譚思欣平衡木交換腿結(jié)環(huán)跳三維虛擬動作的運(yùn)動學(xué)分析

熊蘭靜，王慶躍，周繼和*

(1.成都體育學(xué)院　醫(yī)學(xué)系，成都　610041；2.成都工業(yè)學(xué)院　學(xué)報編輯部，成都　611730)

譚思欣平衡木交換腿結(jié)環(huán)跳三維虛擬動作的運(yùn)動學(xué)分析

熊蘭靜1，王慶躍2，周繼和1*

(1.成都體育學(xué)院醫(yī)學(xué)系，成都610041；2.成都工業(yè)學(xué)院學(xué)報編輯部，成都611730)

摘要：通過三維拍攝2013年全運(yùn)會體操平衡木冠軍譚思欣的比賽錄像，對譚思欣交換腿結(jié)環(huán)跳動作進(jìn)行三維解析，獲得該技術(shù)動作系統(tǒng)運(yùn)動學(xué)參數(shù)；利用沉浸式三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對獲得的運(yùn)動學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行動作重建，經(jīng)360°旋轉(zhuǎn)后觀察動作的三維動畫，再進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析，找出譚思欣交換腿結(jié)環(huán)跳技術(shù)動作完成的優(yōu)缺點(diǎn)。結(jié)果顯示，譚思欣的動作技術(shù)比較標(biāo)準(zhǔn)、合理。

關(guān)鍵詞：交換腿結(jié)環(huán)跳；運(yùn)動學(xué)；虛擬現(xiàn)實(shí)動作

1研究目的

根據(jù)《2013—2016女子體操評分規(guī)則(平衡木動作表)》規(guī)定，平衡木的跳步動作最高難度為E組。交換腿結(jié)環(huán)跳作為跳步動作最高難度E組的3個技術(shù)動作之一，完成難度大，技術(shù)要求高，藝術(shù)欣賞性高，具備較高的研究價值[1]。

查閱文獻(xiàn)資料發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前國內(nèi)學(xué)者對平衡木技術(shù)動作的探究多集中在上法、空翻和下法這3個方面，對于跳步動作的研究鮮有涉及[2]。因此，本研究對譚思欣的交換腿結(jié)環(huán)跳動作進(jìn)行運(yùn)動學(xué)解析，運(yùn)用沉浸式三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)再現(xiàn)的方法，建立三維人體運(yùn)動模型，將運(yùn)動員的跳步動作數(shù)據(jù)調(diào)入虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行演示，得到該動作的三維立體再現(xiàn)動畫，對動作進(jìn)行精確診斷和分析，為運(yùn)動員糾錯和教練員指導(dǎo)技術(shù)訓(xùn)練提供參考。

2研究對象及方法

2.1研究對象

以2013年全運(yùn)會平衡木冠軍譚思欣為研究對象，其基本情況如表1所示。

表1　研究對象基本情況

2.2研究方法

2.2.1文獻(xiàn)資料法

查閱國際體操聯(lián)合會編寫的《2013—2016女子體操評分規(guī)則(平衡木動作表)》；通過查閱交換腿結(jié)環(huán)跳的相關(guān)文獻(xiàn)，對交換腿結(jié)環(huán)跳各階段的技術(shù)特點(diǎn)以及相應(yīng)的運(yùn)動學(xué)參數(shù)進(jìn)行收集和分析。

2.2.2沉浸式三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)再建模擬運(yùn)動技術(shù)

在2013年全國體育運(yùn)動會體操比賽中放置2臺JVC9800攝像機(jī)分別位于平衡木的2個斜側(cè)面，主光軸夾角約為80°。拍攝頻率為50 Hz，攝像機(jī)高1.25 m，兩機(jī)對平衡木比賽全過程進(jìn)行同步三維拍攝，如圖1所示。

圖1　攝像機(jī)位置示意

選取譚思欣交換腿結(jié)環(huán)跳動作片段，使用日本松井秀治“21點(diǎn)人體模型”(16個環(huán)節(jié),21個關(guān)節(jié)點(diǎn))。根據(jù)研究需要，在此基礎(chǔ)上添加了一個平衡木兩側(cè)木端上表面中點(diǎn)連線，采用3D-Signa1Tec解析系統(tǒng)對拍攝的錄像進(jìn)行解析,運(yùn)用低通數(shù)字濾波法對解析后的數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理，獲得相關(guān)運(yùn)動學(xué)參數(shù)。

將獲得的譚思欣交換腿結(jié)環(huán)跳動作運(yùn)動學(xué)參數(shù)調(diào)入三維虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)演示，以三維動畫的形式進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析。

