林輝杰，嚴(yán)波濤，劉占鋒，許崇高，梁海丹

運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)的定量方法以及在專項(xiàng)技術(shù)分析領(lǐng)域的研究進(jìn)展

林輝杰1，2，嚴(yán)波濤3，劉占鋒3，許崇高3，梁海丹2

人體的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)問題一直受到多個(gè)研究領(lǐng)域的關(guān)注。Bernstein運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)觀與運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)理論被廣泛應(yīng)用于解釋運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)的形成、發(fā)展、特征中，成為研究運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)的主要理論基礎(chǔ)。依據(jù)這些理論基礎(chǔ)，針對不同類型研究的需要，設(shè)計(jì)了多種運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)的定量方法來客觀展現(xiàn)人體的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，這些方法都具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。目前，在專項(xiàng)技術(shù)分析領(lǐng)域中，對專項(xiàng)技術(shù)中肢體協(xié)調(diào)層面的研究較多，在多種專項(xiàng)技術(shù)中都發(fā)現(xiàn)了一些高效的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)方式。盡管這些運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)方式各有不同，但是展現(xiàn)出一些共性的特征。此外，在優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員的技術(shù)中，具有較大的肢體協(xié)調(diào)變異性，這些變異性是肌肉－骨骼復(fù)雜系統(tǒng)靈活性的體現(xiàn)，有利于運(yùn)動(dòng)任務(wù)的實(shí)現(xiàn)。在關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)、肌肉活動(dòng)等層面中運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)的研究相對較少。專項(xiàng)技術(shù)中運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)的研究趨勢有：1）由于運(yùn)動(dòng)技術(shù)種類繁多，各自特征不同，對運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)的研究將會涉及到更多的運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目中；2）應(yīng)用動(dòng)態(tài)系統(tǒng)理論，進(jìn)一步探索優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員技術(shù)中運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)變異性對專項(xiàng)技術(shù)的作用；3）應(yīng)用動(dòng)態(tài)系統(tǒng)理論，拓展對專項(xiàng)技術(shù)中運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)控制變量的研究；4）拓展在優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員專項(xiàng)技術(shù)中關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)、肌肉活動(dòng)等更深層面中運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)特征的研究。

專項(xiàng)技術(shù)；運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)；定量方法；研究進(jìn)展

前言

人體運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)問題既是人體科學(xué)、運(yùn)動(dòng)控制、技能學(xué)習(xí)、康復(fù)醫(yī)學(xué)、行為心理學(xué)等眾多學(xué)科的基礎(chǔ)理論問題，又在人機(jī)工程學(xué)、機(jī)器人學(xué)、兒童技能發(fā)展、運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練等領(lǐng)域具有較大應(yīng)用空間。因此，運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)問題一直備受相關(guān)學(xué)科研究者重視。近些年，在關(guān)于運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)的形成、表現(xiàn)特征、量化和分析手段等方面形成熱點(diǎn)，研究有顯著的進(jìn)步。體育科學(xué)作為重要的應(yīng)用領(lǐng)域，運(yùn)動(dòng)技術(shù)的學(xué)習(xí)、訓(xùn)練、診斷與監(jiān)控等方面都需要這方面理論和方法支持，但由于這一研究問題的多學(xué)科屬性決定了單一學(xué)科的研究成就無論在廣度和深度兩方面都有較大局限性。本研究擬集中討論運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)的量化方法，探討在專項(xiàng)技術(shù)分析領(lǐng)域中最新研究成果，旨在為體育教學(xué)和運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練實(shí)踐提供運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)測量與評價(jià)工具。

1 基礎(chǔ)理論背景

1.1 Bernstein運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)觀

前蘇聯(lián)著名生理學(xué)家Bernstein最早對運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)問題展開了系統(tǒng)性研究。他提出了“自由度”概念，是用于定義運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)的一個(gè)最基本的概念。從力學(xué)角度看，自由度即為在既定坐標(biāo)系下運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的獨(dú)立坐標(biāo)［3］。人體是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)，具有眾多的肢體環(huán)節(jié)、大量的骨骼與肌肉以及數(shù)不勝數(shù)的神經(jīng)纖維。這些運(yùn)動(dòng)器官都具有一個(gè)或多個(gè)自由度，這使人體的神經(jīng)－肌肉－骨骼系統(tǒng)具備非常龐大的自由度。然而，在運(yùn)動(dòng)時(shí)，確定其運(yùn)動(dòng)方式的參數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其自身的自由度，這導(dǎo)致冗余自由度的產(chǎn)生。Bernstein（1967）認(rèn)為，運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)是（中樞神經(jīng)系統(tǒng)）對神經(jīng)－肌肉－骨骼系統(tǒng)中自由度的組織［7］。在這個(gè)過程中，人體的冗余自由度受到了控制。據(jù)此，Bernstein（1967）也將運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)視為掌握運(yùn)動(dòng)器官冗余度的過程，換句話說，就是將冗余系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為可控系統(tǒng)［9］。運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)的特征一直被用于從行為上定義人體的各種運(yùn)動(dòng)［62］。采用一些量化運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)的方法，并且應(yīng)用相關(guān)理論予以解釋后，能為教練員深入認(rèn)識專項(xiàng)技術(shù)提供一種視角［48］。在國內(nèi)的相關(guān)研究中，多數(shù)將運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)定義為肢體運(yùn)動(dòng)間的配合［11］。然而，Bernstein對運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)的定義則具有更深刻的內(nèi)涵與更寬廣的外延。他把運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)上升到理論高度，形成了運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)的理論框架，包括其概念、形成及其發(fā)展。

實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)需要消除人體系統(tǒng)的冗余自由度。那么，中樞神經(jīng)系統(tǒng)是如何做到這一點(diǎn)，從而使肌肉－骨骼系統(tǒng)的自由度在具有幾乎無限可能組合下產(chǎn)生相對有限的一組運(yùn)動(dòng)方式？這就是自由度問題，或稱之為運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)問題［74］。這個(gè)問題由Bernstein首次提出，因此，也被稱為Bernstein問題［9］。在傳統(tǒng)視角中，應(yīng)用“認(rèn)知行為”、“信息過程”、“程序模式”等控制理論對運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)的產(chǎn)生予以解釋［88］，認(rèn)為肌肉、骨骼等運(yùn)動(dòng)器官的運(yùn)動(dòng)受到中樞神經(jīng)系統(tǒng)的直接控制。Bernstein提出了另外一種可供選擇的理論觀點(diǎn)。他認(rèn)為，人體的自由度實(shí)在太多，即便是中樞神經(jīng)系統(tǒng)有可能對它們實(shí)施單獨(dú)控制，但無疑會給中樞神經(jīng)系統(tǒng)的控制帶來極大的挑戰(zhàn)［84］。Bernstein認(rèn)為，中樞神經(jīng)系統(tǒng)并非通過對運(yùn)動(dòng)器官的單獨(dú)控制實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)行為，而是將不同層面內(nèi)多個(gè)運(yùn)動(dòng)器官自由度組合起來形成具有柔性的耦合、特殊功能性以及低維度特征的控制單位加以控制，這些控制單位被稱為協(xié)同（synergy）［17］。中樞神經(jīng)系統(tǒng)正是通過利用協(xié)同減少控制參數(shù)，簡化對人體運(yùn)動(dòng)的控制［9］。它將運(yùn)動(dòng)指令傳遞給中央模式發(fā)生器（CPG），通過CPG控制協(xié)同結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)［13］。

