蘇 陽(yáng) 錢競(jìng)光

(1.南京體育學(xué)院 黨政辦，江蘇 南京 210014；2.南京體育學(xué)院 運(yùn)動(dòng)健康學(xué)院，江蘇 南京 210014)

吊環(huán)是男子體操項(xiàng)目之一，動(dòng)、靜結(jié)合是該項(xiàng)目的顯著特點(diǎn)，采用緩慢的肌肉發(fā)力方式，完成靜力性動(dòng)作之間轉(zhuǎn)換，形成“慢用力”動(dòng)作組合，能夠體現(xiàn)“力”與“美”的高度統(tǒng)一，也代表著該項(xiàng)目技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)[1]。為了加深對(duì)慢用力動(dòng)作技術(shù)和基本規(guī)律的理解，解決專項(xiàng)力量訓(xùn)練的問(wèn)題，提高體操科學(xué)訓(xùn)練水平，本文對(duì)吊環(huán)十字支撐再壓上成水平十字支撐這組慢用力動(dòng)作的技術(shù)規(guī)律、肌肉發(fā)力順序，肌肉發(fā)力特點(diǎn)及協(xié)調(diào)性進(jìn)行了研究[2]。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷更新和多剛體動(dòng)力學(xué)的發(fā)展，運(yùn)用多剛體動(dòng)力學(xué)模擬仿真技術(shù)在現(xiàn)代體育中的研究越來(lái)越多。通過(guò)多剛體動(dòng)力學(xué)模擬仿真，可以模擬人體實(shí)驗(yàn)的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程，再通過(guò)仿真軟件分析，可以測(cè)量運(yùn)動(dòng)過(guò)程中各肌肉的用力情況，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)創(chuàng)測(cè)量肌肉肌力的目的。因此，近些年來(lái)一些研究學(xué)者們常使用LifeMOD、Opensim等人體生物力學(xué)模擬仿真分析軟件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)過(guò)程中人體肌肉肌力變化分析，以及人機(jī)耦合關(guān)系等動(dòng)力學(xué)仿真研究[3]。本研究將動(dòng)力學(xué)模擬仿真的方法運(yùn)用到競(jìng)技體操吊環(huán)慢用力動(dòng)作分析和訓(xùn)練嘗試，運(yùn)用LifeMOD多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真軟件對(duì)江蘇省健將級(jí)一線運(yùn)動(dòng)員尤浩的技術(shù)動(dòng)作，探索性地建立十字支撐壓上成水平十字支撐動(dòng)作的動(dòng)力學(xué)模型，并結(jié)合三維影像解析數(shù)據(jù)、肌電數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。較以往單純從運(yùn)動(dòng)學(xué)方面對(duì)技術(shù)動(dòng)作分析、研究和診斷，采用多體動(dòng)力學(xué)計(jì)算機(jī)模擬方法，獲得相應(yīng)的動(dòng)力學(xué)數(shù)，同時(shí)結(jié)合三維影像解析及表面肌電(SEMG)的數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)作技術(shù)分析，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加準(zhǔn)確，更深入地探究技術(shù)動(dòng)作的規(guī)律。

1 研究對(duì)象

本研究以江蘇省體操隊(duì)優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員尤浩為被試，對(duì)體操吊環(huán)慢用力動(dòng)作進(jìn)行動(dòng)力與模擬仿真分析，被試的基本情況見(jiàn)表1。

表1 受試者基本情況

2 研究方法

2.1 三維影像解析法

使用英國(guó)產(chǎn)的VICON紅外三維運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)，對(duì)實(shí)驗(yàn)對(duì)象所做的動(dòng)作進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。VICON紅外三維運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)主要由傳感器、信號(hào)捕捉設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備、數(shù)據(jù)處理設(shè)備組成。該系統(tǒng)根據(jù)統(tǒng)一采樣時(shí)刻不同攝像機(jī)對(duì)在掃描空間內(nèi)運(yùn)動(dòng)的反光球的像進(jìn)行運(yùn)算，得出反光球該時(shí)刻在空間的三維坐標(biāo)。

