基于動作分析的武術兵道護具設計

王小偉,周 莉*,李 兵

(1.西南大學 蠶桑紡織與生物質科學學院,重慶 400715;2.西南大學 運動心理教育研究中心,重慶 400715)

武術兵道是中國古代戰爭和實戰訓練的產物,其競技動作源于對動物行為的觀察和模仿。2021年,國家體育總局武術運動管理中心推出了國家武術兵道的競賽規則,致力于推動中國武術的國際化進程,促進其成為奧林匹克運動項目,助力體育強國建設[1]。武術兵道運動項目中人體運動幅度大,除后腦、喉部、襠部、手部和足部禁擊部位外的頭部、軀干、腿部作為得分點,需要佩戴經中國武協認可的護具,包括:護頭、護甲、護臂、護手、護襠和護腿。目前沒有武術兵道護具的標準,在兵道運動比賽中,傳統的護具只能起到防護、美觀的功能,得分評判在一定程度上還依賴于裁判的經驗。為解決武術兵道護具的功能優化和規范佩戴,急需設計出能夠滿足競技防護功能需求和靈敏傳感自動計分的護具,且兼具中國傳統競技運動特色和審美要求。

1 武術兵道護具特征

武術兵道注重身體力量的控制和運用。楊建營[2]在武術分類之辨析中,采用二分法將武術分為“徒手”和“持械”2種類別,持械又可分為“持械套路”和“持械對抗”。其中“武術兵道”屬于持械對抗類項目,該項目于2021年由國家體育總局武術運動管理中心推出,前身為武術短兵,其規則和技術源自于傳統武術短兵。戴小平[3]認為短兵運動是采用重新研制的、具有人體安全保護功能的運動器材來替代傳統的短兵器,參與者能夠綜合運用各種原始短兵器格斗技巧進行對抗,這一競技運動旨在傳承和發展短兵器格斗技術,同時為個體提供一種健身運動項目。根據《武術兵道(短兵)競賽規則(2021試行版)》,武術兵道運動是在指定的比賽場地上,同一年齡組和體重組的雙方運動員,裝備特制的短兵和護具,遵循一定的規則要求,運用劈、砍、斬、刺4種得分技法進行攻防搏斗的對抗性競技體育項目。

武術兵道護具是一種專門用于保護兵道運動員在訓練、對抗或比賽過程中免受傷害的裝備[4]。其設計與制造遵循嚴格的安全標準和人體工程學原理,經過精心調研和優化,以確保功能需求。武術兵道護具通常包括:護頭、護甲、護臂、護手、護襠和護腿(該課題研究不含護頭和護襠),如圖1所示。護具通過采用多層材料結構、吸震材料和強化裝置,有效地吸收和分散外力對身體的沖擊,保護頭部、頸部、胸部、四肢等易受傷部位免受損害。

圖1 武術兵道護具組成

2 武術兵道動作分析

人體運動受各關節活動范圍和運動方向的影響。人體關節包含頸、肩、肘、腕、腰、髖、膝、踝8大關節系統,這些關節系統相互配合,協同完成人體大部分動作[5]。在武術兵道運動中,與其關聯最大的關節有肩關節、肘關節、腰關節、髖關節和膝關節,其基本技術體系包含進攻技術和防御技術2種形式。

2.1 進攻動作分析

進攻技術是指在格斗中擊打對方的技術,武術兵道基本進攻技術主要包括“力劈華山(劈)”“石破天驚(砍)”“蒼龍探爪(斬)”“仙人點畫(刺)”4種基本動作,如圖2所示?！芭笔怯缮现料碌闹本€動作,手臂向上迅速伸開,快速縱向劈擊目標,其技術要領為以腕為軸,伸臂松腕,進攻迅猛,直起直落;“砍”是由上至下的斜線動作,右手持短兵上舉,腰髖向左發力,大臂帶動小臂斜線45°砍出,其技術要領為擰腰轉胯,斜向發力,松弛適度;“斬”是由外向內的橫向動作,舉兵由外向內迅速旋轉斬出,其技術要領為腰胯為軸,橫向發力,動作迅猛,斬到即回;“刺”是由后向前的直線動作,由腕帶肘,肘帶肩直線向前刺出,技術要領為把握時機,動作果斷,迅猛出擊[6]。

圖2 武術兵道4種進攻動作

在戰術策略中,“劈”“砍”和“斬”的攻擊方式屬于“面狀進攻”,這意味著這些攻擊方式將得分點集中在一個平面上;“刺”的攻擊方式則屬于“線狀進攻”,得分點集中在一條直線上。根據武術兵道(短兵)競賽規則(試行),在武術兵道比賽中,標準的技術動作、清晰的擊打效果、明確的得分意識和良好的攻防狀態是評判武術兵道比賽得分的重要標準。