3結(jié)果與分析

交換腿結(jié)環(huán)跳是通過助跑來完成的技術(shù)動作。根據(jù)研究目的和分析需要，將完整的交換腿結(jié)環(huán)跳技術(shù)動作劃分為3個階段：1)助跑階段，即從助跑開始時刻經(jīng)過2步至左腳蹬離平衡木的過程。2)交換腿劈叉結(jié)環(huán)階段，即從左腳蹬離平衡木時刻至劈叉結(jié)環(huán)完成的過程。此階段又劃分為2個過程：①交換腿過程：從左腳蹬離平衡木時刻至交換腿完成時刻；②劈叉結(jié)環(huán)過程：交換腿完成時刻至劈叉結(jié)環(huán)完成時刻。3)落木緩沖階段，即從劈叉結(jié)環(huán)完成時刻到身體重心降至最低點(diǎn)的過程。

3.1助跑階段

助跑階段是為了更好地完成跳躍動作必不可少的環(huán)節(jié)，是指在跳步動作前迅速跑動的過程。經(jīng)助跑運(yùn)動員可獲得水平速度，并為起跳獲得垂直速度創(chuàng)造條件。

（v）設(shè)個體標(biāo)準(zhǔn)決策矩陣 Dk=（dijk）m×n（i=1，2，...，m，j=1，2，…，n，y=1，2，…，r，k=1，2，…，N）通過加權(quán)集結(jié)算子轉(zhuǎn)化為群決策矩陣D=（dij）m×n（i=1，2，...，m，j=1，2，…，n），其中，dij=

通過虛擬動作技術(shù)再現(xiàn)，可以看到譚思欣采用2步助跑的方式完成助跑動作。在助跑第2步落木時刻，水平方向位移為2.74 m，助跑時間為0.74 s。助跑結(jié)束時譚思欣重心水平速度為4.66 m/s，在助跑階段增大了水平速度(2.64 m/s)，如表2所示。

表2　助跑第二步落木時刻參數(shù)

譚思欣落木的重心高度為0.79 m，左右髖關(guān)節(jié)角分別為150.7°和156.6°，此時譚思欣屈髖程度大，軀干曲折完成得好，但身體重心仍然較高。在助跑第2步落木緩沖至左腳蹬離平衡木過程中譚思欣所用時間為0.19 s。如表3所示，譚思欣重心高度升高0.26 m。左髖關(guān)節(jié)角從150.7°增大到163.5°，增大了12.8°；右髖關(guān)節(jié)角從156.6°減小到110.4°，減小了46.2°；左/右膝關(guān)節(jié)角分別從145.3°/138.2°增大到176.6°/149.3°，分別增加了31.3°/11.1°。通過觀察虛擬再現(xiàn)三維動作可以看到，在第2步落木和蹬離平衡木時刻，譚思欣均在積極地立上體、蹬伸左腿和上擺右腿，為獲得起跳初始高度做準(zhǔn)備。在該階段譚思欣用時短，左髖關(guān)節(jié)角增幅大，右髖關(guān)節(jié)角減幅也很大，由此說明譚思欣在此階段動作快、幅度大，為騰起所做準(zhǔn)備比較充分。通過觀察再現(xiàn)三維動畫，發(fā)現(xiàn)譚思欣在積極蹬伸左腿、上擺右腿的同時雙側(cè)上肢也在積極地配合上擺，上擺幅度較大，能幫助她獲得更大的垂直速度。

表3　左腳蹬離平衡木時刻參數(shù)

由表2、表3可知，譚思欣離地角為86.7°，這樣有利于獲得較高的騰空高度；譚思欣助跑從第2步落木時刻水平速度的2.64 m/s下降到0.88 m/s，下降了1.76 m/s，從水平速度的變化可以發(fā)現(xiàn)譚思欣速度變化幅度大，能幫助她獲得較高的騰起高度。然而，譚思欣在第2步落木時刻垂直速度-0.50 m/s，而左腳蹬離平衡木時刻的垂直速度2.18 m/s，說明在該過程中譚思欣重心下降幅度較小，獲得的垂直速度不夠大，這不利于她獲得更高的騰空高度。從再現(xiàn)的三維動畫上可以明顯看出，譚思欣在此過程中動作迅速，雖然保證了速度，但整個動作看上去仍不夠流暢[3]。從整體動作技術(shù)來看，交換腿結(jié)環(huán)跳動作的精髓并不單是要獲得高度，更要保證有一個向前的運(yùn)動趨勢來達(dá)到緩沖的目的并保證技術(shù)動作流暢。