動(dòng)作捕捉過(guò)程中，要求實(shí)驗(yàn)對(duì)象按照比賽時(shí)的要求去完成。在吊環(huán)周圍使用6個(gè)VICON紅外攝像頭從不同角度和高度對(duì)整個(gè)動(dòng)作進(jìn)行捕捉。根據(jù)LifeMOD軟件的要求在人體上貼上35個(gè)marker點(diǎn)[3]，VICON紅外攝像采樣頻率為100HZ，每幀采集人體的35個(gè)標(biāo)記點(diǎn)，如圖1所示。

(a) (b) (c) (d) 圖1 VICON系統(tǒng)捕捉十字支撐壓上成水平十字支撐動(dòng)作過(guò)程注：a為準(zhǔn)備動(dòng)作；b為十字支撐動(dòng)作；c為壓上動(dòng)作；d為水平十字支撐動(dòng)作

根據(jù)LifeMOD軟件的要求在人體上貼上35個(gè)marker點(diǎn)，具體的35個(gè)點(diǎn)的貼放位置(如圖2所示)。35個(gè)點(diǎn)的順序分別是01LFHD前額左側(cè)、02RFHD前額右側(cè)、03LBHD后腦左側(cè)、04RBHD后腦右側(cè)、05BU.Trunk第7頸椎棘突突起、06BL.Trunk第10胸椎棘突突起、07FU.Trunk胸骨柄、08FL.Trunk劍突、09Offset右肩胛骨、10L.Shoulder左肩、11L.Elbow左肘、12L.Wrist Upper左側(cè)腕關(guān)節(jié)橈側(cè)、13L.Wrist Down左側(cè)腕關(guān)節(jié)尺側(cè)、14L.Hand左手背面二掌骨近側(cè)端、15R. Shoulder右肩、16R.Elbow右肘、17R.Wrist Upper右側(cè)腕關(guān)節(jié)橈側(cè)、18R.Wrist Down右側(cè)腕關(guān)節(jié)尺側(cè)、19R.Hand右手背面二掌骨近側(cè)端、20L.ASIS左髂前上棘、21R.ASIS右髂前上棘、22L.Sacral左髂后上棘、23R.Sacral右髂后上棘、24L.Thigh左股骨外側(cè)、25L.Knee左膝外側(cè)髁、26L.Shank左側(cè)脛骨、27L.Ankle左踝外側(cè)髁、28L.Heel左后跟、29L.Toe左第二跖骨、30R.Thigh右股骨外側(cè)、31R.Knee右膝外側(cè)髁、32R.Shank右側(cè)脛骨、33R.Ankle右踝外側(cè)髁、34R.Heel右后跟、35R.Toe右第二跖骨。將VICON紅外三維運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)采集的35個(gè)標(biāo)記點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)導(dǎo)出，然后編寫如下程序，進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，輸出后綴名為.slf格式的文件[3]。

Private Sub Command1_Click()

Dim i As Integer

Dim xdata(1 To 35) As Single

Dim ydata(1 To 35) As Single

Dim zdata(1 To 35) As Single

Adodc1.ConnectionString = "Provider=Microsoft.Jet.OLEDB.4.0;Data Source=" & App.Path & "data.mdb;Persist Security Info=False"

Adodc1.CommandType = adCmdTable

Open App.Path + "LifeMODdata.slf" For Output As #1

With Adodc1.Recordset

.MoveFirst

Do While Not .EOF '

ind_num = .Fields(1) '

'MsgBox (CStr(ind_num))

For i = 1 To 35 '

xdata(i) = .Fields(i * 3 - 1)ydata(i) = .Fields(i * 3)

zdata(i) = .Fields(i * 3 + 1)

For i = 1 To 35 ' Print #1， CStr(ind_num) & vbTab & CStr(i) & vbTab & CStr(xdata(i)) & vbTab & CStr(zdata(i)) & vbTab & CStr(ydata(i)) & vbTab & "0" & vbTab & "0" & vbTab & "0"

Next

.MoveNext

Loop

End With

End Sub

(a) (b) (c)圖2 VICON紅外三維影像捕捉時(shí)在人體上貼的標(biāo)記點(diǎn)注：a:LifeMOD軟件默認(rèn)的Marker點(diǎn)位置；b:VICON紅外三維影像捕捉時(shí)在人體上貼的標(biāo)記點(diǎn)正面；c:VICON紅外三維影像捕捉時(shí)在人體上貼的標(biāo)記點(diǎn)反面