通過練習(xí)，運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)方式會產(chǎn)生適應(yīng)性變化，從而滿足實(shí)現(xiàn)日益發(fā)展的運(yùn)動(dòng)任務(wù)的需求［27］。例如：完善的足球踢動(dòng)作中，運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)的發(fā)展具有5個(gè)階段，每個(gè)階段將會出現(xiàn)一些特有的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)特征（表1）。Bernstein（1967）、Newell（1985）將運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)的發(fā)展劃分為3個(gè)階段［13，53］。第1個(gè)階段被稱之為束縛（freezing）自由度階段。在這個(gè)階段中，通過在許多肌肉、骨骼等運(yùn)動(dòng)器官之間建立較強(qiáng)的耦合關(guān)系，盡可能將肌肉－骨骼系統(tǒng)的自由度數(shù)量降至最低；第2個(gè)階段被稱之為增加自由度。此時(shí)，通過解除部分運(yùn)動(dòng)器官的約束，增加自由度的數(shù)量，盡可能將所有相關(guān)的自由度整合起來，提高運(yùn)動(dòng)成績；第3個(gè)階段稱之為釋放（releasing）自由度階段。通過長期練習(xí)，使神經(jīng)–肌肉系統(tǒng)學(xué)會了利用被動(dòng)力（重力、慣性力、阻力等）來提高運(yùn)動(dòng)的效果，期間一些自由度之間耦合關(guān)系被松懈了，出現(xiàn)了一些更加有效的協(xié)調(diào)方式。

表1 完善的踢動(dòng)作協(xié)調(diào)方式發(fā)展階段特點(diǎn)一覽表

1.2 運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)理論

赫爾曼·哈肯（1986）［2］提到，世界上的生物體以各種各樣的形態(tài)存在著，具有精致的結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)中各個(gè)部分間又能夠進(jìn)行巧妙地協(xié)同配合。這些精妙的結(jié)構(gòu)和功能是由于各個(gè)組成部分間相互作用而自覺形成的，是一種自組織的過程。Sch?ner和kelso［77］（1988）認(rèn)為，所有復(fù)雜的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)都具有兩個(gè)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)特征，即隨機(jī)性（stochastic）以及非線性（nonlinear）。復(fù)雜系統(tǒng)中存在大量獨(dú)立、可以隨意變化的元素，且在一定條件下，各元素間能突然形成一種有序的結(jié)構(gòu)。肌肉－骨骼系統(tǒng)就是這樣的一個(gè)多維的、復(fù)雜的、協(xié)同的系統(tǒng)，其隨機(jī)性能使它產(chǎn)生幾乎無限可能的運(yùn)動(dòng)，然而，其非線性使它產(chǎn)生適合特定條件的運(yùn)動(dòng)。Kamm等［49］（1990）同樣認(rèn)為，人體的運(yùn)動(dòng)是在感覺、神經(jīng)－肌肉、外力等子系統(tǒng)間相互作用下產(chǎn)生的，其中，并不存在具有主導(dǎo)地位的子系統(tǒng)來決定運(yùn)動(dòng)的本質(zhì)。例如，在嬰兒踢動(dòng)作的定向中，重力對運(yùn)動(dòng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，慣性力矩隨著重力以及能量的變化而改變，肌肉力矩需要適應(yīng)這些變化，這些子系統(tǒng)都隨著感知覺而變化，其中，并未在任何子系統(tǒng)中具有踢動(dòng)作方向變化的指令?？梢?，運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)觀主要是利用自組織以及非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)等觀念來解釋在生物機(jī)械聯(lián)結(jié)、神經(jīng)－肌肉支配以及外界環(huán)境等約束下運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)是怎樣產(chǎn)生的［72］。

集合變量（Collective Variables）或者序參數(shù)（Older Parameters）是指不同運(yùn)動(dòng)器官層面內(nèi)多個(gè)元素運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的集合［75］。例如，兩個(gè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的相對時(shí)相角，兩塊肌肉肌電活動(dòng)的時(shí)間差等。集合變量隨著控制參數(shù)（Control Parameters）的改變而產(chǎn)生適應(yīng)性變化?？刂茀?shù)包括了外界環(huán)境、機(jī)體內(nèi)部結(jié)構(gòu)、行為任務(wù)中存在的一些約束條件，如步態(tài)中步速、步頻的變化［18］。集合變量隨著控制參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化中出現(xiàn)的穩(wěn)定狀態(tài)被稱為吸引子，它代表了運(yùn)動(dòng)中運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)的特性［77］。運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)可以被視為運(yùn)動(dòng)器官各元素之間穩(wěn)定的、重復(fù)性高的相互間關(guān)系［55］。

Martin［57］（2005）指出，除了動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性之外，靈活性是動(dòng)態(tài)系統(tǒng)理論的另一個(gè)重要的概念。從一種穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)方式向另一種過渡時(shí)，靈活性起了非常重要的作用，它有助于解除或者建立運(yùn)動(dòng)器官、感覺以及中樞神經(jīng)之間的聯(lián)系。穩(wěn)定性與靈活性合理搭配是動(dòng)態(tài)系統(tǒng)良好性能的一個(gè)表現(xiàn)，必須很好地處理好這兩者的關(guān)系［83］。運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)的變異性是反映動(dòng)態(tài)系統(tǒng)靈活性的一個(gè)重要指標(biāo)［43］。它不僅僅被視為一種誤差，而且也可以被認(rèn)為是一種在實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)任務(wù)中肌肉－骨骼系統(tǒng)適應(yīng)性表現(xiàn)，有利于提高對源自外界環(huán)境等干擾的應(yīng)對能力［87］。Lagarde等［55］（2007）認(rèn)為，高效的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)方式具有靈活性，但是仍舊穩(wěn)定，能夠應(yīng)對環(huán)境變化的干擾，使能量消耗最佳化。這些不是天生的，而是通過練習(xí)獲得的。在運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)觀點(diǎn)下，著重對運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)自組織過程的探索，包括運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)的穩(wěn)定狀態(tài)，其穩(wěn)態(tài)的消失而引起的過渡階段以及運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)控制的機(jī)理［72］。

2 運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)的定量方法

運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)可以通過自由度之間的關(guān)系進(jìn)行描述［26，83］，這些關(guān)系是由它們變化的相似性程度來表示［64］。目前，具有多種方法可以量化運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)的方式及其變異性，這些方法主要分為3大類：1）重要時(shí)刻定量法（Discrete Meth－ods）［30，41］，指對肌肉－骨骼系統(tǒng)中自由度間重要時(shí)刻點(diǎn)中的相互關(guān)系進(jìn)行量化，包括時(shí)間序列法（Time－Series Approach）、圖像往返法（Return Maps）等；2）連續(xù)時(shí)刻定量法（Continuous Methods）［30，41，58］，它量化全部時(shí)刻點(diǎn)上自由度間的關(guān)系，包括向量分析法（Vector Coding Techniques）、連續(xù)相對時(shí)相法（Continuous Relative Phase）等；3）數(shù)理擬合定量法，它是指通過數(shù)學(xué)方法對肌肉－骨骼系統(tǒng)中自由度間的關(guān)系按特定邏輯進(jìn)行擬合，形成量化指標(biāo)，主要包括互相關(guān)法（Cross－Correlation）［56］、函數(shù)型數(shù)據(jù)分析法（Functional Data Analysis）［42，71］。

2.1 時(shí)間序列法

時(shí)間序列法是采用在肌肉－骨骼系統(tǒng)自由度時(shí)間序列中各自重要特征時(shí)刻點(diǎn)間的差值與總時(shí)間的比值來確定相位差角（Phase Angle），這些重要特征時(shí)刻包括最大值、最小值、技術(shù)標(biāo)志點(diǎn)時(shí)刻等［41］。其中，相位差角及其個(gè)體間的標(biāo)準(zhǔn)差作為運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)的方式及其變異性。例如，量化跑支撐階段中，支撐腿膝關(guān)節(jié)屈伸與距下關(guān)節(jié)展收的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)時(shí)，可以采用膝關(guān)節(jié)屈曲至最大值時(shí)和距下關(guān)節(jié)外翻至最大值時(shí)的相對時(shí)間與支撐時(shí)間的比值來確定它們的相位差角。具體的計(jì)算公式如下：

