優(yōu)秀女子橄欖球運(yùn)動(dòng)員肩撲摟下肢運(yùn)動(dòng)模型及其肌力對(duì)撞擊力量的影響

宋校能，徐 輝，吳貽剛

（1. 江南大學(xué) 體育部，江蘇 無(wú)錫 214122；2. 上海體育學(xué)院 附屬競(jìng)技體育學(xué)校，上海 200438；3. 上海體育學(xué)院 體育教育學(xué)院，上海 200438）

較之其他運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目，英式橄欖球在中國(guó)是個(gè)新興項(xiàng)目，運(yùn)動(dòng)基礎(chǔ)較為薄弱。目前中國(guó)橄欖球協(xié)會(huì)注冊(cè)的專業(yè)運(yùn)動(dòng)員只有1 521人，其中男子897人、女子624人。為改善中國(guó)橄欖球運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)狀， 2019年中國(guó)橄欖球協(xié)會(huì)在第二屆代表大會(huì)上通過(guò)了《中國(guó)橄欖球運(yùn)動(dòng)十年發(fā)展規(guī)劃》，在中小學(xué)廣泛普及推廣各式橄欖球運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)中國(guó)參與橄欖球運(yùn)動(dòng)人數(shù)突破500萬(wàn)人，關(guān)注橄欖球運(yùn)動(dòng)的人數(shù)達(dá)到5 000萬(wàn)人的目標(biāo)[1]。

現(xiàn)階段，主要通過(guò)提高競(jìng)技成績(jī)、項(xiàng)目的被關(guān)注度和影響力來(lái)推動(dòng)中國(guó)英式橄欖球運(yùn)動(dòng)的發(fā)展。雖然中國(guó)女子橄欖球隊(duì)在2020年?yáng)|京奧運(yùn)會(huì)取得了第7名的優(yōu)異成績(jī)，為項(xiàng)目的發(fā)展帶來(lái)了良好契機(jī)，但其競(jìng)技水平與世界強(qiáng)隊(duì)之間還存在較大差距。在2020年?yáng)|京奧運(yùn)會(huì)上中國(guó)女子橄欖球隊(duì)與美國(guó)隊(duì)、澳大利亞隊(duì)、法國(guó)隊(duì)的比賽中，平均每場(chǎng)凈失18分，究其主要原因便是肩撲摟防守失敗。

肩撲摟防守利用身體的撞擊破壞進(jìn)攻，爭(zhēng)奪球權(quán)，是阻止持球隊(duì)員進(jìn)攻最有效的技術(shù)動(dòng)作。肩撲摟約占撲摟動(dòng)作的61%，是使用率最高的防守動(dòng)作[2?3]，同時(shí)也是英式橄欖球和美式橄欖球比賽中導(dǎo)致?lián)p傷率最高的動(dòng)作[4?5]。更為重要的是，肩撲摟防守有效率與比賽結(jié)果呈正相關(guān)，比賽獲勝方有效撲摟人次多于失敗方，而失敗方的肩撲摟總量和無(wú)效撲摟人次均多于獲勝方[6]。在第28屆雅加達(dá)亞運(yùn)會(huì)女子7人制橄欖球決賽中，中國(guó)隊(duì)的無(wú)效肩撲摟占41%，高于日本隊(duì)的38%；在2020年?yáng)|京奧運(yùn)會(huì)女子7人制橄欖球小組賽中，與美國(guó)隊(duì)、澳大利亞隊(duì)、法國(guó)隊(duì)的肩撲摟成功率相比，中國(guó)隊(duì)的無(wú)效肩撲摟分別占60%、52%、50%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)對(duì)方的25%、28%、30%，這暴露出當(dāng)前中國(guó)女子橄欖球肩撲摟防守能力的技術(shù)短板。

在肩撲摟技術(shù)中，力量素質(zhì)是核心要素，是實(shí)現(xiàn)撞擊效果的基本保障。研究表明：在聯(lián)盟式橄欖球（Rugby League）比賽中男子運(yùn)動(dòng)員下肢最大力量和爆發(fā)力與肩撲摟技術(shù)能力相關(guān)[7?8]；在影響肩撲摟能力的多元回歸模型中，下肢力量占9%的影響權(quán)重[9]；在不同體位的肩撲摟中，下肢力量是肩撲摟防守成功與否的關(guān)鍵因素，對(duì)其防守效果具有重要影響[10]?？梢?jiàn)，現(xiàn)階段提高肩撲摟技術(shù)水平和撞擊力量是提高中國(guó)女子橄欖球隊(duì)防守能力和競(jìng)技水平的有效途徑，也是縮短中國(guó)隊(duì)與世界強(qiáng)隊(duì)之間競(jìng)技水平差距的有效手段。

已有研究對(duì)橄欖球肩撲摟技術(shù)的生物力學(xué)特征進(jìn)行了一系列探索，為肩撲摟技術(shù)學(xué)習(xí)提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)[11?12]，但針對(duì)優(yōu)秀女子橄欖球運(yùn)動(dòng)員肩撲摟技術(shù)動(dòng)作的研究還相對(duì)匱乏，尤其是下肢力量與肩撲摟防守效果的相關(guān)性證據(jù)還有待補(bǔ)充。肌肉力量的產(chǎn)生取決于很多因素，主要包括肌肉長(zhǎng)度、收縮速度、肌肉活性以及募集的速率等[13?14]。根據(jù)肌肉生理橫截面積和肌肉運(yùn)動(dòng)在力矩中的貢獻(xiàn)程度來(lái)估算肌力會(huì)影響計(jì)算的準(zhǔn)確性[15]。在生物力學(xué)中應(yīng)用高速高清攝像機(jī)與人體運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、人體肌電等同步測(cè)試，獲取人體運(yùn)動(dòng)信息并進(jìn)行完整分析，使運(yùn)動(dòng)影像解析系統(tǒng)的功能、質(zhì)量、測(cè)試速度和測(cè)試精度等都有了很大程度的提高。然而，采用圖像解析方法研究人體運(yùn)動(dòng)特征存在兩方面的缺陷：①較難檢測(cè)肌肉產(chǎn)生的力量；②僅用于分析單個(gè)運(yùn)動(dòng)環(huán)節(jié)，很難與復(fù)雜的人體動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建立合理的因果關(guān)系[16?17]。

