朱 明，严 力，李 昂，郭 奇

（1. 黑龙江省体育科学研究所，黑龙江 哈尔滨 150008；2. 哈尔滨体育学院 体育科学研究院，黑龙江 哈尔滨 150008；3. 北京体育大学 运动人体科学学院，北京 100084；4. 国体科技（北京）有限责任公司，北京 100010）

1 引言

短道速滑是一个具有复杂专项技术的冬奥竞技项目，尤其在弯道滑行区域，运动员需要在克服高速滑行所产生的较大离心作用的同时，保持一定频率的蹬冰动作，同时相应完成滑行姿态的转换与滑行路线的控制。这些都需要运动员具备较高的专项力量水平以及神经肌肉控制能力，作为实施技术动作的保障。短道速滑运动员在完成一般性力量训练的同时，如何将基础力量向专项能力转化是该项目专项训练的核心问题[1]。陆地皮筋和布带训练是国际上短道速滑专项力量训练中最为普遍及重要的一种形式，该种训练方法属于专项力量训练，在进行陆地技术动作模仿的同时，还可以进行一般力量向专项力量的转化训练[2]，尤其是下肢力量和核心力量的转化[3]。通常的皮筋与布带训练采取的是行进间和固定两种方式，其中行进间训练需要他人牵拉提供阻力，固定式训练则需要运动员自身控制牵拉阻力。长期以来两种训练方式都普遍缺乏量化评估依据，都需要受训者和参与者通过主观感受及经验调整阻力大小，在训练负荷的精确控制方面存在很大弊端。此外，在皮筋和布带专项训练过程中，动作的姿态、速度等技术练习同样缺少量化监测，也直接影响了陆地专项训练向冰上技术转化的效果。由于上述问题的解决都需要获取生物力学特征信息，因此，有必要研发一套可用于陆地皮筋与布带训练监测的生物力学数据采集监测系统，对比冰上专项生物力学特征，找到陆地专项力量训练效果的关键评估参数，从而实现该种陆地训练方法数字化监测与量化评估体系的构建。

2 陆地专项力量训练生物力学特征的监控

2.1 陆地专项力量训练生物力学数据采集装置设计

动力学信息是短道速滑专项力量训练监控过程中必须获取的关键数据，但是作为短道速滑项目常备的训练器材，现有的皮筋与布带并不具备动力学数据采集功能。加之短道速滑项目异地比赛、训练等情况对于训练装置的便携性需求，在现有训练用皮筋与布带的基础上设计动力学数据采集装置就显得更为适合。在皮筋与布带抗阻训练条件下，牵拉力数据是动力学信息中的核心参数，因此在采集装置的设计中，应以牵拉力为主要信息获取目标。对此，采集装置主要以运动训练装备常用的不锈钢弹簧扣为中介结构，并通过在装置两端设计中空环状结构，实现采集装置与皮筋、布带器械的直接连接。尽管皮筋和布带都存在不同程度的弹性特征，但在抗阻训练状态下，采集装置仍然可以通过刚性连接形式直接获取牵拉力。

采集装置内部电路由敏感元件、信号调理电路、处理器、无线接口电路、电源5个单元模块组成。其中，敏感元件采用的是金属材料的电阻式应变片，主要用于感知皮筋或布带对装置两端中空环状结构的作用力（仅拉力状态），并根据拉力大小输出变化的电压信号。信号调理电路主要通过放大、滤波等方法，将敏感元件所采集到信号转换为数字量，以便处理器能够进行相应的运算和处理，该单元也是决定牵拉力数值测量精度的关键要素。处理器是整个装置电路的核心器件，基于STM32单片机技术开发，主要完成传感器信号的处理与判断、数据的存储与通信、电源管理、多任务协调管理等功能。无线接口电路采用的是嵌入式低功耗物联网模块，基于Wi-Fi信号进行无线数据传输，传输模式为AP+STA，以UDP连接模式向网络发送数据；模块支持Web访问功能，可以实现快捷的网络参数配置。电源包括电源管理电路、充电电路、电池3个子模块，为其他4个单元模块提供工作电源，可以配合处理器对电源进行分配管理，满足装置长期可靠的低功耗运行需要（图1）。

