柔道一本背负投技术的运动学分析

2020-09-07米奕翔王向东

中国体育科技 2020年8期

米奕翔，冯通，王向东*

柔道作为奥运项目以激烈的对抗性、极高的技术性而受到喜爱，强调运动员对技巧掌握的娴熟程度，而不是单纯的力量对比。新规则实施后，小级别女子柔道运动员技术呈现多极化发展趋势，投技技术使用次数增加，其中一本背负投的使用率较高（黄帅，2019）。查阅文献发现，近20年对于背负投技术的运动学、生物力学分析较少。在已有的文章中，Ishii等（2017）使用VICON-MX系统捕捉三维数据分析认为，在向前驱动和转体运动中，施技者相对于对手的速度反映出高超的技术水平。教练员在技术训练时应认识到相对向前的速度是可能有助于成功进行投摔的因素。霍兴华（2014）使用录像解析方法对运动员背负投技术进行了量化分析认为动作时间受肌肉爆发力和运动员技术影响，而技术效果受肢体转动幅度和速度影响。本研究运用Qualisys三维运动捕捉与分析系统，采集运动员做一本背负投技术时相关三维数据，从关节角度、角速度等方面来分析技术特征，探究一本背负投技术的规律、动作特点和优秀运动员模型。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

从国家柔道队和广西省女子柔道队选出得意技为背负投的6名女子柔道运动员作为研究对象，其中健将级2名，一级运动员4名，年龄22.20±1.72岁，运动年限7.50±1.76年，身高158.83±6.31 cm。6名运动员作为施技者，受技者由运动员自己的搭档担任（受技者不参与测试）。受试者均在测试开始前签署知情同意书。

表1 运动员基本信息Table 1 Basic Information ofAthletes n=6

1.2 研究方法

1.2.1 数据采集

测试技术动作为柔道一本背负投，每位受试者做3次，选其中动作最好的1次进行数据分析。使用8台Qualisys高速红外运动捕捉系统进行数据采集，采集频率为200 Hz。以受试者准备姿势站立时面对的方向为正前方，将8台摄像机放在受试者的前、后、左、右以及45°角方向，摄像机距受试者约2～3 m的距离（图1）。受试者粘贴的反射标识位置为：左、右两侧肩关节、肘关节、腕关节、髋关节、膝关节、踝关节、第7颈椎以及骶骨共14个。

1.2.2 数据处理

首先使用Qualisys分析系统计算受试者各个点的位移、速度、所求各关节的角度和角速度等，然后使用Excel 2016软件对数据进行统计、分析和处理，最后在画图时将整个一本背负投技术过程的时间作为100%，对所有数据进行样条插值后取1%标准化时刻数值进行标准化处理（施宝兴，2005）。

图1 摄像头摆放位置示意图Figure 1. Schematic Diagram of Camera Placement

1.3 概念界定

本研究使用的参数包括关节角度、角速度等。对所涉及的关节角度进行如下定义：肘关节屈伸角：肘→腕连线和肘→肩连线之间的夹角；膝关节屈伸角：膝→踝连线和膝→髋连线之间的夹角（刘卉，2004）；两肩连线角：两肩关节连线在人体水平面上的投影与Y轴的夹角（图2）；两髋连线角：两髋关节连线在人体水平面上的投影与Y轴的夹角（图2）。

图2 两肩连线、两髋连线在人体水平面上的投影与Y轴夹角示意图Figure 2. TheAngle Between Schematic Diagram of the Projection of Two Shoulders and Two Hips on the Horizontal Surface of the Human Body and YAxis

1.4 阶段划分

一本背负投技术阶段划分依据为：T1（准备阶段）：施技者右脚离开地面瞬间开始往前0.3 s；T2（上步阶段）：施技者右脚离开地面瞬间开始到右脚落于对手双脚之间触地瞬间结束；T3（转体阶段）：施技者右脚上步触地瞬间开始到施技者转体背对对手双脚触地瞬间结束；T4（发力阶段）：施技者双脚触地瞬间开始到对手背部着地瞬间结束；T5（结束阶段）：从对手背部着地瞬间开始往后0.3 s（图3）。