2.2 表面肌電法

2.2.1 表面肌電數(shù)據(jù)采集

選取受試對(duì)象的三角肌前束(FD)、三角肌中束(MD)、三角肌后束(PD)、肱二頭肌長(zhǎng)頭(BB)、肱三頭肌長(zhǎng)頭(TB)、胸大肌(PM)、背闊肌(LD)、前鋸肌(SA)、岡上肌(S)、岡下肌(I)、斜方肌下部(TI)為測(cè)試肌肉。根據(jù)測(cè)試動(dòng)作要求及BTS肌電采集軟件中給定的電極貼放位置對(duì)所選的肌肉貼上電極，沿肌纖維的走向在肌肉肌腹的隆起處貼好電極，兩電極中心距離2cm。具體位置如圖3所示。

圖3 實(shí)際采集肌電信號(hào)時(shí)電極片貼放位置示意圖

粘貼電極之前用剃須刀剃除皮膚表面的汗毛，然后用酒精棉球擦去要測(cè)試肌肉表面的油脂和碎屑以降低測(cè)量時(shí)候由皮膚碎屑引起的高阻抗[4]。在進(jìn)行測(cè)試之前，受試者要根據(jù)吊環(huán)技術(shù)動(dòng)作的特點(diǎn)進(jìn)行充分的準(zhǔn)備活動(dòng)，以免在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)損傷。按照實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行表面肌電采集，采集頻率設(shè)置為1000Hz[5]。

2.2.2 表面肌電數(shù)據(jù)處理

應(yīng)用BTS表面肌電測(cè)試系統(tǒng)配套的Myolab軟件對(duì)原始的肌電信號(hào)進(jìn)行處理，即整流、高通濾波、低通濾波、積分，完成原始肌電信號(hào)的平滑和積分處理。具體處理過(guò)程如下：

1)將BTS表面肌電儀測(cè)試的肌電數(shù)據(jù)導(dǎo)入Myolab軟件。

2)對(duì)肌電數(shù)據(jù)在20-400HZ進(jìn)行濾波處理。

3)對(duì)原始肌電進(jìn)行積分處理。

4)以200ms為時(shí)間節(jié)點(diǎn)，計(jì)算均方根振幅(RMS)。

2.3 人體多剛體動(dòng)力學(xué)建模法

2.3.1 建立人體骨骼模型

根據(jù)美國(guó)空軍空間醫(yī)學(xué)研究實(shí)驗(yàn)室和Dayton大學(xué)研究組織共同開(kāi)發(fā)的GeBod數(shù)據(jù)庫(kù)，在此數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)上，導(dǎo)入運(yùn)動(dòng)員的身體形態(tài)參數(shù)，如性別、身高、體重、年齡等，以針對(duì)研究對(duì)象建立人體全身的骨骼模型[6]。

2.3.2 建立關(guān)節(jié)連接

LifeMOD軟件中關(guān)節(jié)的自由度上的功能可以由用戶自定義。包括固定、自由、受控、彈簧，阻尼以及力矩驅(qū)動(dòng)等類型。在其自帶的關(guān)節(jié)模型中，把關(guān)節(jié)定義為彈簧-阻尼單元，可以在有一定范圍內(nèi)設(shè)置其剛度、阻尼系數(shù)、角度等參數(shù)。在人體骨骼模型建立的基礎(chǔ)上，通過(guò)設(shè)置各關(guān)節(jié)的參數(shù)，再進(jìn)行關(guān)節(jié)的建立。同時(shí)各關(guān)節(jié)點(diǎn)自由度的方程也建立起來(lái)了。得到人體關(guān)節(jié)模型如圖4所示，其中骨骼間相連的圓形部位即為關(guān)節(jié)。

圖4 人體關(guān)節(jié)參數(shù)在LifeMOD軟件中的顯示(左)、人體關(guān)節(jié)模型(右)