此公式中，φ為相對相位角，t1指屈膝最大值時(shí)刻，t2指距下關(guān)節(jié)外翻最大值時(shí)刻；T為支撐的總時(shí)間。相位差角在0°±360°范圍內(nèi)變化，當(dāng)相位差角為0°±30°時(shí)，肢體間運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)稱為同相協(xié)調(diào)（In Phase），其他的則為異相協(xié)調(diào)（Out of Phase）［41］。

在時(shí)間序列法中，相位差角還有其他的計(jì)算方法。在Seifert等［79］（2007）對蝶泳動(dòng)作上下肢協(xié)調(diào)的研究中，將上肢入水點(diǎn)時(shí)刻作為參考點(diǎn)，把上肢動(dòng)作標(biāo)志點(diǎn)與下肢動(dòng)作標(biāo)志點(diǎn)分別到參照時(shí)刻的時(shí)間比作為上下肢的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)方式。同樣，Bretigny等［19］（2008）在對曲棍球擊球動(dòng)作的研究中，以擊球時(shí)刻為參考點(diǎn)，用上肢兩兩關(guān)節(jié)間、兩手臂對應(yīng)關(guān)節(jié)間各自位移最低點(diǎn)時(shí)刻至參考時(shí)刻的時(shí)間之比表示它們的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)方式。

2.2 圖像往返法

時(shí)間序列法主要適用于接近相同頻率自由度間的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)。在圖像往返法中，同樣也是通過比較關(guān)鍵時(shí)刻點(diǎn)的信息來量化運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)，但是，它能夠在此基礎(chǔ)上量化不同頻率自由度間的協(xié)調(diào)方式。在此方法中，采用時(shí)間序列方法計(jì)算自由度間的時(shí)相差角，然后將多個(gè)周期中連續(xù)的時(shí)相差角曲線與其平移后進(jìn)行比較，將相似程度最高時(shí)的平移量量化它們間的協(xié)調(diào)方式［41］。例如，在量化步行中步幅與呼吸的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)中，將腳離地到之后的一次呼吸結(jié)束時(shí)間（T）與其到前一次腳離地時(shí)間（t）的比值作為時(shí)相差角，具體公式如下：

然后，將相位差角的周期變化曲線進(jìn)行平移，當(dāng)平移2個(gè)單位時(shí)，曲線與平移前相似程度最高，幾乎一樣（圖1）。由此認(rèn)為，步行中步幅與呼吸以1∶2頻率協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，個(gè)體間的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)變異性則采用頻數(shù)分析方法量化。Donker等［32］（2001）采用此方法探索了步行中手臂與腿的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)，研究并不贊同低速行走時(shí)手臂與腿以1∶2頻率協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，在快速行走時(shí)變?yōu)?：1頻率的觀點(diǎn)，但是承認(rèn)手臂與腿的協(xié)調(diào)方式隨步速而變化。

圖1 相位差角的周期變化曲線位移2個(gè)相位后與原先的比較示意圖

2.3 向量分析法

運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)可以用自由度間的相對運(yùn)動(dòng)來描述，相對運(yùn)動(dòng)則可以通過點(diǎn)－點(diǎn)圖來表示［82］。然而，單從點(diǎn)－點(diǎn)圖來分析則只是對運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)的定性描述［1］。向量分析方法則是一種點(diǎn)－點(diǎn)圖的定量方法。以角－角圖為例，在向量分析方法中，將角－角圖中相鄰兩點(diǎn)間的垂直軸與水平軸方向向量的夾角作為時(shí)相差角，用于表示運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)方式［41，58］，具體的計(jì)算公式如下［58］：

公式中，θ1與θ2表示點(diǎn)i在x軸與y軸上的坐標(biāo)。

時(shí)相差角在0°至360°之間變化，取值為0°、90°、180°和270°時(shí)，表示一個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，0°與180°時(shí)表示y軸上自由度的運(yùn)動(dòng)，90°和270°則相反；取值為45°、135°、225°和315°時(shí)，表示兩者一致的運(yùn)動(dòng)，45°與225°時(shí)表示一致同向運(yùn)動(dòng)（In Phase），135°和315°則相反［23］。Chang［22］等（2008）提到，在表示運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)狀態(tài)時(shí)，很難采用一個(gè)時(shí)刻值去判斷，而是存在一個(gè)范圍，這個(gè)范圍為±22.5°，同相協(xié)調(diào)為45°或225°±22.5°，逆相協(xié)調(diào)為135°或315°±22.5°，其中，單獨(dú)一個(gè)自由度運(yùn)動(dòng)的判斷也一樣。

Crowther等［26］（2008）的研究中，不僅采用相位差角來表示運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)方式，還將相鄰兩點(diǎn)的距離（magnitude）以及向量值（vector）也納入至其中。Tepavac［85］等（2001）設(shè)計(jì)了一套向量分析方法，能夠量化多次數(shù)中兩個(gè)自由度間的協(xié)調(diào)。Farmer等［36］（2008）對向量分析方法進(jìn)行了改進(jìn)，將對關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)性質(zhì)的判斷融入到這種方法中，例如，對膝、髖關(guān)節(jié)屈曲或者伸展等運(yùn)動(dòng)性質(zhì)與這兩者的協(xié)調(diào)關(guān)系相結(jié)合。此外，向量分析法中時(shí)相差角是循環(huán)變量，需要采用循環(huán)統(tǒng)計(jì)的方法計(jì)算其平均值與標(biāo)準(zhǔn)差，具體的計(jì)算方法參見Hamill等［41］（2000）的研究。

2.4 連續(xù)相對時(shí)相法

在研究運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)特征中，使用連續(xù)相對時(shí)相方法的頻率比較高。在這種方法中，將一個(gè)環(huán)節(jié)的角度（θ）與角速度（ω）標(biāo)準(zhǔn)化后，制作成點(diǎn)－點(diǎn)圖，然后用標(biāo)準(zhǔn)化后角速度與角度比值的反正切值表示時(shí)相角（Φ），其與另一個(gè)環(huán)節(jié)時(shí)相角的差值表示它們間的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)方式［21］，具體公式如下［58］：

公式（1）與（2）分別對角度與速度進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，公式（3）是計(jì)算時(shí)相角，公式（4）是計(jì)算相對時(shí)相角的絕對值。

在連續(xù)相對時(shí)相法中，時(shí)相差角在0°至180°之間取值；當(dāng)在0°至30°之間時(shí)，表示肢體間采用正相協(xié)調(diào)（inphase）；當(dāng)在150°到180°之間時(shí)，認(rèn)為肢體之間使用逆相協(xié)調(diào)（anti－phase）；在其他角度中取值時(shí)，認(rèn)為肢體間采用異相協(xié)調(diào)（OutofPhase）［41］。在應(yīng)用這個(gè)方法時(shí)需要注意幾點(diǎn)：1）這種方法適用于近似正弦函數(shù)變化的變量，主要應(yīng)用于一些周期性運(yùn)動(dòng)中，例如走、跑、游泳等［41］；2）在采用這種方法時(shí)，對角度與角速度進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化雖然消除了不同自由度本身性質(zhì)上的差異，但是對原始的數(shù)據(jù)也會產(chǎn)生影響，在研究對應(yīng)側(cè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)時(shí)，可以考慮不進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化［59，63］；3）對角度與角速度的標(biāo)準(zhǔn)化以及時(shí)相角的計(jì)算方法不止一種，采用不同的計(jì)算方法所獲得的結(jié)果是有差異的［54］；4）也需要采用循環(huán)統(tǒng)計(jì)的方法來求多次數(shù)中時(shí)相差角的均值與標(biāo)準(zhǔn)差。

2.5 互相關(guān)分析法

互相關(guān)分析法能量化2個(gè)時(shí)間序列變量之間的關(guān)系［90］，在多項(xiàng)研究［24，64，84］中被應(yīng)用于定量運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)?；ハ嚓P(guān)方法是對兩個(gè)時(shí)間序列參數(shù)在各種相位差下進(jìn)行線性擬合，其中，包含相位差與相關(guān)程度兩個(gè)重要指標(biāo)，它們被用于定量運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)時(shí)分別代表2個(gè)變量的時(shí)序與幅度之間的相似程度。其計(jì)算方法如下［54］：