图1 采集装置内外部样式Figure 1. The internal and external style of collection device

在采集装置中，电路组件与开关、射频天线集成安装于电路仓，电池组放置于电池仓，敏感元件安装于传感器仓，便于进行安装、维修和升级。装置外壳柱体结构采用PVC材料，内部结构采用不锈钢材料，在确保强度足够的前提下，减轻整体重量。为提高装置结构设计的合理性，避免因反复修改设计所引起的结构件加工成本的提高，在采集装置的设计过程中，首先采用Pro/Engineer软件绘制装置的内外部三维结构并生成STL模型文件（图2），然后利用MakerBot 3D打印机进行装置结构的试验。直到基本确定内外部结构后，再进行内部金属结构的机械加工以及外壳的注塑开模，最后将电路部分固定于结构体中，从而完成整个采集装置的试制。

图2 采集装置三维示意Figure 2. Three-dimensional sketch of collection device

对于便携式采集装置而言，测量精度、采样率、通讯距离、工作时间、尺寸重量等性能参数都是装置能否满足专项力量训练监测需求的重要基础，其中测量精度是最为核心的参数。由于应变式拉力敏感元件的工作原理是外部作用力使应变片产生微小形变，应变片产生形变的同时自身阻值也发生改变，阻值的变化进而对应产生电信号变化，因此需要利用施加特征强度拉力值的方法来实现对应电信号的标定。此外，由于作用力测量范围与测量精度成反比，因此要能在适应不同运动员实际拉力值的基础上，尽可能缩小作用力的测量范围以提高精度。在陆地实验和冰上离心力测算的基础上，以1 500 N作用力作为最大特征强度值进行传感器模块的标定，并按照实际需求对采样频率、无线通讯距离等参数进行设定（表1）。经应用验证，使相关指标能够满足专项力量训练中对动作速率、运动范围、训练时间等方面的采集要求。

表1 采集装置主要性能参数Table 1 Main performance parameters of collection device

2.2 陆地专项生物力学数据监控系统设计

获得同步的运动学和动力学信息是进行运动生物力学分析与诊断的必要基础。在陆地专项生物力学数据监控系统通过Wi-Fi接收采集装置发送的UDP数据报文的同时，还利用视频采集的方法实时进行运动图像的显示和录制，以便分析时可以将运动姿态与牵拉力数值进行对应匹配，从而对训练质量进行评估诊断。陆地专项生物力学数据监控系统的整个上位机软件（图3）基于Visual C++2019平台开发，系统主要由数据处理、数据可视化监测、图像采集3个核心模块组成。其中，数据处理模块主要接收下位机发送的数据，基于通讯协议将UDP报文转换为牵拉力数值；数据可视化监测模块采用GDI技术编写，可以实时或后期显示皮筋和布带牵拉力数值曲线图表；图像采集模块基于OpenCV3计算机视觉开源库开发，以便在视频采集过程中更好地兼容不同类型的视频源，并为未来开发专项力量训练运动姿态自动识别技术提供基础。在多模态数据同步方式上，系统采用了时间戳的方式来实现图像帧与牵拉力数据的软性同步，即在接收单帧图像或牵拉力数据的同时，回调计算机系统时间并写入到帧数据中。

图3 生物力学数据监控系统主界面Figure 3. Main interface of biomechanical data monitoring system

2.3 冰上专项生物力学特征的获取

陆地训练的实质是为冰上能力的提高提供基础，因此对陆地力量训练生物力学特征的评价必须以冰上专项作为对标依据，而如何获取冰上专项的生物力学特征数据是研究的关键步骤[4]。标准短道速滑场地中，单圈赛道最短滑行距离为111.12 m，其中直道合计距离为57.7 m，弯道合计距离为53.42 m，结合滑行过程中存在的入弯、出弯等直弯道衔接区域，实际的弯道滑行距离达到单圈距离的一半以上，因此弯道滑行是决定短道速滑比赛胜负的关键要素[5]。如果把冰上弯道滑行状态下的运动员考虑为一个质点，弯道滑行轨迹为一个标准的圆弧曲线，按照牛顿经典力学中向心力计算公式：F＝m•v2/R，在同样的人体质量和滑行速度下，与标准速度滑冰场地25 m的最小弯道半径相比较，短道速滑8 m的弯道半径会产生更大的离心作用。而在实际冰上滑行过程中，弯道滑行轨迹通常是不规则的半圆弧线[6]，如果运动员想要从内道超越对手则需要进一步缩小滑行半径R，这必然会产生更大的离心作用，因此在短道速滑专项力量训练中应以提高克服更大的离心作用为目的。

