杨春华

YANG Chunhua

●运动训练与竞赛●

对武术套路运动中仰身平衡和燕式平衡的肌电及运动学比较研究

杨春华

YANG Chunhua

运用三维图像解析系统，采用三维摄像、三维测力台和表面肌电仪对两组不同级别男子武术套路运动员的仰身平衡和燕式平衡动作进行运动学、动力学和肌电学方面的研究，从生理学和运动生物力学角度分析仰身平衡和燕式平衡的技术特征和力学原理。

仰身平衡；燕式平衡；脚底压力中心；肌电；运动学

伴随着竞技武术向着“高、难、美、新、稳、精”的方向发展,平衡类动作在武术套路的指定动作中是姿势最为优美、最具有特点、最为重要的，也是最难掌握和完成的，因其难度大扣分重不易完成，而成为判定运动员竞技水平高低的决定性动作［1］。本文通过走访相关专家、现场观看或视频观看武术比赛等方面，对平衡动作进行了解，选取了高难度仰身平衡和难度燕式平衡这两个动作，在武术竞赛规则中分别编码为123A和143B，它们是维持平衡稳定性、发展下肢肌肉力量及协调性的难度动作［2］。目前关于仰身平衡和燕式平衡这两个动作,谭永洁［3］从理论上对仰身平衡这一动作力学特征进行过分析，认为这一动作是限制性的静立平衡，腰腹肌的力量是关键。贾兰兰［4］采用鞋垫式足底压力测试系统对金兵兵仰身平衡动作足底压强分布特征进行过研究，认为足底压力中心在Y轴上变化显著，增加脚底接触面积，使脚底压强前移就能保持平衡。单劲松［5］等人通过立体摄影对世界冠军王小楠仰身平衡做过三维运动学分析，认为其重心位移、左腿摆速、上体摆速、头部位移都以X轴为主。路曼［6］对对六名三个级别武术套路运动员下肢平衡动作平衡稳定阶段肢体各环节角度、重心高度和支撑腿各块肌肉的放电顺序和放电大小做过全面研究，但他未分组比较，而黎健民［7］认为不同级别竞技健美操运动员静态平衡能力有显著性差异，一级优于二级，健将级优于一级，健将级和二级之间有非常显著的差异。综上所述，在仅有的研究中，有的用单一的方法对单个样本进行的研究，有的是从系统的角度进行的比较粗的研究，而且研究结果还存在差异。因此，本研究通过应用三维运动学和表面肌电，对仰身平衡和燕式平衡动作肌肉协调控制能力、足底压力中心变化、身体姿态和各环节速度变化、肌肉的运动时序、收缩时间及收缩强度等问题做运动学和肌电学的分析，力求从运动学、生物力学和运动生理学角度全面分析这两个动作运动轨迹和技术特征，从而提高动作完成质量和竞技水平，进一步科学的评定动作，促进武术运动训练有着重要的现实意义和实用价值。

1 对象与方法

1.1 研究对象

研究对象分为：A组为健将级运动员，B组为二级武术运动员。其中健将级武术运动员为现役天津武术队的5名运动员，二级武术运动员为5名天津体育学院民族传统体育系学生。

表1 10名研究对象基本情况

1.2 研究方法

对两组不同水平的运动员，采用三维摄像的方法，记录不同动作的平衡过程，并利用Ariel动作解析系统进行运动学解析，获取受试者的运动学参数，同时运用三维测力平台记录两组受试者在不同平衡动作下的足底压力中心变化情况，结合肌电图技术获取两组运动员主要参与调控身体平衡肌群的肌电变化。

1.2.1 三维运动学测试

本研究选用2台JVC9800高速摄像机分别位于测力台的正面与侧面的12m的位置拍摄运动员的整个动作过程。应用KISTLER三维测力台系统，采集足底压力中心的数据，通过测力台记录的足底压力中心（Center of Pressure；COP）在AP方向（X轴）、ML方向（Y轴）上的坐标数据，进行最大动摇径、动摇轨迹长度(SL)、平均速度及COP动摇轨迹包络面积(SA)和单位面积的轨迹长度(S/L)等参数的计算［8］。