在上述公式中，k表示相位差，r表示相關(guān)程度，x與y代表兩個(gè)時(shí)間序列變量。

Cheron等［24］（1998）建議，在定量運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)時(shí)，相位差一般設(shè)置為時(shí)間周期的一半，零相位上下位移1／4個(gè)相位。Li和Caldwell［56］（1999）認(rèn)為，通過相位差確定兩個(gè)變量的時(shí)序性是檢驗(yàn)其可靠性，提出零相位在±95%最大相關(guān)系數(shù)對應(yīng)的相位差之內(nèi)時(shí)說明這兩塊肌肉是共同活動(dòng)的，反之則說明是按順序活動(dòng)?；ハ嚓P(guān)相關(guān)系數(shù)處于－1至1之間，當(dāng)相關(guān)系數(shù)大于0.7或者小于－0.7時(shí)，表示自由度間高度關(guān)聯(lián)，當(dāng)大于0.3小于0.69或者大于－0.69小于－0.3時(shí)表示自由度間中度相關(guān)，當(dāng)小于0.3或大于－0.3時(shí)兩者無關(guān)聯(lián)［64］。

2.6 函數(shù)型主成分分析法

在統(tǒng)計(jì)學(xué)領(lǐng)域中，函數(shù)型數(shù)據(jù)分析方法成為了一個(gè)新的研究主題［71］，并且應(yīng)用到許多領(lǐng)域中。如在金融證劵中趨勢的估計(jì)［8，10］、運(yùn)動(dòng)損傷診斷［33］、運(yùn)動(dòng)技術(shù)的診斷［31］。在傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)方法中，只是對認(rèn)為比較重要的單個(gè)時(shí)刻點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，這使在其他時(shí)刻點(diǎn)上的信息被忽略了，采用函數(shù)型數(shù)據(jù)分析有利于挖掘變量整個(gè)變化過程中所包含的重要信息［65］。Harrison等［42］（2007）提出了使用函數(shù)型主成分分析方法對運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)進(jìn)行定量，這是對運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)定量方法的創(chuàng)新，具有其獨(dú)有的優(yōu)勢。這種方法的主要思想是將各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的參數(shù)點(diǎn)－點(diǎn)圖作為一個(gè)的整體函數(shù)，然后對許多樣本中這些函數(shù)的變化進(jìn)行主成分分析，獲得少數(shù)幾種獨(dú)立的、有代表性兩個(gè)關(guān)節(jié)間運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)方式，用各個(gè)樣本得分來量化各自協(xié)調(diào)方式。Harrison等［42］（2007）采用雙變量函數(shù)型主成分分析方法提取了縱跳動(dòng)作中下肢關(guān)節(jié)間角－角圖曲線的主要成分，并驗(yàn)證了其對運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)的鑒別能力，認(rèn)為其中的一種或幾種主要成分能較好區(qū)分出不同運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)能力的受試者。

2.7 各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)

在這些運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)的量化方法中，都具有各自的獨(dú)到之處，也存在不足之處。時(shí)間序列法以及圖像位移法適合定量關(guān)鍵技術(shù)時(shí)刻非常明顯的運(yùn)動(dòng)中的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)，并且相對簡單易行。但是，這些方法不能反映除此之外時(shí)刻點(diǎn)上的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)信息，而且只能展現(xiàn)時(shí)間上運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)特征，并不包含運(yùn)動(dòng)幅度等信息。其中部分缺點(diǎn)可以通過向量分析方法和連續(xù)相對時(shí)相方法來克服，它們能夠量化運(yùn)動(dòng)過程中每個(gè)時(shí)刻點(diǎn)上的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)方式，反映出運(yùn)動(dòng)過程中運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)方式的變化，由此，它們經(jīng)常被從動(dòng)態(tài)系統(tǒng)視角進(jìn)行的研究所采用。這兩種方法的區(qū)別在于，前者只包含了一個(gè)參數(shù)的信息（如角度指標(biāo)），后者則還包括了其隨時(shí)間變化的信息（如角度與角速度指標(biāo)），這使向量分析方法在量化運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)變異性的敏感度上相對較低［26，39，58］。此外，連續(xù)相對時(shí)相法的應(yīng)用有很多注意點(diǎn)，其量化的結(jié)果不易于解釋［59］。Sidaway［81］等（1995）認(rèn)為，互相關(guān)方法一個(gè)缺點(diǎn)在于其假設(shè)性的認(rèn)為，兩個(gè)時(shí)間序列變量中存在線性關(guān)系，對它們進(jìn)行線性擬合。通過雙變量函數(shù)型主成分分析方法所獲得的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)量化結(jié)果比較直觀，易于解釋，但是需要相對較多的樣本量作為前提。在這些方法中，存在共同的問題是采用這些方法只能是定量兩個(gè)自由度間的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)，然而，在很多運(yùn)動(dòng)中需要人體的全身運(yùn)動(dòng)來完成，那么，如何去定量全身多自由度間的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)是一個(gè)期待解決的問題。

3 運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)在專項(xiàng)技術(shù)分析領(lǐng)域中的研究進(jìn)展

3.1 肢體運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)方式的研究

經(jīng)過多年的訓(xùn)練，使肌肉－骨骼系統(tǒng)產(chǎn)生適應(yīng)，學(xué)會利用被動(dòng)力的作用，這使在較高水平的技術(shù)中展現(xiàn)出一些更有效的協(xié)調(diào)方式。這些方式往往表現(xiàn)出運(yùn)動(dòng)過程中肢體釋放了更多的自由度［12，53］，在不同運(yùn)動(dòng)中，這方面的體現(xiàn)也有所不同。Temprado等［84］（1997）對排球的發(fā)球技術(shù)中肢體間協(xié)調(diào)的研究發(fā)現(xiàn)，在肩和腕的協(xié)調(diào)方式上，業(yè)余與專業(yè)運(yùn)動(dòng)員之間有本質(zhì)性的區(qū)別，前者采用正相協(xié)調(diào)，后者則采用逆相協(xié)調(diào)。業(yè)余運(yùn)動(dòng)員牢牢地束縛了手臂的自由度，使整個(gè)手臂作為一個(gè)運(yùn)動(dòng)單位。然而，專業(yè)運(yùn)動(dòng)員則消弱了手臂自由度間的束縛，釋放了肌肉－骨骼系統(tǒng)的自由度，形成了更加有效的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)方式。另外，Brétigny等［19］（2008）對10名陸上曲棍球精英女子運(yùn)動(dòng)員上肢各關(guān)節(jié)間協(xié)調(diào)方式的研究顯示，在左手臂（前導(dǎo)）的關(guān)節(jié)間存在較大的相位差，這種差異沿著遠(yuǎn)側(cè)端至近端方向增加。這些相位差體現(xiàn)了關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)間聯(lián)系的松散，體現(xiàn)了自由度的釋放。它有利于末端環(huán)節(jié)的加速距離變長，也有利于其他環(huán)節(jié)的能量較好地傳遞到末端環(huán)節(jié)中，從而使末端環(huán)節(jié)產(chǎn)生最大的速度。其中，左肩與左腕的相位差最為明顯，這是由于左肩的制動(dòng)與左腕的快速由伸至屈的運(yùn)動(dòng)所引起的，是良好運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)的表現(xiàn)。同樣，Seifert等［80］（2010）對蛙泳技術(shù)中不同水平運(yùn)動(dòng)員上下肢協(xié)調(diào)方式差異的研究中發(fā)現(xiàn)，在運(yùn)動(dòng)過程中，專業(yè)運(yùn)動(dòng)員存在兩種上下肢協(xié)調(diào)方式：一種是同相的協(xié)調(diào)方式，另一種是中等異相協(xié)調(diào)方式，而業(yè)余游泳者只存在同相協(xié)調(diào)方式。專業(yè)運(yùn)動(dòng)員的這種中等異相協(xié)調(diào)方式源自在一半的運(yùn)動(dòng)周期中一對肢體在運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生推進(jìn)力，而另一對則保持伸展的姿勢，這意味著專業(yè)運(yùn)動(dòng)員釋放了那些與任務(wù)無關(guān)的自由度。然而，業(yè)余游泳者則只采用同相協(xié)調(diào)方式，雖然這種協(xié)調(diào)方式容易受到控制，但是效率比較差，因?yàn)槠鋬鼋Y(jié)了肢體運(yùn)動(dòng)的自由度，產(chǎn)生了動(dòng)作折疊，降低了推進(jìn)力的效率。業(yè)余游泳者這種協(xié)調(diào)方式與上下肢肌肉的共收縮有關(guān)系。

