羽毛球运动生物力学研究进展

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　　摘  要：从研究内容和研究方法两个角度分别切入，简要地总结了目前国内外羽毛球运动生物力学研究的进展。在相关研究的内容上，首先介绍了羽毛球运动技术、运动损伤以及运动器材方面的研究成果，接着分类比较了运动学、动力学以及生物学测量与分析方法的优势与不足，揭示了将运动生物力学应用于羽毛球研究的重要意义。根据现有的研究成果和发展趋势，研究认为在接下来的工作中应当致力于手指等小关节部位的精细动作技术研究、群众健身中羽毛球运动损伤的预防以及羽毛球专项实验器材的自主研发。
　　关键词：运动生物力学  羽毛球  综述  运动学  动力学
　　中图分类号：G804                                   文獻标识码：A                        文章编号：2095-2813（2019）03（a）-0017-03
　　Abstract： This paper briefly summarizes the progress of sports biomechanics in badminton. It reviews studies from two aspects， including research contents and research methods. First， it introduces the technical performance of badminton skills， the causative mechanisms of specific badminton injuries and the equipment used in playing badminton. Then， it thoroughly discusses the relatively advantage and shortages in different research methods that have used in the biomechanical aspects of badminton. This review evaluates these and attempts to provide direction for future research.
　　Key Words： Sports biomechanics; Badminton; review; Kinematics; Dynamics
　　羽毛球运动因其适合各个年龄层的人，并且不受性别、场地以及运动水平的限制而成为大众喜爱的体育运动之一。在羽毛球运动中，一个相同的动作技巧可能有许多的方法可达到相同的动作目的。这些方法有些是靠着教练及选手在练习过程中不断尝试寻找到的，有些则是科学分析的结果。而对于羽毛球初学者来说，在未探寻到最适合自己的技术前，模仿优秀运动员的动作技术就成了最常见的做法。除了技术学习外，纠正错误动作也很重要，教练员常在肉眼观察的基础上结合自身经验来寻找错误动作，指导运动员进行矫正，但是对于造成错误动作的原因往往难以确定。这时通常借助特定的仪器进行观察，把肉眼无法观察到的信息通过仪器进行详细记录并分析，这一由视觉观察逐渐转为量化分析的过程也正是运动生物力学的学科演变过程。
　　1  羽毛球运动生物力学研究内容
　　1.1 运动技术的力学原理与优化
　　针对羽毛球动作技术的上肢运动生物力学研究，主要探讨了各环节间的运动顺序、肌群的发力和各关节动作在挥拍击球中对拍头速度的贡献率等。以杀球技术为例，上肢各运动环节由近端到远端依次加速，最后通过手部的挥拍动作，使得球拍在击球前获得最大的运动速度[1]。此外在杀球准确性的研究上，远端环节的肌群控制也很重要[2]。要想进一步提升羽毛球技术，除了准确的上肢击球动作，还必须具备良好的步法。熟练的步法技巧可以帮助球员在最短的时间和最小的能耗下达到最佳击球区，并帮助球员在击球时保持身体平衡[3]。
　　1.2 运动损伤的成因与预防
　　球员在进行羽毛球运动时，持续地快速移动对肢体产生的局部负荷较大，反复积累下就可能造成慢性运动损伤[4-7]。在过去的研究中发现，羽毛球运动损伤与球员的年龄、性别、参与羽毛球运动的时间、技术水平、疲劳以及所穿鞋子有关[8-11]。Jorgensen，U.和Winge，S.（1990）[12]指出羽毛球项目的运动损伤58%发生在下肢，42%发生在上肢和背部。在步法的移动过程中，踝关节的内、外翻转角度超出其正常活动范围就有可能引发运动损伤。在羽毛球运动上肢运动损伤的相关研究中，则主要针对腕关节、肩关节以及腰背部位的运动损伤机制以及预防措施进行了探讨[13、14]。