2.2 防御動作分析

基本防御技術由“格擋”和“閃避”2部分技術體系組成?！案駬酢奔词窃趯κ诌M攻時,利用自己的兵器,改變對手兵器的進攻性行進路線,以達到讓對手無法有效命中得分點,從而達到得分的目的;“閃避”即是在對手進攻時,利用自己的身法和步法,躲避對手兵器的進攻性行進路線,以達到讓對手無法有效命中得分點,從而達到得分的目的?！案駬酢眲幼鞣譃椤吧细駬酢薄爸懈駬酢焙汀跋赂駬酢?部分;“閃避”動作分為“屈身閃避”和“撤步閃避”2部分。如圖3所示,“上格擋”是通過肘關節發力,使其外旋并抬起,從而帶動大臂和小臂向上,將短兵橫置于頭頂之上,其尖梢略高于柄或與柄平齊;“中格擋”是通過左右移動手臂來進行格擋,以應對對手進攻;“下格擋”是通過手腕帶動小臂、肘部和大臂協同運動,使短兵格擋于身體左右側下方位置;“屈身閃避”是當對手進攻頭部時,下肢和軀干保持不動,頭部側仰、后仰或下蹲閃避攻擊,進攻軀干時,下肢保持不動,上身側仰、后仰閃避攻擊,進攻下肢時,抬腿閃避攻擊;“撤步閃避”是當對手進攻上、中、下3路得分點時,結合步法或跳躍動作,躲避對方短兵的進攻路線。防御動作的技術要領為全神貫注,精神集中,判斷準確,果斷反應,動作迅速,步法靈敏。

圖3 武術兵道5種防御動作

3 受擊打部位的壓力傳感分析

3.1 受擊打部位的特征分析

根據《武術兵道(短兵)競賽規則(2021試行版)》,禁擊部位包括后腦、喉部、襠部、手部(腕關節以上)、足部(踝關節以下);得分部位包括頭部(除禁擊部位外的整個頭部,包括頭頂、面部和兩側)、軀干(軀干的前、側面、背部以及肩部護具覆蓋的區域)、腿部(從踝關節上方到膝關節下方護具覆蓋的區域,不含膝關節和踝關節)[4]。如圖4所示,“劈”主要擊打頭部;“砍”主要擊打頭部、頸部、軀干、腿部;“斬”主要擊打軀干;“刺”主要擊打頭部和軀干。在武術兵道運動中,身體受擊打部位容易受到多種類型的損傷,根據《運動損傷的治療與康復》,頭部在受到沖撞、擊打過程中,容易導致腦震蕩、頭痛、眩暈等頭部外傷;手部受到撞擊易造成扭曲損傷,如腕關節扭傷、手指骨折等;肘關節和膝關節在被擊打時也容易受到損傷,如肘關節脫位、膝關節半月板損傷等;由于頻繁起跳、下蹲等動作會給膝蓋帶來較大的壓力,造成膝關節軟組織損傷、半月板損傷、韌帶拉傷或撕裂等[7]。

圖4 人體軀體受擊打部位示意圖

3.2 壓力傳感模塊設計

電子護具是一種集成了感應芯片和傳統護具的新型護具,運用有效技術擊打得分部位從而實現自動計分,護具部位包括頭部、軀干和四肢。如圖5所示,壓力傳感兵道護具的工作過程基于柔性壓力傳感、磁電交互技術,通過在服裝關鍵部位嵌入壓力傳感器,當擊中對方得分點部位并達到一定的力度時,就會實時感知運動員身體部位的壓力變化并自動計分,并將其轉換成電信號輸出,進而實現對外界壓力的感知,比賽得分也會直接反饋到電腦屏幕上,實現高精度信號采集與傳輸[8]。另外,使用電子護具能夠顯著降低傳統護具在激烈比賽中存在的視覺、聽覺盲區以及肢體反應遲鈍的問題,從而減少比賽比分受影響的可能性[9],確保比賽的公平和公正性,為選手提供更好的參賽體驗,同時也有助于武術兵道評價體系的客觀化發展。

圖5 壓力傳感兵道護具工作過程

如圖6所示,兵道護具壓力傳感模塊示意圖中得分部位護具有大面積的感應區,在A點均設有與裝備感應元件信號連接的信號發射器,分別為護頭內側頭頂、護甲的后頸點以及護腿的膝蓋位置;B點為得分感應區,環繞護具包裹的區域。利用磁電交變技術記錄有效擊打,運用壓敏電阻實現擊打電流分級,再通過算法實現力量分段,當短兵兵器感應區接觸到對方護具的有效得分感應區,且當力度不低于系統設定的得分閾值時,計分裝置開始工作,感應區通過無線電的方式將得分信號傳輸到計分牌上。

