人体下肢鞭打动作技术原理的生物力学研究

李世明，部义峰，秦玉鹏

鞭打动作是人体基本动作形式之一，人体在克服阻力或自体位移过程中，肢体由近端环节到远端环节依次加速与制动，各环节的速度也表现为由近端到远端的依次增加，使末端环节产生极大速度的动作形式称为鞭打动作［7］。上肢鞭打和下肢鞭打是两种最基本的鞭打动作形式［11］。由于鞭打动作是许多体育技术的重要组成部分，如标枪投掷技术、排球扣球技术、网球击球技术等都含有鞭打这一关键动作，因此，一直以来人们就十分重视对鞭打动作的研究［8，19－21］，尤其对上肢鞭打动作的研究较多［4，5，8，13，19－21］，而对下肢鞭打动作的研究则较少。由于人的下肢和上肢在解剖结构、用途特点等方面的不同，即使二者同属于鞭打动作，其动作特点也会有很大不同。上肢鞭打动作可分为投掷性鞭打与打击性鞭打两种主要形式，而下肢一般来说只有打击性鞭打动作［11］。鉴于此，为了更加全面、深入地探讨下肢鞭打动作的运动生物力学原理，本研究选择足球踢球动作这一典型的下肢打击性鞭打动作为载体，实现对下肢鞭打动作运动学、动力学、肌电学的同步分析，即利用三维运动拍摄与解析技术进行运动学测试与分析，利用逆向动力学法进行关节动力学计算与分析，利用无线遥测肌电仪进行肌电学测试与分析［6］，以揭示下肢鞭打动作的肢体运动特点、下肢各关节力矩和下肢各主要肌肉收缩在鞭打动作中所起的作用，为下肢鞭打类动作的有效训练奠定理论基础。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

以8名成年男子足球运动员为研究对象，均接受过长时间系统训练，其中，国家一级运动员4名，二级运动员4名，年龄22.4±3.7岁，身高1.76±0.06 m，体重74.25± 9.4 kg，运动年限10.25±3.85年。

1.2 研究方法

1.2.1 三维运动拍摄与解析

采用4台索尼摄像机对运动员踢球技术进行拍摄，拍摄速度为50场/s，设置曝光时间为1/1 000 s，4台摄像机高度均为1.2 m，分别置于运动员运动空间正前的左右两侧及正后的左右两侧约45°，相邻2台摄像机之间主光轴约为90°（图1）。踢球前首先固定坐标框架并进行拍摄，踢球时移开框架对运动员完成的动作进行同步拍摄。运动员踢球时进行2～3步助跑。

拍摄的运动录像通过德国产SIMI°Motion 7.3三维录像解析系统进行解析。使用DLT法计算得到解析点的三维坐标。所得每个标志点的三维坐标使用巴特沃兹二阶低通滤波法对其进行平滑处理，截断频率为6。

为了便于进行三维录像解析时观察主要关节的运动轨迹，将反光标志球贴于主要关节的中心上，包括左、右肩关节，左、右髋关节，左、右膝关节，左、右踝关节，左、右脚后跟，左、右脚尖；为了获得逆向动力学计算所需的数据还增加了左、右髂前上棘，骶骨，右大腿最大隆起处，右小腿最大隆起处5处标志点。

1.2.2 逆向动力学计算

前述的三维录像解析可获得人体下肢的运动学数据，根据中国成年人人体惯性参数［12］和Chandler［15］给出的回归方程可计算出大腿、小腿、足的惯性参数，采用基于牛顿－欧拉法［9］建立的下肢多刚体模型对下肢鞭打动作各关节的受力和净力矩进行逆向动力学计算，以揭示下肢鞭打动作的动力学原因。整个逆向动力学计算过程共分6个步骤：

1.人体下肢鞭打模型的建立：将下肢简化为大腿、小腿和足3个刚性环节，下肢的物理模型共有3个刚体、7个转角。髋关节有3个：收展角、屈伸角、旋内旋外角；膝关节有2个：屈伸角、旋内旋外角；踝关节有2个：屈伸角、内翻外翻角。

