齐步动作的运动学分析

孟进蓬,刘应,于波

(陆军炮兵防空兵学院 军事体育教研室，安徽 合肥 230031)

单个军人齐步行进是军人步态诸元中最为基础的构成单元，也是军人最为常见的步态之一，尽管队列条令和相关书籍较详细地描述了齐步动作的基本技术，但目前为止，从动作角度分析齐步动作各个关节内在联系的研究并不多见。因此，本文在现代体育运动科学理论指导下，以各大关节角度的变化与队列条令对受试者的齐步动作进行实验测试，获取了齐步动作五大关节角度随时间运动变化的数据，有助于对齐步动作技术进行合理客观的评定，为队列条令以及动作技术描述提供科学的理论依据和数据支持。出于以上考虑，本研究选择齐步动作过程中五大关节角度在三维空间中随时间的变化进行研究。期待能够找到齐步动作的特征与关键技术环节和动作的一般规律，进一步挖掘整理队列理论研究，进而在实践教学中正确地分析齐步动作关节结构关系。无论是发扬军事队列动作风格，还是提高队列动作教学和训练的水平，都有一定的研究和借鉴价值。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

选择3名被试对象，年龄(27.29±2.22)y，身高(175.00±3.87)cm，体重(69.88±5.63)kg；所有参加测试的人员均能够高标准的熟练完成齐步与立定(4步以内的行进与停止连贯)动作。

1.2 研究方法

1.2.1 器材与过程

实验仪器：采用瑞典Qualisys AB公司生产的Qualisys Motion Captu Sreystem-ProReflex MCU500高速红外运动捕捉系统。实验系统采用互成60度角的六台MCU，它们依次串联进行同步测量。

实验场地布置：采用6个Qualisys红外高速摄像头串联起来与计算机相连，各个红外高速摄像头摆放的高度约1.9～2.0m，采集时间设为20 s，采集频率为100 Hz。三维坐标系定义为：左右方向为Y轴，前后方向为X轴，上下方向为Z轴。所有镜头和测试空间均通过标定，符合实验要求。

身体标志点：根据实验需要，本实验选取头部2个(头前：额前发髻线中点；头后：颅骨后中点)。上肢8个(左右肘外：左右肱骨外上踝；左右手腕外：尺骨茎突与桡骨茎突之间；左右手：左右手中指第二指节中点；左右肩：左右肩峰)。躯干5个(第七颈椎：第七颈椎棘突；第2腰椎：第2腰椎棘突；第5腰椎：第5腰椎棘突；左右骨盆前：左右髂前上棘)。下肢10个(左右股骨大转子；左右膝内：左右股骨内上踝；左右膝外：左右股骨外上踝；左右外踝：左右胫骨外踝最高点；左右脚跟：左右跟骨；左右脚尖：左右第二跖趾关节)共计27个红外反射标志点固定在受试者身上。

1.2.2 测试动作与指标

测试动作：采用齐步与立定的连贯动作，即4步内完成齐步行进与立定动作。依据齐步动作技术特征与研究的需要，将该动作过程划分为12阶段即：立正姿势→预备期→左腿摆动期→双支撑期→左单腿支撑前期→左单腿支撑后期→双支撑期→左腿摆动前期→左腿摆动后期→双支撑期→靠脚→立正姿势。具体过程为测试者在测试范围内完成3～5次齐步与立定连贯动作，选取效果最好的3次动作进行保存。一名受试者进行测试，下一名受试者换衣并进行测试准备活动。

实验指标：本研究的主要目的在于探讨齐步动作各关节空间角度特征，结合队列条令等方面的要求选取的指标主要有肘、肩、髋、膝、踝五大主要关节的关节角度在三维空间运动变化值(有关指标定义按运动生物力学通常使用的关节角定义方法定义)。

1.2.3 数据处理

选取动作质量最好，以及拍摄过程中丢点最少、数据最完整的一个动作进行分析，并进行丢失数据的补充。用系统自带的QT软件获得各个标志点的三维坐标和各个关节随时间变化的角度。利用Excel、Origin 、SPSS17.0软件对相关标志点和对关节角度三维坐标数据进行计算、平滑与分析。

2 实验结果与分析

按照队列条令的齐步行进动作要领：左脚向正前方迈出约75 cm，按照先脚跟后脚掌的顺序着地，同时身体重心前移，右脚照此法动作；上体正直，微向前倾；手指轻轻握拢，拇指贴于食指第二节；两臂前后自然摆动，向前摆臂时，肘部弯曲，小臂自然向里合，手心向内稍向下，拇指根部对正衣扣线，并高于春秋常服最下方衣扣约5 cm(着夏常服、水兵服时，高于内腰带扣中央约5 cm；着作训服时，与外腰带扣中央同高)，离身体约30 cm；向后摆臂时，手臂自然伸直，手腕前侧距裤缝线约30 cm，行进速度116～122步/min[1]。实验测试结果如表1。

表1 齐步关节角度测试结果/度

2.1 肘关节角度变化分析

通常在齐步行进技术要求中，仅仅讲到摆臂定位时前臂肘关节自然微屈，后臂略直。具体操作时则凭感觉而定，因此，基本没有什么标准。实验结果表明：齐步行进中肘关节角度在157～179°之间变化。如图1和图2，其中右臂在3、9阶段与左臂在6、7阶段前摆“定位”瞬间臂“微屈” 的角度在(159.70±1.76)°；右臂6、7阶段与左臂3、9阶段后摆臂“略直”的角度在(175.70±2.76)°；从曲率变化频次和表1数据分析发现，在相同阶段的时间内，右肘关节变化频次较左肘关节变化明显，这说明在一个周期的齐步上肢协同动作中，右肘肘关节变化动作的掌握十分重要，在教学训练中给予重要关注。

