基于3DSSPP的扎馬步姿勢(shì)分析

韓帥磊 溫藝曼

（南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，江蘇南京 210031）

基于3DSSPP的扎馬步姿勢(shì)分析

韓帥磊 溫藝曼

（南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，江蘇南京 210031）

隨著人們生活水平的提高，大家越來(lái)越注意身體健康情況。扎馬步由于對(duì)空間條件限制較小而廣受大眾推崇。但是很多人并不知道扎馬步的正確姿勢(shì)，從而造成了一些肌體損傷。而且隨著近期對(duì)傳統(tǒng)武術(shù)的打假行動(dòng)，使公眾開(kāi)始對(duì)這一傳統(tǒng)武術(shù)訓(xùn)練方式產(chǎn)生了質(zhì)疑。因此本文通過(guò)網(wǎng)絡(luò)信息采集以及實(shí)地對(duì)傳統(tǒng)武術(shù)練習(xí)者的采訪，確定標(biāo)準(zhǔn)的扎馬步的姿勢(shì)，進(jìn)而采用人體受力仿真軟件3DSSPP對(duì)這一姿勢(shì)進(jìn)行建模分析，詳細(xì)介紹扎馬步的正確姿勢(shì)以及受力分析。

扎馬步；3DSSPP；仿真分析；人因工程

武諺“未學(xué)打先扎馬”、“要習(xí)打，先站馬”、“練拳先蹲馬，馬功到家、不怕刀槍”等，道出了武術(shù)基本功馬步的地位及重要作用（蔣德龍，2016）。而且扎馬步不僅可以改變肌肉空間和肌肉組群，還可以對(duì)椎間盤(pán)突出等有輔助治療作用。扎馬步時(shí)腹式呼吸，可以對(duì)內(nèi)臟以及所處的經(jīng)絡(luò)進(jìn)行按摩。上班族在工作的間歇扎上5分鐘的馬步，疲勞感會(huì)降低很多，肌肉疼痛感也會(huì)消除。因此扎馬步逐漸受到越來(lái)越多的追捧。但是由于扎馬步需要循序漸進(jìn)以及姿勢(shì)可能不正確的原因造成了很多人以不正確的姿勢(shì)扎馬步并產(chǎn)生了肌肉拉傷或者膝關(guān)節(jié)半月板損傷等問(wèn)題。使得這一傳統(tǒng)武術(shù)中的基本功備受爭(zhēng)議。本文嘗試從人因工程學(xué)的角度結(jié)合3DSSPP軟件對(duì)扎馬步進(jìn)行科學(xué)的分析與評(píng)價(jià)。

1 建立模型

本實(shí)驗(yàn)需要在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行之前搜集大量資料明確扎馬步的正確姿勢(shì)，但是由于我們搜集到的關(guān)于扎馬步的正確姿勢(shì)說(shuō)法不一導(dǎo)致我們無(wú)法盡快的得出結(jié)論。最終，我們通過(guò)查閱大量網(wǎng)頁(yè)資料、數(shù)據(jù)庫(kù)文檔、權(quán)威認(rèn)證資料以及對(duì)形意拳南京青年組冠軍的采訪確定正確的姿勢(shì)。通過(guò)實(shí)地演示之后測(cè)量了一些關(guān)鍵數(shù)據(jù)。最終確定的扎馬步的正確姿勢(shì)為四平馬：

①兩腳分開(kāi)與肩同寬，腳尖向前，且處在同一線上。屈膝下蹲，膝蓋不超過(guò)足尖。兩腳著地，重心在腳跟，雙膝外展，小腿外側(cè)與腳外側(cè)成同一垂直線，大腿與小腿之間夾角為150度。

②塌腰、松胯、檔要圓，略提肛收腹，含胸拔背，上身正直，如坐凳狀。

③沉肩墜肘。

④雙目平視，視線不宜遠(yuǎn)，頭要正略收額，不要低頭，也不要仰頭聳肩，或左傾右斜。（王立利，2011）

如圖1所示，通過(guò)前期姿勢(shì)確立以及數(shù)據(jù)采集之后，采用先利用posture prediction（姿勢(shì)預(yù)測(cè)法）簡(jiǎn)單做出模型，而后再通過(guò)body segment angles（身體各部位角度法）精準(zhǔn)建立模型，最終建立起3 D模型。

2 報(bào)告分析

在仿真模型建立之后，利用軟件產(chǎn)生了一系列的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，著重選擇了一下五張反映疲勞程度以及可接受程度的報(bào)告進(jìn)行分析：

