【红外光点运动测试系统对射箭技术动作的生物力学研究】led光色电测试系统
摘要： 借助Qualisys红外光点测试系统对北京射箭队运动员的射箭技术进行生物力学分析， 一方面探讨应用这一测试设备对射箭技术进行分析与诊断的可行性与操作方法，另一方面对 北京射箭队运动员的射箭技术进行分析与诊断，提出技术改进建议。
关键词：红外光点测试系统；射箭技术 中图分类号：G804.66文献标识码：A文章编 号：1007—3612(2007)05—0629—05 射箭在我国是一项古老而又年轻的体育运动项目。
随着时代的变迁，射箭的技术和动作姿势 ，以及对射手们的训练也逐渐有了较为完整的理论指导。
�本研究借助Qualisys红外光点运动测试系统对北京射箭队运动员的射箭技术进行生物力学分 析，一方面探讨应用这一测试设备对射箭技术进行分析与诊断的可行性与操作方法，另一方 面对北京射箭队运动员的射箭技术进行分析与诊断，提出技术改进建议。
1研究对象与方法 1.1研究对象研究对象为北京射箭队运动员，基本情况见表1。
1.2研究方法 应用Qualisys红外远射运动测试系统对运动员射箭技术进行采集与分析。
该系统由于不需要 人工识别测量点，消除了坐标数据获得过程中的人为误差，而且该系统拍摄频率可以达到每 秒500幅，因此特别适合于测试身体运动位移细微的动作技术。
本研究分别在受试者弓（四个点）、两侧手中指掌指关节、腕关节、肘关节、肩关节、髋关 节粘贴标志点。
数据采集频率为每秒100幅。
由于硬件设备计算速度的限制，采集时间设为6s。
进行正式测试前，首先对测试空间进行坐标参数标定，标定通过后要求受试者在标定范围内 完成整个射箭动作。
由于采集时间的限制，本研究只能采集到运动员整个动作技术中基本阶 段的开弓、固姿与瞄准、继续用力与撒放动作。
数据处理应用Qtools、Excel等计算软件。
本研究中Y轴正方向指向箭发射方向，X轴正方向与Y 轴垂直，指向运动员右侧，Z轴正方向指向竖直上方。
2结果与分析 射箭整个动作技术可分为准备阶段、基本阶段、结束阶段三个动作阶段，由于采集时间的限 制，本研究只对射箭基本阶段中的开弓、固势与瞄准、继续用力与撒放动作技术进行分析。
2.1开弓阶段 开弓动作是举弓动作的继续，在持弓臂伸展的基础上拉弓臂后伸，背部肌群的收缩和拉弦臂 肩带内收肌群的力量将弓沿箭线拉开。
开弓的技术规范是保持身体姿势，特别是前臂和躯干 的角度不变。
拉弓臂以肩关节为圆心，以上臂长为半径做圆周运动，外观是肘的引伸，实际 是以背肌开弓，拉弦手的手指、手背、手腕并不用力。
拉弦手要沿箭线直接靠向颌下，不可 去迎合弓弦和拉弦手。
2.1.1拉弦手运动情况 图1所示前四名受试运动员开弓阶段拉弦手在不同平面上的位移情况。
从图1可以看出，运动员拉弦手在水平面内的运动并不是直接向后的，而是在向后拉弦开弓的同时均有向 左（靠内）方向的运动，说明此时运动员向内拉弦靠向颌下。
拉弦手在矢 状面内的运动也不是水平向后的，而是向后拉弦的同时有向下运动的现象，且多数运动员是 向下运动到一定位置后又有上挑动作出现（如图1矢状面中B、C、D三名运动员）。
图中所示 拉弦手 的运动与技术要求是不符的，因为开弓阶段拉弦手除了应沿箭线向后运动外不应向任何方向 运动，否则瞄准面将有可能发生偏离，导致在固势瞄准阶段需进一步调整。
2.1.2持弓臂运动情况 图2所示A和C两名运动员持弓手开弓阶段在三个方向上的位移情况。
从图中可以看出， A运动员在三个方向上的位移均无规律，不但在垂直方向和左右方向上飘忽不定，甚至在前 后方向上也由前向后移动了近4 mm，说明该运动员持弓臂撑弓能力不足，表现为极不稳定 的持弓技术。