图3 柔道一本背负投动作解析图Figure 3. Schematic Diagram of Judo Ippon-seoi-nage

2 研究结果

2.1 柔道一本背负投技术时间参数

分阶段对运动员使用一本背负投技术所用时间进行对比分析，可以看到，一本背负投技术主要动作所用时间一般在1～1.5 s，6名运动员完成一本背负投技术主要动作（T2＋T3＋T4）的时间均值为1.28 s，2名健将级运动员所用时间分别是1.11 s、1.13 s，略低于一级运动员，说明健将组运动员在完成一本背负投动作时的速度和节奏比一级运动员快（表2）。在世界高水平的比赛现场，运动员注意力往往特别集中，而接近1.5 s的一本背负投动作会给对手足够时间做出应对措施，因此，提高该技术动作的速度，可以达到有效的制胜效果，提高一本背负投成功率。

表2 柔道一本背负投技术时间参数Table 2 Time Parameters of Judo Ippon-seoi-nage n=6，s

从各阶段所用时间来看，在T2上步阶段6名运动员所用时间均值为0.16 s，T3转体阶段为0.32 s，T4发力阶段为0.80s，3个阶段时间差异明显，T4阶段用时大于T3和T2阶段，因此，减少T4阶段所用时间的意义大于T3、T2阶段。从动作上看，上步阶段施技者右脚要上步，使右脚落于对手双脚之间，动作简单，用时较短；转体阶段施技者转体背对对手，要使臀部紧贴对方小腹，达到最佳发力位置；发力阶段施技者要进行蹬伸发力，投摔对手，此时会遇到较大阻力，使速度变慢。综合考虑，增加腰背肌群和下肢肌群力量、增加T3转体阶段内转体带来的动量以及更快的破坏对手平衡是提高发力阶段速度、缩短时间的方法。

2.2 柔道一本背负投技术运动学分析

2.2.1 运动员两肩、两髋连线角分析

如图4所示，两肩连线角、两髋连线角角度曲线图整体呈现出上升趋势，这符合一本背负投技术动作特点。在主要动作阶段（T2～T4阶段）内，两肩、两髋连线角活动范围由大至小分别是T3转体阶段＞T4发力阶段＞T2上步阶段。T2上步阶段曲线上升，从曲线可以看出，上步阶段两肩连线角曲线较平稳，角度变化不大，说明上步阶段上肢无太多动作；而两髋连线角曲线明显上升，这符合上步阶段右脚上步导致下肢提前扭转的动作特征。T3阶段曲线迅速上升，两肩、两髋连线角的平均活动范围分别是87.41°、95.63°，该阶段内身体由正面面对对手，迅速转体至背对对手，身体转体幅度大，转体速度快，因此曲线较陡。T4发力阶段曲线较平稳，略有上升，该阶段内主要动作为弯腰蹬地发力，两肩、两髋相对稳定，活动范围不大，因此曲线较平稳。

两肩连线角、两髋连线角角速度可以很好的反应该技术动作过程中躯干的转体快慢。两肩连线角、两髋连线角角速度曲线图均呈现出单波峰、双波谷波形（图5），观察曲线图发现两髋连线角从开始就呈现上升趋势至最大值，而两肩连线角在T2阶段开始时才呈现出上升趋势，分析认为在动作准备阶段内，施技者左手抓握对手手臂，手臂较固定，变化不大，而下肢则在调整以寻找最佳的进攻位置，因此呈现出不同的上升过程。两肩连线角、两髋连线角的角速度均在T3转体阶段达到最大值，两肩连线角和两髋连线角的角速度平均值分别是278.53°/s和304.46°/s。当曲线达到峰值后随即开始下降，而此时转体还在进行中，由于转体时施技者要调整身体位置同时受到对手阻碍，因此在转体阶段还未结束时，角速度就开始下降。随着曲线的持续下降，T4阶段达到最低值随后在一定范围内上下波动直至动作结束。在T4阶段开始（双脚触地瞬间）时，施技者身体还没有完全背对对手，因此T4阶段开始时，曲线还呈现出下降趋势。当身体完全背对对手时，肩、髋相对稳定，变化较小，曲线相对平稳。

图4 运动员两肩、两髋连线角角度曲线图（n=6）Figure 4. Angle Curve of Connection ofAthlete''s Both Shoulders and Both Hips