圖6 兵道護具壓力傳感模塊示意圖

4 兵道護具設計模型構建

4.1 兵道護具的功能需求

武術兵道護具的設計需滿足防護、緩沖減震、運動舒適、耐用、輕便以及美觀等多重功能需求,以提供全方位的保護和支持,讓武術運動員在訓練與比賽中更加安全自信。

在兵道訓練或比賽中,身體可能會受到擊打、摔倒等各種傷害,因此護具需要具備防護性,從而有效地保護身體免受外界傷害。如使用耐磨、耐撕裂的材料,以及加強關鍵部位的防護等;其次,緩沖減震性能可以通過吸收和分散來自外界的沖擊力量,減輕對身體的壓力,避免骨折、扭傷等嚴重傷害。護具設計中可采用一些新型材料,如D3 O 凝膠,正常情況下,D3 O 凝膠材料表現出柔性且可彎曲的狀態,當遭受外力沖擊時,其自由運動的分子會在0.001 s內快速停止并交織在一起,使材料變成堅硬狀態,它因常態下呈柔軟狀態不限制人體活動,廣泛應用于運動防護領域[10]。運動舒適性是指能夠提供良好的穿著體驗,競技動作要求身體的靈活性、敏捷性和協調性,因此護具的設計也應考慮到人體工學原理、吸濕透氣、排汗性能等,以確保護具的合身度和活動范圍;護具還應具備較高的耐用性和輕便性,能適應長時間的訓練和比賽,不易磨損、不額外增加運動員的負重;此外,護具的設計應具有美觀性,不僅能提升運動員的自信心和形象,也能夠吸引觀眾的注意和贊賞。

4.2 兵道護具設計構建

兵道護具由護甲、護臂、護手和護腿組成,其整體穿戴方式為套頭式和卡扣式,如圖7所示。護甲采用無接縫拼接式設計,護手從肘部延伸至手部,形成一體式穿戴設計,護腿采用行纏樣式設計,完全環繞腿部,起到收緊腳口的作用,減少束縛感。此外,款式設計還重點考慮對關鍵部位(如胸部、腹部、手臂和腿部)的保護性布局。兵道護具的色彩以傳達力量、自信和尊重為目標,該設計選用中國紅和鈷藍色作為兵道雙方運動員的護具顏色,適當的色彩對比度能夠增強護具的辨識度,提升整體視覺效果。

圖7 兵道護具

壓力傳感式電子護具,能夠實時監測和記錄使用者身體部位的壓力分布情況,需要兼顧舒適性、防護性以及良好的壓力傳感性能,如圖8所示。外層面料考慮防水、耐磨損和抗撕裂等特性,以保護電子元件和傳感器不受外部環境的影響;中間層面料考慮緩沖和支撐功能,采用具有良好彈性和耐用性的復合材料,如聚氨酯泡沫或專用的減震吸能材料,能夠減輕外界壓力對身體的沖擊,并提供額外的支撐作用;里層面料注重透氣性和吸濕性,提高穿戴者的舒適感,選用具有良好吸濕排汗性能的纖維材料或功能性透氣面料,如滌綸/錦綸混紡布料或運動型纖維材料、防菌面料等,能夠迅速將體表汗水吸收并迅速蒸發,有助于保持干爽和衛生;輔料的選用上,為便捷佩戴,在護甲兩側使用卡扣連接,手部及腿部使用魔術貼,可自由調節松緊度,其次還考慮到面料的緩沖和吸能性能,采用高彈性聚氨酯材料和D3 O 凝膠等。

圖8 兵道護具材質示意圖

4.3 兵道護具的三維模型構建

在兵道護具設計方案中,選取紅色款式進行三維模型構建,并進行虛擬仿真試衣效果試驗。模型構建過程中,選用一組進攻動作和防御動作進行動態模擬,如圖9所示,當對手進攻頭部得分點時,下肢保持不動,頭部側仰、身體后仰閃避攻擊。兵道護具三維模型的構建,可以進一步優化和改善設計方案,后續還可與數字化制造設備聯動,將兵道護具設計方案轉化為物理實體。

圖9 兵道護具虛擬模型

5 結束語

為探究兵道運動時運動員競技動作、擊打部位與服裝運動功能性之間的相互關聯,采用多學科交叉的研究設計方法,涉及服裝設計、體育、運動醫學、通信工程、材料等專業,為壓力傳感式護具的構建提供全方位的學科基礎支持。在護具設計中充分考慮兵道運動的實際需求,建立壓力傳感系統模型,優化了現有兵道護具的設計,為構建競技武術運動智能裝備系統提供借鑒。該研究仍存在一些問題和挑戰,未來的研究可以進一步優化和改進設計,提高動作準確性和力量施加的精度和穩定性監測。同時,可以考慮引入更多的傳感器技術,如姿勢識別、肌肉活動監測等,以實現更全面和準確的采集、分析和應用。