臂动作上肢肌肉工作原理方面的研究,本研究使用高速摄像和表面肌电仪从外部技术动作结构和内部肌肉工作原理两个方面同步研究排球挥臂扣球动作,这对于运动员提高技术动作以及提高击球效率都具有重要的意义,同时,对排球运动员上肢肌肉专项力量训练也具有重要作用。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

本研究选取浙江省青年排球队的7名男子运动员为受试者,受试者身高为 190.4±3.15 cm,体重 75.9± 5.1 kg,年龄16.9±1.5岁,运动年限2.7±1.3年。

1.2 研究方法

1.2.1 实验仪器与材料

两台美国生产的troubleshooter高速摄像机、芬兰Mega公司生产的8通道M E 6000遥测表面肌电仪、Ag-cl表面电极、酒精棉球、弹性绷带、三角架、三维框架、500 W照明灯、皮尺、排球10个。

1.2.2 实验设计方案

在测试开始之前每名受试者进行15 min的热身活动,同时向受试者讲清楚实验的程序,整个实验过程得到受试者的允许。由1名二传手在3号位传球,令受试者在在排球场地4号位起跳做强攻扣球动作,由于配合问题可能不会保证二传手每一次传球都能使4号位起跳有最佳扣球效果,因此,每名运动员做5次扣球动作,最后再由专家确定最佳的一次扣球动作为研究对象,为了保证每一名选手都有相近的扣球动作,令受试者将球扣在对面的5号位。动作阶段划分,根据以往一些学者的研究将扣球动作分为助跑期、起跳期、空中击球期和落地期4个部分[11](图1）。本研究的重点为空中扣球阶段,而且通过反复观察摄像发现,这个阶段根据动作结构不同还应该划分3个期：

1.引臂后拉期,此期特点是起跳开始后上臂上提一定程度后外旋并且后拉至最大位置。

2.甩臂击打期,从引臂后拉期结束到手接触球阶段。3.击打作用期,手与球开始接触到球离开手。

图1 运动员扣球全过程示意图

1.2.3 数据采集与处理

1.2.3.1 表面肌电数据采集与处理

选取受试对象的三角肌前束、三角肌后束、肱二头肌、肱三头肌、胸大肌、背阔肌、前臂腕屈肌群、前臂伸肌群为测试肌肉,使用双极测试方法,这样可以降低信号串线(crosstalk）[10],两个记录电极放在肌肉隆起的正中线上,两记录电极之间的距离为2 cm,参考电极放在附近的骨性突起处。粘贴电极之前用砂纸打磨皮肤,然后用酒精擦净,以降低测量时候由皮肤碎屑引起的高阻抗。用弹性绷带将电极线捆绑在肢体周围,以防止因为电极线抖动引起基线漂移,采用遥测方式对扣球挥臂动作时肌肉的电活动进行记录,采样频率设置为1 000 Hz。

在正式记录肌电信号之前,首先进行幅值标准化处理(normalization）,最大幅值测试方法采用 Peter Konrad中使用的方法对肌电信号进行标准化处理,即将每一个人需要测试的每一块肌肉在扣球过程中的肌电振幅除以该块肌肉在等长最大随意收缩下的最大肌电幅值,用％MVC来表示,这样可以消除一些生理和测量干扰因素[12],为了减少误差,最大肌电幅值测试进行3次,取3次最大值的平均值作为基准参考值。

对采集到的原始肌电信号进行10～500 Hz的带通滤波,然后使用均方根法(公式1）进行全波整流,再使用移动平均窗法(moving average window）[8]进行数据平滑(公式2）,窗口宽度定为0.01 s,步长为2个采样点,图2为三角肌前束整流后平滑效果。

I为均方根振幅的指数,i为第几个原始数据,n=[1, N+1,2N+1,…],N为计算均方根的点数。

Yi为经过移动平均窗法平滑后的时间序列,Xi为整流后的时间序列,K为正整数,移动平均窗法是对整流后的时间序列每2k+1或者2k个观测值取平均值,最后输出的序列就是平滑后的时间序列 Yi。