表3 运动员两肩、两髋连线角参数Table 3 ConnectionAngle Parameters ofAthlete''s Both Shoulders and Both Hips n=6

2.2.2 运动员左、右肘关节角度、角速度分析

左侧肘关节角度变化曲线图（图6）为单波谷波形，波谷出现在转体阶段的结束时刻。T2上步阶段左侧肘关节角度活动范围为12.98°，变化较小，肘关节基本保持稳定；T3转体阶段肘关节角度活动范围为32.53°，肘关节角度变化较大，且曲线较陡，肘关节变化速度较快；T4发力阶段曲线平缓上升，肘关节角度活动范围为39.94°，变化相对较小且速度较慢（表4）。右侧肘关节角速度变化曲线图（图6）为单波峰、双波谷波形，波峰出现在转体阶段内。在一本背负投技术中，转体时右臂以直臂形式向上移臂后插入对手腋下屈肘环抱对手手臂，因此，转体时右侧肘关节角度先增加后减少，出现波峰。右侧肘关节角度在各阶段内的活动范围分别是：T2为19.58°，T3为43.54°，T4为63.84°，上步阶段变化较小较为稳定，转体变化较大且速度较快，发力阶段变化较大，但变化速度较慢。

左、右肘关节角速度变化差异较大（图7）。左侧肘关节角速度曲线波形为单波谷，波峰不明显，各阶段内的平均角速度分别是：96.30°/s、103.01°/s、53.92°/s；右侧肘关节角速度曲线波形为双波峰、双波谷，各阶段内的平均角速度分别是：150.65°/s、141.79°/s、81.65°/s（表 4）。右侧肘关节上步阶段角速度大于转体阶段，这是由于施技者以直臂形式向上移臂，在插入对手腋下后迅速环抱对手手臂，此时肘关节角度迅速降低，角速度快；环抱对手手臂后，肘关节相对稳定，关节角度变化不大，角速度自然变慢。双臂肘关节在上步阶段、转体阶段内角速度最快，发力阶段内角速度最慢，这与一本背负投技术特点相似。

2.2.3 运动员左、右膝关节角度、角速度分析

左侧膝关节角度曲线图（图8）为单波谷波形，其波谷出现在T3转体阶段结束时刻，各阶段内左侧膝关节角度的活动范围为T2上步阶段11.79°，T3转体阶段55.50°，T4发力阶段为73.89°（表5）。右侧膝关节角度变化曲线图波形为单波峰、双波谷，各阶段内关节的活动范围为T2上步阶段 33.82°，T3转体阶段 49.38°，T4发力阶段为63.87°。左、右侧膝关节角基本都在转体结束达到最小值110°左右，曲线图上明显可以看出受试者快速屈膝和伸膝的动作过程。左、右侧膝关节角度变化曲线图符合一本背负投技术规律，即在转体的同时降低身体重心高度，膝关节弯曲，角度变小，膝关节活动范围较大；在发力投摔对手时，双腿迅速蹬伸，臀部上顶，膝关节伸直，角度变大，膝关节活动范围较大。而在T2上步阶段左侧腿做为支撑腿，膝关节角度变化较小；右侧膝关节要提膝上步，故其膝关节角度逐渐变大。

图5 运动员两肩、两髋连线角角速度曲线图（n=6）Figure 5. Angular Velocity Curve of Connection ofAthlete''s Both Shoulders and Both Hips

图6 运动员左、右侧肘关节角度曲线图（n=6）Figure 6. Angle Curve ofAthlete''s Left and Right Elbows

表4 运动员左、右侧肘关节角度参数Table 4 Angle Parameter ofAthlete''s Left and Right Elbows n=6

图7 运动员左、右侧肘关节角度、角速度曲线图（n=6）Figure 7. Angular Velocity Curve ofAthlete''s Left and Right Elbows