图1 右肘关节角度随时间变化曲线图

图2 左肘关节角度随时间变化曲线图

2.2 肩关节角度变化分析

与队列条令要求“向前摆臂时，……拇指根部对正衣扣线，并高于春秋常服最下方衣扣约5 cm(着夏常服、水兵服时，高于内腰带扣中央约5 cm；着作训服时，与外腰带扣中央同高)，离身体约30 cm；向后摆臂时，手臂自然伸直，手腕前侧距裤缝线约30 cm”的比较，从图3和图4的实验结果看，右臂在3、9阶段与左臂在6、7阶段前摆“定位”瞬间肩关节的角度为(15.070±1.16)°；右臂6、7阶段与左臂3、9阶段后摆臂到位时肩关节的角度为(22.870±2.76)°；从实测结果看，肩关节角度在齐步行进中前后摆的角度相差5°～8°。形成这一差别的原因主要是前摆时肘关节“微屈”与“上体保持正直，微向前倾”的身体形态有关，这与5、8、11摆臂经过垂直地面瞬间肩关节角度为(4.870±1.23)°相吻合。说明这个过程中肩关节的运动角度在前后(20.690±1.44)°，是前后协调一致的。从曲率变化频次和表1数据分析发现，在相同阶段的时间内，肩关节变化频次相同，这说明在一个周期的齐步肩部协同动作较容易掌握，仅为前摆角度较后摆的大。

图3 右肩关节角度随时间变化曲线

图4 左肩关节角度随时间变化曲线

2.3 髋关节角度变化分析

在齐步行进中髋关节主要绕额状轴转动。测试结果显示，齐步行进中髋关节角度在163°～187°变化，如图5和图6可见右髋关节角度在4、10阶段与左髋关节在6、7阶段及脚尖即将蹬离地面时的角度最大为(185.690±1.04)°；右髋关节角度在第5阶段与左髋关节在3、8阶段及摆动脚通过支撑脚正上方时的角度最小为(164.390±0.84)°。从曲率变化频次和表1数据分析发现，在相同阶段的时间内，左髋关节变化频次较右髋关节明显，突出左髋关节在齐步动作中是迈好第一步的关键。

图5 右髋关节角度随时间变化曲线图

图6 左髋关节角度随时间变化曲线

2.4 膝关节角度变化分析

条例中要求“腿要直及脚着地时，腿部自然伸直；脚落地后，腿要保持挺直”。试验证明，齐步行进中膝关节角度在123～179°变化，其中右、左膝关节除了在右、左脚摆动经过支撑脚时的图7的第5和图8的第8阶段角度最小为(125.690±1.24)°与右、左膝关节在右、左脚蹬离地面时的图7的第10和图8的第2阶段角度最次小为(146.690±1.24)°外，其他阶段均在(178.390±1.05)°。从曲率变化频次和表1数据分析发现，在相同阶段的时间内，右膝关节变化频次与左膝关节相同，这说明在一个周期的齐步下肢协同动作中，两膝关节变化相同，仅为前后次序有别。

2.5 踝关节角度变化分析

在队列条令中对于踝关节没有明确要求，但在长期教学训练中，要实现落地腿的相对较直与脚着地滚动前进的要求，实践中就突出了落地脚主动翘脚尖的动作要领。从实验结果看，齐步行进中踝关节角度在66～110°变化，其中图9的第6阶段与图12的3、9阶段正是右、左脚触及地面时，其角度最小为(68.390±1.05)°；图9和图10的峰值为(107.220±2.05)°看出，此时正是右脚或左脚蹬离地面时为踝关节角度最大。从曲率变化频次和表1数据分析发现，在相同阶段的时间内，右踝关节变化频次与左踝关节相同，这说明在一个周期的齐步下肢协同动作中，两膝关节变化相同，仅为前后次序有别。

图7 右膝关节角度随时间变化曲线

图8 左膝关节角度随时间变化曲线

图9 右踝关节角度随时间变化曲线

图10 左踝关节角度随时间变化曲线

3 结论与建议

3.1 结论

由高速红外运动捕捉及三维运动采集系统检测出的图形和数据，对队列条令齐步动作描述进行量化解析：向前摆臂到位时肘关节角度为(159.70±1.76)°、肩关节角度为(15.070±1.16)°；向后摆臂到位时肘关节角度为(175.70±2.76)°、肩关节角度为(22.870±2.76)°。齐步行进间髋关节角度在(185.690±1.04)°到(164.390±0.84)°变化；膝关节角度在(125.690±1.24)°～(178.390±1.05)°变化；踝关节角度在(68.390±1.05)°～(107.220±2.05)°变化，从而发现提高队列教学训练科研等质量与水平的新方法。

3.2 建议

一是利用直观角度概念进行队列教学训练，更加科学合理，如“手臂前摆肘关节微屈”变个提法“手臂前摆肘关节角度为(159.70±1.76)°”表述更加准确；二是利用角度衡量动作的规范性，更能表达“整齐划一、协调一致”的内涵，如“手腕前侧距裤缝线约30 cm”换成“前摆时肩关节角度为(15.070±1.16)°” 描述更加有利于身高差异较大者的协同配合和个性化区别对待训练；三是利用“角度”进行队列教学训练，更符合军事训练要求，不受军兵种与时间对着装的限制，如“……高于春秋常服最下方衣扣约5 cm”等。

参考文献：

[1] 中国人民解放军总参谋部军训部.军事技能(上册)[M].北京:国防工业出版社，2012：109.