OpenSim Static Optimization （OSO）軟 件 采 用JavaScript 編程語(yǔ)言，以肌肉形態(tài)參數(shù)為基礎(chǔ)建立人體肌肉骨骼模型，通過(guò)肌肉力帶動(dòng)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，模擬人體運(yùn)動(dòng)，輸出關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)、肌肉活性、肌肉收縮肌力和肌肉肌腱拉伸變化等生理參數(shù)[18]。OSO建模的可靠性在體育學(xué)與醫(yī)學(xué)研究中已經(jīng)被驗(yàn)證[19?20]。為了更加準(zhǔn)確、直接地測(cè)量肩撲摟下肢肌群收縮力量，本文運(yùn)用撞擊力量測(cè)試儀、測(cè)力臺(tái)、肌電和Vicon系統(tǒng)測(cè)試，獲取肩撲摟下肢運(yùn)動(dòng)學(xué)指標(biāo)。同時(shí)，采用Visual 3D、SIMI圖像分析軟件和OSO軟件，通過(guò)OSO建立下肢運(yùn)動(dòng)模型，獲得肩撲摟下肢運(yùn)動(dòng)的肌肉激活程度和肌肉力量信息。OSO肌肉模型將關(guān)節(jié)凈力矩分解為每個(gè)時(shí)刻的單個(gè)肌肉力量，每一幀（或步）進(jìn)行獨(dú)立計(jì)算，結(jié)合人體生理學(xué)幾何參數(shù)、運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)和作用于人體的外部負(fù)荷力（地反力），優(yōu)化得到即刻運(yùn)動(dòng)的關(guān)節(jié)凈力矩，在實(shí)際肌肉力的閾值內(nèi)計(jì)算出運(yùn)動(dòng)時(shí)刻單塊肌肉的收縮肌力和激活水平[20]。同時(shí)，將這一結(jié)果與測(cè)試的表面肌電值相比較，可以判斷模型的可靠性。通過(guò)建立肩撲摟下肢運(yùn)動(dòng)模型，進(jìn)行肩撲摟撞擊力量影響因素的相關(guān)研究，可為橄欖球運(yùn)動(dòng)肩撲摟技術(shù)學(xué)習(xí)和專項(xiàng)力量訓(xùn)練提供理論參考，為橄欖球運(yùn)動(dòng)科學(xué)研究提供中國(guó)證據(jù)。

1 研究對(duì)象與方法

1.1 研究對(duì)象

測(cè)試對(duì)象為18名上海市女子橄欖球隊(duì)運(yùn)動(dòng)員（健將級(jí)運(yùn)動(dòng)員13人，一級(jí)運(yùn)動(dòng)員5人），其中2名運(yùn)動(dòng)員參加了2020年?yáng)|京奧運(yùn)會(huì)；平均年齡（19.7±3.1）歲，運(yùn)動(dòng)年限（5.8±2.2）年，身高（168.4±3.5）cm，體質(zhì)量（62.9±5.3）kg。安排統(tǒng)一測(cè)試，測(cè)試時(shí)間為訓(xùn)練大周期的中期、小周期的力量訓(xùn)練單元，在1周內(nèi)完成測(cè)試。

1.2 研究方法

1.2.1 測(cè)試法

（1）肩撲摟撞擊力量測(cè)試。采用自主研發(fā)的力量測(cè)試儀（專利號(hào)：ZL 201910594285.9）進(jìn)行。測(cè)試儀由硬件和軟件構(gòu)成：硬件主要包括力量傳感器、數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)，進(jìn)行信號(hào)的采集、轉(zhuǎn)換、傳輸、儲(chǔ)存和顯示；軟件包括應(yīng)用程序和硬件驅(qū)動(dòng)程序，應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)采集程序的設(shè)計(jì)和控制，硬件驅(qū)動(dòng)程序用于完成數(shù)據(jù)采集卡工作模式的設(shè)置。具體如圖1、圖2所示。

圖1 肩撲摟撞擊力量測(cè)試儀Figure 1 Application of impact force testing system of shoulder tackle

圖2 肩撲摟撞擊力量數(shù)據(jù)采集編程Figure 2 Data acquisition procedure of impact force testing system of shoulder tackle

（2）肩撲摟下肢運(yùn)動(dòng)學(xué)指標(biāo)測(cè)試。采用Vicon動(dòng)作捕捉系統(tǒng)、肌電和三維測(cè)力臺(tái)同步進(jìn)行。①采用英國(guó)Vicon Motion System公司生產(chǎn)的紅外高速運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)和10個(gè)MX13型攝像頭進(jìn)行動(dòng)作捕捉，采樣頻率為200 Hz，配套的標(biāo)志點(diǎn)為直徑14 mm的紅外反光marker球。受試者熱身后粘貼marker點(diǎn)于雙側(cè)肩峰、第7頸椎棘突、雙側(cè)足踝、下肢及骨盆。反光標(biāo)記點(diǎn)包括環(huán)節(jié)標(biāo)記點(diǎn)（雙側(cè)肩峰、第7頸椎棘突、雙側(cè)大轉(zhuǎn)子、骨盆的雙側(cè)髂脊上緣、髂前上棘和髂骨后的后骶骨處，雙側(cè)的膝內(nèi)、膝外、踝內(nèi)、踝外，足跟正后方的跟骨結(jié)節(jié)處、足尖、第1和第5跖骨頭）以及通過(guò)粘貼、捆綁固定在兩側(cè)大腿和小腿環(huán)節(jié)上的4組追蹤點(diǎn)。每組環(huán)節(jié)追蹤點(diǎn)粘貼在貼合環(huán)節(jié)外形的熱塑板上，以保證4個(gè)反光標(biāo)記點(diǎn)在環(huán)節(jié)運(yùn)動(dòng)時(shí)相對(duì)位置保持不變。受試者頸椎、肩峰、骨盆和雙側(cè)下肢反光點(diǎn)安放位置參照Visual 3D分析軟件默認(rèn)的下肢模型marker點(diǎn)放置方式，共34（測(cè)試時(shí)去掉撞擊肩峰上的1個(gè)點(diǎn)）枚反光標(biāo)記點(diǎn)。②采用Delsys 無(wú)線肌電采集系統(tǒng)測(cè)試下肢伸肌群表面肌電值，采集頻率為2 000 Hz，共10個(gè)無(wú)線肌電塊粘貼在下肢左右側(cè)的臀大肌、股直肌、股二頭肌、腓腸肌和脛骨前肌。③采用瑞士奇石樂(lè)公司生產(chǎn)的Kistler三維測(cè)力臺(tái)（長(zhǎng)×寬×高：90 cm×60 cm×10 cm，型號(hào)為9287B，內(nèi)置信號(hào)放大器，最大側(cè)向力和垂直力分別可達(dá)10 kN和20 kN）測(cè)試下肢蹬伸地反力。采樣頻率為1 000 Hz，使用Butterworth二階雙向低通濾波器濾波動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)，截止頻率為50 Hz。