1.2.2 表面肌电测试

用NORAXON表面肌电测试系统来收集肌电信号，将表面电极贴于支撑腿(右侧)半腱肌、股直肌、腓肠肌、胫骨前肌、摆动腿（左侧）股直肌、左腹直、左胸锁肌、左臀大肌、竖脊肌这8块肌肉的肌腹最突出部位沿肌肉纵轴,以记录这8块肌肉的肌电活动情况。电极之间的距离为2cm，无关电极被置于右侧半腱肌。采样频率为1 500HZ，滤波频率为20HZ和450HZ。收集肌电信号肌电数据，用Myosoftwere进行处理,并分别计算出相应的结果。

1.2.3 动作解析

将摄像图像通过 APAS （Ariel Performance Analysis System）进行编辑及数字化，所有操作均为同一实验人员所完成。数字化后的数据将进行滤波 （滤波频率为6Hz），利用APAS系统计算数值，对受试者动作进行运动学分析。

1.2.4 统计学方法

用SPSS 13.0for windows软件对所有实验数据结果进行统计分析，每一测量参数均以平均值±标准差表示，对部分数据进行独立样本T检验（Independent-Samples T Test）检验参数间有无显著差异，（*、#表示P<0.05，**、##表示P<0.01）。用软件包中的Correlates(相关分析)对回归曲线进行回归分析和相关性分析。

2 研究结果与分析

2.1 身体重心位移对比与分析

从仰身平衡和燕式平衡动作的三维图像来看，两组运动员的身体重心位移3D合成图像呈明显的线性状态，随着运动时间的变化，身体重心位移逐步上升，也就是说每0.02s位移的增幅基本相等。两组运动员完成同一动作在时间上无差异，仰身平衡需要1.2s，这时A组最大位移为8cm，B组最大位移为18cm,燕式平衡需要1.5s，这时两组的最大位移在两个动作上无差异，但是A组和B组之间差异显著，A组重心位移曲线斜率明显小于B组，位移变化的幅度也小于B组。这与北京体育大学硕士黎健民［7］所得一致，他认为男子竞技健美操运动员静力平衡动作，重心动摇方向的位移主要以Y轴晃动为主，不同等级的运动员有显著性差异。A组重心位移曲线斜率低，位移变化幅度小，说明他们的动作质量高，对肢体的控制能力好，动作稳定，平衡能力强。

2.2 摆动腿速度变化分析

2.2.1 仰身平衡摆动腿变化与分析

两组运动员在完成仰身平衡过程中，其左大腿在X、Y、Z轴（额状、矢状、垂直）上的分速度变化：左大腿在X、Z方向的速度曲线趋势一致，变化幅度不大，但是A组运动员的左大腿在Y方向上速度变化显著，0.62s时，最大速度达到454mm/s。由此可知，A组运动员为了保证身体重心在支撑面内，身体不向后倾倒，下肢尽量向前伸出，同样也说明柔韧性较好。两组运动员在完成仰身平衡过程中，左小腿由提膝到平衡位置的过程中，在X、Y、Z轴上的分速度变化：在X方向，B组左小腿的起始速度是A组的2倍，B组在0.4s时达到最大速度212.47mm/s，A组在0.58s达到最大速度188.60mm/s；在Z方向的速度，速度曲线趋势基本一致，在0.34s时同时达到最大速度，A组 337.1mm/s，B组 622.5mm/s，B组速度是 A组的1.85倍；在Y方向的速度，均呈现先上升后下降，在0.68s时达到最大值，A组是341mm/s，B组是230mm/s，A组是B组的的1.48倍，同A组大腿在Y轴方向显著高于B组一致。说明了优秀运动员在仰身平衡动作时，腿的运动方向以Y轴为主，大腿积极前伸的速度优于普通运动员，在Y轴方向移动距离也高于一般组，躯干后仰和摆动腿前伸，使人体重心就会相对稳定，支撑腿受力面积增大，动作稳定性就越高。B组在X、Z方向上的速度都高于A组，在Z方向的速度有显著性差异，说明了B组为了能完成动作，在Z方向摆腿速度过高，而又不能控制姿势，导致身体左右晃动幅度大，在X轴速度增大。说明仰身平衡动作，摆动腿在Y方向上的速度，也就是摆动腿积极前伸的速度是动作成败的关键。