运动员质量、重心瞬时速度、弯道滑行轨迹是获取冰上弯道向心力所必需的生物力学特征数据，除体重外，其他两项指标都属于运动学数据。一般来说，能够采集到运动学数据信息的科研手段主要有三维运动捕捉、加速度传感器、惯性测量单元、无线定位等，但是这些手段都存在不同程度的局限。其中，三维运动捕捉方法能够采集到更为精确的运动学数据，但是现有的三维运动捕捉系统通常存在采集范围小的缺点，只能确定所采集区域的向心力信息，如果想要获取整个弯道各个位置的向心力信息，就必须同步使用其他采集手段。

可以精确获取滑行速度、轨迹信息的智能冰场系统是解决这个难点问题的重要方法[7]。智能冰场系统主要运用的是基于图像的目标识别与跟踪技术，通过对连续图像帧进行目标跟踪，获取运动员完整的冰上滑行轨迹，最后由离散的冰上滑行轨迹点二维平面坐标计算得出滑行速度。由于该系统获取的是每帧图像中运动目标的二维坐标位置（图4），属于连续输出的离散点，因此可以基于最小二乘法，在给定的起点、终点区间进行弯道轨迹曲线的圆弧拟合[8]，并最终通过拟合后的圆弧得出滑行半径。此外，由于智能冰场系统是基于图像进行的目标位置测量而获取运动学信息，不会对运动员的滑行状态产生干扰，所以可以排除因采样设备本身对运动学数据造成的影响，这对于还原数据背后所隐含的真实运动能力与状态具有重要意义。

图4 智能冰场弯道滑行连续轨迹位置Figure 4. Continuous track position of intelligent ice rink curve skating

3 陆地专项力量训练生物力学特征的分析

3.1 陆地专项力量与冰上专项生物力学特征的比较分析

皮筋与布带牵拉力量训练通常被认为是用于提高弯道力量、姿态等短道速滑专项能力的重要方法[9]，因此对陆地专项与冰上弯道滑行基本生物力学特征进行对比分析尤为必要。两种运动形式既有联系又有差别：从运动姿态上看，两种运动形式都为倾斜角运动[10]，即人体躯干中轴线、下肢蹬伸方向均与水平面有一定夹角。从运动方向上看，冰上滑行是沿逆时针方向的近似圆周运动，皮筋与布带训练则是沿腿部蹬伸水平分量方向的直线运动。从动力学特点上看，冰上滑行中主要通过冰刀与冰面接触进行力的传递，皮筋与布带训练中则为足底与地面的摩擦，以及身体躯干与皮筋（布带）的对抗；运动员在冰上滑行主要需要对抗高速运动产生的离心作用，而在皮筋与布带训练中则主要需要对抗水平方向的牵拉力。与陆地牵拉力不同，冰上离心作用无法通过仪器直接测量，因此只能通过对蹬冰力量的测量来间接说明两种运动形式的差异。荷兰研究人员通过在冰刀和刀托结构内部构建三维力测量系统来监测实际的蹬冰力，结果显示：蹬冰力由法向力和切向力组成，峰值切向力可以达到峰值法向力的25%～40%[11]；通过蹬冰力方向的不断改变，从而使滑冰者能够按照正弦曲线（直道区域）或圆弧（弯道区域）轨迹进行快速移动。显然，现有的皮筋与布带训练同冰上运动在滑行轨迹、速度上差异明显，因此也必然具有不同的动力学特征差异。

尽管两种运动形式在时空域存在较大差异，但是两种运动形式仍然存在一定的相似性（冠状面观测视角），具体包括：1. 躯干与下肢倾角姿态；2. 下肢推进过程中的蹬伸方向；3. 限制力的方向（向心力或牵拉力）。为此我们可以建立一个一阶自由度简化模型[12]，并将运动员假设为一个刚体进行分析与讨论[13]，简化模型见图5。模型定义运动员为一个独立的刚体，刚体重心点为G，冰刀与冰面（足部与地面）的接触点为P；冰上弯道的x轴向心力支撑为FC，运动员自身重力为mg，蹬冰法向力为FO（方向为G点向P点的连线），皮筋或布带牵拉力为FT，陆地蹬伸法向力为FS（方向为G点向P点的连线），P、G两点连线与x轴的夹角为θ。在不考虑其他外力因素的条件下，当运动员处于姿态稳定状态，可以认为蹬冰（伸）法向力所产生的地面反作用力FGRF，在x轴、y轴上形成受力平衡。从中可以得出两点推论：同一个运动员FO与FS的大小取决于FC与FT；假定FO＝FS，FC与FT呈正相关，因此FS越大则FC越大。由以上两点推论可以得出：通过增大陆地蹬伸力或牵拉力的方式可以提高冰上滑行中对抗离心作用的能力，从而实现更小弯道滑行半径或更快滑行速度状态下的姿态稳定，进而保持滑行过程中的领先或实现超越。