依據(jù)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的觀點(diǎn)，運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)是指穩(wěn)定的、可重復(fù)性高的集合變量狀態(tài)。運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)的發(fā)展是集合變量從一個(gè)穩(wěn)態(tài)向另一個(gè)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變。在Temprado等［84］（1997）研究中發(fā)現(xiàn)，肩與腕的逆相協(xié)調(diào)是優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員采用的一種具有生態(tài)學(xué)效應(yīng)的協(xié)調(diào)方式。但是，他們通過頻數(shù)分析發(fā)現(xiàn)，這種協(xié)調(diào)方式并不是在業(yè)余運(yùn)動(dòng)員中不存在而是只占非常少數(shù)，同樣的情況也出現(xiàn)在肩與腕正相協(xié)調(diào)中。這說明，在特定條件下，肩與髖的協(xié)調(diào)方式是肩與髖的集合變量中的一種形式，隨著運(yùn)動(dòng)水平的提高，肩與髖的集合變量從一種穩(wěn)態(tài)向另一種穩(wěn)態(tài)的轉(zhuǎn)移。Gittoes等［39］（2010）采用動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的觀點(diǎn)對短跑最大速度階段下肢各關(guān)節(jié)間協(xié)調(diào)方式的進(jìn)行了探索。在研究中，選取了6名大學(xué)運(yùn)動(dòng)員為研究對象，采用連續(xù)相對時(shí)相方法量化了途中跑階段中髖和膝、膝和踝運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)的變異性。結(jié)果顯示，與髖和膝協(xié)調(diào)相比，在支撐階段中，膝和踝的異相協(xié)調(diào)程度相對要高些，而且，運(yùn)動(dòng)員間的變異性較小。在可控性高的環(huán)境中，短跑運(yùn)動(dòng)員傾向于使用可重復(fù)性高的膝與踝的協(xié)調(diào)方式，途中跑中，最大速度的產(chǎn)生可能與控制這種協(xié)調(diào)方式穩(wěn)定性的機(jī)制有關(guān)。因此可見，運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)的穩(wěn)定性受到運(yùn)動(dòng)水平的控制，在一個(gè)運(yùn)動(dòng)水平上具有一種比較穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)方式來維持其運(yùn)動(dòng)效果。

3.2 肢體運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)的控制變量研究

運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)的形成與變化具有動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的特性。當(dāng)源自機(jī)體內(nèi)外的約束條件發(fā)生變化時(shí)，運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)方式也將受到影響，到一定程度時(shí)將會導(dǎo)致新的協(xié)調(diào)方式產(chǎn)生。這些對運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)方式具有控制作用的因素被稱為控制變量。在任務(wù)變量中，運(yùn)動(dòng)的頻率與速度一直被視為運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)穩(wěn)態(tài)變化的控制變量。隨著運(yùn)動(dòng)頻率的提高，肢體間協(xié)調(diào)方式從一種穩(wěn)態(tài)向另一種穩(wěn)態(tài)過渡。Kelso［50］（1984）、Kelso和scholz［51］（1986）發(fā)現(xiàn)，隨著肢體運(yùn)動(dòng)頻率的增加，肢體間從逆相協(xié)調(diào)方式自發(fā)地轉(zhuǎn)變?yōu)檎鄥f(xié)調(diào)方式，這種肢體間協(xié)調(diào)方式的過渡伴隨著協(xié)調(diào)變異性增加。運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)變異性的增加是肢體間運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)方式間過渡的一個(gè)重要機(jī)制［50］。Diedrich和Warren［29］（1995）發(fā)現(xiàn)，隨著速度的增加，在走與跑的轉(zhuǎn)換中也存在肢體間運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)方式的過渡。當(dāng)行走的速度增加時(shí)，肢體間協(xié)調(diào)變異性也變大。在對優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員的研究中也存在同樣的現(xiàn)象。Decoufour等［28］（2008）研究了不同槳頻對優(yōu)秀賽艇運(yùn)動(dòng)員肢體間協(xié)調(diào)方式的變化。研究發(fā)現(xiàn)，在拉槳階段不同槳頻對各種肢體間協(xié)調(diào)方式并未產(chǎn)生影響，然而，在回槳階段，隨著槳頻的增加這些協(xié)調(diào)方式的整合性也在提高。在Seifert等［79］（2010）的研究中，將上下肢的協(xié)調(diào)作為蛙泳技術(shù)動(dòng)作的序參數(shù)，對游泳運(yùn)動(dòng)員不同泳速下這種協(xié)調(diào)方式的變化進(jìn)行了探索。研究發(fā)現(xiàn)，隨著泳速的提高，上下肢協(xié)調(diào)方式中同相協(xié)調(diào)的成份降低了。此外，在體育動(dòng)作中，基本上都存在較多的任務(wù)變量，不同任務(wù)變量之間的交替也將引起運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)方式穩(wěn)定性的變化。在Gittoes等［39］（2010）的研究中發(fā)現(xiàn)，在短跑運(yùn)動(dòng)員的途中跑技術(shù)動(dòng)作中，從支撐階段向擺動(dòng)階段過渡的過程中，下肢的動(dòng)作從閉合式技能向開放式技能轉(zhuǎn)變，這使下肢關(guān)節(jié)間協(xié)調(diào)變異性增加。

肢體協(xié)調(diào)方式穩(wěn)態(tài)的變化還受到雙關(guān)節(jié)肌、肢體慣性、肢體運(yùn)動(dòng)方向以及關(guān)節(jié)解剖位置等自身機(jī)體中存在的約束的影響。從解剖結(jié)構(gòu)上看，雙關(guān)節(jié)肌橫跨兩個(gè)關(guān)節(jié)，能夠控制這兩個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，它們的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)將會受到這種雙關(guān)節(jié)肌活動(dòng)的影響［38］。由于肢體內(nèi)或者之間相互連接在一起，一個(gè)肢體或關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，將使其產(chǎn)生慣性力矩，作用于其他的肢體或關(guān)節(jié)，進(jìn)而影響它們的運(yùn)動(dòng)。此外，關(guān)節(jié)或肢體運(yùn)動(dòng)方向的反向變化一直被認(rèn)為是研究運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)的一個(gè)重要窗口，是神經(jīng)系統(tǒng)的一個(gè)重要控制因素［25］。Gittoes等［39］（2010）發(fā)現(xiàn)，在短跑運(yùn)動(dòng)員支撐階段中，踝關(guān)節(jié)的背屈至跖屈的反向變化，導(dǎo)致膝與踝關(guān)節(jié)從趨向逆相協(xié)調(diào)變化轉(zhuǎn)變?yōu)橼呄蛘騾f(xié)調(diào)變化，這被認(rèn)為是優(yōu)秀短跑技術(shù)的一個(gè)重要特征。除這些之外，姿態(tài)［20］、視覺約束［73］以及關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)［18］等對肢體協(xié)調(diào)方式的穩(wěn)定性也具有一定的影響。