2.关节中心的计算：一个物体在三维空间中的运动有6个自由度，为了确定这6个坐标，必须在每个环节上设置至少3个不相关的标志点。骨盆部的3个不相关的标志点分别位于：右髂前上棘、左髂前上棘、骶骨；右小腿的为：右脚外踝、右小腿外侧粗隆处、右股骨外上踝；右足的为：右脚第二跖骨前端、右脚外踝、右脚脚跟。基于各环节3个不相关标志点所建立起来的坐标系以及立体X射线实验得出的经验公式［16］，可以分别计算出右髋、右膝、右踝3个关节的中心坐标。

3.环节重心的计算：基于Chandler［15］等人研究得出的各环节重心平均估计参数以及上一步骤得出的各关节中心位置，就可以计算出各环节重心的位置坐标。由位移、速度和加速度之间的关系可知，已知各时刻环节重心的坐标，对位移进行微分可以得出环节重心运动的速度，再对速度进行微分可以得出环节重心运动的加速度。

4.环节坐标系的建立：为了描述环节在三维空间中相对于大地坐标系的位置及运动，需要在大腿、小腿、足下肢3环节上建立环节坐标系，其原点均位于环节重心位置。

5.环节运动学的计算：确定大腿、小腿、足下肢三环节的欧拉角，并利用欧拉角进一步计算环节的角速度和角加速度。

6.关节动力学的计算：对下肢三刚体、七自由度的物理模型进行逆向动力学反算。对下肢足、小腿、大腿进行隔离分析，从踝关节到膝关节再到髋关节逆向计算各关节反作用力和关节力矩。由于足在触球前处于游离状态，因此，只受到自身重力和踝关节施加给足的反作用力和力矩，结合前面通过三维录像解析系统得到的足的运动学数据，完全可计算出踝关节反作用力和力矩，依次向上可计算出膝、髋两关节的反作用力和力矩（公式推导略）。

逆向动力学计算采用自行研发的下肢鞭打动作MATLAB语言程序包，可计算踝、膝、髋下肢三关节的关节力与关节力矩。在进行计算时由于不同运动员完成动作时间不同，因此，对运动员完成动作时间进行归一化处理，以便进行统计分析。MATLAB程序计算流程图如图2所示。

1.2.3 肌电信号采集与处理

采用中国科学院智能研究所开发的JE－TB0810八通道无线表面遥测肌电采集系统对踢球腿的8块肌肉进行肌电信号采集，包括股直肌、股内肌、股外肌、股二头肌、半腱肌、腓肠肌、内外侧、胫骨前肌，电极片采用中国上海钧康医用设备有限公司产Ag/AgCI一次性使用心电电极，产品标准号：Q/SIDR2－2003；贴电极前用电极上自带细砂纸轻擦皮肤表面去除角质。3个电极呈等边三角形贴于待测肌肉上，为了减少肌肉的交叉干扰，将电极贴放在肌肉肌腹沿肌纤维走向的方向上，电极圆心间距3～3.5 cm。该肌电采集仪采用硬件滤波器，所有EMG通道配备一阶高通滤波器，截止频率为10 Hz，即只允许10 Hz以上的信号通过；所有EMG通道配置二阶巴特沃斯低通滤波器，截止频率为3 000 Hz，即只允许3 000 Hz以下的信号通过。由于肌电信号的频率范围主要集中在10～400 Hz，因此，上位机软件在分析时使用的低通滤器截止频率为500 Hz，以消除环境噪声和运动伪迹的影响。信号的采样频率为1 000 Hz，增益倍数为119，共模抑制比＞100 db，输入阻抗＞1 012欧姆，输入原始信号范围±3 mV。为了尽可能减少肌电数据传输线对运动员的影响以及防止电极受牵拉产生移动，对数据传输线和电极片进行了捆绑，表面肌电采集仪佩戴于运动员的腰部。利用肌电仪自带的肌电信号分析软件JAnalysis E100C进行数据处理［1，2］。

图2 本研究MATLAB程序计算流程图

1.2.4 摄像机与肌电采集仪的同步过程

摄像机与肌电采集仪同步系统主要包括信号发射器和同步器。运动员携带肌电采集仪在运动空间内运动，每台摄像机前放置同步器，信号发射器与监控电脑相连，测试开始，通过监控电脑触发信号发射器发射信号，肌电采集仪接受到信号后开始采集数据并保存，同时，摄像机前的同步器也接受到信号发射器的信号并触发发光二极管，发光二极管闪烁，被摄像机捕捉，从而完成肌电采集仪与摄像机的同步，实验现场如图1所示。