图5 冰上弯道滑行与陆地皮筋（布带）一阶自由度简化模型Figure 5. Simplified first-order degree of freedom model for skating on ice curve and land rubber bands (cloth straps)

尽管从现实的观察与理论模型的推导可以建立冰上与陆地能力的关联，但是仍然需要通过实际的测量数据分析两种运动形式的关系。下面以武**2021年7月选拔赛中500 m个人追逐赛第一轮数据与同时期皮筋牵拉力测试数据为例，通过对关键生物力学特征数据的对比，来分析冰上与陆地训练存在的差异。其中，冰上滑行生物力学测试手段采用无标记三维运动捕捉系统[14]，基于DLT标定方法对短道速滑冰场单侧弯道弧顶区域进行图像采集并解析，获得运动员滑行重心轨迹平面坐标与重心移动速度，并利用最小二乘圆弧拟合算法计算弯道滑行半径，最后利用上文所提到冰上自由度模型推算最大向心力，计算结果见表2。

表2 武**每圈单侧弯道生物力学特征值统计Table 2 Biomechanical characteristic value of each circle of unilateral curve for WU＊＊

利用陆地专项力量训练生物力学监控系统，对武**选拔赛前固定式皮筋牵拉力量训练进行测试，训练强度为最大力量输出，选择多组间歇训练中用力程度最大的一组进行对比研究。由于训练采用的是皮筋单侧固定的方式，因此阻力的大小完全由运动员自身控制，最大程度地减少其他外力的影响。该组训练共持续了4个牵拉幅步，利用陆地专项力量采集装置获取牵拉力连续测量值，并结合系统同步图像对左右两侧用力情况进行分类统计，皮筋牵拉力峰值见表3。

表3 武**单组固定式皮筋牵拉力峰值统计Table 3 Statistics of peak pulling force of single group fixed rubber band for WU＊＊

通过冰上和陆地两组数据的对比，可以发现陆地皮筋牵拉力实测峰值仅达到冰上向心力计算值峰值的46.4%，这表明尽管两种运动形式都是倾角运动，但是峰力值仍然存在较大差异。因此对陆地专项的训练监控并不能简单地按照冰上向心力的范围来设计训练内容中牵拉力的量化强度，需要构建更为客观的监控指标评价方法。

3.2 陆地专项力量训练质量的评价

3.2.1 双侧牵拉力平衡性评价

由于短道速滑项目是按照逆时针方向进行滑行，从以往冰上滑行蹬冰足底压力测试结果来看，右腿的单支撑时间略高于左腿[15]，因此短道速滑运动员的右腿专项力量一般要略强于左腿，但是当左右腿力量平衡性严重不足时，就会对运动员的专项能力造成一定影响。在陆地专项力量训练中，要着重关注运动员双侧牵拉力量的平衡发展。基于上文提到的陆地皮筋与布带牵拉训练中发力腿蹬伸力与牵拉力的正相关关系，推定双侧牵拉力平衡度指数计算公式，设为公式1。

研究利用陆地专项力量生物力学监控系统对短道速滑国家集训队中部分运动员陆地行进间布带训练进行了双侧牵拉力平衡度测试，测得每名运动员双侧各5个单步的布带峰值牵拉力，并按照公式1得出每名运动员的牵拉力平衡度指数（表4、5）。

表4 男子运动员双侧布带行进间牵拉力平衡性评估Table 4 Assessment of the balance of the pulling force between two sides of the cloth straps for male athletes

表5 女子运动员双侧布带行进间牵拉力平衡性评估Table 5 Assessment of the balance of the pulling force between two sides of the cloth straps for female athletes

在全部17名运动员中，有4名运动员的平衡度指数达到并超过10%，其中男子组平衡度指标达到10%的人数占比要高于女子组，更需要提高左侧布带牵拉力强度。此外，作为动力学指标，峰值力与体重的比值也是运动员专项力量训练负荷强度的重要参考，从男女运动员相对峰值力均值上看，在同样的训练要求下，部分男子运动员需要提高负荷强度。

