优秀棒球投手的等速肌力与投球运动学参数间关联研究

孙 逊， 罗 炯, 张庭然，秦春莉，宋吉祥



优秀棒球投手的等速肌力与投球运动学参数间关联研究

孙 逊1,2， 罗 炯1,2, 张庭然1,2，秦春莉1,2，宋吉祥1,2

目的:探讨棒球投手运动学与等速肌力参数间关联关系，并比较不同类型投手各类参数的差异性。方法：采用德国ISOMED2000等速肌力测试系统及三台高速摄像机获取相关参数。结果：(a)肩关节外、内旋峰力矩及屈、伸峰力矩两个比值高度相关，两者均与挥肘速度、棒球出手及触垒速度高度正相关；(b)与“非衡型”棒球投手相比，“均衡型”投手在许多关键参数上存有显著差异，表现为投球动作总时间、提膝时间、伸踏时间及动作加速时间显著变短；肘关节屈伸幅度、棒球出手等及触垒速度则显著增大；(c)挥肘速度与肩关节最大外展角存有显著正相关，而与投球动作总时间呈负相关；动作加速时间与肩关节最大外展角成负相关，却与躯干扭转角成正相关；(d)棒球出手及触垒速度均与肩关节最大外展角等呈显著正相关。结论：目前我国大学生优秀棒球投手与国外同级别投手相比，在众多运动学测试指标上存有显著差距，而投掷臂肌力发展不均衡是问题的关键所在。

棒球投手；等速肌力；挥臂速度；关联研究

0 前言

目前，国内关于棒球运动的生物力学研究较少[1-5]，国外对此领域的研究相对较多，Venden 等[6]研究认为投球动作中的加速期，挥臂速度与球速高度正相关；Rafael[7]等人在对大学生投手投不同方式的球所获26项运动学指标的分析中发现，直线球和变化球差异最大，而滑球差异最小；Ellen becker等人[8]对125名投手进行了双侧肩关节内外旋等速测试中发现，投球侧和非投球侧肩关节外展等速肌力无明显差异，而肩关节内旋等速肌力则投球侧明显大于非投球侧。国内外学者对棒球投手的运动学、等速肌力、表面肌电、三维动力学指标差异性及影响棒球投球球速的机制、投球动作优化等方面的研究较多[1-11]，而探讨等速肌力大小、等速肌力平衡与投球运动学指标与挥臂速度、球出手速度及触垒速度之间的关系探讨相对较少。本研究希冀在这方面作些尝试。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

纳入北京体育大学及清华大学棒球队17名投手，两队在本国大学生棒球联赛中都在各自组别中处于前3名的水平。投手的受训时间均在2年以上，且近一年内无重大上肢伤害。

1.2 运动学测试

采用2台REDLAKE高速摄像机(产地:美国,即A、B机)和1台Basler L400(产地：德国；C机)进行拍摄。其中A、B两机主光轴夹角成120°,拍摄位置距投手约12m，C机主光轴与档网平行，距离本垒中心约12m ；三机拍摄频率均设置为100帧/s，机高120cm。架设完毕后，用三维标定框架对运动范围进行标定，采用北京体育大学研发的视讯图像解析系统对运动图像进行解析以获取相关运动学参数，选用郑秀瑗的中国人体惯性参数模型，利用数字滤波法进行平滑处理，截断频率10Hz。

1.3 等速肌力测试

采用德国ISOMED2000等速肌力测试系统进行测试。测试部位为投手投掷臂肩关节。选取指标：肩关节旋内与旋外及肩关节屈曲与伸展，每一动作过程中取最大峰力矩(Peak Torque, PT)。将受试者固定平躺在测试椅上，调整到肩关节最适发力位置。等速肌力测试时，将系统测试角速度分别定为60°/s、180°/s 、360°/s，以完成一次内外旋或屈伸为一个循环,每个角速度下测试分别重复测3次,次与次间歇约30s。

