基于数据手套的羽毛球正手持拍技术定型/矫正器的研制与试用

游茂林

国家体育总局调查报告显示，羽毛球在我国已经成为健步走之后参与人数最多的体育运动，羽毛球人口高达2.5亿（刘国永等，2014），其中业余羽毛球爱好者和参加业余训练的青少年儿童占比较大。羽毛球的基本技术主要由上肢的基本手法和下肢的基本步法两部分组成（肖杰，1996）。基本手法是从握拍开始的（雷蓉蓉，1980），是羽毛球最基本的技术之一，是进一步掌握和提高羽毛球技术的“入场券”（戴劲 等，2009）。雷蓉蓉（1980）指出，没有正确的握拍，就没有正确的技术，只有正确的握拍，才能使力量百分之百地传递到击球点上，所以持拍技术是羽毛球教学和训练工作的首要任务。

为提高羽毛球持拍技术教学效率，杨凤蕊等（2013）设计了一套针对中学生学习羽毛球持拍技术的系统矫正教学方案；姜超（2006）利用人机原理将标准的羽毛球握拍姿势融入球拍造型，引导初学者在最短时间内掌握规范的羽毛球握拍方式；世界羽毛球冠军熊国宝设计生产了一种附带持拍技术定型/矫正功能的特制羽毛球拍（图1）。

图1 熊国宝专利羽毛球拍Figure 1.Xiong Guobao Badminton Racket

在羽毛球教学和训练工作中发现：1）大约50%的羽毛球初学者较难通过技术示范和指导改善持拍技术；2）凹槽造型的羽毛球持拍定型/矫正装置，可以帮助持拍者在初始状态摆出正确姿势，由于对手指的束缚有限，因此运动过程中手指较易脱槽，其“神经—肌肉”工作机制会自动促使手部采用更习惯的持拍方式；3）定型/矫正装置附着在拍柄上，致使球拍的价格较贵，且练习者掌握正确持拍技术后不能将定型/矫正装置拆卸，影响球拍的后续使用功能；4）由于手型不同，按照个人持拍技术复模制作的定型/矫正器的适用范围有限。因此，研制一种价格便宜、功能优良、可拆卸的羽毛球持拍技术定型/矫正器，对羽毛球初学者和业余爱好者掌握正确的基本持拍技术，具有现实意义。

1 研究方法

1.1 数据采集设备

实验发现，采用复制手模的技术采集运动员持拍手型的不足明显：1）需在球拍炳上敷设一定厚度的采模材料，但较难涂抹均匀，且持拍手与拍柄之间隔着采模材料，采集的手型与真实持拍手型存在较大差异；2）手模采集后需人工测绘，影响精确度，多组手模数据通过人工测绘拟合，耗时耗力且误差较大。

数据手套是实现手势识别的有效设备，被广泛用来采集各种手势参数（李琴等，2010；毛谡等，2014；张志纯等，2015），是一种多模式的虚拟现实硬件，每一个指套都设有用柔性电路板、力敏原件、弹性封装材料等组成的弯曲传感器，覆盖每一个指关节，并通过导线连接至配套软件进行信号处理，虚拟出相应的手部动作。

本研究使用美国5DT（Fifth Dimension Technologies）公司生产的5DT Data Glove Ultra Series数据手套（图2），其为每根手指配有1个传感器，可对用户手指的弯曲度进行测量，可满足动作捕捉和动画制作领域的专业工作要求，具有8-bit曲度解析率、佩戴舒适、低漂移、开放式结构、简单易用、波形系数小、驱动程序完备、超高的数据质量、较低的交叉关联、以及高数据频率等特点。共测试16名羽毛球运动员（包括世界大学生羽毛球比赛冠军1名、现役国家羽毛球队运动员2名、现役中国大学生羽毛球队运动员1名和12名大学高水平羽毛球运动员）的右手、正手持拍手型。

图2 5DT数据手套展示与调试Figure 2.Present and Debug the 5DT Data Glove

1.2 数据采集方法

利用5DT数据手套配套软件采集每一位运动员的右手、正手持拍手型数据。为了保证数据采集的准确性：1）正式测试前，多次试用1副全新的5DT数据手套，确认数据手套灵敏、有效；2）正式测试时，运动员佩戴数据手套，经被试多次空手抓握，确认设备无误后再持拍测试。

1.3 数据提取

利用3DS Max软件，导入数据手套采集的运动员正手持拍手型参数，获得手掌骨架的三维图像（图3）。

图3 运动员正手持拍技术手型三维骨架图像Figure 3.3D Skeleton Image of the Hand Shape Data of Forehand Grip

数据手套通过检测手指的弯曲，利用磁定位传感器精确标定手指在三维空间的位置，生成各个关节在三维空间的坐标，通过点击3DS Max软件呈现的手掌骨架图像中的关节，自动生成各个关节的三维坐标（图4）。

图4 采集正手持拍指关节三维坐标数据Figure 4.The Finger Joints’3D Coordinate Data when the Athletes Use Forehand Grip