（3）測(cè)試設(shè)備的同步。測(cè)力臺(tái)和Vicon系統(tǒng)通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器連接并同步構(gòu)成，Delsys無(wú)線肌電采集系統(tǒng)通過(guò)同步盒與Vicon系統(tǒng)進(jìn)行同步。

（4）測(cè)試方案。測(cè)試在室內(nèi)22 ℃恒溫條件下進(jìn)行。15 min熱身活動(dòng)后，準(zhǔn)備姿勢(shì)采用比賽中習(xí)慣的肩撲摟站位，雙腳在測(cè)力臺(tái)上從靜止開(kāi)始，分別用正反架在高、中、低體位進(jìn)行3次全力有效撞擊，每次撞擊時(shí)間間隔120 s，測(cè)量結(jié)果數(shù)據(jù)以平均值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

1.2.2 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)學(xué)方法

（1）撞擊力量數(shù)據(jù)處理。按照運(yùn)動(dòng)員肩撲摟姿勢(shì)分前、后肢體進(jìn)行統(tǒng)計(jì)：正架為優(yōu)勢(shì)側(cè)撞擊，同側(cè)腿在前；反架則為非優(yōu)勢(shì)側(cè)撞擊，同側(cè)腿在前。如優(yōu)勢(shì)側(cè)為右肩：正架為右肩撞擊，右腿在前；反架則為左肩撞擊，左腿在前[21]。本文受試者中有2人的優(yōu)勢(shì)側(cè)是左肩，以優(yōu)勢(shì)側(cè)分組進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

（2）OSO數(shù)據(jù)導(dǎo)入。模型采用Besier等[22]的測(cè)試方案確定髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)中心點(diǎn)，采用Saxby等[23]的方案計(jì)算股骨和脛骨的長(zhǎng)度。在Visual 3D中導(dǎo)入運(yùn)動(dòng)員靜態(tài)標(biāo)定的.c3d文件，個(gè)性化修改運(yùn)動(dòng)員的身高、體質(zhì)量，隨后將建好的靜態(tài)人體模型.mdh文件套用于動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù).c3d文件完成靜態(tài)模型建立。靜態(tài)優(yōu)化模型肌肉力矩方程：

其中，nf為屈肌數(shù)，ne為伸肌數(shù)；rf為屈肌力矩臂，re為伸肌力矩臂。①OSO模型加載。對(duì)OpenSim自帶模型“gait2392_simbody.osim”進(jìn)行修改，將92塊肌肉運(yùn)動(dòng)等速肌力閾值范圍擴(kuò)大3倍，然后在OpenSim軟件中打開(kāi)軟件自帶的Gait_2392模型，加載肩撲摟模型。②OSO生物力學(xué)指標(biāo)加載。輸入肩撲摟的運(yùn)動(dòng)學(xué)指標(biāo)（Visual 3D、SIMI）和動(dòng)力學(xué)指標(biāo)（地面反作用力）進(jìn)行靜態(tài)優(yōu)化，在每一步中更新模型坐標(biāo)、外部載荷，并計(jì)算產(chǎn)生模型加速度所需的肌肉收縮力和激活程度。

（3）統(tǒng)計(jì)分析。對(duì)于采用體質(zhì)量進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理（F/WB）之后的肩撲摟撞擊力量和下肢髖、膝、踝關(guān)節(jié)肌群靜態(tài)優(yōu)化肌力的數(shù)據(jù)，運(yùn)用SPSS 25統(tǒng)計(jì)軟件取平均值和最大值進(jìn)行參數(shù)檢驗(yàn)。采用單樣本K-S檢驗(yàn)對(duì)符合正態(tài)分布的數(shù)據(jù)進(jìn)行Z-score標(biāo)準(zhǔn)化，剔除中心化標(biāo)準(zhǔn)化值(x?μ)/δ，[?3,3]以外的數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)以平均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示。①統(tǒng)計(jì)OSO的肌力值。對(duì)同體位左右側(cè)的臀大肌、股四頭肌、股二頭肌和腓腸肌進(jìn)行配對(duì)樣本t檢驗(yàn)和配對(duì)樣本非參數(shù)檢驗(yàn)（Wilcoxon signed-rank檢驗(yàn)）。②以肩撲摟撞擊力量為觀察變量，正反架不同體位左右側(cè)臀大肌、股四頭肌、股二頭肌和腓腸肌為控制變量，進(jìn)行相關(guān)性分析，R<0.6或Rho≥0.5，表示在0.05級(jí)別顯著性相關(guān)；R<1或Rho≥0.6，表示在0.01級(jí)別顯著性相關(guān)。

