健美操運動員空中轉體過程中的肌肉活動特征研究

賀 莉，李慧萌，江緒兵，項亞光

（皖西學院體育學院，安徽六安 237012）

0 引言

作為體育強國，健美操在我國有了很好的發展，在國際大賽中獲獎無數，已處于一個較高水平，為了完善運動員的健美操訓練方式，分析健美操運動員的肌肉活動特征，結合運動員自身肌肉特點，設計適合比賽的體操動作.文獻［1］利用特征提取手段，從分解的健美操動作中，識別出肌肉活動特征；而文獻［2］根據運動員的靜態平衡能力，著重分析支撐運動姿態，分析平衡能力下的肌肉活動特征；文獻［3］則根據健美操的連續性動作特點，通過視覺誤差校正方法，獲取不同的運動姿態，從而實現對運動員肌肉活動特征的分析.這三種方法雖然也得出了相應的分析結論，但根據該結論實施的訓練課程并沒有達到預期效果，導致肌肉活動特征分析結果不準確.因此針對這一現狀，對健美操運動員支撐與空中轉體過程中，肌肉的活動特征提出全新的分析方法.該方法通過掌握運動員的身體動力，建立分析模型，以此獲取不同運動狀態下的肌肉特征.該分析方法為健美操運動員的動作姿態設計提供肌肉活動數據，同時也為平衡木、高低杠、鞍馬以及吊環等運動員肌肉特征分析，提供科學的理論依據.

1 健美操運動員空中轉體時的肌肉活動特征分析方法

1.1 運動員身體動力變化分析

健美操蘊含了爵士舞、迪斯科舞、拉丁舞以及霹靂舞等多個舞種的動作姿態，健美操的基本動作包括：四肢、軀干、頭部、足部以及髖關節等部位的伸展、支撐以及扭動，在上述動作基礎上，結合不同的身體部位，形成具有一定難度的起跳、支撐、轉體和落地等規范動作，這些動作根據運動姿態的不同，其肌肉活動量也不盡相同.因此研究肌肉活動特征，需要預先分解健美操運動員的身體動作，分析運動過程中的身體動力變化量.健美操支撐、轉體的運動前提，是運動員的離地起跳動作，平穩、充滿力量的起跳動作可以確保支撐穩定，從而借助起跳的慣性，實現高度滯空的空中轉體動作.運動員助跑起跳過程中，身體重心會發生明顯變化，該變化直接影響運動員的支撐落點，圖1 為男、女運動員助跑起跳之前的身體重心變化曲線［4］.

圖1 運動員起跳前的身體重心變化Fig.1 The change of body center of gravity before the athlete's jump

根據圖1 可知，由于男、女運動員的體質差別，因此重心會有輕微不同.而男、女運動員在起跳時，足部著地的重心瞬時速度為：

公式中：vx表示重心水平速度；vy表示重心垂直速度；Δs表示步長位移量；Δt表示趨近于0時的助跑時間；v0表示運動員運動過程中重心的初始速度；k表示瞬時速度公式的固定系數；t表示運動開始到起跳之前的運動時間.根據該公式得出男女運動員的重心參數值，將該數值與國家優秀選手的重心參數相比較，對比結果如表1所示.

表1 健美操運動員的重心瞬時速度參數Tab.1 .Instantaneous speed parameters of center of gravity of aerobics athletes

上述所得計算結果，為身高、體重、性別不同的健美操運動員，在助跑起跳過程中的身體重心運動瞬時速度，根據該值設置動作分解參數，實現對身體動力變化的區別分析.

1.2 建立分析模型提取姿態特征

以公式（1）的計算結果為依據，建立補償分析模型，利用該模型提取運動員的支撐、轉體姿態.該模型參考互補分析算法的計算原理，引入身體動力特征參數，構建一個滿足人體肌理變化特征的模型：

圖2 空中轉體健美操動作模擬圖FIG.2 Aerobics movement simulation diagram

公式中：qs表示在三維空間s中的人體運動姿態特征向量；i表示骨骼銜接處的一個節點；j表示與該節點相連接的鄰節點；xi、yi、zi表示i節點的空間三維坐標；xj、yj、zj表示j節點的空間三維坐標［6］.該姿態特征下的人體骨骼簡圖，如圖3所示.