2 研究结果与分析

2.1 下肢鞭打动作的运动特征分析

2.1.1 下肢鞭打动作的时相划分

考虑到下肢鞭打一般属于打击性鞭打动作，且往往不是从静止状态开始，而常是连续动作最后非常关键的一部分，因此，本研究在选择踢球动作时要求运动员进行2～3步助跑。与从静止开始踢球相比，这样设计实验的目的不仅可以使下肢鞭打动作成为助跑踢球连贯动作的一部分，还可以增大下肢鞭打动作的效果。

下肢鞭打动作是下肢各环节依次加速摆动与制动的过程，为了研究需要，本研究采用环节摆动顺序与环节摆动速度相结合的方法来确定下肢鞭打动作时相的划分。首先，确定踢球腿鞭打动作的特征画面，即不同动作阶段的临界点，可分为摆动腿脚尖离地时刻、大腿最大后摆幅度时刻（髋最大伸展）、小腿最大后摆幅度时刻（膝最大屈曲）、大腿前摆最大角速度时刻以及小腿前摆最大角速度时刻5幅特征画面，相应地就把摆动腿的摆动过程划分为了4个阶段，即大腿后摆阶段（P1段）、小腿后摆阶段（P2段）、大腿加速前摆阶段（P3段）、小腿加速前摆阶段（P4段）。如图3所示，图中1～5动作分别代表5幅动作特征画面。

图3 本研究下肢鞭打摆动腿摆动阶段时相划分示意图

大腿后摆阶段（P1段）是指从“摆动腿脚尖离地”到“大腿最大后摆”动作时段。随着大腿后摆幅度的不断增大，一方面，大腿后摆肌群的对抗肌被动拉长，会反射性地引起肌肉被动张力的增加，为了防止髋关节过度伸展造成损伤，大腿后摆的对抗肌开始发挥抑制作用；另一方面，在大腿后摆过程中，小腿也开始后摆，多关节肌同时作用于所跨各关节时，就会出现“主动肌力量不足”现象，为了克服这种现象，就要求摆动肌群进行积极用力，因此，大腿后摆末期是大腿后摆肌群积极主动发力的过程。

小腿后摆阶段（P2段）是指从“大腿最大后摆”到“小腿最大后摆”时段。小腿的最大后摆幅度不能够与大腿的最大后摆幅度同步完成，因为在大腿极力向后伸展的情况下，再屈曲小腿，“主动肌力量不足”现象就会出现，股后肌群的肌力就不能完全作用在小腿后摆上。大腿后摆结束开始前摆，“主动肌力量不足”现象就会减弱，从而使得小腿最大程度地向大腿靠拢。

大腿加速前摆阶段 （P3段）是指从 “小腿最大后摆”到 “大腿前摆最大角速度”时段。大腿最大前摆角速度出现在小腿最大后摆时刻以后，在大、小腿充分折叠的状态下达到角速度峰值。事实上，大腿在其达到最大后摆幅度后就开始前摆，在前摆的初期往往伴随着小腿的后摆 （小腿逐渐向大腿靠拢），随着大腿继续前摆，大腿股后肌群 “主动肌力量不足”现象消除，小腿最大限度地与大腿靠拢，减小了下肢以髋关节为轴的转动半径，使下肢的转动惯量减小，从而使得大腿加速更为容易，可很快达到角速度峰值。

小腿加速前摆阶段（P4段）是指从“大腿前摆最大角速度”到“小腿前摆最大角速度”时段。大腿角速度出现峰值后，其角速度急剧下降，小腿角速度达到峰值，完成了角动量由近端环节向远端环节的传递。此阶段，在大腿前摆基础上快速伸膝，加长了下肢绕髋关节的转动半径，增加了末端环节——足的线速度，从而增加了最后的总动量。

2.1.2 下肢鞭打动作的时间特征

下肢鞭打动作摆动腿摆动阶段时间特征如表1所示。研究表明，摆动腿摆动阶段的时间特征具有大腿后摆时间短，小腿后摆时间长；大腿前摆时间长，小腿前摆时间短的时间占用特征。统计分析表明，摆动腿的摆动总时间以及各个阶段摆动时间标准差非常小，说明总体样本的离散程度小，摆动腿的摆动时间表现出很强的规律性。