　　1.3 运动器材的设计与改进
　　对于优秀运动员来说，除了自身扎实的运动技能以外，能帮助其增加运动表现的运动器材、设备也是不可或缺的。在羽毛球项目中，讨论最多的就是羽毛球鞋和羽毛球拍的设计及改进。Wei等人（2009）[15]指出不同的足底区域应该设计不同的材质以分散压力，并且在羽毛球鞋功能设计时要将跖趾关节的功能性考虑进去。相较于羽毛球鞋，羽毛球拍作为直接接触羽毛球的器材，不仅会改变羽毛球的飞行路径，也会影响击球效果，在击球过程中的动量传递上发挥了重要作用[16-19]。Kwan（2010）[18]将羽毛球拍的速度分为球员的挥拍速度和挥拍过程中球拍产生的弹性速度，其中球拍本身产生的弹性速度对球拍整体运动速度的贡献率达到了4%～6%。 　　2  羽毛球运动生物力学研究方法
　　2.1 运动学测量与分析
　　早在1979年就有学者利用电影胶片对羽毛球的击球动作进行了分析[20]，这一时期所使用的实验设备较为简单，无法获得较为客观、准确的数据。而后16mm摄影机的应用开启了羽毛球二维的动作分析[21、22]，接着各种不同的二维、三维空间摄影法被陆续开发应用于羽毛球的动作技术分析，出现了一些比较成型的动作分析系统。这一分析方法的实验仪器价格昂贵，对实验场地的光线条件要求较高，受试者的活动范围也有限。采用此类动作捕捉系统对手指等小关节部位进行测量时，反光球的粘贴难度较大，且在握拍时易造成反光球的遮挡，会造成较大的误差。近年来，一些学者开始使用惯性动作捕捉系统进行动作捕捉与追踪。相较于传统的光学动作捕捉系统，惯性动作捕捉系统体积较小、便于携带且可用于实验室以外的场所。惯性动作捕捉系统的出现，也为手指等小关节在运动参数的获取上提供了一个新的思路。Alvin Jacob的研究团队基于弯曲传感器设计出一款数据手套，对羽毛球基本握拍姿势进行识别分析，以期为羽毛球初学者提供正确握拍姿势的参考[23-25]。
　　2.2 动力学测量与分析
　　羽毛球动力学研究中所需要的力学参数可以通过测量直接获得，也可以借助不同的模型进行推算获得。前者可借助传感器等测量设备实现，后者则是在视频（或者视频和传感器结合）的基础上进行求解。三维测力台是目前羽毛球运动生物力学研究中的常用设备之一，可以对地面反作用力的大小、方向以及作用时间进行测量，为动作技术的分析提供了有效的测试手段。但因三维测力台的平面尺寸有限，对受试者的活动范围造成较大限制，一些研究者开始利用测力板进行相关研究，而后又出现了足底压力鞋垫[26]。这些测量方法的出现，使羽毛球运动生物力学研究在动力学的量化分析上更为精准、便捷。
　　2.3 生理学测量与分析
　　在生理学测量方面，有学者利用卡尺、带尺、体重计等仪器对各环节围度、体重、体脂等人体形态学参数进行测量，总结出优秀羽毛球运动员的身体形态特征，为羽毛球运动选材提供参考[27-29]。还有学者利用肌电仪对肌肉活动中的电信号变化过程进行测量。Tsai（2005）[30]就利用肌电图发现正手杀球和吊球的肌肉活化顺序高度相似，但杀球的肌肉活化程度明显大于吊球。
　　3  研究展望
　　随着参与羽毛球运动人数的增加，运动生物力学的研究领域也由传统的竞技运动延伸到健身运动中。可以从业余爱好者容易产生的错误动作以及运动伤害入手，找出有效的预防办法并进行推广。现今羽毛球动作技术的生物力学主要着重于肩、肘、腕、膝、踝等大关节的活动，在手指等小关节的精细动作鲜有研究。现代科学技术的进步增加了运动生物力学研究的广度与深度，为研究更复杂的动作提供了更精准的计算机分析、更实时的信息反馈，可以在未来的研究工作中，着眼于小关节、小环节的精细动作研究。另一方面，生物力学研究的发展在一定程度上取决于测量手段的进步。因此，研发适合不同研究环境及条件的测量仪器，包括硬件及软件，才能够使学者根据实验目的不同，自行修改软件或硬件设施，使实验过程能够顺利进行。
　　4  结语
　　综上所述，目前在羽毛球动作技术的上肢生物力学研究中，已经详尽地讨论了各个环节的运动顺序、不同肌群的发力时序以及各關节对拍头速度的贡献率等;针对下肢的生物力学研究往往与运动损伤和运动鞋研发结合起来，也取得了一定的进展。但是针对羽毛球业余爱好者在技术学习过程中可能出现的运动损伤讨论不多，羽毛球专项的测量设备的研发上也尚有不足，现有设备对于手指等小关节的精细动作存在较大误差，且对手指部位的精细动作关注度不高，这是在今后的研究工作中值得关注的。
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