圖3 人體骨骼簡圖Fig.3 Schematic diagram of human skeleton

根據圖3所示的骨骼受力特點、運動角度，分析健美操運動員的肌肉活動特征.

1.3 計算關節耐力分析支撐運動時的肌肉活動特征

根據動作姿態特征，結合骨骼受力特點，計算關節在起跳時刻的耐力，根據耐力值分析運動員從跳點起跳或開始動作時，撐起過程中肌肉的活動特征.假設助跑的慣性力為F0，跳點位置為mi，運動員的足部蹬力為Fm，則關節的耐力值為：

上式中：sn表示支撐動作下發力的n個關節節點位置；Fsn表示每一節點位置的關節耐力值；t表示瞬時支撐時長；μ表示起跳時的雙手擺臂幅度；ωi表示i個受力關節，在下蹲時的緩沖角度［7］.此時受人體重心的影響，肌肉隨著人體的支撐運動形成伸縮-舒展-伸縮-舒展的活動方式.利用一個小型監測裝置，截取運動員在支撐這一時段的肌肉活動動態圖像，設置若干計算節點，如圖4所示.

圖4 支撐動作的肌肉分析節點設定位置Fig.4 Set position of muscle analysis node supporting action

圖中的節點位置用Ai表示，根據分析算法的計算原理，結合公式（4）的計算結果，獲取肌肉活動特征函數，存在：

公式中：xi表示第i個身體部位的肌肉伸縮值；n表示肌肉伸縮次數；ε表示肌肉彈性；ai表示部位i處的肌肉變化指標；Ei(xi)表示對所有肌肉伸縮值的i次特征分析［8］.根據該函數，實現對支撐狀態下的健美操運動員肌肉活動特征分析.

1.4 計算關節最大運動角度分析轉體時肌肉活動特征

健美操運動員借助支撐時的瞬間撐起力度，在空中做出規定的轉體動作，此時動作受轉體力度以及關節角度的影響，做出的轉體動作弧度會有一個極大值，該極大值會牽制肌肉的活動峰值.統計不同性別、不同類型的健美操選手身體特征，其關節的最大活動角度如表2所示.

表2 運動員轉體過程中的關節活動參數Tab.2 Parameters of joint movement of athletes during body rotation

根據表2中的偏離量數據可知，雖然男女運動員在體質上存在一些差距，但對于均衡系數還是比較接近的，偏離量數值處在一個較小的范圍內.轉體動作經分解后，其中一個動作如圖5所示［9］.

圖5 空中轉體示意圖Fig.5 .Schematic diagram of air rotation

根據圖5可知，身體在空中做出規定技術動作時，肌肉的活動量與關節角度的極限值呈正相關，當轉體幅度大時，則肌肉在最大關節角度的限制下，此時其肌肉活動伸展量，也為最大極限.結合表2 中的數據，計算健美操運動員，在空中展示轉體技術時，關節的最大運動角度為：

公式中：α表示關節最大運動角度；arctan(*)表示任何轉體方向上的關節角度運算函數；x1、x2表示支撐點和受力點的橫坐標；y1、y2表示支撐點和受力點的縱坐標.根據該角度值并結合公式（4），求出運動員轉體過程中的肌肉活動特征值：

公式中：Ej(xj)表示在轉體狀態下，運動員肌肉伸縮值的j次特征分析結果，其中xj表示j處身體部位的肌肉伸縮值；m表示肌肉活動次數；αj是公式（6）計算得到的關節活動角度；?j表示每一身體部位的轉體運動方向［10］.根據該函數公式求得角度變化下的肌肉活動特征值，根據該值設置標準的健美操技術動作，提升運動員的日常訓練水平，至此根據健美操運動員的空中轉體運動特點，實現對肌肉活動特征的分析與研究.