为了比较下肢鞭打动作不同阶段摆动腿的时间占用特征，对摆动时间进行归一化处理，取摆动腿全部摆动时间为100％。4个阶段所占摆动腿摆动时间的比例关系如图4所示。其中，摆动腿后摆过程中，大腿后摆时间很短，不及小腿后摆时间的一半，因此，可以认为摆动腿的后摆主要是完成小腿的屈曲后摆；摆动腿前摆过程中，大腿的摆动幅度要小于小腿的摆动幅度（表2），但小腿的摆动时间要比大腿的摆动时间小得多，说明大腿的摆动角速度要慢，同时也反映了小腿在前摆过程中进行爆发式摆动的动作特征。

表1 本研究下肢鞭打摆动腿各阶段摆动时间一览表 （n＝8）

图4 本研究下肢鞭打摆动腿摆动阶段时间结构图

表2 本研究下肢鞭打摆动腿各阶段角位移一览表 （n＝8）

2.1.3 下肢鞭打动作的角速度特征

表3为下肢鞭打摆动腿摆动速度一览表。研究表明，脚尖离地后，大腿的后摆角速度一直呈现出不断减小的趋势，当达到大腿最大后摆幅度时，其摆动角速度减小为0。脚尖离地时，小腿的后摆速度要大于大腿的后摆速度。脚尖离地后，小腿的后摆角速度达到最大，然后慢慢减小，直到达到其最大后摆幅度。而总体上，在后摆过程中，大腿表现出逐渐减速的特点，小腿表现出加速—最大角速度—减速的特点（图5）。

表3 本研究下肢鞭打摆动腿摆动速度一览表 （n＝8）

下肢鞭打动作踢球腿前摆阶段是整个摆动阶段的关键部分，由表3可知，小腿前摆角速度要远大于大腿前摆角速度，说明小腿摆动速度要快，在加速前摆过程中完成了爆发式前摆，有利于增大踢球力量。由图3可知，在摆动腿前摆过程中，大腿角速度表现出加速—达到峰值—减速的变化特点，小腿角速度表现出持续加速的变化特点，二者依次到达速度峰值，从动作形式上看属于鞭打动作。

大腿达到最大后摆后的加速前摆具有重要的意义，首先，大腿的前摆能够使“主动肌力量性不足”现象减弱甚至消除，有利于小腿向大腿积极地靠拢；其次，大腿的加速前摆使摆动腿获得一定的初始动量，为小腿的加速前摆奠定基础。大腿角速度峰值出现前，伸膝肌群开始收缩用力，膝关节的伸膝力矩使得小腿也开始加速前摆，同时其产生的反力矩作用于大腿上，使得大腿前摆角加速度开始下降。由于大、小腿通过膝关节相连，两环节之间存在的冲量矩使得大腿获得的动量矩传递到了小腿，使得小腿角速度迅速增大。目前，对于大腿出现减速的原因还存在争议，有学者认为，在大腿前摆角速度达到峰值后应该主动减速制动［10］，近端环节的制动力来自大腿前摆的对抗肌。但是，如果大腿的减速制动确实是由其对抗肌来实现的，那么，大腿的角动量就不会传递到小腿，只能转变为对抗肌的弹性势能。因此，在这一过程中，大腿的减速制动不可能是其对抗肌主动收缩产生的阻力造成的，而应是小腿加速前摆产生的关节反力矩造成的。由此可见，小腿能够完成爆发式前摆动作除了支配小腿前摆的伸膝肌群主动收缩外，还有大腿的角动量传递。Hiroyuki Nunome等研究发现，小腿前摆初期主要是膝关节肌力矩起支配作用，而在小腿前摆后期是大、小腿之间关节反作用力产生的交互力矩在起支配作用［18］。