3.3 肢體運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)的變異性研究

在運(yùn)動(dòng)中經(jīng)常會產(chǎn)生一些變異性，從傳統(tǒng)角度認(rèn)為，這是一種誤差，應(yīng)該予以剔除或削減。然而，新的觀點(diǎn)認(rèn)為，運(yùn)動(dòng)的變異性是由神經(jīng)－肌肉－骨骼系統(tǒng)極度的復(fù)雜性及其冗余自由度中產(chǎn)生的，包含了神經(jīng)－肌肉－骨骼系統(tǒng)活動(dòng)的一些信息，有利于運(yùn)動(dòng)任務(wù)的實(shí)現(xiàn)［41，46，63］。運(yùn)動(dòng)的變異性一致受到運(yùn)動(dòng)行為方面專家的關(guān)注，然而到目前為止，運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)專家還是忽視了這個(gè)方面［16］。

在目前的研究中，對不同水平運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)變異性之間的差異進(jìn)行了一定程度的探索。Bartlett等［14］（1996）對業(yè)余愛好者、俱樂部運(yùn)動(dòng)員與精英投擲運(yùn)動(dòng)員各自間個(gè)體差異性比較發(fā)現(xiàn)，在業(yè)余愛好者與精英投擲運(yùn)動(dòng)員各自間的個(gè)體差異較大，俱樂部投擲運(yùn)動(dòng)員間的個(gè)體差異較小。此外，Wilson等［89］（2008）對專業(yè)三級跳遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)員技術(shù)水平與運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)變異性關(guān)系的研究顯示，在不同水平專業(yè)運(yùn)動(dòng)員中，運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)的變異性與運(yùn)動(dòng)水平成“U”型關(guān)系，即相對低和高水平運(yùn)動(dòng)員的變異性大，中等水平的運(yùn)動(dòng)員變異性低。研究認(rèn)為，相對低水平運(yùn)動(dòng)員只是獲得了那些與運(yùn)動(dòng)方式相一致的表面特征，他們所體現(xiàn)出現(xiàn)來的高變異性對運(yùn)動(dòng)成績是不利的；通過對這些表面特征的精化，在中等水平體現(xiàn)出較低的變異性，從而使技術(shù)動(dòng)作的穩(wěn)定性和可重復(fù)性提高；相對較高水平運(yùn)動(dòng)員變異性的增加，是由于運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)靈活性的增加，有助于抵抗干擾。另外，Preatoni等［66］（2010）采用熱力學(xué)函數(shù)——熵（entropy）計(jì)算高水平競走運(yùn)動(dòng)員下肢關(guān)節(jié)角度、地面反作用的變異性，其中，熵值越高，說明運(yùn)動(dòng)變異性越大。研究發(fā)現(xiàn)，在較高水平的競走運(yùn)動(dòng)員中，髖、踝角度以及垂直地面反作用力的熵值較高，與水平較低的競走運(yùn)動(dòng)員有顯著性差異，這說明，競走技術(shù)的變異性不僅僅是隨機(jī)誤差的產(chǎn)物，而且包含了人體內(nèi)在的神經(jīng)－肌肉－骨骼系統(tǒng)的信息。

由于人體系統(tǒng)龐大的自由度存在，運(yùn)動(dòng)變異性是難免的，同一個(gè)運(yùn)動(dòng)任務(wù)可以通過不同自由度組合實(shí)現(xiàn)［43］。優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員間運(yùn)動(dòng)的變異性可能是由于技術(shù)動(dòng)作的個(gè)體差異引起。Bartlett等［15］（2007）提到，在優(yōu)秀標(biāo)槍運(yùn)動(dòng)員中，手臂動(dòng)作對出手速度的貢獻(xiàn)存在較大的差異，有些強(qiáng)調(diào)肩的水平伸展與屈曲完成對標(biāo)槍的加速，有些則傾向于肩的轉(zhuǎn)動(dòng)作以及肘伸展作為加速標(biāo)槍的主要?jiǎng)幼?。運(yùn)動(dòng)員之間技術(shù)動(dòng)作差異性對共性最佳技術(shù)模式理念提出了挑戰(zhàn)，刻意模仿冠軍運(yùn)動(dòng)員的技術(shù)動(dòng)作可能不能帶來運(yùn)動(dòng)成績的提高。探索運(yùn)動(dòng)員個(gè)體間技術(shù)動(dòng)作的差異對運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練實(shí)踐是非常有意義的，這些有利于指導(dǎo)訓(xùn)練手段方法個(gè)性化設(shè)計(jì)，實(shí)施個(gè)性化訓(xùn)練［15］。另外，不同的運(yùn)動(dòng)任務(wù)也可以通過相同的一組自由度來實(shí)現(xiàn)［43］，優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員間運(yùn)動(dòng)的變異性可能是完成技術(shù)的一種能力表現(xiàn)，有利于自由度間協(xié)調(diào)方式的轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)專項(xiàng)技術(shù)中的各種運(yùn)動(dòng)任務(wù)。Gittoes等［39］（2010）對短跑最大速度階段中下肢關(guān)節(jié)間的協(xié)調(diào)變異性的研究顯示，運(yùn)動(dòng)員間髖和膝協(xié)調(diào)變異性比膝和踝的高。與離地時(shí)刻相比，著地時(shí)刻髖和膝、膝和踝的協(xié)調(diào)體現(xiàn)出更多變異性。在擺動(dòng)向支撐階段過渡中，著地時(shí)刻下肢關(guān)節(jié)的較大協(xié)調(diào)變異性被認(rèn)為是需要的，因?yàn)閿[動(dòng)期與支撐期不同的任務(wù)導(dǎo)向，使它們的協(xié)調(diào)方式也有差異，所以，兩種協(xié)調(diào)方式過渡時(shí)將引起協(xié)調(diào)方式解除與建立，這導(dǎo)致較大協(xié)調(diào)變異性的產(chǎn)生。同樣，Mullineaux和Uhl［60］（2010）對命中與投失的籃球罰球動(dòng)作中持球臂肘與腕關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)變異性比較中發(fā)現(xiàn)，這些優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員肘與腕協(xié)調(diào)變異性在罰球動(dòng)作過程中逐漸變小，在接近球出手時(shí)投失的罰球動(dòng)作中肘與腕協(xié)調(diào)變異性要顯著大于命中的罰球動(dòng)作。由于腕關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)受到了肘關(guān)節(jié)互動(dòng)力矩的影響，肘與腕關(guān)節(jié)間存在協(xié)調(diào)關(guān)系。在球出手前這兩個(gè)關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)變異性的增加是由于運(yùn)動(dòng)員察覺到不合理的投籃動(dòng)作，并且試圖進(jìn)行調(diào)整所引起。肘與腕關(guān)節(jié)這種耦合關(guān)系是決定優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員罰籃命中率的一個(gè)重要機(jī)制。

在運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)領(lǐng)域?qū)\(yùn)動(dòng)變異性研究的興趣在不斷增長，但是，目前只有少數(shù)的研究者采用非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)理論以及有關(guān)的方法研究在體育運(yùn)動(dòng)中運(yùn)動(dòng)變異性的特點(diǎn)，特別是針對高水平運(yùn)動(dòng)員，從而獲得一些關(guān)于技術(shù)監(jiān)控與訓(xùn)練的啟示［65］。由于在體育運(yùn)動(dòng)中技術(shù)種類繁多，像這樣的研究還是比較少的［65］。

3.4 運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)的動(dòng)力學(xué)特征研究

運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)不僅僅是存在于肢體運(yùn)動(dòng)層面，還存在于關(guān)節(jié)用力、肌肉活動(dòng)等層面中［76］。關(guān)節(jié)力矩間協(xié)調(diào)是為了完成運(yùn)動(dòng)任務(wù)，人體各關(guān)節(jié)力矩之間的共同活動(dòng)［90］。關(guān)節(jié)力矩主要通過逆向動(dòng)力學(xué)方法計(jì)算獲得。通過這種算法獲得的關(guān)節(jié)力矩的誤差一直受到關(guān)注。通過適當(dāng)方法的處理還是能夠比較理想地計(jì)算結(jié)果［4，22，68］。Winter［90］（2009）提到，在人體行走過程中，為了防止人體的坍塌，存在一個(gè)支撐力矩，它是下肢各關(guān)節(jié)協(xié)同工作的結(jié)果，代表了一種關(guān)節(jié)力矩的協(xié)調(diào)。在步行的支撐階段中，髖與膝力矩的變異系數(shù)分別為68%與60%，然而，髖與膝的合成力矩的變異系數(shù)則只有21%。步行過程中，下肢髖和膝、膝和踝的協(xié)同程度可以用兩關(guān)節(jié)力矩交互作用的變異性除以他們各自變異性之和的百分比來表示，其中，髖與膝力矩的協(xié)同量分別為89%與72%，膝與踝力矩的協(xié)同量分別為76%與49%。