2 實驗測試與分析

為了驗證健美操運動員空中轉體過程中的肌肉活動特征分析方法的有效性，利用雙核英特爾第二代酷睿處理器，在OPTIPLEX3010為主頻，VS2010+OpenCV2.4.13，Windows10操作系統Inte（lR）Xeon（R）CPU GB 內存，且測試圖像的幀率為30 fps，分辨率為800*600，軟件為Matlab2009 a 的環境下進行一次仿真實驗.將所提分析方法和傳統方法，均應用到實際檢測環境中.將實驗環境作為基本測試條件，對比不同分析方法的分析能力，找出方法之間的差異，根據測試結果得出具體研究結論.

2.1 實驗準備

以某省的A 體育大學和B 體育學院為實驗背景，在健美操部門和健美操俱樂部中，分別隨機挑選10 人作為實驗對象，分析這些學生在空中轉體運動時的肌肉活動特征.實驗對象的基本信息如表3所示，表中的編號W表示女同學，編號N表示男同學.

表3 實驗對象基本信息Tab.3 Basic information of experimental subjects

根據表3 中的學生信息可知，A 體育大學和B 體育學院均挑選4名女生和6名男生，且這些運動員的等級不同，令實驗測試結果更具合理性.將兩所學校的健美操運動員，帶入一個溫度適宜的體育館內，將該體育館作為實驗環境，令所有參與實驗的學生所使用的場地保持一致，該實驗場地如圖6所示.

圖6 實驗測試場地Fig.6 Experimental test site

將20個運動員搭配成4個人數不等的測試小組，設置10 套健美操動作，每套動作的測試時間為15 min，利用記錄儀記錄運動數據，分別利用本文方法、文獻［1］方法和文獻［2］方法分析健美操運動員的肌肉活動特征.

2.2 結果分析

將文獻［1］方法和文獻［2］方法作為此次實驗的對照組，與所研究方法進行對比，圖7 為此次得到的實驗測試結果.

圖7 是對20 名實驗對象，身體上的10 個肌肉部分進行活動特征分析，已知身體在做出支撐和空中轉體動作時，肌肉的活動也是左右對稱的，這樣才能保持身體平衡.從圖中可以看出，在同類肌肉類型下，所提出方法分析得到的左、右肌肉活動特征量的數據非常接近；而傳統方法分析得到的肌肉左右特征量相差較大，并不是一個相對平衡狀態，可見該分析方法存在一定分析誤差，導致對運動員肌肉活動的特征分析結果失真.綜合上述分析，可見所提出的肌肉活動特征分析方法，得出的測試結果更加精準.

為了進一步驗證本文方法的有效性，對本文方法、文獻［2］方法和文獻［3］方法的肌肉活動特征分析結果準確率進行對比分析，對比結果如圖8所示.

圖8 三種方法的分析準確率對比結果Fig.8 Comparative results of analysis accuracy of the three methods

根據圖8 可知，本文提出的方法中肌肉活動特征分析結果準確率最高可達80%，而文獻［2］方法和文獻［3］方法肌肉活動特征分析結果準確率最高只有65%和50%，即本方法中肌肉活動特征分析結果準確率比傳統方法的分析結果準確率高.

3 結束語

在健美操運動員空中轉體過程中，根據傳統肌肉特征分析方法存在的不足，提出全新的肌肉活動特征分析方法，該方法通過建立分析模型，控制特征量的分析誤差，同時設立大量的節點坐標，保證對每一塊肌肉的具體分析.根據此次提出分析方法獲取的肌肉特征，設計出更加適合運動員自身的健美操組合動作，提升動作完成標準的同時，增強運動員在競技賽場上的競爭力.但該分析方法由于設置的節點數量居多，計算量偏大，因此該方法的分析效率不高，今后要對節點設置問題進行精簡處理.