2 研究結(jié)果

2.1 肩撲摟撞擊力量測(cè)試結(jié)果

肩撲摟撞擊力量測(cè)試結(jié)果如表1所示。肩撲摟撞擊平均力量為體質(zhì)量的0.86～1.25倍。

表1 不同體位正反架肩撲摟撞擊力量測(cè)試結(jié)果（n=18）Table 1 Impact force of front and reverse shoulder tackle in different positions （n=18）

2.2 肩撲摟技術(shù)OSO結(jié)果的驗(yàn)證

采用基準(zhǔn)數(shù)據(jù)比對(duì)法驗(yàn)證模型仿真結(jié)果的可靠性。將OpenSim靜態(tài)優(yōu)化的肌肉激活水平數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)采集的表面肌電信號(hào)（sEMG）進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證[24?25]，如圖3、圖4所示，在整個(gè)動(dòng)作過(guò)程中靜態(tài)優(yōu)化結(jié)果和肩撲摟蹬伸伸肌sEMG峰值出現(xiàn)的時(shí)刻以及曲線形態(tài)基本一致，表明模擬仿真結(jié)果具有較好的可信度。

圖4 肩撲摟下肢運(yùn)動(dòng)左側(cè)肌群激活水平靜態(tài)優(yōu)化與表面肌電比較Figure 4 Comparison of static optimization and sEMG on the activation level of left muscle group of the shoulder tackle lower-extremity

2.3 OSO下肢左右側(cè)肌群肌力比較與相關(guān)性

同一體位肩撲摟蹬伸下肢肌群力量左右側(cè)比較結(jié)果如表2所示。在正架高位肩撲摟技術(shù)中，臀大肌最大肌力左右側(cè)存在顯著性差異（P<0.05），右側(cè)大于左側(cè)；股四頭肌、股二頭肌和腓腸肌肌力平均值和最大值左右側(cè)存在顯著性差異（P<0.05），股四頭肌肌力右側(cè)大于左側(cè)，腓腸肌肌力左側(cè)大于右側(cè)。在正架中位肩撲摟技術(shù)中，臀大肌、股四頭肌、股二頭肌和腓腸肌最大肌力左右側(cè)存在顯著性差異（P<0.05），臀大肌右側(cè)大于左側(cè)，股四頭肌、股二頭肌和腓腸肌左側(cè)大于右側(cè)。在正架低位肩撲摟技術(shù)中，臀大肌、股四頭肌、股二頭肌和腓腸肌肌力平均值和最大值左右側(cè)存在顯著性差異（P<0.05），臀大肌和股四頭肌的平均肌力右側(cè)大于左側(cè)，臀大肌最大肌力右側(cè)大于左側(cè)，股四頭肌最大肌力左側(cè)大于右側(cè)；股二頭肌和腓腸肌的平均肌力和最大肌力左側(cè)大于右側(cè)。

表2 正架肩撲摟下肢肌群肌力左右側(cè)比較結(jié)果（n=18）Table 2 Comparison of the muscle strength of lower-extremity between the left and right in front shoulder tackle （n=18）

在反架高位肩撲摟技術(shù)中，臀大肌肌力左右側(cè)存在顯著性差異（P<0.05），右側(cè)大于左側(cè)；股四頭肌、股二頭肌和腓腸肌肌力左右側(cè)存在顯著性差異（P<0.05），左側(cè)大于右側(cè)。在反架中位肩撲摟技術(shù)中，股四頭肌最大肌力左右側(cè)存在顯著性差異（P<0.05），左側(cè)大于右側(cè)；腓腸肌平均肌力和最大肌力左右側(cè)都存在顯著性差異（P<0.05），左側(cè)大于右側(cè)；股二頭肌肌力左右側(cè)存在顯著性差異（P<0.05），左側(cè)大于右側(cè)。在反架低位肩撲摟技術(shù)中，腓腸肌平均肌力和最大肌力左右側(cè)均存在顯著性差異（P<0.05），左側(cè)大于右側(cè)。具體如表3所示。

表3 反架肩撲摟下肢肌群肌力左右側(cè)比較結(jié)果（n=18）Table 3 Muscle strength of lower-extremity in reverse shoulder tackle （n=18）

在肩撲摟靜態(tài)優(yōu)化模型中，針對(duì)不符合正態(tài)分布的下肢肌群肌力值數(shù)據(jù)，采用中位數(shù)比較大小，如表4所示。

表4 肩撲摟下肢肌群肌力（n=18）Table 4 Muscle strength of lower-extremity of shoulder tackle （n=18）

肩撲摟蹬伸下肢左右側(cè)肌群平均肌力的關(guān)系如表5所示。在正架肩撲摟中，右側(cè)股四頭肌與左側(cè)腓腸肌呈正相關(guān)，左側(cè)股四頭肌與右側(cè)腓腸肌呈正相關(guān)；在反架肩撲摟中，左側(cè)股四頭肌與左側(cè)腓腸肌呈正相關(guān)，左側(cè)股二頭肌與右側(cè)腓腸肌呈負(fù)相關(guān)。

表5 肩撲摟下肢左右側(cè)肌群肌力關(guān)系Table 5 Correlation between the left and right of muscle strength of lower-extremity of shoulder tackle

不同體位肩撲摟蹬伸下肢同側(cè)同名肌群肌力平均值的比較結(jié)果如圖5、圖6所示。在正架肩撲摟中，右側(cè)股四頭肌高位與低位之間存在顯著性差異，高、低位的肌力分別為體質(zhì)量的（4.05±0.44）倍和（4.76±0.27）倍，左側(cè)股四頭肌高位與中位之間存在顯著性差異，高、中位的肌力分別為體質(zhì)量的（3.43±0.41）倍和（4.17±0.32）倍；左右側(cè)腓腸肌高位與中、低位之間存在顯著性差異，高、中、低位右側(cè)的肌力分別為體質(zhì)量的（0.30±0.04）倍 、 （1.00±0.16）倍 、 （1.30±0.15）倍 ， 高 、中、低位左側(cè)的肌力分別為體質(zhì)量的（1.22±0.06）倍、（1.82±0.09）倍、（1.84±0.24）倍。在反架肩撲摟中，右側(cè)股四頭肌高位與中、低位之間存在顯著性差異，左側(cè)股四頭肌高位與中位之間存在顯著性差異，右側(cè)腓腸肌中位與高、低位之間存在顯著性差異。