圖1 四平馬

圖2 總報(bào)告分析

圖3 疲勞強(qiáng)度分析

2.1 總報(bào)告

如圖2總報(bào)告分析中所示，本實(shí)驗(yàn)包括一般用到的幾個(gè)基本結(jié)論，包括群眾對(duì)于身體各個(gè)部位的受力情況的可接受程度、下背部壓力、左右下肢承載受力情況以及平衡狀況。由于下面會(huì)有各個(gè)報(bào)告的詳細(xì)解釋，在這里不再贅述，只做簡(jiǎn)單的說(shuō)明。只是這里的條形圖可以讓我們更直觀的看到，90%以上的人能夠接受現(xiàn)有的各個(gè)部分的受力情況；下背部受力情況為2858.6也在3425的強(qiáng)度設(shè)計(jì)極限之內(nèi)。其中SDL和SUL分別是強(qiáng)度設(shè)計(jì)極限和力量上限，默認(rèn)情況下適用于NIOSH行動(dòng)限制和最大容許極限。其他限制可以是用戶自己設(shè)定的。SDL的指定在程序表格中由從綠到黃的顏色過(guò)渡分隔開(kāi)，并且被設(shè)置為99%男性或75%的女性。SUL的指定，則是由黃色到紅色顏色過(guò)渡分割開(kāi)，25%男性或1%的女性；左右腿受力平衡；支撐力量的中點(diǎn)在綠色BOS區(qū)域內(nèi)，姿態(tài)是穩(wěn)定的，平衡可以接受。

圖4 3D下背部疲勞分析

圖5 矢量下背部疲勞分析

2.2 疲勞強(qiáng)度分析

如圖3疲勞強(qiáng)度分析中所示，疲勞強(qiáng)度分析顯示了每一個(gè)關(guān)節(jié)所需要的最大自由收縮(MVC)百分比。計(jì)算了三個(gè)百分位數(shù)人群的力量能力：5、25和50百分位對(duì)應(yīng)于很弱,弱和平均力量的工人。這些值可以用于頻率和持續(xù)時(shí)間的信息來(lái)估計(jì)局部肌肉疲勞?？梢岳斫鉃樾枰l(fā)揮多大的肌肉收縮能力。由結(jié)果數(shù)據(jù)可以看出，按照50%也就是平均力量工人的情況來(lái)分析，除肩部外各個(gè)位置需要的肌肉收縮能力都不算太大。說(shuō)明多數(shù)人都是可以完成的，符合成為全民健身方式條件。

圖6 強(qiáng)度及可接受程度分析

圖7 平衡能力分析

2.3 下背部分析報(bào)告

從圖4，3D下背部疲勞分析中可以看出，腰椎間盤(pán)突出是十分常見(jiàn)的對(duì)工作人員造成的公共損傷，而造成腰椎間盤(pán)突出的直接原因就是腰椎壓力過(guò)大。分析總結(jié)屏幕中的關(guān)于椎間盤(pán)壓力的預(yù)測(cè)在3D下背部分析中很詳細(xì)的展現(xiàn)出來(lái)。該報(bào)告列出了L4/ L5椎間盤(pán)壓力，3D下背部分析采用線性規(guī)劃優(yōu)化算法，計(jì)算L4/L5旋轉(zhuǎn)力矩和力量，根據(jù)三維分析上半身十大肌肉的收縮力量，加上造成椎間盤(pán)的壓力的體重和手的力量，優(yōu)化合成椎間盤(pán)壓力。在圖中我們可以看到上半身十大肌肉的受力情況以及L4/L5椎間盤(pán)壓力為2859，評(píng)比標(biāo)準(zhǔn)中SDL和SUL分別是強(qiáng)度設(shè)計(jì)極限和力量上限，默認(rèn)情況下適用于NIOSH行動(dòng)限制和最大容許極限。其他限制可以是用戶自己設(shè)定的。SDL被設(shè)置為99%男性或75%的女性，其數(shù)值為3425。S U L則被設(shè)置為2 5%男性或1%的女性，其數(shù)值為6361。因此可見(jiàn)扎馬步的椎間盤(pán)受力情況在強(qiáng)度設(shè)計(jì)極限之內(nèi)，符合生理學(xué)要求。

在圖5，矢量下背部疲勞分析中，顯示了選定姿勢(shì)下的下背部數(shù)據(jù)。正的肌肉力量值或部分重量表明了下行椎盤(pán)上的力的方向。椎盤(pán)的剪切力是由于上半身的重量,姿勢(shì),和水平手的力量。在已知+/ -且適當(dāng)?shù)臅r(shí)候，會(huì)顯示一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差。即扎馬步是椎盤(pán)所受的總的剪切力在2926+/-192。在報(bào)告的底部，是既定性別下的估計(jì)的L5/S1韌帶應(yīng)變。這代表了腰部筋膜的應(yīng)變，是附加在L5和S1椎骨中間的，在抵抗向前彎曲過(guò)程中起著重要作用。由于觀察的腰部筋膜的彈性極限是30%，估計(jì)L5/S1韌帶應(yīng)變值，若這個(gè)值超過(guò)30%表明存在受傷的風(fēng)險(xiǎn)。而本實(shí)驗(yàn)中的12%說(shuō)明，正確姿勢(shì)的扎馬步是不會(huì)造成腰部勞損的。