1.4 时相阶段划分与关节角定义

投球动作阶段划分依据Fleisig方法[12]，即分六个阶段。第一阶段为抬腿阶段，是投手将前导脚抬至最高点前的动作；第二阶段为跨步阶段，即投手将前导脚自最高点落下，到其着地为止的动作；第三阶段为手臂上举阶段，指前腿着地后将手臂外旋至最大值为止；第四阶段是手臂加速阶段，即手臂由最大外旋开始至球离手为止；第五阶段为手臂减速阶段；第六阶段为跟随动作阶段。依刘卉[13]的研究定义上臂内收外展角、上臂水平内收外展角、肘关节屈伸角、躯干相对扭转角、髋关节屈伸角、膝关节屈伸角、躯干侧倾角及躯干前倾角。

1.5 数理统计法

利用SPSS 16.0进行处理分析，相关系数、独立样本T检、单因素方差分析等方法被应用于本研究，所有统计学指标的显著水平定为0.05。

2 测试结果

依据Wilk的研究成果[14]：在等速肌力测试时，选择测速180°/s，计算“肩关节最大外旋肌力矩/最大内旋肌力矩”比值，“均衡型”投手该比值一般在0.65-0.67之间。参照这一标准，本研究“均衡型”标准值定为0.60-0.70之间，超过这个范围即为“非衡组”投手。

2.1 不同类型棒球投手的运动学参数比较

2.1.1 投球动作时间特征比较

(1)两类投手肩关节最大外旋均出现在棒球出手瞬间前约0.06s左右、肩关节最大内旋均出现在棒球出手瞬刻后0.1左右、上臂后摆时间约0.14s、前导腿触地时间约0.16s、随挥时间约0.12s，且两类投手的此5个时间参数无差异(见表1)。

(2)投球动作总时间——伸踏腿处于最大屈膝瞬间至肩关节出现最大内旋瞬间止，“均衡组”投手明显短于“非衡组”投手；提膝时间——前导脚离地瞬间至伸踏腿抬腿达最大屈膝瞬刻，“均衡组”投手明显短于“非衡组”投手；伸踏时间——伸踏腿抬腿至最大屈膝瞬刻至前导脚触地瞬刻，“均衡组”投手明显短于“非衡组”投手；动作加速期时间——从肩关节处于最大外旋瞬刻至棒球离手瞬刻止，“均衡组”投手明显短于“非衡组”投手。

2.1.2 投球动作角度参数特征分析

表2 不同类型投手角度参数统计Table 2 Pitching angle parameters of different types of pitchers

(1)肩关节水平外展内收角度的变化范围是反映投手肩关节柔韧性好坏及肩部肌肉力量强弱的指标，“均衡组”与“非衡组”投手无差异；投掷臂肩关节外展角的大小能反映投掷臂上摆的充分性，该指标“均衡组”与“非衡组”投手有显著差异。见表2。

(2)投掷臂肘关节角变化范围可以反映投手在最后用力阶段前臂的摆动幅度和加速距离的大小，它为棒球出手瞬刻肘角与投掷臂肩关节最大外旋时刻的肘角间差值，“均衡组”投手显著大于“非衡组”投手；前导腿触地瞬刻膝角大小可以反映伸踏腿的对投手身体重心速度的增加、缓冲和制动作用，显然“均衡组”与“非衡组”投手无差差异；棒球出手瞬刻时伸踏腿膝角反映出伸踏腿膝关节的积极蹬伸作用，有利于动量由下肢向躯体到上肢的传递，该指标“均衡组”显著高于“非衡组”投手。

(3)伸踏腿髋角幅度指伸踏腿从最大提膝瞬刻至前导脚着地瞬刻时髋角之差，差值可以反映伸踏腿主动屈伸能力的强弱，该指标“均衡组”显著高于“非衡组”投手；躯干扭转幅度指前导脚触地瞬间肩轴与髋轴与伸踏腿最大提膝时刻这两轴夹角之差，它反映肩横轴与髋横轴绕身体纵轴的反向转动水平，“均衡组”高于“非衡组”。

表3 不同类型投手速度、角速度参数统计Table 3 Pitching velocity and angular velocity parameters of different types of pitchers