2.3.3 建立肌肉模型

對(duì)肌肉的定義：在LifeMOD中提供了完整的肌肉特性參數(shù)庫(kù)，包括肌肉生理橫截面積(pCSA)、最大組織應(yīng)力和肌肉模型等。主動(dòng)肌肉力表達(dá)式如下：

式中：pCSA一肌肉生理橫截面積；—最大組織應(yīng)力；—逆向動(dòng)力學(xué)計(jì)算中肌肉的伸縮模式；—肌肉模型模式；—二者的求導(dǎo)。初始pCSA可以通過(guò)假設(shè)模型的身高、體重、年齡以及性別從LifeMOD的數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行選取。并確定比例因子和微分因子[7]。

LifeMOD軟件提供的軟組織模型主要是韌帶和肌肉，如圖5所示。其中韌帶是被動(dòng)的彈簧阻尼器，肌肉具有反向動(dòng)力學(xué)中起到“學(xué)習(xí)元”，也就是可以訓(xùn)練的元素；在正向動(dòng)力學(xué)中起到主動(dòng)性的元素。在反向動(dòng)力學(xué)仿真時(shí)，在數(shù)據(jù)的驅(qū)動(dòng)下記錄肌肉的變化，包括長(zhǎng)度的伸長(zhǎng)縮短等數(shù)列，然后在正向動(dòng)力學(xué)仿真時(shí)作為伺服系統(tǒng)重復(fù)這些數(shù)列，達(dá)到“主動(dòng)收縮”的效果。LifeMOD軟件將人體肌肉組織簡(jiǎn)化成118個(gè)肌群，添加在骨骼上的解剖學(xué)標(biāo)記點(diǎn)上(如圖6所示)?？梢愿鶕?jù)實(shí)際需要調(diào)整肌肉的起止點(diǎn)和阻尼[8]。

圖5 韌帶模型(左)肌肉模型(右)

圖6 人體形態(tài)參數(shù)在LifeMOD軟件中的顯示(左)、人體肌肉模型(右)

2.3.4 添加運(yùn)動(dòng)副

建成立人體模型，但這個(gè)模型是被動(dòng)的，LifeMOD所標(biāo)記的點(diǎn)需要實(shí)際采集的運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)去驅(qū)動(dòng)。將VICON紅外三維捕捉系統(tǒng)采集的運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)加載到模型上，讓模型上的標(biāo)記點(diǎn)按照實(shí)際的運(yùn)動(dòng)軌跡運(yùn)動(dòng)(如圖7所示)。

圖7 添加運(yùn)動(dòng)副(左)；平衡分析以及同步之后的結(jié)果(右)

2.3.5 運(yùn)行平衡分析

讓模型上的規(guī)定點(diǎn)去追趕實(shí)際的運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)，使模型盡可能與運(yùn)動(dòng)副重合，從而將人體模型按照運(yùn)動(dòng)副的軌跡運(yùn)動(dòng)，平衡分析后模型。

2.3.6 建立接觸

由于各方面的原因，本次實(shí)驗(yàn)沒(méi)能建立運(yùn)動(dòng)器械吊環(huán)的模型，將人與吊環(huán)的接觸簡(jiǎn)化為人與平面的接觸。建立接觸過(guò)程如下：打開(kāi)命令窗口，輸入命令：marker cre marker=.World.ground.flr loc=0.0，4085.0，0.0 ori=0.0，-90.0，0.0 rel=.World。建立接觸平面，將平面模型與人體模型模型的手掌耦合一起，設(shè)置該點(diǎn)為支點(diǎn)，建立接觸[9]。

2.3.7 反向動(dòng)力學(xué)仿真

建立好接觸后，對(duì)模型施加一個(gè)向下的重力加速度。驅(qū)使模型進(jìn)行反向動(dòng)力學(xué)仿真，精確的測(cè)量出運(yùn)動(dòng)過(guò)程中各關(guān)節(jié)點(diǎn)或重心的位置、速度、加速度、關(guān)節(jié)角度、角速度以及角加速度等運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)。在整個(gè)分析過(guò)程中，關(guān)節(jié)的軟組織計(jì)入下整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程，為正向動(dòng)力學(xué)仿真做準(zhǔn)備[10]。