实验发现，受手指生理结构的影响，拇指第2指节和食指第3指节可标定羽毛球正手持拍的手型，因此需提取拇指第1和第2指关节、食指第2和第3指关节的三维坐标数据，分别标记为A1和A2、B1和B2（图5）。

图5 采集三维坐标数据的指关节Figure 5.The Finger Joints Which Need to Extract the 3D Coordinate Data

采集拇指关节A1坐标为（A1x、A1y和A1z）、关节A2坐标为（A2x、A2y和A2z）；食指关节B1坐标为（B1x、B1y和B1z）、关节B2坐标为（B2x、B2y和B2z）（表1、2）。

表1 运动员正手持拍拇指关节的三维坐标Table 1 3D Coordinate Data of the Thumbs Finger Joint when the Athletes Use Forehand Grip

1.4 数据整理

每名运动员正手持拍时拇指第2关节和食指第3关节的三维坐标一致，产生持拍技术差异的是拇指第1关节和食指第2关节的位置（表1、2），因此只需确定其关节点的空间关系，以标定正手持拍拇指和食指的位置。由于测试误差客观存在，为了保证数据可靠性，将提取的指关节A1和B1的三维坐标输入Matlab软件，利用Matlab中线拟合功能对数据进行整理，结果显示，虽然运动员的持拍手型存在一定的差异，但2个关节的6个三维坐标均分布在中线附近（图6），可见：1）高水平羽毛球运动员的正手持拍手型基本一致；2）本次测试采集的数据未见异常。

图6 运动员正手持拍拇指第1指关节和食指第2指关节的三维坐标Figure 6.The First Finger Joint of Thumbs and the Second Finger Joint of Index Fingers’3D Coordinate Data when the Athletes Use Forehand Grip

2 羽毛球正手持拍基本手型参数

羽毛球正手持拍技术的表现形式多样，但羽毛球初学者和持拍技术不当的业余爱好者掌握持拍基本手型困难是较为突出的问题。羽毛球练习者只有掌握了持拍基本手型，才能在此基础上丰富和熟练多种持拍技术。

本研究发现，指关节在纵向上可以前屈，但在横向上几乎无法运动，所以运动员持拍后手指与拍柄形成的位置关系稳定，不管持拍后手部如何运动，只要不改变正手持拍手型，手与球拍的位置就不会发生变化。由于拇指与食指是持拍的关键手指，其位置能够基本确定其他手指、手掌与球拍的位置，因此确定拇指与食指的持拍手型，则可标定正手持拍手型，在此过程中，拇指第2指节和食指第3指节发挥关键作用。由于运动员正手持拍时拇指第2指节、食指第3指节与球拍的水平线形成一个夹角，通过计算拇指第2指节和食指第3指节的水平夹角可以确定拇指和食指的位置。拇指第2指节（A1～A2）的水平夹角标记为alpha1，食指第3指节（B1～B2）的水平夹角标记为alpha2（图 7）。

图7 运动员正手持拍拇指第2指节和食指第3指节的水平夹角Figure 7.The Horizontal Angles of the Thumbs’Second Knuckles and the Index Fingers’Third Knuckles when the Athletes Use Forehand Grip

表2 运动员正手持拍食指关节的三维坐标Table 2 3D Coordinate Data of the Index Finger Joint when the Athletes Use Forehand Grip

根据正手持拍时拇指关节A1和A2的坐标、食指关节B1和B2的坐标，用两点之间的距离公式计算出关节间的距离，再计算两个关节点相连的直线与球拍柄垂直方向坐标差的绝对值，根据高度差与斜边比值的反正弦公式计算正手持拍时拇指和食指的水平夹角alpha1和alpha2。

A1、A2 的相对高度设置为 h1，h1=（A2y-A1y）；B1、B2的相对高度设置为h2，h2=（B2y-B1y）。拇指关节A1和A2间距离设置为a，食指关节B1和B2间距离设置为：

拇指第2指节的水平夹角设置为alpha1，alpha1=arcsin（h1/a）；食指第3指节的水平夹角设置为alpha2，alpha2=arcsin（h2/b）。在每名运动员正手持拍手型的alpha1和al‐pha2计算结果（表3）的基础上获得水平夹角均值，用作羽毛球正手持拍技术定型/矫正器设计的参考数据。

3 羽毛球正手持拍技术定型/矫正器设计

根据上述运算获得的羽毛球正手持拍拇指第2指节和食指第3指节的水平夹角平均数，结合正手持拍时的手指形状，用SOLIDWORKS进行三维建模，通过2个指套虚拟拇指和食指的持拍位置，根据持拍手虎口至球拍柄底部的距离，标定正手持拍手型与球拍炳的位置关系（图8）。

图8 羽毛球正手持拍定型/矫正器的初始设计模型与3D打印件Figure 8.The Initial Design and 3D Model of the Forehand Grip Technique Setting/Corrective Apparatus