(4)肩外旋角速度变化率指从伸踏腿最大提膝瞬刻肩关节角速度(绝对值)至投掷臂肩关节处于最大外旋瞬刻肩关节角速度(绝对值)，这两个瞬刻角速度之差的均值，“均衡组”显著高于“非衡组”；肩内旋角速度变化率意旨手臂的前加速阶段，其算法为肩关节处于最大外旋瞬刻肩关节角速度与球出手瞬间肩关节角速度绝对值差值的均值，显然“均衡组”显著高于“非衡组”。(见表3)

(5)挥肘角速度变化率指肩关节从处于最大外旋瞬刻肘关节角速度至棒球出手瞬刻肘关节角速度差值的均值，“均衡组”显著高于“非衡组”；伸踏腿伸膝角速度变化率指伸踏腿从触地瞬刻膝关节角速度至棒球出手瞬刻膝关节角速度差值，该指标“均衡组”与“非衡组”无差异；伸髋角速度变化率意指在伸踏腿最大提膝至前导脚触地两个瞬间的髋关节角速度之差，它能反映运动员屈伸髋的能力，显然“均衡组”显著大于“非衡组”。

(6)最大挥肘速度指投掷臂肘关节中心点(本解析系统以肘尖点代替)从肩关节处于最大外旋瞬刻至棒球出手过程止，肘尖点三维速度(VX、VY、VZ)的合速度最大值，“均衡组”显著高于“非衡组”；伸踏距离是指投手伸踏腿着地瞬刻，两脚足跟之间的距离，“均衡组”与“非衡组”无差异；“棒球出手瞬刻速度”及“棒球触垒瞬刻速度”，“均衡组”均显著高于“非衡组”。

2.2 主要运动学及等速肌力参数间的关联比较

2.2.1 等速肌力参数与球速关系

(1)对投掷臂肩关节有两个重要指标，X5(肩关节外/内旋峰力矩)及X10(肩关节屈/伸峰力矩)。两者是反映投臂肩关节“肌力平衡”的重要指标。表4可以看出：X5与肩关节内旋峰力矩、肩关节内旋相对峰力矩呈显著负相关，与肩关节外旋峰力矩及肩关节外旋相对峰力矩呈显著正相关；“X10”与肩关节伸展峰力矩及峰力矩相对值呈显著负相关，分别与肩关节外旋峰力矩、外旋相对峰力矩、肩关节屈曲峰力矩及峰力矩相对值成显著正相关；而“X5”与“X10”间高度正相关。投掷臂“挥肘速度”与肩关节内旋峰力矩、外旋峰力矩、内旋相对峰力矩、外旋相对峰力矩及指标1呈显著正相关。(见表4)

(2)棒球出手速度及棒球触垒速度表现几乎相同的规律，即两个速度均与投掷臂肩关节内、外旋峰力矩及相对峰力矩、“挥肘速度”、X5及X10呈显著正相关；棒球出手速度与触垒速度高度正相关。

表4 等速肌力参数与棒球速度间的关联系数统计表Table 4 Correlation coefficients between isokinetic muscle

2.2.2 投球主要运动学参数与球速关系

(1)肩关节最大外旋角度与伸踏脚触地瞬刻肩关节外展角度呈显著正相关；最大挥肘速度与伸踏脚触地瞬刻肩关节外展角度及肩关节最大外旋角度呈正相关，而与投球动作总时间呈负相关；动作加速时间与伸踏脚触地瞬刻肩关节外展角度成负相关，而与肩关节最大外旋角度及伸踏阶段躯干扭转角度成正相关；肩内旋角速度变化率、伸踏腿伸膝角速度变化率及伸髋角速度变化率均与最大挥肘速度高度正相关。(见表5)

(2)棒球出手速度及棒球触垒速度均与伸踏脚触地瞬刻肩关节外展角度、肩关节最大外旋角度、伸踏阶段躯干扭转角度、肩关节最大内旋角出现时刻、最大挥肘速度、动作加速时间、肩内旋角速度变化率、伸踏腿伸膝角速度变化率及伸髋角速度变化率呈显著正相关；棒球出手速度及触垒速度分别与肩关节最大外旋出现时刻呈显著负相关。