圖5 正架不同體位肩撲摟下肢同側(cè)同名肌群肌力平均值比較結(jié)果Figure 5 Comparison of the average strength in the same muscle group on unilateral low-extremity in front shoulder tackle

圖6 反架不同體位肩撲摟下肢同側(cè)同名肌群肌力平均值比較結(jié)果Figure 6 Comparison of the average strength in the same muscle group on unilateral low-extremity in reverse shoulder tackle

2.4 OSO下肢肌群肌力與撞擊力量的相關(guān)性

在肩撲摟蹬伸下肢肌群中，除了高位肩撲摟的股二頭肌肌力與肩撲摟撞擊力量沒(méi)有相關(guān)性之外，正反架其他體位肩撲摟左右側(cè)臀大肌、股四頭肌、股二頭肌和腓腸肌肌力均與肩撲摟撞擊力量呈正相關(guān)關(guān)系。其中，不同體位肩撲摟的右側(cè)股四頭肌肌力與肩撲摟撞擊力量正相關(guān)程度最高，中低位肩撲摟左側(cè)腓腸肌肌力與撞擊力量正相關(guān)程度較高，具體如表6所示。

表6 肩撲摟下肢肌群平均肌力與撞擊力量的相關(guān)性（n=18）Table 6 Correlation between the average strength of lowextremity and the impact force of shoulder tackle （n=18）

3 分析與討論

3.1 OSO與其他方法的比較

與 Computed Muscle Control （CMC）和 Neuromusculosketetal Tarckong （NT）仿真建模軟件相比，OSO 建模更加高效、便捷，且計(jì)算肌肉力量的穩(wěn)定性較高[25?27]。OSO運(yùn)用逆向動(dòng)力學(xué)建模，通過(guò)最小化每個(gè)時(shí)刻的獨(dú)立于時(shí)間的性能標(biāo)準(zhǔn)，將凈關(guān)節(jié)力矩分解為單個(gè)肌肉力，僅需輸入身高、體質(zhì)量、運(yùn)動(dòng)學(xué)V3D數(shù)據(jù)和動(dòng)力學(xué)地面反作用力等指標(biāo)就可以直接優(yōu)化建模，優(yōu)化計(jì)算成本小[28?30]。研究[25]表明，在走與跑的運(yùn)動(dòng)中，OSO靜態(tài)優(yōu)化建模的效率約是CMC和NT的5倍。

CMC和NT都是以正向動(dòng)力學(xué)模擬運(yùn)動(dòng)，設(shè)計(jì)方法相似，CMC建模雖然可以解釋與時(shí)間相關(guān)的肌肉收縮力量和激活程度，但需要很高的計(jì)算成本；NT在建模計(jì)算中肌肉活動(dòng)及關(guān)節(jié)力矩誤差的平方和時(shí)間間隔最小。Lin等[25]的研究表明，在關(guān)節(jié)力矩精確的走和跑的運(yùn)動(dòng)模型中，運(yùn)用OSO、CMC、NT 3種方法估算肌肉力量，結(jié)果沒(méi)有顯著性差異，并且靜態(tài)優(yōu)化計(jì)算走和跑下肢主要伸肌肌群在水平面、冠狀面和矢狀面運(yùn)動(dòng)時(shí)，OSO下肢關(guān)節(jié)凈力矩均方根差小于1 Nm，分別優(yōu)于CMC的8 Nm（水平面和冠狀面）和NT的15 Nm。

OSO可以采用OpenSim和MATLAB軟件仿真平臺(tái)處理數(shù)據(jù)，而CMC只能運(yùn)用OpenSim、NT只能運(yùn)用MATLAB進(jìn)行數(shù)據(jù)處理[31?32]。然而，采用OSO方法建模必須依靠收集和處理的環(huán)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)指標(biāo)參數(shù)，才能確保環(huán)節(jié)推導(dǎo)計(jì)算的肌肉肌力和激活程度的精確性， OSO在計(jì)算更為精確的肌肉力量時(shí)需要解釋肌肉的生理特征[33]，且其靜態(tài)優(yōu)化計(jì)算以時(shí)間為單位的肌肉力量[34]，基于逆向動(dòng)力學(xué)方法不能恰當(dāng)解釋肌肉之間協(xié)同運(yùn)動(dòng)的潛在規(guī)律[35?36]，因此也存在一定的局限性。

本文探索影響肩撲摟撞擊力量的主要因素，通過(guò)建立運(yùn)動(dòng)模型了解肩撲摟動(dòng)作下肢運(yùn)動(dòng)的特征，尤其是下肢關(guān)節(jié)肌群收縮肌力對(duì)肩撲摟撞擊力量的影響。收集18名受試者每人18條數(shù)據(jù)，即正反架肩撲摟分別在高、中、低位每個(gè)體位3次動(dòng)作的數(shù)據(jù)，并且采用OSO和CMC分別進(jìn)行運(yùn)動(dòng)建模。運(yùn)用OSO方法在3天內(nèi)完成了18人的正反架肩撲摟高、中、低位下肢運(yùn)動(dòng)建模，得到了下肢主要伸肌肌群肌力和激活程度等指標(biāo)，同時(shí)在MATLAB軟件平臺(tái)完成數(shù)據(jù)處理。然而，運(yùn)用CMC方法處理1個(gè)人的數(shù)據(jù)就用了3天時(shí)間，1個(gè)星期只完成2名測(cè)試對(duì)象的建模。為了提高研究效率，并結(jié)合本文實(shí)際需求，最終選用OSO作為估算人體運(yùn)動(dòng)中肌肉力量的方法。