2.3.8 正向動(dòng)力學(xué)仿真

把仿真數(shù)據(jù)輸入模型進(jìn)行正向動(dòng)力學(xué)模擬計(jì)算，建立吊環(huán)壓“十字”再壓上成水平“十字”動(dòng)作動(dòng)力學(xué)模型(如圖8所示)。根據(jù)正向動(dòng)力學(xué)仿真分析，得出所要測(cè)的參數(shù)，如關(guān)節(jié)力、肌肉力等。并對(duì)所得參數(shù)進(jìn)行分析。

圖8 吊環(huán)“十字”再壓上成水平“十字”動(dòng)作動(dòng)力學(xué)模型

3 研究結(jié)果與分析

3.1 動(dòng)作過(guò)程的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

3.1.1 十字支撐過(guò)程的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

通過(guò)圖9我們可以看出，在下壓成十字支撐過(guò)程中左、右側(cè)肩關(guān)節(jié)角度逐漸增大，從0°增加到85.8°。下壓過(guò)程中，上臂的角速度變化是先增大后減小的過(guò)程。如圖10所示，肩關(guān)節(jié)角速度的變化趨勢(shì)為先增大后減小。說(shuō)明下壓過(guò)程是一個(gè)先快后慢的過(guò)程。

圖9 肩關(guān)節(jié)角度變化 圖10 肩關(guān)節(jié)角速度變化

通過(guò)圖11可以看出在完成十字支撐動(dòng)作過(guò)程中， 軀干和下肢在X軸方向基本不變，在Z軸方向，通過(guò)曲線可以看出，軀干向后擺動(dòng)，但腳尖的位置保持不變，說(shuō)明在下壓的過(guò)程中有一個(gè)屈髖的動(dòng)作。在下壓到一定程度之后，腳尖加速向后擺動(dòng)，最后與軀干保持垂直位。在下壓過(guò)程中的屈髖動(dòng)作，可以提高重心位置，其目的是保證在下壓開(kāi)始階段重心下降的速度，保證肩關(guān)節(jié)的穩(wěn)定性。

圖11 下壓成十字支撐過(guò)程軀干和腳在X軸和Z軸的運(yùn)動(dòng)軌跡(左) 圖12 下壓成十字支撐過(guò)程中手(右)

通過(guò)圖12可以看出，在下壓成十字支撐過(guò)程中，吊環(huán)支撐點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)不只是在X軸與Y軸構(gòu)成的垂直面上運(yùn)動(dòng)，而是一個(gè)三維的擺動(dòng)動(dòng)作。在Z軸方向，雙手有一個(gè)向后擺的過(guò)程。這可能是由于在下壓過(guò)程中，下肢有一個(gè)的屈髖動(dòng)作使得人體的重心向前移動(dòng)，為了保證整個(gè)人體的平衡，雙手支撐的吊環(huán)要向后擺動(dòng)。

3.1.2 壓上成水平十字支撐過(guò)程的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

把壓上過(guò)程分為3個(gè)階段，第一個(gè)階段是上臂內(nèi)收屈髖階段，第二階段是下擺階段，第三階段是后擺壓上階段。

通過(guò)圖13可以看出，在壓上過(guò)程開(kāi)始時(shí)，腳在Z軸上的位移增大，而軀干與手在Z軸上的位移減小。說(shuō)明在壓上過(guò)程開(kāi)始時(shí)，上肢在內(nèi)收的同時(shí)有一個(gè)后擺的趨勢(shì)和收腹屈髖過(guò)程，但后擺的幅度很小。上肢在內(nèi)收的同時(shí)屈髖，使得人體的重心向前上方移動(dòng)，減小上肢做功。屈髖到一定程度后開(kāi)始伸髖，借助伸髖下擺的重力勢(shì)能向后壓上成水平十字支撐動(dòng)作。借助于重力勢(shì)能，減小了壓上的難度。

圖13 壓上成水平十字支撐過(guò)程軀干、手、腳的運(yùn)動(dòng)軌跡(左) 圖14 壓上成水平十字支撐過(guò)程左右肩角在矢狀面的變化趨勢(shì)(右)