图2 三角肌前束平滑滤波后效果示意图

表面肌电学相关指标定义：

肌肉激活程度,将所测试的某块肌肉某一段划分时期内的均方根振幅值平均值除以该块肌肉等长最大随意收缩时最大幅值,用％MVC表示,同一块肌肉在不同阶段时期的比较可以反映该块肌肉的激活程度,该值越大表明激活程度越高。

1.2.3.2 运动学数据采集与处理

高速摄像机的拍摄速度设置为250 fps,快门速度为1/1 000。首先给运动员扣球侧的肢体关节处贴上荧光胶布,这样做是为了便于解析技术动作时数字化描点。两台troubleshooter高速摄像机分别放在运动员扣球手的侧面和正面进行三维拍摄,正面摄像机放在受试者的背面以防止网的遮挡,两台摄像机的主光轴大约成95°,调整两台摄像机到运动平面的距离直至将运动员的动作全部收录进去, x轴正方向为前进运动方向,y轴为垂直方向,z轴为左右横移方向。

使用美国的APAS运动解析软件将收集到的影像图片数据进行解析,人体模型选择日本松井秀治模型,再添加附加点作为球的模型,采用6Hz截止频率进行数据平滑,得到位移、速度、角度、角速度等参数。

运动学相关指标定义：

背弓角,空中击球动作期间,肩关节、髋关节、膝关节三点连线形成的最小夹角。

挥臂角,空中跳起引臂后拉预备击球时,肘关节、肩关节、髋关节三点连线形成的最大夹角。

挥臂速度,击球瞬间手指末端的三维合速度。球出手速度,球脱离手后产生的三维合速度。

图3 排球运动员扣球时背弓角示意图

图4 排球运动员扣球时挥臂角示意图

1.2.3.3 摄像与表面肌电同步方案

通过遥测表面肌电仪的外发触发器触发两个灯源,这两个灯源分别放在两台高速摄像机前面,在启动肌电仪记录开始后,按下 mark键可以产生触发过程,第一个 mark标志表示动作开始点,第二个mark标志表示动作结束点,肌电中出现mark点时刻和两台摄像机同时拍摄到的灯源时刻就是三机的同步点。

1.2.4 数理统计法

使用SPSS 11.0软件对数据进行统计分析,所有数据用±SD表示,采用皮尔逊相关分析方法进行相关分析,显著性检验标准为a=0.05。

2 结果与分析

2.1 不同阶段肌肉激活情况

从表1中能看出,在跳起扣球的引臂后拉期三角肌前束的电活动最强,为39.8±22.4％MVC,说明在此阶段神经系统动员较多的支配三角肌前束的运动神经元,三角肌前的主要作用是完成上臂在肩关节处的前屈,完成引臂动作。而作为其拮抗肌的三角肌后束电活动要低于三角肌前束,这样可能是为了保证主动肌积极发挥作用,顺利完成上臂及前臂的挥摆,而提拉上臂之后,上臂后拉动作则主要依靠三角后束收缩来完成,因此,三角肌后束的电活动水平也比较高,为28.1％±9.8％MVC。在此阶段,肱二头肌也表现出较高的电活动水平,为24.5％±16.7％ MVC,原因是肱二头肌有两个功能,肱二头肌长头肌可以使上臂在肩关节处前屈,这也正符合这个阶段的动作特点；另一个功能是肱二头肌短头肌可以使前臂屈曲,前臂靠近上臂,肱二头肌短头腱使肘关节屈曲实际是通过牵张反射作用,为下一个阶段前臂在肘关节处伸蓄能[15],以至于在下一个阶段产生更强的伸肘动作,同样,它的拮抗肌肱三头肌在这个阶段电活动水平较弱,体现了一种协调性。由于胸大肌具有使上臂屈曲的功能,所以,在这个阶段也体现出一定的电活动水平,而背阔肌主要参与引臂后的后拉上臂动作,因此,也产生一定的电活动。同时,还发现在这个阶段前臂屈腕肌群和伸腕肌群电活动水平较弱,说明此时腕关节处于一种放松状态。