3.2 肩撲摟OSO建模的可靠性

OSO自帶模型采集普通人群數(shù)據(jù)進(jìn)行建模和計(jì)算，每塊肌肉設(shè)置不同的等速肌力力矩閾值，下肢肌群中最小的為156 Nm，最大的為3 549 Nm。為了優(yōu)化參加2020年?yáng)|京奧運(yùn)會(huì)的女子橄欖球運(yùn)動(dòng)員肩撲摟下肢運(yùn)動(dòng)，針對(duì)OpenSim自帶模型“gait2392_simbody.osim”進(jìn)行修改，將92塊肌肉運(yùn)動(dòng)等速肌力閾值范圍擴(kuò)大3倍，然后進(jìn)行肩撲摟的OSO運(yùn)算，得到肌力和肌肉激活程度。將OSO的結(jié)果（3DGaitModle2392_StaticOptimization activation值）與肩撲摟蹬伸下肢肌肉sEMG的RMS值進(jìn)行比較，通過(guò)其曲線變化趨勢(shì)的相似度判斷靜態(tài)優(yōu)化結(jié)果的可靠性[24,37?39]。研究結(jié)果顯示，在整個(gè)動(dòng)作過(guò)程中靜態(tài)優(yōu)化結(jié)果和下肢肌肉sEMG峰值出現(xiàn)的時(shí)刻及曲線形態(tài)基本一致，驗(yàn)證了模型仿真結(jié)果的可靠性，通過(guò)導(dǎo)出3DGaitModle2392_StaticOptimization_force.sto文件，最終得到肩撲摟下肢運(yùn)動(dòng)中單塊肌肉的收縮力量。

3.3 肩撲摟OSO模型下肢肌群肌力特征

本文結(jié)果顯示，在正架肩撲摟下肢蹬伸運(yùn)動(dòng)中，優(yōu)勢(shì)側(cè)（右側(cè)）股四頭肌與非優(yōu)勢(shì)側(cè)（左側(cè)）腓腸肌力量較對(duì)側(cè)更大，分別與對(duì)側(cè)肌群力量存在正相關(guān)關(guān)系。一方面，這表明在正架肩撲摟下肢蹬伸運(yùn)動(dòng)中，優(yōu)勢(shì)側(cè)膝關(guān)節(jié)和非優(yōu)勢(shì)側(cè)踝關(guān)節(jié)的伸肌是主要發(fā)力肌群；同時(shí)，隨著身體重心的下降，即膝關(guān)節(jié)角度的增加和踝關(guān)節(jié)角度的減小，優(yōu)勢(shì)側(cè)股四頭肌力量增加，中位肩撲摟優(yōu)勢(shì)側(cè)股四頭肌平均收縮力量較高、低位更大，低位肩撲摟非優(yōu)勢(shì)側(cè)腓腸肌最大收縮肌力和平均收縮肌力較高、中位更大。另一方面，這表明在肩撲摟下肢蹬伸運(yùn)動(dòng)中，下肢優(yōu)勢(shì)側(cè)膝關(guān)節(jié)和非優(yōu)勢(shì)側(cè)踝關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)發(fā)力是保持身體姿態(tài)平衡和肩撲摟技術(shù)穩(wěn)定的基礎(chǔ)。

反架肩撲摟下肢蹬伸運(yùn)動(dòng)的典型特征是非優(yōu)勢(shì)側(cè)踝關(guān)節(jié)腓腸肌的發(fā)力仍然較優(yōu)勢(shì)側(cè)更大。這表明在肩撲摟技術(shù)中，運(yùn)動(dòng)員習(xí)慣以非優(yōu)勢(shì)側(cè)踝關(guān)節(jié)發(fā)力，以非優(yōu)勢(shì)側(cè)髖膝發(fā)力為主（前腿）。在實(shí)際比賽中，反架肩撲摟技術(shù)使用率較低，運(yùn)動(dòng)員主觀上不重視反架肩撲摟技術(shù)的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，對(duì)反架肩撲摟技術(shù)的掌握較正架技術(shù)差，反架肩撲摟技術(shù)水平?jīng)]有達(dá)到自動(dòng)化和動(dòng)力定型的階段。

生物力學(xué)研究[40?41]表明，以解剖學(xué)解釋肌肉的功能是不充分的，因?yàn)樵诙嚓P(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)中一塊肌肉可以對(duì)它的不跨關(guān)節(jié)產(chǎn)生作用，而雙關(guān)節(jié)肌肉可以在跨關(guān)節(jié)處產(chǎn)生與其力矩方向相反的作用。在肢體一端不受約束的情況下，生物力學(xué)與解剖學(xué)解釋是一致的[42]。股后肌群跨髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)，腓腸肌跨膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)，在股四頭肌的配合下，腘繩肌和腓腸肌不但具有伸髖和伸踝的作用，同時(shí)也具有伸膝的作用。運(yùn)用肌肉屈伸功能以動(dòng)作而定原理，從兩方面分析肩撲摟蹬伸中膝、踝關(guān)節(jié)股四頭肌、腓腸肌力量與髖、膝、踝關(guān)節(jié)貢獻(xiàn)度錯(cuò)位的矛盾：一方面，臀大肌和腘繩肌收縮伸髖；另一方面，在下肢一端固定的條件下股四頭肌和腓腸肌收縮也有伸髖的作用。此外，肌肉力量與關(guān)節(jié)做功是2個(gè)不同的生物力學(xué)概念，力量的大小不能等同于做功的大小。不同體位肩撲摟蹬伸中髖、膝、踝關(guān)節(jié)伸肌群力量的差異，尤其是其股四頭肌和腓腸肌肌力的差異與肌肉發(fā)力、關(guān)節(jié)角度相關(guān)。在反架肩撲摟技術(shù)中，優(yōu)勢(shì)側(cè)與非優(yōu)勢(shì)側(cè)力量的差異，尤其是非優(yōu)勢(shì)側(cè)腓腸肌力量較大的特征表明正架技術(shù)對(duì)反架技術(shù)有影響，運(yùn)動(dòng)員已經(jīng)形成正架技術(shù)肌肉發(fā)力的動(dòng)力定型和動(dòng)作自動(dòng)化，影響了反架技術(shù)肌肉的發(fā)力。針對(duì)正反架肩撲摟技術(shù)存在差異的現(xiàn)象，建議橄欖球教練員和運(yùn)動(dòng)員重視反架肩撲摟技術(shù)的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練。