通過(guò)圖14可以看出，在整個(gè)壓上過(guò)程中肩關(guān)節(jié)角度先減小后增大，從0S開(kāi)始至1.35S時(shí)，肩關(guān)節(jié)角度由原先的85.8°減小到39.4°，減小了46.4°，從1.35S至2.22S，肩關(guān)節(jié)角度又開(kāi)始增大，從39.4°增加到62.5°。2.22S之后肩關(guān)節(jié)角度基本保持不變。

3.2 動(dòng)作過(guò)程的肌電分析

把吊環(huán)十字支撐壓上成水平十字動(dòng)作劃分為三個(gè)階段，第一階段是十字支撐階段，定為T1；第二階段是壓上階段，定為T2；第三階段是水平十字支撐階段，定為T3。

積分肌電(iEMG)是指在一定時(shí)間內(nèi)肌肉中參與活動(dòng)的運(yùn)動(dòng)單位放電的總量。在時(shí)間不變的前提下，其值的大小在一定程度上反映了參加工作的運(yùn)動(dòng)單位的多少和每個(gè)運(yùn)動(dòng)單位的放電大小[4]。

由圖15可見(jiàn)，十字支撐再壓上成水平十字支撐過(guò)程中， 肌肉的發(fā)力順序依次為:肱三頭肌、肱二頭肌、背闊肌、胸大肌、斜方肌下部、岡下肌、前鋸肌、三角肌前束、中束、后束、岡上??；其中肱二頭肌和肱三頭肌在第一階段興奮性強(qiáng)，在第二、第三階段有所減弱，但依然維持興奮；胸大肌在整個(gè)動(dòng)作過(guò)程中都保持高度興奮；背闊肌在第一階段和第二階段的前半段保持興奮且興奮性強(qiáng)，在第二階段后半段和第三階段明顯減弱；三角肌前束、中束、后束，斜方肌下部、岡下肌、前鋸肌主要在第二階段和第三階段保持興奮；岡上肌在全過(guò)程中的興奮性都不是很明顯。

圖15 運(yùn)動(dòng)健將尤浩的積分肌電圖(mV)注：從上至下依次為三角肌前束-FD、三角肌中束-MD、三角肌后束-PD、肱二頭肌長(zhǎng)頭-BB(L)、肱三頭肌長(zhǎng)頭-TB(L)、岡上肌-S、岡下肌-I、斜方肌下部-TI、胸大肌-PM、前鋸肌-SA、背闊肌-LD的積分肌電圖。T1階段-十字支撐階段、T2階段-壓上階段、T3階段-水平十字支撐階段。

肌肉肌電活動(dòng)的貢獻(xiàn)率，即各塊肌肉的積分肌電值占所測(cè)11塊肌肉的積分肌電總和的百分比。表2為研究對(duì)象在吊環(huán)十字支撐壓上成水平十字動(dòng)作中各肌肉肌電活動(dòng)的貢獻(xiàn)率。

表2 動(dòng)作的三個(gè)階段所測(cè)肌肉肌電活動(dòng)的貢獻(xiàn)率(%)

由表2可知，在十字支撐階段(T1階段)，肱二頭肌、肱三頭肌、胸大肌、背闊肌的貢獻(xiàn)率較大，占了78.4%。其中肱二頭肌和胸大肌的貢獻(xiàn)率最大，分別為27.6%和21.6%。說(shuō)明在十字支撐階段上臂的主要內(nèi)收肌群發(fā)揮主要作用；在壓上階段(T2階段)，三角肌前、中、后束的貢獻(xiàn)率較大，分別為13.5%、18.6%、8.5%。肱二頭肌、岡下肌、胸大肌、前鋸肌的貢獻(xiàn)率也較大，其中胸大肌的貢獻(xiàn)率最大為15.8%。相比于T1階段，肱二頭肌、肱三頭肌的貢獻(xiàn)率明顯減小，背闊肌在壓上階段的前半段和后半段的貢獻(xiàn)率相差很明顯，前半段明顯大于后半段。這是因?yàn)樵趬荷想A段的前半段主要是拉軀干向上的動(dòng)作，背闊肌的作用大，而后半段，主要是軀干后擺動(dòng)作，背闊肌作用減小。三角肌、岡下肌、前鋸肌的貢獻(xiàn)率明顯增加，說(shuō)明在壓上階段，三角肌、肱二頭肌、岡下肌、胸大肌、前鋸肌為主要發(fā)力肌群；在水平十字支撐階段(T3階段)，肌肉的貢獻(xiàn)率與T2階段的基本相同。說(shuō)明在壓上過(guò)程與支撐過(guò)程所參與的肌群基本相同。