图5 本研究下肢鞭打摆动腿后摆角速度变化示意图

本研究还发现，大腿达到最大角速度前，小腿就开始了加速前摆，但是当大腿达到最大角速度时，小腿所达到的摆动速度各不相同，多数样本表现出了小腿刚进入加速的状态（n＝6），速度远不及小腿最大前摆角速度的1/2（图6中a图）；但同时也有样本显示，大腿达到最大前摆角速度时，小腿已经具备了较大的角速度（n＝2），速度超过了小腿最大前摆角速度的1/2（图6中b图）。根据Hiroyuki Nunome等的研究发现，上述现象说明下肢鞭打动作伸膝肌群参与发力的时机有早晚之分，a图中显示的是伸膝肌群参与发力的时机较晚，而b图显示的则是伸膝肌群参与发力的时机较早。从理论上推测，伸膝肌群参与发力不宜过晚或过早，过晚不利于发挥伸膝肌群在小腿摆动初期的主导作用；过早则大、小腿依次达到最大前摆角速度时间间隔变短，不利于小腿摆动后期大、小腿之间的动量矩传递。因此，在下肢鞭打过程中，小腿伸膝肌群参与发力的时机要适当，充分发挥膝关节肌力矩在小腿前摆初期的支配作用和大、小腿之间的交互力矩在小腿前摆后期的支配作用，以最大程度地增强下肢鞭打的效果。

2.2 下肢鞭打动作的关节力矩分析

下肢髋、膝、踝三关节肌力矩的变化规律是下肢大腿、小腿、足三环节产生鞭打动作的动力学原因［3］。因此，本研究主要从下肢髋、膝、踝三关节的肌力矩随时间的变化曲线来初步探讨下肢鞭打的动力学原因。

2.2.1 髋关节力矩

图7是下肢鞭打髋关节力矩随时间的变化曲线，包括屈/伸（Fle－Ext）力矩、内收/外展（Add－Abd）力矩、旋内/旋外（Ext－Int）力矩。1）从髋关节的屈/伸力矩来看，开始存在一个较小的伸髋力矩，致使摆动腿脚尖离地后产生了一个微小的主动后摆动作；接着，髋关节屈肌力矩开始占优势，致使大腿向前摆动达到最大摆速；最后，在摆动末期髋关节产生了一个伸髋力矩，其主要作用可能是防止整条摆动腿的过度前摆。2）从髋关节的内收/外展力矩来看，在髋关节向前屈摆过程中，髋关节还存在一较大的内收力矩，这是由于大腿后摆时髋关节略呈外展姿位，因此，大腿前摆过程中必须存在一个内收力矩，以控制髋关节的外展角度，摆动末期出现的较小外展力矩作用则是防止大腿过度内收。因此，髋关节的内收/外展力矩在下肢鞭打过程中起定向作用。3）从髋关节的旋内/旋外力矩来看，髋关节旋内力矩的存在则是因为受踝关节自身解剖学结构的影响，其自身不能进行有效的旋内，其最邻近的膝关节也只有在一定屈膝条件下，才能进行幅度较小的旋内，因此，需要摆动腿的髋关节与之配合来完成旋内动作以形成脚触球前合适的脚的方位。因此，尽管旋内力矩峰值较小，但是髋关节存在的这个旋内力矩对于完成脚的方位调整具有重要作用。

图6 本研究下肢鞭打大腿角速度峰值出现前小腿角速度特征示意图

图7 本研究下肢鞭打髋关节力矩随时间变化曲线图

2.2.2 膝关节力矩

图8为下肢鞭打膝关节力矩随时间的变化曲线，包括屈/伸（Fle－Ext）力矩，旋内/旋外（Ext－Int）力矩。1）从膝关节的屈/伸力矩来看，摆动腿在脚尖离地时存在一个伸膝力矩，伸膝力矩的存在就是使小腿不会提前后摆，为大腿后摆留下一定空间，避免多关节肌“原动肌力量不足”现象过早出现。接着，膝关节屈肌力矩开始占优势，以使小腿快速屈曲后摆，小腿达到最大后摆角速度后，膝关节伸肌开始占优势，小腿后摆速度减缓，直到达到最大屈曲状态，此后，膝关节伸肌力矩逐渐增大。在脚触球前膝关节伸肌力矩有一个下降，可能是由于运动员为了追求踢球的精度而进行的主动控制。2）从膝关节的旋内/旋外力矩来看，膝关节旋内、旋外的力矩较小，其原因可能是由于受膝关节解剖学结构的制约，膝关节只有在一定的屈膝状态下才能进行有限度的旋内、旋外动作，该力矩主要是参与对脚的方位的调整。