表5 主要运动学参数与棒球速度间的关联系数统计Table 5 Correlation coefficients between main kinematic parameters and baseball speed

3 讨论

3.1 从动作时间特征看

不同投手“投球动作总时间”有较大差异，其中“非衡型”选手明显长于“均衡型”，本研究大学生棒球投手“投球动作总时间”约0.9s，该值明显比国外同级别的投手长[15]；但另一方面，研究发现：“棒球出手速度”与“棒球触垒速度”与“投球动作总时间”及“伸踏距离”无关，据此笔者推测“投球动作总时间”长短可能不是影响棒球出手速度的关键因素，不同选手“投球动作总时间”差异较大很可能与投手自身素质、投球习惯等因素有关。从伸踏腿的最大屈膝至前导脚触地瞬刻，投手需充分利用腿部的蹬伸使身体获得一定速度，故“伸踏时间”的长短将对身体前移的动量传递起着重要作用，本研究选手伸踏时间平均约占 0.70s，该值亦明显长于国外同级别投手[15-16]。

3.2 从时相阶段特征看

在跨步阶段(b→c)，投手“伸髋角速度变化率”能反映运动员屈伸髋能力。本研究发现“伸髋角速度度变化率”与“棒球出手速度”及“棒球触垒速度”有较高的相关程度。此外，这一阶段伸踏腿膝关节的动作则从主动屈曲提膝到伸膝前跨再到着地制动，完成了投手从身体重心静止到加速再到制动的动作，故伸踏腿“膝关节角速度变化率”可用来评价运动员腿部屈、伸肌群肌肉力量素质，本研究同样发现，“伸膝角速度变化率”与“棒球出手速度”及“棒球触垒速度”有较高的相关程度。然而我国大学生投手中，不同类型伸踏腿“伸髋角速度变化率”及“伸膝速度变化率”均低于国外同级别优秀选手[17]。

从伸踏腿触地(c)到投掷臂肩处于最大外旋(d)，再到棒球出手瞬刻(e)，直至肩最大内旋(g)。本研究发现，在这个连续动作中，“动作加速时间”与“棒球出手速度”及“棒球触垒速度”均呈显著负相关，换言之，投掷臂作用于棒球上的时间越短，棒球所获得速度就越快。而本研究中的“均衡组”投手时间显著短于“非衡组”投手，平均加速时间约 0.09s，该值与我国台湾地区优秀青年棒球投手相近[17-18]。从投掷臂肩关节外展角的大小看，肩关节最大外旋角度与伸踏脚触地瞬刻肩关节外展角度呈显著正相关,而“棒球出手速度”及“棒球触垒速度”与伸踏脚触地瞬刻肩关节外展角度及肩关节最大外旋角度呈显著正相关，而本研究所得投手肩最大外旋角均值(160°)与美国及韩国职棒业余投手尚存一定差距[19]，有待于加强训练。

研究发现“肩内旋角速度变化率”与“挥肘速度”高度相关，且与“棒球出手速度”及“棒球触垒速度”同样高度相关。但我国大学生投手前一个速度变化率平均仅约32°/s，后一个速度变化率平均约105°/ s，两值均低于国外同类优秀投手[18-19]。从投掷臂肘关节的地位来看，“挥肘角速度变化率”大小能反映肩关节从处于最大外旋瞬刻至棒球出手瞬刻肘关节伸展肌群的收缩用力及加速投球能力。本研究表明我国大学生投手“挥肘角速度变化率”平均约1500°/ s，与国外同级别优秀选手差距明显[20]。