2.2.2 燕式平衡摆动腿速度变化与分析

在完成燕式平衡动作的过程中，两组运动员左大腿在X、Y、Z轴上的分速度的变化：A组运动员左大腿在X、Y方向的速度变化起伏不大，但在Z方向有一定的起伏，最大速度达到368mm/s。B组运动员的左大腿速度在X、Y、Z方向上曲线变化起伏都很大，Z方向上速度左大腿的最高摆速达到643mm/ s，说明B组左大腿向上摆腿引起了X轴和Y轴方向的分速度变化。同时表明燕式平衡需要大腿积极向上摆动，但B组向上摆动幅度过快，同时引起了肢体的前后，左右晃动，导致动作不稳定。可能是因为B组的训练年限、身体素质及下肢肌肉力量不均衡所致。在完成燕式平衡动作的过程中，两组运动员的左小腿在X、Y、Z轴上的分速度变化：两组运动员在Y方向上的速度变化最大，A组最大值 197.6mm/s，B组最大值为99.6mm/s。说明运动员为了保证身体重心在支撑面内，身体向前倾幅度小，而下肢尽量向后伸出，同时A组后伸的速度大于B组，说明燕式平衡不仅需要大腿的积极向上的摆动，同时还需要小腿的主动的向后蹬伸，摆动腿后伸，躯干前倾，身体重心就会相对稳定。因此B组运动员应该加强小腿屈伸肌群的练习，特别是是股直肌力量训练。总体上看，燕式平衡动作大腿速度在Z轴上变化起伏大，该动作不仅需要大腿的积极向上的摆动，同时还需要小腿的主动的向后蹬伸。

2.3 支撑腿小腿速度变化分析

两组运动员仰身平衡支撑腿速度变化：A组支撑腿在X、Y、Z方向上速度变化幅度不大，比较稳定。B组的支撑腿在X、Y方向速度很小，与A组趋势相同，但是在Z方向上速度变化较大。说明B组运动员支撑腿的力量较弱，在做仰身平衡动作的过程中为了维持动作的稳定，支撑腿有曲腿的现象，与规范动作中两腿伸直的要求不符，在比赛中将被扣分。因此，支撑腿力量的大小是仰身平衡稳定性最为关键的问题之一，加强支撑腿腿部肌群的力量训练是完成此动作的要点。两组运动员燕式平衡支撑腿速度变化：A、B两组的支撑腿在X、Y方向上速度变化很小，变化幅度不大，比较稳定。但在Z轴方向速度两组都有明显变化，而且B组速度变化比A组大，说明做这一动作时，腿部稍微的弯曲，有利于动作的稳定，但比赛中曲腿就会扣分。另一方面，两组腿部都有弯曲，可能是这一动作对支撑腿小腿的前后肌群力量要求比较高，两组都需要加强支撑腿的力量练习。

2.4 躯干速度变化与分析

两组运动员仰身平衡和燕式平衡躯干速度的变化：A组在做这两个动作时，躯干在X、Y轴上的分速度很小，变化平稳，但在Z轴上的速度变化很大。说明A组运动员前后左右晃动幅度较小，躯干主动后仰和前倾，与腿的摆动积极配合，身体重心起伏小而动作稳定，干净利落，完成质量较高。B组躯干速度在X、Y和Z轴都无大的起伏，说明在做动作时上体后仰和前倾都不主动，和腿的迅速摆动不一致，导致身体重心起伏大，不利于动作的协调和稳定，这与B组身体重心位移变化幅度比较大吻合，这可能和B组肢体柔韧性、力量和协调能力有关系。

2.5 CO P测试与分析

2.5.1 COP动摇测试参数

通过相关文献［8］所介绍的方法，COP在AP、ML(X、Y)方向上的参数计数公式。COP动摇轨迹包络面积：S=π×Lx×Ly。COP单位面积的轨迹长度：l=L/S。COP动摇轨迹的总长度：n为样本量。COP在X、Y方向上的最大动摇径：Dx=Xmax－Xmin，Dy=Ymax－Ymin。