而C运动员持弓手在开弓阶段的运动虽也有变化起伏，但相对而言比较平缓稳 定。
该运动员持弓由左向右、由上向下开弓瞄准，在前后方向上略有后移。
图2是本研 究中持弓手在开弓阶段运动最无规律和最有稳定规律的两名运动员，其他运动员持弓手动作 介于这两名运动员之间。
本研究将两肩连线和两髋连线的交角定义为躯干扭转角， 并用这一指标评价运动员躯干上下两部分的相对扭转运动。
从图3中所示A、D、E3名运动员 在开弓阶段躯干扭转角度变化可以看出，多数运动员躯干在开弓阶段一直在扭转。
本研究中 躯干扭转幅度平均为4.4°，最大幅度为6.1°，只有一名运动员躯干几乎没有扭转，扭转角 度仅为0.2°。
开弓阶段躯干扭转的原因是由于肩背部肌群收缩用力撑弓拉弦，当用力不平 衡时两肩产生相对于下身的扭转动作。
除了躯干扭转动作外，本研究运动员开弓阶段躯干还有不同程度的晃动。
图4显示本研� 究A和C两名受试运动员开弓阶段躯干在水平面内的移动情况。
从图中可以看出，不同运动员 身体晃动趋势并不相同。
由于X方向是水平面内垂直于箭 线的方向，也即运动员站立时的前后方向，�因此图中曲线显示运动员在开弓过程中躯干的 运动主要向前移重心，移动幅度平均为5.8 mm，而在运动员左右方向，即箭线方向的运动幅 度不大，平均为1.2 mm，且有的运动员向左（前）运动，有的运动员向右（后）运动。
� 图3开弓阶段躯干扭转角度变化图4两名运动员开弓阶段躯干在�X、Y�方向上的位移 2.2固势与瞄准 固势是开弓动作的延伸，是动作形成的关键一环，是射好一支箭的基础。
其结构的规范与否 直接关系到命中率，所以固势动作的质量一定要高。
�图5所示运动员右肘关节在开弓向固势过渡过程中的位移情况，从图中可以看出，运动员右 肘向后运动的速度在开弓阶段较快，而固势阶段速度明显下降但并没有停顿。
� 固势动作缓慢接近停止，因此随着固势时间的延长，相关肌肉可能会出现松弛的现象。
而瞄准时间偏长，往 往是由于瞄准动作不顺利，动作不协调造成的。
从肌肉收缩的松弛特性来分析，当瞄准时间 偏长时，射箭用力的诸肌肉中的弹性成份会产生松弛现象。
此时，虽然运动员主观感觉上仍 保持原先的用力状态，或加力进行瞄准动作，但实际上拉弓或推弓力已因松弛特性而有所下 降。
瞄准时间偏长的箭，肌肉用力受到松弛特性的影响较大，是瞄准时间偏长的箭命中环位 偏低的另一个原因。
本研究中运动员平均固势瞄准时间为3.54 s，最少为2.50 s，最多为4. 30 s。
� 2.2.1两臂用力分析 开弓、继续用力动作，就是两臂通过肌肉用力，抵抗和克服弓的弹性力的作用，使弓的 拉距不断扩大的肌肉用力过程。
因此射箭时的两臂用力形式与弓的弹性力的作用形式相适应。
由于弓的弹性力对持弓臂产生压力与内合力的作用。
因此持弓臂相应产生推力与抗内合 力。
持弓臂所产生的推弓力合力并非沿着持弓臂纵轴发生推力，而是与纵轴形成一定大小的 夹角。
这样才能很好地克服弓的弹性力的作用，将弓稳固地支持住。
该力产生两个分力，一 个分力沿着持弓臂纵轴，抵抗和克服弓的弹性力的压力作用；另一个分力与持弓臂纵轴垂直 ，抵抗克服弓的弹性力的内合力的作用，所以亦称抗内合力。
推弓力是由持弓臂肩部的前锯肌收缩，使肩胛骨产生外展（远离脊柱）活动，使肩胛骨 稳固地固定在合适的位置，通过肩胛骨的肩关节面对持弓臂产生推力。
抗内合力是通过持弓 臂肩关节的三角肌后份的收缩力，使持弓臂产生水平伸的动作趋势，产生抗内合力，将持弓 臂固定在合理的持弓位置。
为了抵抗弓的弹性力的作用，将弓拉开，拉弓臂通过勾弦手指对弓产生拉弓力。
拉弓力也可以分解为沿着拉弓臂上臂的纵轴，背向肩关节 的一个分力来抵抗弓的弹性力的压力的作用，另一个分力与上臂纵轴垂直，它是克服和抵抗 内合作用，其作用是使弓的拉距不断地增大，所以该力是开弓、继续用力动作中起主要作用 ，也是开弓的动力。