图8 本研究下肢鞭打膝关节力矩随时间变化曲线图注：Fle－Ext代表屈、伸力矩；Ext－Int代表旋内、旋外力矩；其中，膝关节屈为负、伸为正；旋内为正，旋外为负。

2.2.3 踝关节力矩

图9为下肢鞭打踝关节力矩随时间的变化曲线，包括背屈/跖屈（Dor－Pla）力矩，内翻/外翻（Inv－Eve）力矩。1）从踝关节的背屈/跖屈力矩来看，在摆动过程中踝关节一直是背屈力矩占优势，说明踝关节背屈肌群收缩发力以形成坚固的脚踝屈曲状态。一方面，可以固化踝关节，减小脚与球碰撞时的微变，增大动量的传递效果；另一方面，踝关节的固化可以增大踢球腿的有效质量，达到增大脚与球碰撞前初始动量的效果［14，17］。2）从踝关节的内翻/外翻力矩来看，踝关节内翻力矩的存在主要是调整脚的倾斜角度。

图9 本研究下肢鞭打踝关节力矩随时间变化曲线图注：Dor－Pla代表背屈、跖屈力矩；Inv－Eve代表内翻、外翻力矩；其中，跖屈为正、背屈为负；内翻为正，外翻为负。

2.3 下肢鞭打动作的平均肌电分析

摆动腿的前摆过程是下肢鞭打动作的关键阶段，这是一个非常复杂的过程。例如，在大腿的前摆过程中，既有小腿的后摆，还有小腿前摆；又如，对于股直肌等多关节肌来说，既是屈髋原动肌也是伸膝原动肌。因而，要洞察摆动腿前摆过程的肌电学特点需要对其进行分阶段分析。本研究根据三维录像解析系统将摆动腿前摆过程分为3个小阶段：图10中“1”代表大腿开始前摆到小腿开始前摆阶段；“2”代表小腿开始前摆到大腿前摆最大角速度阶段，“1”、“2”合起来就是前面时相划分的P3段；“3”代表大腿前摆最大角速度到小腿前摆最大角速度阶段，即前面时相划分的P4段。对各阶段内的肌电信号进行平均化处理，得到各阶段的平均肌电（AEMG）和标准差，平均化处理时选取FFT宽度为128。研究结果如图10所示。

图10 本研究下肢鞭打摆动腿前摆阶段肌群平均肌电水平图

研究表明，从大腿开始前摆到小腿开始前摆阶段内（图10中1），所测8块肌肉均有肌电信号产生。为了分析每一块肌肉的平均肌电在后续2个阶段的变化情况，本研究将该阶段内所测的各块肌肉的平均肌电作为进一步分析的基准。

小腿开始前摆到大腿前摆最大角速度这一阶段（图10中2），股直肌放电现象进一步加大，原因是股直肌作为双关节肌，不仅具有屈髋的功能，同时还具有伸膝的作用，在既要屈髋又要伸膝的情况下必须加大肌肉收缩力量。与此同时，股内肌、股外肌的放电现象也出现加大趋势，说明小腿前摆初期的动力来自于伸膝肌群，也就是伸膝力矩在起支配作用，这与Hiroyuki Nunome等认为“小腿前摆初期是由膝关节肌力矩在起支配作用”的观点是一致的［18］。小腿前摆是伸膝的过程，而腓肠肌外侧放电现象却进一步加大，其原因可能是由于小腿爆发式前摆过程中有旋外动作所致。上文运用逆向动力学法计算膝关节的关节力矩时曾发现膝关节旋外力矩的存在，该旋外力矩的来源就应该是腓肠肌外侧发力产生的。

大腿前摆最大角速度到小腿前摆最大角速度阶段内（图10中3），股直肌放电现象明显减弱，而股内肌与股外肌的放电现象则更进一步加强，说明股直肌作为双关节肌，在摆动腿摆动过程中对屈髋的贡献要大于对伸膝的贡献，小腿前摆过程中股内肌与股外肌的作用不断加大。在该阶段，股二头肌和半腱肌放电现象明显加大，而传统理论认为，股二头肌与半腱肌主要作用是伸髋、屈膝。本研究中，二者在屈髋、伸膝的过程中出现了放电现象与传统的理论认识截然相反。有学者认为［10］，踢球瞬间，只有将髋关节进行固定，伸膝动作才能更加有力，因此，可认为在此阶段中股二头肌放电增强主要是配合股直肌加强对髋关节的控制。半腱肌的放电加强则主要是与腓肠肌外侧配合，完成对膝关节旋外动作幅度的控制。