3.2.2 双侧发力姿态评价

在短道速滑项目中，运动员在入弯道区域的滑行动作及速度控制具有重要的技战术意义[16]。从战术角度看，该区域的速度和方向决定了能否封住跟滑运动员的超越路线以及自身能否完成超越路线的控制，同时也决定了出弯道时的路线和速度[17]。从专项能力上看，运动员需要在该区域完成直道动作与弯道动作的转换，即身体姿态上要绕人体矢状轴形成一定角度的偏转，在进行滑行方向快速转变的同时，身体以向心运动形式来对抗弯道滑行产生的离心作用[18]。因此，能否在对抗较大离心作用的同时实现身体姿态的快速转换，是冰上和陆地训练的重要评估方向。基于上述判断依据，结合前文所述的一阶自由度力学模型，可以认为重心G与单侧发力地面接触点P的连线绕P点的转动角速度是运动员入弯道专项能力的评估量化依据。设单侧发力过程中人体重心降至最低状态时刻为T1，蹬伸腿完成发力后膝关节完全打开状态时刻为T2；根据线GP与水平面夹角为θ，则T1时刻夹角为θ1，T2时刻夹角为θ2，得出单侧发力下压角速度计算公式，设为公式2。

研究采用摄像机光学中轴线垂直于人体冠状面的方式，对布带训练过程中运动员双侧下压角速度进行图像采集，之后利用二维图像解析的方法测得运动员每个蹬伸幅步的θ1与θ2，最后按照公式2，合并得出运动员双侧下压角速度（表6、7）。

表6 男子运动员双侧布带行进间训练姿态评估Table 6 Assessment on the training posture of men's athletes during bilateral walking

表7 女子运动员双侧布带行进间训练姿态评估Table 7 Assessment on the training posture of women's athletes during bilateral walking

为更清晰地发现群体间双侧下压角速度的差异，采用数理统计方法对样本数据进行分析。统计方法包括：应用配对样本T检验比较同性别运动员左右侧下压角速度间的差异，应用独立样本T检验比较不同性别运动员同侧下压角速度间的差异。所有统计学分析均采用SPSS 26软件完成，统计结果见表8。

表8 男女运动员行进间发力角速度差异性检验Table 8 Test on the difference of the power angle velocity of the cloth strap between male and female athletes

统计学显著性的定义为一类错误概率不大于0.05。结果显示：无论是男子还是女子运动员，左右侧下压角速度均有显著性差异（P＜0.05），且右侧下压角速度要普遍大于左侧，但是不同性别运动员同侧下压角速度间无显著性差异。从运动员个体下压角速度上看，在抗阻状态下武**的双侧角速度均明显高于其他运动员。上述结果表明，由于短道速滑项目特点所致，运动员右侧专项能力普遍好于左侧，但是仍然需要减少两侧能力不均衡的问题，并需要在陆地训练中着重加以解决。

4 结语

陆地专项力量训练采集装置及软件系统弥补了长期以来短道速滑专项训练缺乏量化手段的问题，可以较为精确地获取陆地专项训练的动力学信息，并为陆地与冰上专项能力的关联特征研究提供数据依据。陆地皮筋与布带训练同冰上专项能力存在正相关，但陆地训练中的牵拉力峰值与冰上弯道向心力峰值有较大差距。从陆地专项训练情况上看，我国高水平运动员的双侧力量平衡性更好，但在发力过程中的下肢动作速度方面存在双侧差异性较大的问题，需要在动作细节处理上予以加强。此外，作为影响滑行效能核心问题的重心控制也应是陆地训练监控的关键问题。

陆地专项力量训练采集装置及软件系统量化作用突出，但在分析功能、图像同步精度等方面仍然需要完善。对于陆地与冰上专项力学特征差异性根源的探究，需要建立更为复杂的运动生物力学模型并进行实验验证。在陆地训练监控中引入三维运动分析研究方法，把牵拉力峰值状态下的重心与足部同地面接触点的三维位置关系作为生物力学监控的关键参数。研究在数据的精度、维度以及实验条件等方面具有提升空间，未来可以通过运用三维运动捕捉、测力台、表面肌电等更为精确的运动生物力学科研设备及手段，建立陆地皮筋与布带训练同冰上滑行专项能力之间更为严谨的关联关系。