3.2交換腿劈叉結(jié)環(huán)階段

國際體操聯(lián)合會編制的《女子競技體操評分規(guī)則》對交換腿劈叉結(jié)環(huán)跳的要求是：必須挺身后屈并抬頭后仰，同時后腳至頭高；劈腿180°；前腿至于水平位置。通過觀察再現(xiàn)三維動作的曲線發(fā)現(xiàn)，譚思欣在完成劈叉結(jié)環(huán)動作時，重心不是在最高點(diǎn)時刻。這是由于交換腿劈叉結(jié)環(huán)跳系列技術(shù)動作較為復(fù)雜，進(jìn)行劈叉結(jié)環(huán)跳前需在空中完成交換腿動作。下面分別從交換腿和劈叉結(jié)環(huán)2個過程進(jìn)行分析。

3.2.1交換腿過程分析

表4　交換腿過程參數(shù)

3.2.2劈叉結(jié)環(huán)過程分析

劈叉結(jié)環(huán)過程是指交換腿完成時刻至劈叉結(jié)環(huán)完成時刻。通過觀察再現(xiàn)三維動作，發(fā)現(xiàn)譚思欣完成交換腿過程后下肢繼續(xù)繞髖運(yùn)動，進(jìn)而進(jìn)行劈叉結(jié)環(huán)動作。

如表5所示，在重心最高點(diǎn)時刻，再現(xiàn)三維動作顯示譚思欣雙腿夾角并未達(dá)到180°，身體還未完全舒展開。此時她的重心高度為1.24 m，雙腿夾角為150.6°，在重心最高點(diǎn)時刻水平速度保持0.80 m/s的水平速度，向水平方向的運(yùn)動趨勢不明顯。發(fā)現(xiàn)譚思欣在空中做交換腿劈叉結(jié)環(huán)動作不夠舒展順暢，在重心最高點(diǎn)時刻運(yùn)動員的軀干傾角為12.9°，有挺身后屈傾向。

表5　重心最高點(diǎn)時刻參數(shù)

如表6所示，在結(jié)環(huán)完成時刻，再現(xiàn)三維動作顯示譚思欣很好地完成了結(jié)環(huán)動作。譚思欣左腿與平衡木之間的夾角為2.7°，超過了要求前腿位于水平位置的標(biāo)準(zhǔn)。此刻雙腿夾角為186.6°，超過了180°的標(biāo)準(zhǔn)要求。此刻譚思欣軀干傾角為19.4°，偏小，頭與軀干夾角為92.4°，表明她在此時刻挺身后屈、抬頭后仰，但上肢動作總體表現(xiàn)不夠積極明顯。左膝關(guān)節(jié)角178.6°，右膝關(guān)節(jié)角78.8°，說明她前腿(左腿)完全伸直打直，右腿充分屈膝，最終形成一個相對較圓的環(huán)。

表6　結(jié)環(huán)完成時刻角度參數(shù)　(°)

如表7所示，譚思欣在結(jié)環(huán)完成時刻的頭部與腳步高度差為0.02 m，其腳尖部位要稍高于頭部，說明運(yùn)動員達(dá)到了后腳比頭部高的要求。水平方向頭部與右腳距離差為0.21 m，表明她在最后結(jié)環(huán)姿勢很好[5]。

表7　結(jié)環(huán)完成時刻距離參數(shù)　m

3.3落木緩沖階段

落木緩沖階段是指從劈叉結(jié)環(huán)完成時刻到身體重心降至最低點(diǎn)時刻，要求下肢主動落地，膝關(guān)節(jié)緩沖彎曲，腰部肌肉緊張，上體保持直立，調(diào)整重心穩(wěn)步落木。

如表8所示，在劈叉結(jié)環(huán)完成時刻譚思欣的身體重心高度從0.75 m至最低0.66 m，緩沖時間為0.11 s。

表8　落木緩沖階段參數(shù)

通過分析三維動作，發(fā)現(xiàn)譚思欣的交換腿結(jié)環(huán)跳技術(shù)動作完成簡單利落。如表9所示，在落木緩沖技術(shù)上的特點(diǎn)是垂直下落，屈膝、屈髖幅度較小，以較慢速度來達(dá)到穩(wěn)定落木的目的。譚思欣在該階段并無明顯失分，符合技術(shù)動作要求。

表9　落地緩沖階段角度參數(shù)　(°)

4結(jié)語

1)助跑階段。譚思欣采用2步助跑的方式完成動作，助跑階段在水平方向總位移為2.74 m，助跑時間為0.74 s，在助跑階段增大水平速度。助跑第2步落木時刻，譚思欣左右髖關(guān)節(jié)角分別為150.7°和156.6°，此時譚思欣應(yīng)積極地立上體、蹬伸左腿和上擺右腿，以獲得更高的起跳初始速度(垂直速度2.18 m/s)，為交換腿結(jié)環(huán)系列動作的完成提供空間保障。