依據(jù)Bernstein的觀點(diǎn)，當(dāng)運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)發(fā)展到高級階段時(shí)，肌肉－骨骼系統(tǒng)通過充分利用被動(dòng)力來提高運(yùn)動(dòng)效果。Galloway和Koshland［37］（2002）對投擲動(dòng)作中投擲臂腕、肘以及肩關(guān)節(jié)之間協(xié)調(diào)的研究中，采用力矩貢獻(xiàn)指數(shù)量化各關(guān)節(jié)的肌肉力矩與互動(dòng)力矩的關(guān)系，通過對不同任務(wù)水平的投球動(dòng)作比較發(fā)現(xiàn)，對于實(shí)現(xiàn)大多數(shù)投球任務(wù)來說，肩的肌肉力矩決定著其凈力矩以及加速度，互動(dòng)力矩的貢獻(xiàn)比較小，其他關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)則由肌肉力矩與互動(dòng)力矩共同作用所引起，此時(shí)稱為“肩中心模式”；當(dāng)肩的伸展小于肘伸展的50%時(shí)，肘則替代了肩的位置，稱之為“肘中心模式”。同樣，Hirashima等［45，47］（2003）研究認(rèn)為，在投球動(dòng)作中，經(jīng)常是最近側(cè)端關(guān)節(jié)的肌肉力矩作用使其加速，從而通過互動(dòng)力矩對遠(yuǎn)側(cè)端關(guān)節(jié)產(chǎn)生影響。在投球動(dòng)作過程中，肩關(guān)節(jié)肌肉力矩使肘受到有益的互動(dòng)力矩作用，從而產(chǎn)生較大的角速度，使球投的更遠(yuǎn)；然而，為了控制投球的準(zhǔn)確程度，腕的肌肉力矩在抵消互動(dòng)力矩的作用。因此，他們認(rèn)為，人體可以通過利用或抵消互動(dòng)力矩來調(diào)整投球的速度與準(zhǔn)確性。Hirashima等［46］（2007）進(jìn)一步分析了人體三維的投球動(dòng)作，同樣發(fā)現(xiàn)受試者采用互動(dòng)力矩產(chǎn)生較大的肩內(nèi)旋、肘伸展、腕屈曲的速度，這些互動(dòng)力矩主要源自軀干與肩的肌肉力矩的作用，而不是肘與腕。

這些研究均支持了前導(dǎo)環(huán)節(jié)假說。前導(dǎo)關(guān)節(jié)學(xué)說認(rèn)為，在多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)中，各關(guān)節(jié)在運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)生中具有各自的角色，這由它們在相互連接中機(jī)械的從屬所決定。其中，具有一個(gè)主導(dǎo)關(guān)節(jié)，它為整個(gè)肢體的運(yùn)動(dòng)建立了動(dòng)力基礎(chǔ)。前導(dǎo)關(guān)節(jié)產(chǎn)生的互動(dòng)力矩對于其他從屬關(guān)節(jié)產(chǎn)生較大的作用，從屬關(guān)節(jié)的活動(dòng)就是監(jiān)測這種互動(dòng)力的作用，然后形成凈力矩，從而產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)任務(wù)所要求的肢體運(yùn)動(dòng)特征［35］。在這些研究中，只是探索單關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的力學(xué)特征，對于復(fù)雜運(yùn)動(dòng)中多關(guān)節(jié)的協(xié)同力學(xué)特征探索較少。Dounskaia［35］（2010）認(rèn)為，一些解剖結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)有可能形成主導(dǎo)結(jié)構(gòu)體，例如，由于雙關(guān)節(jié)肌的存在，在蹬踏自行車的過程中，髖－膝結(jié)構(gòu)體起到了主導(dǎo)的角色。

3.5 運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)的肌肉活動(dòng)特征研究

肌肉活動(dòng)間協(xié)調(diào)是指為了實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)任務(wù)，多塊肌肉之間的共同活動(dòng)［88］。肌肉活動(dòng)間的時(shí)序關(guān)系對運(yùn)動(dòng)的表現(xiàn)具有一定的影響。對于一個(gè)關(guān)節(jié)來說，主動(dòng)肌與拮抗肌的相互配合有利于關(guān)節(jié)的穩(wěn)定、增加運(yùn)動(dòng)的速度以及準(zhǔn)確性［6］。在多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)中，多塊肌肉也會依據(jù)運(yùn)動(dòng)任務(wù)而協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)［76］。Hirashima等［44］（2002）為了驗(yàn)證近側(cè)端至遠(yuǎn)側(cè)端的肌肉活動(dòng)順序的存在，對投球動(dòng)作中軀干和手臂中的17塊肌肉間肌電活動(dòng)的開始與峰值的時(shí)刻進(jìn)行了比較發(fā)現(xiàn)：在投球動(dòng)作中，肩胛骨伸肌的活動(dòng)要早于肩關(guān)節(jié)屈肌，肩關(guān)節(jié)屈肌的活動(dòng)又要早于肘關(guān)節(jié)的伸肌，然而，沒有發(fā)現(xiàn)肘關(guān)節(jié)的伸肌比腕屈肌的活動(dòng)早。此外，投擲臂同側(cè)的腹外斜肌早于異側(cè)的腹外斜肌是一種效率較高的協(xié)調(diào)方式，這有利于軀干產(chǎn)生更多的力與能量。孫有平等［5］（2010）對優(yōu)秀男子鉛球運(yùn)動(dòng)員旋轉(zhuǎn)推鉛球中肌肉活動(dòng)間的協(xié)調(diào)進(jìn)行了探索，測量了12塊肌肉的表面肌電，并且對4次不同成績的技術(shù)動(dòng)作中主要肌肉間的時(shí)序關(guān)系進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)在成績好的動(dòng)作中，主要發(fā)力肌肉的用力順序均為左腿腓腸肌、左腿股外側(cè)肌、右腿股二頭肌、右側(cè)背闊肌中部，表現(xiàn)出一種由下往上、由左至右的力量傳遞過程。在成績較差的動(dòng)作中，發(fā)力順序出現(xiàn)紊亂現(xiàn)象。

圖2 步態(tài)中脊柱肌肉在維持平衡中相位差示意圖

一些相關(guān)研究中，采用互相關(guān)方法定量不同肌肉之間肌電信號之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)了一些有益的協(xié)調(diào)方式。Nelson－Wong等［61］（2008）在站立中臀中肌活動(dòng)方式對下背部疼痛的研究中，在站立狀態(tài)下每隔15min讓受試者反饋舒適程度，據(jù)此將他們歸類到疼痛組與無疼痛組，并且，采集軀干與髖關(guān)節(jié)相關(guān)肌肉的表面肌電，通過互相關(guān)方法定量它們活動(dòng)的關(guān)系。對比發(fā)現(xiàn)，疼痛組的受試者在左右臀中肌之間具有共收縮現(xiàn)象，這種肌肉間共收縮表現(xiàn)為在一定范圍的相位差內(nèi)肌電信號間存在較高程度的正相關(guān)，而無疼痛組表現(xiàn)為較高程度的負(fù)相關(guān)。Winter［90］（2009）引用的一項(xiàng)研究中，通過采集行走過程中從C7到L4的9個(gè)脊柱位置肌電信號，通過計(jì)算這些肌電信號的延遲（圖2），探索軀干肌肉間的協(xié)調(diào)關(guān)系，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，維持軀干平衡的肌肉采用一種“有上至下”維持平衡的策略。Dorel等［34］（2009）對力竭性練習(xí)中肌肉協(xié)調(diào)方式變化進(jìn)行研究，通過采集力竭性蹬踏練習(xí)中下肢10塊肌肉的肌電信號，比較不同時(shí)期下這10塊肌肉肌電信號最大相關(guān)時(shí)的相位差發(fā)現(xiàn)，在蹬踏練習(xí)接近結(jié)束時(shí)6塊肌肉的活動(dòng)都前移了，這表示了在疲勞時(shí)各肌肉活動(dòng)之間的補(bǔ)償功能。