图8 运动员左、右膝关节角度曲线图（n=6）Figure 8. Angle Curve ofAthlete''s Left and Right Knees

表5 运动员左、右侧膝关节角度参数（n=6）Table 5 Angle Parameter ofAthlete''s Left and Right Knees

左侧膝关节角速度曲线图（图9）波形为单波峰、单波谷，各阶段内的平均角速度分别是：83.09°/s、177.23°/s、95.69°/s。右侧膝关节角速度呈双波峰、双波谷波形，各阶段内的平均角速度分别是：232.91°/s、126.16°/s、83.48°/s（表5）。上步阶段内左腿作为支撑腿膝关节变化较小，右侧腿进行上步，在短时间内屈伸，因此角速度较快。转体阶段内，运动员使用左腿背步转体时，腿部有非常明显的快速屈伸动作，这就造成了左侧膝关节角速度的较快。而转体时右侧腿转变为支撑腿，变化较小，角速度相对较慢。发力阶段双腿膝关节在达到最低值后，双腿随即迅速蹬伸，上肢发力投摔对手，因此该阶段内膝关节角速度曲线图呈先上升后下降的趋势。

图9 运动员左、右侧膝关节角速度曲线图（n=6）Figure 9. Angular Velocity Curve ofAthlete''s Left and Right Knees

3 讨论与分析

3.1 上步阶段

上步阶段作为一本背负投的开始阶段，有用时短，速度快，动作简单的特点。具体动作为：上下肢联动进行，左腿支撑，右腿上步落于对手双脚之间，左手抓握提拉对手手臂，右手做准备，上肢的动作更多是为了后续做准备。本研究显示，6名运动员上步阶段平均时间为0.16 s，占总时间的12.5%。两肩连线角17.03°；两髋连线角22.31°，转体幅度较小；左、右侧肘关节角12.98°、19.58°；左、右侧膝关节角11.79°、33.82°，左侧上下肢关节活动范围相对稳定，右侧上下肢活动范围相对较大，这与技术动作相符。研究发现，在进行上步的同时，右侧肘关节以及右侧膝关节平均角速度呈上升趋势，角速度较快，分别为150.65°/s、232.91°/s，说明上下肢同时运动，动作速度快。上步阶段动作较简单，下肢上步、上肢提拉是动作的开始，有研究指出，要加强背负投技术的抢手抓把部位的训练（刘米淳，1995）。在如今竞技比赛中，双方运动员都不会给对方较舒适的抓把位机会，这就增加了背负投技术使用难度（徐娜，2018）。而下肢上步的位置决定了施技者与受技者之间的身体位置（叶姝等，2019），是动作能否继续执行以及高效执行的关键。

3.2 转体阶段

在一本背负投技术中，转体阶段可以看作是施技者的肢体绕垂直面旋转180°的过程，说明有效的转动可以带来更佳的动作效果（刘燕，2011），转体的幅度以及转体速度是影响技术效果的重要因素（霍兴华，2014；刘燕，2011）。转体阶段在整个技术动作过程中发挥着重要作用。根据一本背负投动作特征，在转体的同时，左臂屈臂牵拉对手手臂，左侧肘关节角度呈逐渐减少状态，活动范围为32.53°；右臂从对手右臂下方插入随后环抱对手右臂，肘关节角度呈先增加后减少的状态（图6），活动范围43.54°，较左臂活动范围多。身体以右腿为支撑腿，左腿甩步转体，同时屈膝以降低身体重心高度，左、右侧膝关节角度均呈现出减少状态（图8），左、右侧活动范围分别是：55.50°、39.38°，左侧膝关节减小较多。6名受试者转体阶段平均时间为0.32 s，占总动作时间的25%。转体阶段时间短，动作速度快。两肩连线角、两髋连线角平均角速度分别是：278.53°/s；304.46°/s，角速度明显增加。根据转动定律M=Iβ，合外力矩等于转动惯量I与角加速度β的乘积，当合外力矩不变时，转动惯量越小，角加速度越大，角速度越大，转体也就越快，说明该阶段内转体速度最快。研究结果均符合一本背负投技术动作特征。