2.4 強(qiáng)度及可接受程度分析

圖6強(qiáng)度及可接受程度分析表明了強(qiáng)度模型的結(jié)果。由負(fù)載和體重所產(chǎn)生的每個(gè)關(guān)節(jié)所需的扭矩，是通過(guò)基于靜態(tài)鏈接算法的生物力學(xué)模型算得的，并且依賴于人體測(cè)量學(xué),姿勢(shì),手負(fù)載。由于對(duì)于扭矩的具體數(shù)值我們并沒(méi)有太大的概念，所以暫時(shí)不加以分析。而能力百分比是有力量能力來(lái)產(chǎn)生比聯(lián)合力矩更大力矩的人所占的百分比。它使用正態(tài)分布，被當(dāng)作合力矩,平均強(qiáng)度,和平均強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)偏差的的功能來(lái)計(jì)算的。也就是說(shuō)能完成這項(xiàng)工作的人有多少。我們可以看到，這就很直接的反映了每個(gè)部位都有95%以上的人能完成，說(shuō)明這是一個(gè)所有人都能去做的姿勢(shì)，符合大眾練習(xí)的要求。

2.5 平衡能力分析

在圖7平衡能力分析中，身體質(zhì)量的中心被定義為體重的中心，投影向下，也可以稱為重心(COG)。在3 dsspp中，只計(jì)算身體的部分重量，不包括對(duì)象手中所持物體的質(zhì)量，不包括外力或力矩。身體質(zhì)量的中心示在平衡圖形中表示為一個(gè)黃色的圓點(diǎn)。壓力的中心(COP)被定義為支撐力量的中點(diǎn)。它的計(jì)算類(lèi)似于C O G，但包括所有外力和力矩以及身體部位的質(zhì)量。壓力中心在平衡圖形中表示為一個(gè)紅點(diǎn)。為獲得平衡，壓力中心必須保持在支撐表面的一個(gè)穩(wěn)定的地點(diǎn)。兩個(gè)穩(wěn)定區(qū)域被確定和考慮。地面支持(BOS，綠色區(qū)域)，是一個(gè)根據(jù)支撐表面的大小和位置定義的區(qū)域。例如,在站立模式，只有壓力中心在腳的輪廓以內(nèi)，腳才能支持一個(gè)姿勢(shì)，否則人會(huì)跌倒。但是實(shí)際表明，人們通常不會(huì)讓壓力中心靠近BOS的邊緣,只能作為一個(gè)安全系數(shù)。因此功能穩(wěn)定區(qū)域(FSR，淺綠色區(qū)域)被定義和實(shí)驗(yàn)出來(lái)，因?yàn)槿藗儍A向于保持壓力的中心。這兩個(gè)區(qū)域邊界之間的區(qū)域是一個(gè)關(guān)于平衡不太好的地區(qū)，在這里一個(gè)人可能覺(jué)得沒(méi)有安全感。平衡穩(wěn)定的條件取決于壓力中心相對(duì)于支撐地面的位置。分為可接受的、有缺點(diǎn)的或不可接受的。

可接受的CP平衡:壓力中心位于FSR范圍內(nèi)，姿態(tài)是穩(wěn)定的。

有缺點(diǎn)的CP平衡:壓力中心的位置在不在FSR范圍內(nèi)但在BOS范圍內(nèi)。姿勢(shì)是穩(wěn)定的,但人缺乏安全感。

不可接受的CP平衡:壓力的中心不在BOS范圍內(nèi)，姿勢(shì)無(wú)法維持。

因此由實(shí)驗(yàn)報(bào)告可以得出，扎馬步是壓力中心在FSR區(qū)域內(nèi)，姿態(tài)是穩(wěn)定的。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

通過(guò)以人因工程學(xué)的專業(yè)知識(shí)分析以及3DSSPP的報(bào)告，發(fā)現(xiàn)如果姿勢(shì)正確，對(duì)于扎馬步的各項(xiàng)分析均在正常范圍之內(nèi)并不會(huì)對(duì)人的身體造成傷害，而且是一項(xiàng)有益的運(yùn)動(dòng)。傳統(tǒng)武術(shù)留下來(lái)的四平馬也是有其科學(xué)依據(jù)的。只要我們能找到正確的方法持之以恒，必將有益于保持良好的身體狀況。

[1]蔣德龍,譚廣鑫.古代巫風(fēng)的現(xiàn)代延續(xù):武術(shù)基本功馬步之“馬”的探源及啟示[J].體育科研,2016,37(04):42-48.

[2]王立利.馬步站樁對(duì)下肢力量影響實(shí)驗(yàn)的分析[J].宜春學(xué)院學(xué)報(bào),2011,33(08):169-170.

TP391.9

A

1003-2177（2017）06-0056-04

韓帥磊（1996—），男，漢族，河北石家莊人，本科，研究方向：流程優(yōu)化。