在小腿开始前摆的整个过程中（图10中2、3），胫骨前肌均表现出了一定的放电现象，主要用于踢球前的伸踝工作，胫骨前肌的适当用力可以与腓肠肌密切配合，实现对踝关节的良好控制，完成踝关节的固化。利用逆向动力学法对踝关节肌力矩进行计算时也发现了背屈力矩的存在，由此看出，踢球前踝关节背屈力矩是影响踢球效果的一个重要因素。

由上述分析可知，小腿加速前摆初期的动力主要来源于膝关节肌力矩，伸膝力矩在起支配作用，随着小腿的不断加速，其关节反力矩逐渐加大，使得大腿前摆角速度出现峰值后开始减慢，在大腿角速度减速制动过程中，大腿角动量通过冲量矩不断地向小腿转移，同时，伸膝肌群继续主动用力，甚至收缩程度进一步加强，使得小腿角速度迅速增大，实现了小腿的爆发式前摆。从小腿开始前摆到小腿前摆最大角速度整个过程中，股内肌、股外肌的放电现象是不断加强的，由此可见，伸膝肌群的主动用力贯穿于小腿整个前摆过程中，在小腿的整个前摆过程中起着重要作用，角动量的传递则是在通过伸膝肌群不断使得小腿加速前摆基础上使大腿角速度开始减小后获得的。小腿前摆初期是伸膝力矩在起支配作用，而大腿达到最大角速度后小腿加速前摆后期是伸膝力矩与来自大腿角动量的传递共同作用的结果。这一点与Hiroyuki Nunome等的研究结论稍有不同，主要区别在于小腿前摆的后期，他们的研究主要强调了“小腿前摆后期是大、小腿之间交互力矩在起支配作用”，没有提及在小腿前摆后期伸膝力矩的作用。本研究根据在小腿前摆后期股内肌、股外肌放电进一步加强这一现象推测，伸膝力矩在小腿前摆后期也会有较大贡献。但是，大、小腿之间的交互力矩和伸膝力矩在小腿加速前摆后期的贡献比例目前尚不能确定。

3 结论与建议

1.下肢鞭打的运动特征分析：在小腿加速前摆阶段，具有大腿后摆时间短、小腿后摆时间长，大腿前摆时间长、小腿前摆时间短的时间占用特征。下肢鞭打动作的角速度特征后摆时表现为大腿逐渐减速，小腿加速→最大角速度→减速的特点；前摆时表现为大腿加速→最大角速度→减速，小腿持续加速的特点。

2.下肢鞭打的关节力矩分析：前摆阶段髋关节的屈肌力矩、膝关节的伸肌力矩、踝关节的背屈力矩起主导作用；髋关节的内收/外展力矩在下肢鞭打过程中起定向作用；髋关节旋内/旋外力矩、膝关节旋内/旋外力矩以及踝关节内翻力矩的主要作用是对脚的方位及倾斜程度进行调整。

3.下肢鞭打的平均肌电分析：股直肌作为双关节肌，在摆动腿摆动过程中对屈髋的贡献要大于对伸膝的贡献，小腿前摆过程中股内肌与股外肌的作用不断加大；腓肠肌外侧在大腿开始前摆阶段的主要作用是使小腿屈曲，在小腿开始前摆时的主要作用是使小腿产生旋外的动作；在小腿达到最大角速度前，股二头肌放电加强主要是配合股直肌实现对髋关节固定工作的控制，半腱肌放电加强主要是配合腓肠肌外侧控制小腿的旋外动作幅度。

4.本研究可以证实小腿加速前摆的初期伸膝肌群产生的伸膝力矩在起支配作用，后期是伸膝力矩与来自大腿角动量的传递共同在起作用，但是二者在小腿加速前摆后期的贡献比例目前尚不能确定。另外，在下肢鞭打过程中要强调伸膝肌群的发力时机应适当。

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