采用3D打印机制作塑料材质的设计模型，邀请3名羽毛球教练员（羽毛球训练和教学经历为12～31年）试用3D打印模型，根据其给出的修改意见优化设计方案，并再次予以3D打印。通过8轮不断修改和优化设计，确定了羽毛球正手持拍技术定型/矫正器的技术标准，主要工作包括：1）拇指和食指的水平夹角。运动员持拍技术多样，拇指和食指的水平夹角均值确定了拇指和食指的位置关系以及基本持拍手型，但存在一定的偏差。3名羽毛球教练员经2轮试用和讨论，确认拇指和食指的水平夹角；2）优化套管与拍柄的吻合度。经过2轮测绘和修改，套筒能够紧密安装在拍柄上，并可以自由拆卸；3）试用发现，带指套的套筒很难黏上手胶，且长期使用指套会磨伤手指，所以去掉套筒上的指套，将指套设置在手胶上；4）根据新设计制作的样品，经上海红双喜股份有限公司羽毛球部的专业技术人员测试，指出持拍定型/矫正器增粗了拍柄，学生使用会产生问题的不足之处，因此重新测绘和设计套筒的尺寸，要求套筒壁厚1 mm，适配无手胶拍柄（拍柄周长从小到大有5个型号，本研究依据3号拍柄设计）；5）新样品多次重复使用，发现按扣不易打开，会对卡槽产生拉扯，所以根据持拍时手指间隙，在摁扣卡槽一边设计3个凹槽，便于使用打开按扣；6）为了优化产品外观，由德辰设计有限公司对样品进行三维扫描和数字化塑形后，予以3D打印，经实用确认，取得本产品的定型设计方案。

表3 运动员正手持拍手型拇指第1指节与食指第3指节的水平夹角Table 3 The Horizontal Angles of the Thumbs’First Knuckles and the Index Fingers’Third Knuckles when the Athletes Use Forehand Grip

4 羽毛球正手持拍技术定型/矫正器样品试用

经多次实验，成品配件包括：底衬（塑料）、蒙皮（手胶）和指套（潜水材料）（图9）。

图9 定型/矫正器样品试用情况Figure 9.The Trial Application of Samples

样品经3名羽毛球教练员试用认可后，邀请4名羽毛球业余爱好者和5名没有羽毛球技术基础的大学生实际使用。前者使用安装了定型/矫正器的球拍打业余比赛，每次比赛约1 h，连续使用3～5次，后者使用安装了定型/矫正器的球拍在教练员的指导下练习正手持拍颠球、抽击球、挑球和击高球（球用尼龙绳悬挂在金属杆上），每次练习1 h，连续训练8次。

试用结束后，每位试用者对该器材的优点评价包括：1）能够帮助使用者快速掌握基本的正手持拍技术，很有效果；2）造价便宜，能够普及使用；3）固定了手指的位置，对矫正错误持拍技术很有效。缺点评价包括：1）限制了手部活动，不能实现多种持拍技术之间的灵活转换；2）需要考虑不同手型大小匹配问题；3）手被束缚住，感觉不舒服；4）安装定型/矫正器使球拍炳增粗，与实际握拍不一样。

本研究设计制作的羽毛球正手持拍技术定型/矫正器能帮助初学者和持拍技术不当的业余爱好者快速、有效地掌握基本的正手持拍技术，实现了研究目标。对于试用者提出的“手被束缚”，这正是本器材发挥定型/矫正功能的主要路径；而“不能实现多种持拍技术之间的灵活转换”的不足，因为临场转换持拍手法，需要结合当时的回击球情况，除非实现大脑对定型/矫正器的智能化控制或定型/矫正器本身高度智能化（持拍手型随定型/矫正器自动化转换而动），才能保证持拍手型灵活有效的转换。试用者提出的其他两点意见，一方面可通过提供多种型号，适用于不同的手型，另一方面可以减小内衬的厚度（样品内衬厚1 mm），并设计无内衬定型/矫正器。

5 小结

实用结果表明，本产品设计合理、有效，能够帮助初学者和持拍技术不当的业余爱好者快速掌握基本的正手持拍技术，实现了预期研究目标。若练习者使用的羽毛球拍安装了正手持拍定型/矫正器，持拍手型迅速固定，教练员无需花费较多时间和精力调整或纠正练习者的持拍技术，将有更多时间和精力用于其他关键技术教学方面，练习者也不用再受持拍技术不当的影响，以提高羽毛球技术学习效率。

试用者提出的部分建议，符合实际情况，但限于目前科技水平，尚无有效解决方法，关于“适配不同手型”和“不影响羽毛球拍柄大小”的建议，可以通过产品型号多元化和控制内衬厚度予以解决。

此外，由于羽毛球正手持拍技术较复杂，是羽毛球启蒙教学和业余羽毛球爱好者不当持拍技术矫正的难点，而反手持拍基本技术比较容易习得和掌握，所以研制反手持拍技术定型/矫正器的现实意义不大。未来，后续研究需要研制一种适用于左手持拍的定型/矫正器，并提高定型/矫正器的智能化水平。