3.3 从肌力平衡视角看

研究发现：肩关节内旋峰力矩及相对值随测试速增加而增加，外旋峰力矩及相对值表现出相反的规律；肩关节屈曲与伸展峰力矩及相对值却表现出相同的变化特征，两者均随着测试速增加而增加；就肩关节外旋峰力矩/内旋峰力矩及屈曲峰力矩/伸展峰力矩两个比值看，“非衡型”与“均衡型”间存在非常显著差异，两个指标也高度相关，这充分肯定两个指标是反映投手投掷臂“肌力平衡”的重要依据，其中前者与肩关节内旋峰力矩及相对内旋峰力矩呈显著负相关，后者与肩关节伸展峰力矩及峰力矩相对值呈显著负相关，这暗示过分强调肩关节内旋肌力或者外展肌力的训练是不利于投手“肌力平衡”发展的。此外，两个指标与“棒球出手速度”及“棒球触垒速度”存在显著正相关，且“均衡组”的“棒球出手速度”及“棒球触垒速度”都显著高于“非衡组”，这进一步肯定了优秀棒球投手投掷臂“肌力平衡”发展的重要性，故探讨两个比值的科学范围作为“非衡”与“均衡”型投手的评判标准这对指导运动训练极具现实意义。

4 结论

(1)肩关节外、内旋峰力矩及屈、伸峰力矩之比值可作为“非衡型”与“均衡型”棒球投手的评判依据。

(2)投球动作总时间等表现为“均衡组”投手显著低于“非衡组”；在肘关节屈伸幅度、棒球出手时的前导腿膝角及棒球触垒速度等方面均表现出“均衡组”显著高于“非衡组”。

(3)投掷臂肩关节外、内旋峰力矩与屈、伸峰力矩之比值间高度相关，前者与肩关节内旋峰力矩及相对内旋峰力矩存在显著负相关，后者与肩关节伸展峰力矩及峰力矩相对值亦存在呈显著负相关，两者均与挥肘速度、棒球出手速度及棒球触垒速度存在显著正相关。

(4)最大挥肘速度与肩关节最大外展角度、肩关节最大外旋角呈显著正相关，而与投球动作总时间呈负相关；动作加速时间与肩关节最大外展角成负相关，却与向左躯干扭转角成正相关；棒球出手速度及触垒速度均与肩关节外展角度等呈正相关。

[1] 和平，孟繁林.棒球投手投掷臂动作的生物力学特征[J].天津体育学院学报，2000，15(3):38-40.

[2] 王正利，张胜年.棒球投手上肢肌力研究[J].南京体育学院学报,2005,4(1):27-29.

[3] 陈严，邓京捷，李吉如.棒球投手投球的运动生物力学研究进展[J].中国体育科技.2009,45(1):75-78.

[4] 罗炯，陈建安，龙小安.中国女子垒球优秀投手投球动作的生物力学研究[J].成都体育学院学报.2005，31(2)：101-103.

[5] 马秀杰，韩志磊，梁占锁.棒球投手投球动作的运动生物力学研究综述[J].中国体育科技,2010,46(2):115-122.

[6] Venden Tillaar,R.,& Ettema,G. Effects of Different constraints on coordination and performance in overarm throwing. Unpublished doctoraldissertation, Norges Teknisk Naturvitenskapelige Universite, Trondheim,Norway. 2003.214-218.

[7] Rafael F.escamilla., Glenn S. Fleisug G., & Arrentine G.,A.. Kinematic comparisons of throwing different types of baseball pitches [J].J Appl Biomech,1998,14(1):1-23.

[8] ELLENBECKER T S,MATTALINO A J. Concentric isokinetic shoulder internal and external rotation strength in professional baseball pitchers [J].J Orthop Sport Phys Ther, 1997, 25(5) :323-328.

[9] DONATELLI R,ELLENBECKER T S,EKEDAHL S R,et al. Assessment of shoulder strength in professional baseball pitchers[J].J Orthop Sports Phys Ther ,2000,30 (9) : 544-551.

[10] MULLANEY M J,MCHUGH M P,DONOFRIO T M, et al. Upper and lower extremity muscle fatigue after a baseball pitching performance[J].Am J Sport Med,2005,33(1) :108- 113.