3.4 下肢肌群肌力與肩撲摟防守效果的關(guān)系

肩撲摟下肢動(dòng)作是非對(duì)稱非垂直起跳的蹬伸（蹬跳），下肢多關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)力矩為：凈關(guān)節(jié)力矩（NET）=重力矩（GRA）+互動(dòng)動(dòng)力矩（INT）+地面反作用力引起的接觸力矩（EXT）+肌肉力矩（MUS）。凈關(guān)節(jié)力矩值反映肌肉力量大小。在肩撲摟蹬伸階段，伸肌向心收縮產(chǎn)生力矩，其伸肌收縮力量決定蹬伸的垂直和水平?jīng)_量。這是肩撲摟蹬伸過(guò)程中身體移動(dòng)速度和撞擊力量的主要來(lái)源[9?10]，而撞擊力量是其防守效果的核心影響因素和基礎(chǔ)，撞擊力量的大小影響持球人進(jìn)攻的效果和撞擊后形成的局面，如進(jìn)攻被阻斷失去球權(quán)，進(jìn)攻速度被延緩，進(jìn)攻推進(jìn)距離被縮短，以及形成集陣Scrum、Maul、Ruck的不利體位（進(jìn)攻隊(duì)員身體護(hù)球水平線偏向防守方）。由此可見(jiàn)，下肢肌群的收縮力量影響防守的效果。

肩撲摟蹬伸下肢肌群收縮力量與撞擊力量之間存在相關(guān)性。本文結(jié)果顯示，右側(cè)髖、膝、踝關(guān)節(jié)伸肌群力量與撞擊力量呈正相關(guān)，下肢肌群力量與撞擊力量之間存在線性關(guān)系。左右側(cè)股四頭肌和左側(cè)腓腸肌對(duì)撞擊力量的影響凸顯了膝關(guān)節(jié)和左踝關(guān)節(jié)（非優(yōu)勢(shì)側(cè)）的伸展運(yùn)動(dòng)在肩撲摟防守效果中的重要作用，證明了下肢左右側(cè)協(xié)調(diào)發(fā)力不僅是肩撲摟技術(shù)質(zhì)量的保障，也是防守效果的保障。更為重要的是，這種通過(guò)測(cè)試膝關(guān)節(jié)伸肌肌力預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)肩撲摟防守能力的方式能夠幫助教練員選拔人才和合理安排場(chǎng)上防守隊(duì)員的具體位置及全隊(duì)的防守戰(zhàn)術(shù)。這一研究結(jié)果將為肩撲摟技術(shù)學(xué)習(xí)和力量訓(xùn)練提供理論參考和依據(jù)。

3.5 肩撲摟下肢肌群肌力表現(xiàn)形式和針對(duì)性訓(xùn)練

肩撲摟撞擊力量測(cè)試是運(yùn)動(dòng)員在靜態(tài)站位自我控制蹬伸啟動(dòng)的情況下進(jìn)行的，蹬伸至撞擊前平均時(shí)間約為0.3 s，OSO系統(tǒng)可檢測(cè)到下肢肌群每一幀時(shí)間的肌肉力量，即蹬伸階段的時(shí)間/幀數(shù)的肌肉力量，相當(dāng)于肌肉功率（肌肉的爆發(fā)力）。統(tǒng)計(jì)分析蹬伸階段肌肉的最大力量和平均力量。運(yùn)動(dòng)中肌肉力量的一般表現(xiàn)形式分為最大力量、力量耐力和快速力量，快速力量分為反應(yīng)力量和啟動(dòng)力量[43]。本文靜態(tài)優(yōu)化的肌肉力量以啟動(dòng)力量為主。在橄欖球?qū)嶋H比賽和訓(xùn)練中，以靜態(tài)和動(dòng)態(tài)（行進(jìn)間移動(dòng)）姿勢(shì)站位的形式進(jìn)行撲摟防守。移動(dòng)中進(jìn)行肩撲摟防守首先需要判斷防守時(shí)機(jī)，即肩撲摟防守依靠下肢肌群的反應(yīng)力量和起動(dòng)力量。比賽中肩撲摟是使用率最高的防守動(dòng)作[2?3]，在Rugby Union比賽中平均每場(chǎng)比賽出現(xiàn)200多人次撲摟的情況[44?45]，在 Rugby League比賽中平均每場(chǎng)比賽多達(dá)300人次撲摟[46?48]。為保證肩撲摟的防守效果，需要下肢肌群具有較強(qiáng)的力量耐力。由此可見(jiàn)，在肩撲摟技術(shù)中橄欖球運(yùn)動(dòng)員下肢力量表現(xiàn)形式以快速力量和力量耐力為主。在提高肩撲摟防守能力的力量訓(xùn)練中，一般力量訓(xùn)練可以采用超等長(zhǎng)練習(xí)手段，如采用跳躍和深蹲練習(xí)等發(fā)展下肢肌群?jiǎn)?dòng)力量和力量耐力；專項(xiàng)力量可以采用司克蘭架練習(xí)，發(fā)展下肢和軀干肌群力量耐力，撞擊shield撲摟包弓形墊練習(xí)發(fā)展下肢啟動(dòng)力量，撲摟Rolling Tackle Dummy練習(xí)發(fā)展下肢肌群反應(yīng)力量。