由解剖学知识，不难了解到，前一分力主要由前锯肌收缩力产生的。
后 一分力主要由三角肌后份收缩力产生的。
2.2.2拉弦手运动 图6所示4名运动员固势阶段拉弦手在水平面和矢状面的运动情况。
图中看出， 在水平面内，虽然拉弦手一直保持向后运动，但仍同时具有向左或右（即向内或向外）的运 动，有的运动员还十分明显。
在固势时拉弦手需要继续用力，人弓系统在动态中瞄准撒放，但拉弦手幅度过大或不 平缓的运动显然是不合理的，特别是在左右和上下方向的运动，将影响箭线的方向，给瞄准 造成困难。
�图6固势阶段拉弦手水平面上、矢状面的位移情况 2.2.3持弓臂的运动 开弓、继续用力动作阶段，弓的拉距是在不断扩大的。
因此作用于运动员两臂的弓的弹性力 也相应增大。
射箭时运动员的持弓臂手会在前后方向、左右方向及上下方向上产生位移。
从图7中可以看 出，多数运动员的弓在固势阶段有向后运动的现象，说明运动员前撑用力并不积极。
例如F运动员虽然向后运动幅度很 小，但整个固势阶段出现了两次向前向后和向左向右的反复。
运动员A的弓一直较大幅度的 向后运动，联系图6中其拉弦手的运动状况可以发现，在固势阶段该运动员具有整体向后运 动的趋势。
以上情况说明，持弓臂的前撑用力技术尚有待完善。
除运动员F外（图7），多数运动员弓在上下方向的运动幅度很小。
在运动幅度上，运动员在左右方向平均移动56 mm，最大70 mm，最小43 mm；在前后方向上 平均移动4.2 mm，最大5.5 mm，最小3.1 mm；在上下方向上平均移动8.7 mm，最大为10�5mm，最小为6.7 mm。
这一结果可说明两方面情况：一 方面说明瞄准开始时，准星在上下方向较靠近靶心，而在左右方向上则较远离靶心。
因此瞄 准动作在左右方向上的移动要大于上下方向上的移动；另一方面说明，依据肩部肌肉配布情 况，决定了持弓臂在上下方向上容易稳定，而在左右方向上，活动较大，不易稳定。
所以测 试结果表明，左右方向上位移量要大于上下方向上的位移量。
以上状况是否合理，有待进一 步分析。
另外从对弓上下两个标志点之间的相对位移研究发现，在固势瞄准阶段弓上下两点之间相对 位移极小，说明弓在这一阶段的变形可以忽略不计。
综合弓在三个方向的位移可以说明，固 势阶段影响弓的稳定性的因素主要是平动，它对箭的准确性产生一定影响。
而弓的转动和变 形对稳定性的影响极小，几乎可以忽略。
联系开弓阶段运 动员躯干扭转情况和图8中曲线变化可以看出，开弓阶段躯干发生扭转的运动员在固势阶 段继续保持扭转动作，但在固势阶段后期扭转停止，而开弓阶段躯干没有扭转的运动员在固 势阶段依然保持躯干无扭转运动。
在固势阶段，本研究运动员躯干扭转幅度平均为1.5°，最大为2.3°，最小为0.3°。
图9是本研究两名运动员固势瞄准阶段躯干在前后和上下方向的运动情况。
它并不要求运动员在瞄准的一开始就力求“对准”靶心并稳住不动 地等待撒放。
由于人体生理、心理、肌肉收缩等多方面因 素的影响，要想保持躯干绝对不动是不可能的，与其肌肉紧张身体僵硬的试图保持躯干固定 ，不如使其平稳的运动，并在运动中瞄准、撒放。
因此，固势阶段躯干向某一方向平稳的运 动是提高瞄准质量的基础，合理的做法，是要求运动员在瞄准的开始时，有规律对准靶心附 近某一位置，然后用平稳的动作，较快的速度、准确地向靶心逼近，并在运动中进行撒放。
同开弓阶段一样，运动员躯干在其前后方向（X方向）运动的幅度要远大于在其左右方向（Y 方向）上的运动。