3.3 動(dòng)作過(guò)程的動(dòng)力學(xué)分析

利用LIFEMOD進(jìn)行十字支撐壓上成水平十字支撐動(dòng)作動(dòng)力學(xué)仿真模擬，通過(guò)逆向動(dòng)力學(xué)仿真和正向動(dòng)力學(xué)仿真后，得到人體在動(dòng)作過(guò)程中所受的關(guān)節(jié)力和肌肉力。根據(jù)吊環(huán)動(dòng)作的特點(diǎn)是雙側(cè)上肢做對(duì)稱的克服重力運(yùn)動(dòng)，因此只選用身體右側(cè)為研究對(duì)象，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

由于運(yùn)動(dòng)器械吊環(huán)的模型沒(méi)能精確建立，而是使用人與平面接觸代替與人與運(yùn)動(dòng)器械的接觸。這是因?yàn)樵谡麄€(gè)動(dòng)作過(guò)程中吊環(huán)的運(yùn)動(dòng)軌跡接近于鐘擺的形態(tài)，而且在垂直面上變化較小，因此使用平面接觸代替器械模型接觸對(duì)整個(gè)模型的建立的影響不會(huì)很大，雖然在肌肉力的結(jié)果不是很精確，但能反映整個(gè)動(dòng)作中個(gè)肌肉的肌肉力變化趨勢(shì)[11]。

3.3.1 十字支撐過(guò)程的動(dòng)力學(xué)分析

圖16是尤浩模型仿真十字支撐過(guò)程肱二頭肌肱三頭肌肌張力圖，由圖可見(jiàn)，肱二頭肌和肱三頭肌的肌張力變化幅度差異比較大，其中肱二頭肌變化比較明顯，肱三頭肌肌張力比較平穩(wěn)，肱二頭肌的肌張力比肱三頭肌大，這與肌電測(cè)量數(shù)據(jù)(表2)肱二頭肌在動(dòng)作T1階段貢獻(xiàn)率27.6，明顯高于肱三頭肌16.8的結(jié)果相一致。

圖16 十字支撐過(guò)程肱二頭肌(Bic)肱三頭肌(Tric)肌張力(左) 圖17 下壓成十字支撐過(guò)程胸大肌(Pmaj)和背闊肌(Lat)肌張力(右)

圖17是尤浩模型仿真十字支撐過(guò)程胸大肌和背闊肌肌張力圖，由圖可見(jiàn)，在下壓成十字支撐的過(guò)程中，胸大肌和背闊肌的肌張力逐漸增大。在下壓過(guò)程的后半段，胸大肌和背闊肌的肌張力基本保持穩(wěn)定，其中胸大肌的肌張力值為350N，背闊肌的肌張力值為280N。這與肌電測(cè)量數(shù)據(jù)(表2)的胸大肌在動(dòng)作T1階段貢獻(xiàn)率(21.6)和背闊肌(12.4)結(jié)果相吻合。

圖18是尤浩模型仿真十字支撐過(guò)程三角肌肌張力圖，由圖可見(jiàn)，在下壓過(guò)程中，三角肌的肌張力逐漸減小，這與肌電測(cè)量數(shù)據(jù)(表2)的三角肌前束、中束、后束在T1階段貢獻(xiàn)率都比較小分別為(2.7、1.6、2.1)結(jié)果一致。

圖18 下壓成十字支撐過(guò)程三角肌(Delt)肌張力(左) 圖19 下壓成十字支撐過(guò)程斜方肌(Trap)肌張力(右)