2)交換腿劈叉結(jié)環(huán)階段。譚思欣重心最高點(diǎn)為1.24 m,雙腿夾角為150.6°，水平速度為0.80 m/s，水平速度不太大。重心最高點(diǎn)時刻的軀干傾角為12.9°，說明她有挺身后屈傾向，動作不太舒展順暢。在結(jié)環(huán)完成時刻，譚思欣左腿與平衡木之間的夾角為2.7°，雙腿夾角為186.6°，超過了180°的標(biāo)準(zhǔn)要求。在結(jié)環(huán)完成時刻譚思欣軀干傾角19.4°，偏小，頭與軀干夾角為92.4°，挺身后屈和抬頭后仰動作均不夠積極明顯。譚思欣的頭部與右腳部高度差為0.02 m，腳尖部位要稍高于頭部，達(dá)到了后腳比頭部高的要求。水平方向，譚思欣頭部與右腳距離差為0.21 m，最后結(jié)環(huán)姿勢要好于國內(nèi)其他優(yōu)秀運(yùn)動員。

3)落木緩沖階段。譚思欣的特點(diǎn)是垂直下落速度較慢，屈膝、屈髖幅度較小。通過視頻分析發(fā)現(xiàn)譚思欣的交換腿結(jié)環(huán)跳技術(shù)動作完成很穩(wěn)定。通過查閱資料發(fā)現(xiàn)譚思欣的落木技術(shù)動作雖與國內(nèi)其他優(yōu)秀運(yùn)動員有差異，但都是符合技術(shù)動作要求的合理性差異。

參考文獻(xiàn)：

[1] 國際體操聯(lián)合會.女子競技體操評分規(guī)則[S].2010:37.

[2] 畢文靜.從世界大賽分析平衡木的發(fā)展趨勢及我國面臨的挑戰(zhàn)[D].北京：北京體育大學(xué),2013.5-6,22.

[3] HAO W Y,PANG L,REN M Y,et al. Biomechanical service and research in the preparation for Beijing Olympic Games of Chinese Gymnastic Team[C]//.China Institute of Sport Science.Proceedings of the 6th Asian Conference on Sport Science.China Institute of Sport Science,2009:8.

[4] 王蕾.中外優(yōu)秀女子平衡木運(yùn)動員動作類型運(yùn)用特征的對比研究[D] .太原：山西大學(xué),2009.

[5] 賴啟財，周繼和，趙龍飛，等.我國優(yōu)秀運(yùn)動員平衡木交換腿劈叉結(jié)環(huán)跳技術(shù)動作的運(yùn)動學(xué)分析[M]//第十五屆全國運(yùn)動生物力學(xué)學(xué)術(shù)交流大會(CABS2012)論文摘要匯編.北京：中國體育科學(xué)學(xué)會運(yùn)動生物力學(xué)分會，2012：71-72.

Kinematics Analysis of Tan Sixin’s Virtual Reality Movement of Change Leg Ring Leap

XIONGLanjing1,WANGQingyue2,ZHOUJihe1*

(1.Department of Sport Medicine,Chengdu Sport University,Chengdu 610041, China; 2.Editorial Department of Journal,Chengdu Technology University, Chengdu 611730, China)

Abstract:The performance of Tan Sixin, the champion in the 2013 National Games was filmed on the spot. The change leg ring leap movement was chosen and analyzed by three-dimensional video analysis method which could get a series of kinematics parameters of the movement; make the chosen movement re-display based on the kinematics parameters by using the Virtual Reality Technology( which could output the three-dimensional video), after 360°rotation and make kinematics analysis of the virtual reality movement. The advantages and disadvantages of the performance were found. It turned out that Tan’s movement was relatively normative and reasonable.

Key words:Change leg Ring Leap;Kinematics;Virtual Reality Technology

DOI:10.13542/j.cnki.51-1747/tn.2016.02.019

收稿日期：2016-05-13

基金項(xiàng)目：國家體育總局重點(diǎn)課題“應(yīng)用沉浸式三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立模擬運(yùn)動技術(shù)及比賽環(huán)境的訓(xùn)練測試系統(tǒng)的研究”(2014B015)

作者簡介：熊蘭靜(1992— )，女(漢族)，湖北荊州人，在讀碩士研究生，研究方向：運(yùn)動生物力學(xué)。

中圖分類號：G832.7

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：2095-5383(2016)02-0067-04

周繼和(1956— )，男(漢族)，四川成都人，教授，碩士，研究方向：運(yùn)動生物力學(xué)，通信作者郵箱：1251718382@qq.com。