4 總結(jié)

在Bernstein的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)觀中，運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)是中樞神經(jīng)系統(tǒng)對肌骨系統(tǒng)自由度的組織，使其形成一種確定的運(yùn)動(dòng)方式。這種組織過程是通過中樞神經(jīng)系統(tǒng)對協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)的控制來實(shí)現(xiàn)。從動(dòng)態(tài)系統(tǒng)理論視角看，這些肌骨系統(tǒng)中自由度間無數(shù)的組合方式中，穩(wěn)定的、重復(fù)高的組合即為運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)。運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)的形成是通過機(jī)體、外界環(huán)境以及任務(wù)變量的相互作用，以自組織的方式實(shí)現(xiàn)。本研究認(rèn)為，運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)可以定義為實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)任務(wù)，運(yùn)動(dòng)器官（肌肉－骨骼系統(tǒng)）各元素間具有的一種組織方式。按照以上定義，協(xié)調(diào)的運(yùn)動(dòng)具有良性系統(tǒng)的特性，其肌肉－骨骼系統(tǒng)元素運(yùn)動(dòng)間展現(xiàn)出有效的組織方式。上述提到的“良性”以及“有效性”都具有程度上的差異。

前人設(shè)計(jì)了許多方法量化運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)，這些方法基本上都具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。在目前的研究中，向量分析法和連續(xù)相對時(shí)相法被采用的比較多，特別是連續(xù)相對時(shí)相法。這種方法在量化運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)的變異性時(shí)靈敏度比較高，正好符合了研究運(yùn)動(dòng)變異性的需要，后者是目前研究中的一個(gè)熱點(diǎn)。函數(shù)型數(shù)據(jù)分析為運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)的定量開創(chuàng)了一個(gè)新的平臺，通過這種方法對個(gè)體自由度間協(xié)調(diào)關(guān)系的時(shí)間序列函數(shù)進(jìn)行量化，進(jìn)而比較個(gè)體間的差異。如何去定量全身多自由度間的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)是一個(gè)期待解決的問題。

目前，肢體運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)方式的研究最多，在多種運(yùn)動(dòng)技術(shù)中都有發(fā)現(xiàn)一些高效的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)方式。盡管這些高效的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)的方式各有不同，但展現(xiàn)出相似的特征，例如，具有自由度釋放的現(xiàn)象以及比較穩(wěn)定的狀態(tài)等。此外，優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員的技術(shù)中展現(xiàn)出較大的肢體運(yùn)動(dòng)變異性，這可能是由于技術(shù)特點(diǎn)的不同，也有可能是一種?。窍到y(tǒng)的良好性能的體現(xiàn)，展現(xiàn)了人體復(fù)雜系統(tǒng)較好的靈活性。運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)的穩(wěn)定性與靈活性都是完成運(yùn)動(dòng)技術(shù)所需要的，那么，這對對抗的系統(tǒng)屬性怎樣很好結(jié)合在專項(xiàng)技術(shù)中，是一個(gè)值得關(guān)注的問題。采用動(dòng)態(tài)系統(tǒng)觀點(diǎn)對運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)變異性的探索是目前的一個(gè)研究熱點(diǎn)。

肌肉活動(dòng)間時(shí)序關(guān)系是運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)在肌肉活動(dòng)層面探索最多的問題，并且發(fā)現(xiàn)了一些比較有效的肌肉活動(dòng)時(shí)序關(guān)系，它們有助于增加環(huán)節(jié)產(chǎn)生的力量以及功率。但是，在肌肉活動(dòng)協(xié)調(diào)的定量上只是對幾個(gè)關(guān)鍵時(shí)刻點(diǎn)的時(shí)序進(jìn)行比較，這限制了對肌肉活動(dòng)幅度等參數(shù)間以及在其他時(shí)刻點(diǎn)上的關(guān)系探索。在關(guān)節(jié)力矩層面上對運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)的探索比較少，其相關(guān)的研究主要集中在肌肉力矩與被動(dòng)力矩間的關(guān)系及其對運(yùn)動(dòng)技術(shù)的影響上。在全身運(yùn)動(dòng)中，各肌肉力矩之間存在哪些比較有效的協(xié)調(diào)方式？各被動(dòng)力矩之間是否也存在比較有效的協(xié)調(diào)方式？是值得探索的一些問題。

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Quantitative Methods and Research Status of Motor Coordination in Sport Skills

LIN Hui－jie1，2，YAN Bo－tao3，LIU Zhan－feng3，XU Chong－gao3，LIANG Hai－dan2

Motor coordination is a hot topic of research in many areas.Theories of Bernstein and dynamic system are the basic theories of motor coordination，which always are used to interpret motor coordination’s formation，development，and characteristics.According to these theories，many quantitative methods has been designed to describe motor coordination objectively，all of which have its merit and demerit.Recently，there have many researches on the level of interlimb or intra－limb coordination among many sport techniques，which have found some more economic coordination patterns.There are various coordination patterns，but they have some common characteristics.Moreover，inter or intra limb coordination variability is larger in the elite athlete’s technique，it may reflect the flexibility of muscular－skeletal system，which is good for achieving movement task.There are few researches on the level of inter muscle or joint moment of force coordination in sport techniques，however，which still have found some more economic coordination patterns.The research trends of motor coordination in this area as follows：1）due to variety of sport techniques，which have different characteristics，the research of motor coordination will be on more sport techniques；2）making a further research on coordination variability based on theory of dynamical system，especially on elite athlete；3）exploring more the control parameters of motor coordination in sport techniques；4）expanding the research on the level of inter muscle or joint moment of force coordination in elite athlete’s technique.

sportskills；motorcoordination；quantitativemethods；researchstatus

G804.6

A

1000－677X（2012）03－0081－11

2011－11－30；

2012－02－15

國家體育總局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目（2011B025）；國家體育總局奧運(yùn)會科技攻關(guān)與服務(wù)項(xiàng)目（2011A018）。

林輝杰（1982－），男，浙江奉化人，講師，在讀博士研究生，主要研究方向?yàn)檫\(yùn)動(dòng)生物力學(xué)，E－mail：linhj＠tzc.edu.cn；嚴(yán)波濤（1961－），男，陜西戶縣人，教授，博士，博士研究生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)檫\(yùn)動(dòng)生物力學(xué)，Tel：（029）88409490，E－mail：yanbotao2004＠hotmail.com；劉占鋒（1978－），男，陜西涇陽人，講師，碩士，主要研究方向?yàn)樘飶浇虒W(xué)與訓(xùn)練；許崇高（1952－），男，山東榮城人，教授，碩士研究生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)樘飶浇虒W(xué)與訓(xùn)練以及運(yùn)動(dòng)技能學(xué)習(xí)與兒童動(dòng)作發(fā)展；梁海丹（1982－），女，浙江樂清人，講師，碩士，主要研究方向?yàn)檫\(yùn)動(dòng)技術(shù)的測量與分析。

1.上海體育學(xué)院研究生部，上海200438；2.臺州學(xué)院體育學(xué)院，浙江臨海317000；3.西安體育學(xué)院，陜西西安710068 1.Shanghai University of Sport，Shanghai 200438，China；2.Taizhou University，Linhai 317000，China；3.Xian University of Sport，Xi’an 710068，China.