圖19是尤浩模型仿真十字支撐過(guò)程斜方肌肌張力圖。由圖可見(jiàn)，在下壓過(guò)程中，斜方肌上部肌肉的肌張力比較大，整個(gè)過(guò)程中肌張力有增大的趨勢(shì)。肌電測(cè)量數(shù)據(jù)(表2)也表明斜方肌貢獻(xiàn)率由3.8增加到5.5。

3.3.2 壓上成水平十字支撐過(guò)程的動(dòng)力學(xué)分析

圖20是尤浩模型仿真壓上成水平十字支撐過(guò)程三角肌(Delt)肌張力圖。其中0-2.0S時(shí)間段為壓上過(guò)程，2.0-3.0S時(shí)間段為水平十字支撐過(guò)程。由圖可見(jiàn)，在壓上過(guò)程中三角肌的肌張力先逐漸增大，之后又逐漸減小，最后趨于平衡。在整個(gè)壓上過(guò)程中，三角肌中束在壓上動(dòng)作進(jìn)行了一半時(shí)肌張力到達(dá)峰值，峰值為95N。在水平十字支撐過(guò)程中，三角肌的肌張力基本保持平衡，三角肌中束的肌張力值最高為60N。對(duì)比肌電測(cè)量數(shù)據(jù)(表2)，其三角肌前束、中束、后束在T2階段貢獻(xiàn)率都達(dá)到最大值(13.5、18.6、8.5)，并且在T3階段貢獻(xiàn)率都保持在(13.6、17.8、8.9)的高位，特別是三角肌中束在壓上動(dòng)作的T2階段達(dá)到貢獻(xiàn)率18.6最大值，模擬結(jié)果與肌電數(shù)據(jù)高度吻合。

圖20 壓上成水平十字支撐過(guò)程三角肌(Delt)肌張力(左) 圖21 壓上成水平成十字支撐過(guò)程斜方肌(Trap)肌張力(右)

圖21是尤浩模型仿真壓上成水平成十字支撐過(guò)程斜方肌(Trap)肌張力圖。其中0-2.0S時(shí)間段為壓上過(guò)程，2.0-3.0S時(shí)間段為水平十字支撐過(guò)程。由圖可見(jiàn)，在壓上過(guò)程中斜方肌的肌張力的變化趨勢(shì)是一個(gè)先增大后減小的過(guò)程，最后趨于平衡。在整個(gè)壓上過(guò)程中，三角肌中束在壓上動(dòng)作進(jìn)行了一半時(shí)肌張力到達(dá)峰值，峰值為250N。在水平十字支撐過(guò)程中，斜方肌的肌張力基本保持平衡，斜方肌上部的肌張力值較斜方肌下部高，其肌張力值約為150N。根據(jù)肌電測(cè)量數(shù)據(jù)(表2)，斜方肌下部在動(dòng)作三個(gè)階段的貢獻(xiàn)率分別(3.8、5.5、6.8)與模擬結(jié)果基本吻合。

4 結(jié)論

1)首次建立包含肌肉系統(tǒng)的吊環(huán)慢用力動(dòng)作人體動(dòng)力學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)吊環(huán)“十字”壓上成“水平十字”支撐動(dòng)作全過(guò)程的動(dòng)力學(xué)仿真。把仿真獲得整個(gè)動(dòng)作過(guò)程中肌肉張力數(shù)據(jù)和變化趨勢(shì)與肌肉的表面肌電測(cè)量數(shù)據(jù)與變化趨勢(shì)進(jìn)行比較分析，結(jié)果兩者的具有很高的吻合度，這也驗(yàn)證了該動(dòng)作的動(dòng)力學(xué)模型的可靠性和實(shí)用性。

2)結(jié)合動(dòng)力學(xué)模擬與表面肌電分析，結(jié)果表明，在下壓成水平十字支撐動(dòng)作過(guò)程，胸大肌肌張力峰值居首位，其次是背闊肌、斜方肌上部、肱二頭肌、肱三頭肌、三角肌；在壓上成水平十字支撐動(dòng)作過(guò)程，肱二頭肌、胸大肌、三角肌、背闊肌(壓上過(guò)程的前半段)是主要的發(fā)力肌肉和動(dòng)力來(lái)源，這為運(yùn)動(dòng)員專項(xiàng)力量訓(xùn)練提供了理論依據(jù)。