本研究发现，左侧腿在转体过程中并不是以直腿的形式进行转体（左侧膝关节角度在100°～150°变化），其膝关节角度呈逐渐减小的状态。咨询相关运动员与教练员后分析得知，运动员大多采取屈曲左侧腿的方式进行转体，其目的在于降低重心高度，同时方便左侧腿着地，若直腿着地可能会造成重心不稳的情况。根据运动生物力学动量矩定理：转动惯量大小取决于肢体各环节绕其质心的转动惯量到转轴的距离，离轴越远，转动半径越长，转动惯量就越大，反之越小（张继锋，1997）。因此，左腿以屈膝状态进行转体时，转动惯量减小，角速度增加；以屈膝状态转体可以提高转体速度。而在此基础上，当转动惯量一定时，合外力矩与角加速度成正比关系，即转动惯量一定时，合外力矩越大，角加速度越大，角速度也越大。增大肌肉力矩，可以增大环节绕相应关节的转动角速度或角加速度（丁向东，2004）。

3.3 发力阶段

发力阶段是先由腿部发力（膝关节角速度快速增加）随后躯干前倾（刘燕，2011），此时上肢、躯干、下肢协同发力投摔对手。6名受试者发力阶段平均用时0.80 s，占总时间的62.5%，该阶段受对手体重和做出防御措施等方面影响都会造成发力阶段用时增加，若减少发力阶段所用时间，将有效提高一本背负投的动作质量。发力阶段身体无明显的转体动作，两肩、两髋连线角活动范围分别是50.79°、47.07°，角速度分别是 62.61°/s、51.19°/s，活动范围相对较小，转体速度也很慢。发力阶段开始时，左、右侧肘关节角度曲线图都出现一段较为平稳的时期，该时期内左、右侧肘关节角度分别维持在60°～70°左右的范围内，将这一时期称为平台期（图6）。平台期内左、右肘关节角度变化不大，基本维持稳定。平台期的出现符合一本背负投技术动作特点，即右侧手臂因环抱对手手臂，肘关节角度不易发生变化，而左侧手臂牵拉对手手臂的同时保持稳定，便于发力。该阶段内左、右侧膝关节活动范围较大，平均值分别为73.89°、63.87°。膝关节平均角速度较慢，分别是 95.69°/s、83.48°/s。当膝关节角度在 110°左右时，此时施技者身体背部紧贴对手，臀部贴紧对手小腹，这样形成了较大的翻倒力矩，使翻倒力矩大于对手稳定力矩，平衡系数小于1，对手的平衡性最易被破坏（张继锋，1997）。而过小的膝关节角度则认为不利于蹬地发力，因此，要避免膝关节角度过小。

3.4 问题分析

通过测试数据发现，个别运动员的关节角度参数存在较大的差距，分析认为有以下两种原因：1）由个体差异造成。一本背负投技术因人而异，不同级别、不同运动员、不同动作习惯等都是造成其关节角度存在差距的原因；2）角度补偿现象。研究发现，若运动员在上步阶段内的关节活动范围较小时，在转体阶段内关节活动范围就会变大，反之亦然，但6名受试者在上步阶段以及转体阶段内关节活动范围之和却相差不大。比如，苏某左侧膝关节在上步阶段的活动范围为12.13°，转体阶段的活动范围为59.33°，两阶段之和为71.46°；李某某左侧膝关节在上步阶段的活动范围为22.55°，转体阶段的活动范围为53.67°，两阶段之和为76.22°。两人之间差距很小。因此角度补偿是造成不同阶段内运动员关节角度参数存在差异的原因之一。关于角度补偿现象还有待于进一步研究论证。

4 备战东京奥运会的建议

目前国家柔道队以积极心态备战奥运，在保证基础训练不变的前提下，狠抓体能。结合已有成果（李赞等，2019）和本研究结果，给出以下建议：在体能训练的基础上，增加专项力量训练、核心稳定性训练。研究显示，在转体阶段躯干转体时角速度最大、转体速度最快、产生的动能也最大。发力阶段下肢蹬伸、上肢牵拉投摔，因此，要有针对性的对这些肌肉进行力量及核心稳定性训练。在技术方面：1）强化一本背负投的基础动作训练，使运动员完全掌握一本背负投的基本动作，包括动作时机判断、抓握部位选择、上步位置的判断等，这些基础动作决定了一本背负投动作能否继续进行；2）加强与其他联络技的配合训练，直接使用一本背负投困难较大，但与联络技配合使用可大大提高一本背负投成功率；3）加强实战练习，在保证安全的前提下加强实战训练，强调运动员提高一本背负投的使用率，以增强运动员对对手情况的判断、时机的把握能力，以及提高一本背负投的熟练程度。