在甩臂击打期,我们能看到前臂的屈腕肌群和伸腕肌群电活动水平比上臂前拉期明显增大,说明此阶段要加固腕关节,而且,屈腕肌群的电活动水平要明显高于伸腕肌群,说明腕关节处于屈曲状态,这样有利于击球。在这个阶段肱三头肌电活动强烈,因为肱三头肌积极收缩可以使前臂在肘关节处充分伸展,有利于击球。背阔肌表现为较高的电活动水平,是因为背阔肌收缩可以使上臂带动前臂后伸,而胸大肌在肩关节角度超过一定范围后,可以使上臂后伸[5],这样两者共同的作用是使上臂在肩关节处积极后伸从而带动前臂甩动,再加上肱三头肌的作用,最终使手关节像一个鞭稍一样鞭打,这从内部肌肉工作原理方面解释了排球扣球动作属于鞭打动作[16]。

在击打作用期各块肌肉电活动水平进一步增加,肱三头肌、前臂伸腕肌群、前臂屈腕肌群电活动都已经超过了等长最大随意收缩时的水平,分别为114.7％±67.4％、120.5％±75.3％、112.3％±100.3％,这可能超出了线形评估肌肉电活动水平的范围,出现放电水平高于等长最大随意收缩的水平,还有一种可能就是受试者在做等长最大随意测试的时候并没有发挥出最大力量,也可能会造成该值过于偏大,如果受试者在做等长最大随意测试的时候确实是发挥了最大力量,说明在动力性下做最大随意收缩会比在静力性下做最大随意收缩下产生更大的肌电幅值,那么,在最大等长收缩下产生的肌电幅值作为标准化的基准幅值方法可能受到质疑,所以,在该方面的研究还有待于进一步探讨。但是,本研究中肱二头肌和肱三头肌电活动水平增加的结果也符合蔡丰任的研究结论,即预追求击球瞬间的最大力量,必须强化肱二头肌和肱三头肌的力量训练[1]。在击打作用阶段前臂伸腕肌群和前臂屈腕肌群电活动水平进一步增强,可以大大增强腕关节的稳定性,从而能对抗击球瞬间球的反作用力,最终对球产生一个很大的冲量。

另外,从图5中可以清楚地看出,在各个阶段拮抗肌都有电活动,当然,所有拮抗肌的电活动水平都比主动肌弱,这体现出高水平运动员在完成扣球挥臂动作时肌肉的协调性。主动肌电活动水平高,从而使主动肌强烈收缩,这样可以保证挥臂动作有一个动力来源,而拮抗肌在不同阶段都表现出不同的电活动水平,从而保证拮抗肌在每个阶段都有不同程度的收缩,而拮抗肌积极收缩可以提供反向力矩,研究表明,在鞭打动作中要使末端环节获得较大的速度,近端环节必须要有起制动作用的反向力矩[13],本研究中三角肌后束、肱二头肌以及前臂伸肌群这些拮抗肌收缩能够在肩关节、肘关节以及腕关节处提高关节反向力矩,这样使相应的环节能够及时制动,从而使运动环节表现为依次加速-制动的特征。另外,郭峰[2]等人对高水平拳击运动员后手直拳技术动作的研究,发现上肢拮抗肌积极收缩与防止关节损伤有关,因此,本研究中拮抗肌表现出强烈的电活动也可能与防止运动员挥臂扣球时上肢损伤有关。