本研究中运动员在固势阶段身体在前后（X方向）移动的幅度平均为8.6 m m，最大为11.5 mm，最小为6.1 mm，在左右（Y方向）移动的幅度平均4.7 mm，最大为6 .3 mm，最小为3.4 mm。
�图9两名运动员固姿瞄准阶段躯干在X、Y方向上的位移 2.2.5人弓整体运动情况 固势瞄准阶段虽然要求身体相对“固定”，但不是绝对不动，相反，在瞄准时还要强调 继续用力不能停顿。
因此，身体与弓的运动形式将对能否高质量瞄准撒放产生重要影响。
图 10显示了本研究中一名运动员在开弓、固势瞄准和撒放过程中两髋中点、两肩中点、 头和弓中部点四个位置在不同方向上的运动情况。
在X方向弓和两髋中点运动基本同步，但却与头和两肩中点的运动方 向相反。
在Y方向，开弓阶段头与其他三点运动方向相反，在固势前半阶段四点运动同步， 但到后半段两髋中点的运动方向与其他三点运动相反。
在Z方向，人体上三点运动基本同步 ，但弓的运动呈波浪式下降。
本研究其他运动员人弓运动情况与其近似，只是在运动幅度上 略有差异。
图11是A运动员持弓臂各关节点和弓在整个开弓、固势阶段在三个方向上的位移情况。
在X方向和Y方向开弓和固势前半段各点运动同步性较差，但固势后半段已基本做到同步运 动，说明该运动员能及时调整持弓臂各肌肉力量的分配，保持持弓的稳定。
在Z方向除肩关 节外，持弓臂肘、腕、手和弓四点位移基本同步，都是呈波浪式下降。
这说明该运动员持弓 臂腕肘关节固定良好，但肩关节稳定性较差。
本研究其他运动员也有类似的现象发生，但幅 度稍小。
�图11A运动员持弓臂固姿阶段X、Y、Z方向位移 2.3撒放动作 由于红外光点运动分析系统不能记录运动员动作技术影像，因此本研究无法准确判定固势瞄 准与撒放动作之间的特征画面，同理也不能准确判定撒放瞬间画面。
因此，本研究反复观察 研究运动员动作技术和红外光点记录数据之间的关系，以弓上标志点位移的突然变化作为撒 放时刻。
观察拉弓臂勾弦手上的红外光点检测资料发现，拉弦手撒放过程中普遍存在短暂的向前，即 向拉弓动作相反方向的移动。
其位移幅度平均为4.5 mm，最多为9.7 mm，最少为1.3 mm，经 历时间平均为50 ms。
图12中是本研究两名运动员撒放前后钩弦手在前后方向的位移曲线。
从中可以看出，瞄准阶段钩弦手平稳持续地向后运动，但在撒放前后却有短暂且明显的向前 运动，之后才是撒放后手的向后运动。
由于不能准确判断撒放时刻，因此我们也不能判定钩 弦手的这种运动是撒放前特别忌讳的“松撒”错误，还是撒放后“反向”运动。
�图12拉弦手撒放前后在前后方向的位移 “松撒”不但会减少箭发射的能量，而且破坏了原先的瞄准状态，对箭命中环位造成不利影 响。
但从对射箭动作的不利影响来讲，“反向”运动与“松撒”的不良影响的性质是一样的 ，只不过是在动作的大小程度上有差异而已。
因此“反向”运动与“松撒”是同类性质的不 良动作，但它却普遍存在，因此这一现象应引起我们的重视 与研究。
3结论 1) 本研究应用Qualisys红外光点测试系统对射箭技术中人、弓微小运动进行了细致的记录 与描述。
由于红外光点测量系统的测量采样频率及分辨率极高，测试误差小，因此该测量手 段可作为射箭技术特别是运动员和弓稳定性的测量与研究的理想手段。
2) 固势阶段影响弓的稳定性的因素主要是平动，它对箭的准确性产生一定影响。
而转动对 稳定性的影响极小，几乎可以忽略。
3) 受试运动员在撒放前后普遍出现“松撒”和“反向”运动的现象。
4) 多数运动员在固势阶段很难做到人弓整体，持弓臂和身体的运动并不同步。
5) 测试数据显示受试运动员在不同方面存在技术问题，产生的原因和改进措施有待进一步 研究。
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