在肩撲摟蹬伸過(guò)程中，下肢運(yùn)動(dòng)鏈所包括的關(guān)節(jié)力矩已被確定，末端效應(yīng)器任何力的增加都需要運(yùn)動(dòng)鏈中所有關(guān)節(jié)力矩同時(shí)成比例地增加，在末端效應(yīng)器發(fā)出最大力時(shí)，運(yùn)動(dòng)鏈中某些關(guān)節(jié)力矩達(dá)到最大值（在蹬伸階段某一時(shí)刻的身體姿態(tài)），而其他關(guān)節(jié)力矩僅達(dá)到次最大值。由于運(yùn)動(dòng)過(guò)程所涉關(guān)節(jié)中的一個(gè)或多個(gè)的力矩不足，末端點(diǎn)力不能進(jìn)一步增加，這種關(guān)節(jié)為限制關(guān)節(jié)，也稱薄弱關(guān)節(jié)。在力量訓(xùn)練過(guò)程中，針對(duì)不同情況分析、判斷限制關(guān)節(jié)（薄弱關(guān)節(jié)），從而對(duì)其進(jìn)行針對(duì)性訓(xùn)練，可改善整個(gè)環(huán)節(jié)的力或力矩關(guān)系，增加末端效應(yīng)器力或力矩的輸出，達(dá)到增加速度或力量的運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練目標(biāo)。采用OSO建立肩撲摟動(dòng)作模型可以診斷運(yùn)動(dòng)員下肢蹬伸發(fā)力是否存在薄弱環(huán)節(jié)。本文結(jié)果顯示：優(yōu)勢(shì)側(cè)踝關(guān)節(jié)腓腸肌收縮力量平均為體質(zhì)量的0.26～1.45倍，最大為體質(zhì)量的1.20～3.08倍；非優(yōu)勢(shì)側(cè)腓腸肌收縮力量平均為體質(zhì)量的1.16～3.04倍，最大為體質(zhì)量的2.96～4.50倍。這表明正反架的右側(cè)踝關(guān)節(jié)力量相對(duì)左側(cè)踝關(guān)節(jié)較弱，同時(shí)也表明在正反架肩撲摟蹬伸階段，下肢關(guān)節(jié)中右側(cè)踝關(guān)節(jié)是薄弱關(guān)節(jié)，也是薄弱的發(fā)力環(huán)節(jié)。建立肩撲摟動(dòng)作模型有助于教練員或運(yùn)動(dòng)員了解在肩撲摟蹬伸過(guò)程中哪些是重要的發(fā)力環(huán)節(jié)和發(fā)力肌群，如基于正架肩撲摟下肢優(yōu)勢(shì)側(cè)膝關(guān)節(jié)股四頭肌和非優(yōu)勢(shì)側(cè)踝關(guān)節(jié)腓腸肌對(duì)撞擊力量的影響，可進(jìn)行針對(duì)性力量訓(xùn)練，促進(jìn)訓(xùn)練目標(biāo)高效實(shí)現(xiàn)，提高肩撲摟技術(shù)水平等。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié) 論

①肩撲摟蹬伸下肢環(huán)節(jié)左右側(cè)平衡發(fā)力，下肢肌群力量表現(xiàn)形式以快速力量和力量耐力為主。②女子橄欖球運(yùn)動(dòng)員下肢髖關(guān)節(jié)、優(yōu)勢(shì)側(cè)膝關(guān)節(jié)和非優(yōu)勢(shì)側(cè)踝關(guān)節(jié)是肩撲摟蹬伸主要發(fā)力關(guān)節(jié)，臀大肌、優(yōu)勢(shì)側(cè)股四頭肌和非優(yōu)勢(shì)側(cè)腓腸肌是肩撲摟蹬伸發(fā)力的主要肌群。③在肩撲摟技術(shù)中下肢優(yōu)勢(shì)側(cè)踝關(guān)節(jié)是運(yùn)動(dòng)鏈中的薄弱環(huán)節(jié)，優(yōu)勢(shì)側(cè)踝關(guān)節(jié)腓腸肌收縮力量平均為體質(zhì)量的0.26～1.45倍，最大為體質(zhì)量的1.20～3.08倍，是下肢運(yùn)動(dòng)肌肉鏈中的薄弱肌群。

4.2 建 議

①加強(qiáng)肩撲摟下肢肌群的力量訓(xùn)練。一般力量訓(xùn)練采用超等長(zhǎng)練習(xí)手段，如采用跳躍和深蹲練習(xí)等發(fā)展下肢肌群?jiǎn)?dòng)力量和力量耐力；專項(xiàng)力量可以采用司克蘭架練習(xí)發(fā)展下肢和軀干肌群力量耐力，撞擊shield撲摟包弓形墊練習(xí)發(fā)展下肢起動(dòng)力量，撲摟Rolling Tackle Dummy練習(xí)發(fā)展下肢肌群反應(yīng)力量；針對(duì)肩撲摟下肢運(yùn)動(dòng)肌肉鏈中的薄弱環(huán)節(jié)優(yōu)勢(shì)側(cè)踝關(guān)節(jié)腓腸肌力量，可采用以掌趾和踝關(guān)節(jié)為主的退讓與超等長(zhǎng)練習(xí)手段。②提高肩撲摟技術(shù)水平和能力。針對(duì)優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員加強(qiáng)正架肩撲摟下肢優(yōu)勢(shì)側(cè)膝關(guān)節(jié)股四頭肌和雙側(cè)踝關(guān)節(jié)腓腸肌的力量訓(xùn)練；針對(duì)初學(xué)者形成左右側(cè)肩撲摟均衡防守的意識(shí)，淡化單側(cè)撲摟技術(shù)的觀念，在訓(xùn)練和比賽中培養(yǎng)左右側(cè)肩撲摟均衡防守的習(xí)慣和意識(shí)。

作者貢獻(xiàn)聲明：

宋校能：提出論文主題，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)流程，處理數(shù)據(jù)，撰寫論文；

徐 輝：設(shè)計(jì)論文框架，核實(shí)數(shù)據(jù)，修改論文；

吳貽剛：指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)技術(shù)動(dòng)作，核實(shí)數(shù)據(jù)，指導(dǎo)修改和審核論文。