[11] MANSKE R C,TAJCHMAN C S,STRANGHONER T A, et al. Difference in isokinetic torque acceleration energy of the rotator cuff: competitive male pitchers versus male nonathletes [J]. J Strength Cond Res, 2004,18 (3) :447-450.

.[12] Fleisig,G.S.,Escamilla,R.F.,Andrews,J.R.,Matsuo,T.M.,& Barrentine,S.W. Kinematic and kinetic comparison between baseball pitching and football passing[J]. Journal of Applied Biomechanics,1996,12:207-224.

[13] 刘卉.三维摄影解析中人体关节角度的计算方法[J].北京体育大学学报,2004,27(6):29.

.[14] Wilk KE,Andrews JR,Arrigo CA,Keirns MA,Erber DJ. The strength characteristics of internal and external rotator muscles in professional baseball pitchers[J].American Journal of Sports Medicine,1993,(21)1:61-70.

[15] Fleisig et al.Kinematics and kinetic comparison of baseball pitching among various levels of development. [J].Journal of Biomechanics, 1999,32: 1371-1375.

[16] DUN,et al.The relationship between age and baseball pitching kinematics in professional baseball pitchers[J].J Biomechanics, 2007,40:265-270.

[17] 陈太正.棒球投手投球速度之研究[J]. 运动教练科学，1982,4:106-108.

[18] Andrewa.Biewener. Effeets of elastie energy storage on musele work and effieieney[J].Journal Of Applied Biomeehanics.1997,4:422-426.

[19] Escamilla et al. Kinematics and kinetic comparisons between American and Korean professional baseball pitchers[J]. Sports Biomechanics, 2002, 1(2): 213-228.

[20] HUANG T F,et al.Isokinetic evaluation of shoulder internal and external rotators concentric strength and endurance in baseball players [J]. Isokinetics Exe Sci,2005,13(4):237-241.

(编辑 孙君志)

Correlation of Kinematic Parameters and Isometric Muscle Strength of Elite Pitcher

SUN Xun1,2, LUO Jiong1,2, ZHANG Tingran1,2,QIN Chunli1,2, SONG Jixiang1,2

Objective:To investigate the correlation of kinematic parameters and isometric muscle strength of elite pitchers, and the difference between different type pitchers. Methods: Isometric test system and three high-speed camera were used to obtained raw data in kinematics and kinetics parameters in this study. Results: (a) High correlation of the rations of peak torques between external and internal rotation, flexion and extension on shoulder joints, both high positive correlation with elbow swing velocity, release velocity of baseball and velocity of contact barrier. (b) There are many significantly differences between non-balanced type and balanced type: total pithing time, lifting knee time, stretching and treading time, and acceleration time became significantly shorter in the latter; whereas , flexion and extension amplitude of elbow joints were significantly larger in the latter. (c) There are significantly positive correlation between velocity of elbow swing and maximal angle of external abduction, whereas, negative correlation with total time of pitching; there are negative correlation between acceleration time and maximal abduction angle and positive correlation with twist angle of trunk. (d) There are significantly positive correlation between release velocity of pitching, or contact barrier and maximal abduction angle in shoulder joints. Conclusion: To date the difference between Chinese elite baseball pitcher and foreign pitcher indicated that many kinematical parameters are significant, the key point is the unbalance development of pitching arm.

Pitcher;IsometricMuscleStrength;ArmSwingVelocity;AssociationStudy

G804.6 Document code：A Article ID：1001-9154(2016)02-0082-06

重庆市体育局重点项目(B201405)。

孙逊，西南大学在读研究生，研究方向：运动技术诊断与全民健身调查，E-mail: 312956993@qq.com。通讯作者：罗炯。

1.西南大学体育学院，重庆 北碚 400715；2．国家体育总局体质评价与运动机能监控重点实验室，重庆 北碚 400715 1.College of Physical Education, Southwest University, Chongqing 400715; 2.Key Laboratory of physical evaluation and sports performance monitoring of the State Administration of Sports, Chongqing 400715

2015-09-19

G804.6

A

1001-9154(2016)02-0082-06