2.5.2 COP测试结果与分析

测力台参数结果如表2所示：两组运动员COP变化表现出很大差异。由表2可知，COP在X、Y方向上的最大动摇径，A组两个平衡动作的均小于B组，其中仰身平衡动作在X方向上，B组的晃动幅度要比A组明显，存在显著性差异 (P＜0.05)；这同贾兰兰［9］对金兵兵研究得出的脚底压力中心在Y轴移动距离大于X轴，不平衡时移动距离大于平衡时移动的距离（不平衡等同于本研究中的B组动作）。A组的两个平衡动作COP动摇轨迹的长度，不论是X、Y方向还是COP动摇轨迹的长度均小于B组，并存在显著性差异(其中X方向即左右晃动两个动作COP动摇轨迹长度P＜0.01；Y方向即前后晃动，仰身平衡动作COP动摇轨迹长度P＜0.05)，COP总长度A组的燕式平衡COP动摇轨迹的总长度明显小于B组 (P＜0.001)；COP在X、Y方向上的平均速度，A组两个平衡动作的均慢于B组，其中X方向两个平衡动作存在显著性差异 (P＜0.01)，Y方向燕式平衡动作COP平均速度存在显著性差异(P＜0.01)；这从运动力学上解释了A组在X、Y方向的动摇径和动摇轨迹长度都小于B组。COP动摇轨迹包络面积，A组两个动作也均小于B组且存在显著性差异，其中仰身平衡动作 (P＜0.05)，燕式平衡动作(P＜0.01)；COP单位面积的轨迹长度,A组两个平衡动作L/S值均大于B组且存在显著性差异。本研究所测的两组运动员COP的各项指标差异与黎健民［7］对不同级别竞技健美操运动员静态平衡能力COP的差异一致，说明这些指标能准确的反应运动员的平衡稳定性。

表2 两组运动员COP参数对比

2.6 肌电测试与分析

肌电图可以客观的评定某一技术动作在完成过程中肌肉的先后运动顺序和发力顺序，及肌肉与肌肉之间协调性的作用关系。在武术动作中，运用肌电的测试法对武术某一动作完成过程中肌肉的运动时序，收缩时间及收缩强度等方面进行研究，可以深入细致的分析出肌肉在动作中的不同状态、肌肉之间的协调程度、收缩类型及强度等问题。通过查阅中国知网大量文献资料，发现仰身平衡和燕式平衡动作要求肌肉高度紧张用力，以克服重力矩来维持身体平衡。在髋关节处，克服上体的重力矩并使上体保持水平部位，达到挺胸、抬头的要求，主要是通过腹部肌肉、腰背部肌肉、臀部肌肉的拉力矩完成动作。在膝关节出，由于膝伸直，要求大腿前后肌群高度紧张用力，以支持整个身体的重力矩。在踝关节处，踝关节克服身体的重力矩，主要是靠小腿后侧、前侧肌群来维持平衡。发现运用表面肌电测试手段对武术平衡类技术动作研究的，目前多在太极拳蹬腿、散打鞭腿动作和跆拳道横踢［9、10、11、12］。在套路方面，就路曼做过武术套路中平衡动作的下肢肌电的研究。

2.6.1 肌肉力量比值的计算方法

由于运动员肌肉力量、训练年限、生理年龄差异等因素会直接影响到测试数据分析的精度，因此，为消除这种系统误差，通过文献研究［13］，采用公式：肌肉力量比值（%)=完成动作时肌肉最大放电量（mV)／安静时肌肉最大放电量（mV)，计算出数据后进行比较分析。