表1 本研究受试者扣球动作不同阶段肌肉激活情况一览表 (n=7）

2.2 空中扣球阶段运动学分析

从表2中能够看出,在所调查的7名优秀男子青年排球运动员中,在空中姿势变量中,背弓角为130.2°±4.7°,挥臂角为113.2°±6.1°,最后出手球速为23.5±0.7 m/s,目前,国内针对女子排球运动员扣球挥臂动作的运动学分析数据较多,而男子方面的研究较少,本次实验结果与这些学者报道的数据相近[7]。在排球扣球动作中,胸向前挺出,上下肢向后屈曲,这种姿势是为了维持身体在空中的平衡,因为胸向前挺出使人体重心向前,而下肢和上肢向后屈曲可以弥补重心向前引起的不稳,这称为补偿性平衡,这是背弓角的一个重要意义。另外从表2中能看出在击球瞬间,肩关节、肘关节、腕关节、手的三维合速度分别为4.1±0.4 m/s、6.5±0.9 m/s、11.3±1.9 m/s、23.5± 0.7 m/s,表现为各个关节的速度依次增加,这是动量传递的结果。根据鞭打原理,各个环节依次制动加速,作为鞭梢的手最后速度最大。从环节角速度看,肩关节角速度、肘关节角速度、腕关节角速度分别为811.7±125.5°/s、1123.6±156.7°/s、1 276.9±346.1°/s,符合角动量传递原理,可见,无论是关节的线速度还是环节的角速度,都是从近端关节向远端关节逐渐增加,这体现出高水平运动员扣球挥摆技术动作良好的协调性。

图5 本研究受试者扣球动作主动肌与拮抗肌不同阶段的电活动情况图

表2 本研究受试者空中扣球动作特征变量一览表 (n=7）

从表3中结果可知,球出手速度与背弓角、挥臂角以及挥臂速度的相关系数r分别为 -0.512(P＜0.05）、0.484(P＜0.05）、0.611(P＜0.01）。背弓角越小,最后球出手速度越快,正如前面所定义的背弓角是空中击球动作期间,肩关节、髋关节、膝关节3点连线形成的最小夹角,当起跳后准备扣球过程中,首先是胸部向前挺起,下肢和上肢向后拉伸,人体在空中形成一个即将弹射的“弓”形,在这个过程中胸腹部、肩部肌肉被充分拉长,根据牵长-收缩循环原理(stretch shortening cycle SSC）[11],在随后发生的收腹、挥臂、甩腕过程中储存在胸腹部和肩部肌肉被充分拉长的势能就会释放出来,再加上腹部和上肢肌肉自身收缩产生的力量,最终会产生一个瞬间极大的爆发力,那么,这个角越小,“弓”就拉得越满,最后产生的效果也就越明显。因此,背弓角对于最后的鞭打效果至关重要。

对于挥臂角来说,与球出手速度的相关系数r为0.484 (P＜0.05）,挥臂角是指空中跳起引臂后拉准备击球时,肘关节、肩关节、髋关节3点连线形成的最大夹角。这个角度的大小则反映了扣球臂在挥臂之前肩关节肌肉被拉长的程度,角度越大,则三角肌前束被拉长程度就越大,原理和背弓角是一样的。

挥臂速度与球出手后速度相关系数r为0.611(P＜ 0.01）,说明挥臂速度影响着最后的出手球速。根据动量守恒定律可知,击球瞬间球体所产生的动量皆来自于手臂挥摆而产生的动量经手传递给球体,由公式I=mv可知m为质量,v为速度,手臂挥摆产生的很大动量传递给球,由于球的质量很小,而且,质量是固定的,因此,手臂挥摆产生的动量越大,最后球的速度就越大,从表2中能看出,挥臂速度为16.7 m/s,而最后球出手球速为23.5 m/s。

表3 本研究受试者空中击球阶段影响最后球速的因素一览表 (n=7）

3 结论与建议

本研究通过对浙江省男子青年排球队的7名运动员的空中扣球挥臂动作进行运动学与表面肌电学分析发现,在空中扣球阶段的不同时期,同一块肌肉所发挥的作用是不一样的。高水平运动员在挥臂扣球动作中,挥臂侧上肢各个关节点的速度由近端向远端依次增加,符合鞭打技术原理。通过表面肌电研究发现,拮抗肌在鞭打动作中提供反向力矩起到制动作用,因此,为了能够达到最佳的鞭打效果,在平时力量训练中可能应该多关注一些拮抗肌的训练。同时发现,起跳后准备扣球时的背弓角和挥臂角对最后球出手的速度有一定的影响。但是,由于受表面肌电仪测试通道数的限制,未能测试出更多相关肌肉对完成扣球动作的影响,有待今后深入研究。

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