2.6.2 仰身平衡肌肉力量比值与分析

表3 仰身平衡A组和B组主要工作肌群的肌肉力量比值对比（﹪）

表3是仰身平衡动作主要工作肌群的肌肉力量比值。在完成仰身平衡动作时，A、B两组运动员的右半腱肌、竖脊肌、左股直肌、右胫骨前肌和胸锁乳突肌存在显著性差异，A组显著大于B组，说明它们在维持仰身平衡动作时A组这几个部位肌肉供电大明显大于B组。如表3，左股直肌两组运动员有显著性差异，该肌的功能是小腿伸直、大腿屈，该肌肉群力量大小对腿的摆动，和肢体晃动起着关键作用，A组和B组显著性差异，这也从生理和力学上解释了A组大腿速度在Y轴上显著高于B组，另一方面，摆动腿股直肌的肌肉力量比值大，与刘存忠［10］在鞭腿动作的屈膝提腿阶段股直肌肌电贡献最大一致，说明摆动腿股直肌的力量对动作平衡稳定贡献最大。两组运动员右半腱肌（p<0.01）,它在该动作的功能是大腿伸直、小腿屈，和右股直肌功能相对，而右股直肌两组无差异，说明右半腱肌是影响这一动作的关键。本研究所测右腿胫骨前肌肌肉力量比值最高，这同路曼［6］对竞技武术套路中仰身平衡肌电研究中，测得胫骨前肌IEMG最大，并从肌力距的角度分析了胫骨前肌远大于腓肠肌的原因。A组胫骨前肌力量明显大于B组，说明了支撑腿胫骨前肌的力量对下肢稳定起着关键的作用。胸锁乳突肌的作用使头部和脊柱伸，A组胸锁乳突肌比值明显高于B组，从力学上解释了A组躯干速度在Z方向明显大于B组的力学原理。而右股直肌、右腓肠肌和腹直肌差异不具有显著性（P＞0.05)，表明这些肌肉用力程度的大小区别不明显。上述统计结合动作解析结果启示我们，仰身平衡动作质量的高低与右半腱肌、右胫骨前肌、竖脊肌、胸锁乳突肌和左股直肌这五个部位肌肉力量的大小有着绝对的关系，其中左股直肌是保持摆动腿姿势稳定的最重要的一处肌肉，右半腱肌和右胫骨前肌是支撑腿平衡稳定的最重要的肌肉，胸锁乳突肌和竖脊肌是保持躯干和头部稳定的重要肌肉，B组运动员要提高自己的运动水平，不仅要加强腰、腹和背部力量，还要有所侧重的加强上述几个部位肌肉的力量，特别是摆动腿股直肌的力量。

2.6.3 燕式平衡肌肉力量比值与分析

表4 AB组燕式平衡主要工作肌群的肌肉力量比值(﹪)

表5是完成燕式平衡动作两组运动员主要工作肌群的肌肉力量比值，在完成燕式平衡动作时，右半腱肌和右胫骨前肌存在显著性差异（P＜0.05)，说明两组运动员在燕式平衡动作时的这两块肌肉用力的大小不同。右半腱肌的功能同仰身平衡右半腱肌，在该动作中是两组运动员差异最明显的一处肌肉。而右股直肌、左臀大肌、竖脊肌、右腓肠肌、腹直肌和胸锁乳突肌差异不具有显著性（P＞0.05)，表明这几块块肌肉用力程度的大小区别不明显。上述结果提示我们，完成燕式平衡动作过程中，B组支撑腿肌肉力量较弱，特别是半腱肌和胫骨前肌，应该加强这两部位肌肉力量的练习。

3 结论

1)身体重心前后、左右晃动幅度、轨迹长度、能准确地反映武术套路运动员平衡稳定性，而且派生指标——单位面积的轨迹长度,也能显示平衡稳定性，在晃动面积一定的情况下，其值越大，表明调节能力越强，身体平衡稳定性越好，该指标可以作为武术套路运动员的评价和选材的参考指标。2)完成仰身平衡和燕式平衡的要点是左小腿积极上抬，待整条腿伸直后继续向前或向后上方蹬伸。武英级运动员动作稳定性高，腰部的柔韧好，重心低，右半腱肌和右胫骨前肌发达，有利于平衡的稳定。3)腿部力量的大小是维持动这一组动作平衡稳定性最为关键的问题。B组运动员摆动腿、支撑腿的肌群力量比A组弱，他们要完成高质量的动作，不仅要加强颈部、背部肌肉力量，还要加强支撑腿半腱肌、胫骨前肌的力量和摆动腿股直肌的力量。

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Comparative Study on Electromyographic and Kinematic of Backward Balance and Yan Balance in Wushu Routine

This paper studied on backward balance and Yan balance movement of two groups of deferent levels'male wushu routine athletes from three aspects of kinesiology,dynamics and myoelectricity by used three-dimensional imaging,three-dimensional dynamometer and surface EMG.The research analyzed the technical characteristics and mechanics principle of backward balance and Yan balance from the angles of physiology and sports biomechanics.

backward balance；Yan balance；COP；EMG；kinematic

G804.6

A

1003-983X（2014）01-0041-05

2013-08-12

杨春华（1979-）,男,甘肃庆阳人,硕士,讲师,研究方向：运动康复与武术的教学.

陇东学院体育学院,甘肃 庆阳745000

Physical Education Department of Longdong College,Xifeng in Gansu 74500