我国优秀男子拳击运动员后手直拳击打环节相关肌群的EMG特征及其运动学分析

吴 瑛，刘海瑞，张庆文，伍 勰

1 前言

拳击基本技术包括直拳、摆拳和勾拳。美国著名拳击教练约瑟夫曾说过：“掌握了直拳技术就等于掌握了拳击技术的80％”［1］。直拳又分为前手直拳和后手直拳。统计数据显示，2008年北京奥运会拳击比赛中，因打点规则的变化，后手直拳已成为中国运动员最有效的得分拳法［13］。直拳技术动作简单，得分效果明显，实战实用性强，是拳击运动员制胜的法宝。由于后手直拳技术包含了转髋、送肩，爆发性伸肘等一系列动作，涉及的肌肉数量多，神经肌肉的运动控制要求高。因此，了解后手直拳动作过程中相关肌群的活动顺序及其参与程度对于理解后手直拳的神经肌肉机制有着重要的理论意义，同时也可为筛选、设计符合后手直拳专项肌肉用力特征的训练手段和方法，从而为提高专项运动训练水平提供现实的参考依据。

应用表面肌电（sEMG）考察人体运动中的肌肉活动特征的研究很多［4，6，8，9，17］，其中也涉及了一些上肢相关肌群在诸如棒球［25］、网球［23，24］、射箭［18］、铅球［15］等运动中的活动特征。然而，涉及拳击动作的此类研究目前尚不多见，Smith［29］曾选取空手道运动员的三组拮抗肌：腹直肌和臀大肌，胸大肌和斜方肌，肱二头肌和肱三头肌来研究运动员运用空手道出拳击打时肌肉的激活顺序和运动学表现，得到的结论为：空手道出拳击打时肌肉从躯干向手臂肌肉的活动模式是为了获得最快的出拳加速度，但有关击打时肌肉整体的活动模式和顺序并无详细的论述。郭峰等人［7］对女子拳击运动员后手直拳技术动作上肢肌肉表面肌电进行分析，选取肌肉为：肱二头肌、肱三头肌、桡侧腕伸肌、尺侧腕屈肌、三角肌前束和后束。认为在后手直拳击打过程中三角肌前束做功百分比最高；主动肌的激活顺序为三角肌前束、肱三头肌和尺侧腕屈肌，拮抗肌在直拳击打过程中起重要作用，但其研究未涉及下肢肌肉的活动考察。然而，下肢肌肉活动在后手直拳运动中的作用也不容忽视。

相比较而言，有关拳击直拳技术运动学与动力学的研究较多，有研究［2］认为，拳击在击中目标瞬间其速度不是最高的，在这之前有突然减速的过程。大多数学者［11，12，14，22］认为，拳击中的击打力量与拳速、击打的质量有关。增大击打的有效质量、增加击打的工作距离并掌握合理的打击时机，可以有效地提高击打效果。这些研究主要集中在击打技术的最优化和如何提高击打效果上面，有关拳击后手直拳击打过程中的肩髋扭转运动目前尚未见到较为清楚、详细的论述。

因此，本研究运用表面肌电技术（sEMG）针对我国优秀男子拳击运动员后手直拳出拳击打环节肌肉用力特征、用力顺序、用力协调性和运动单位募集问题，结合同步运动学数据中的肘关节、肩髋转动角、上臂环节质心和拳速在击打过程中的运动学变化对后手直拳出拳击打环节的生物力学特征进行综合探讨。

2 研究对象与方法

2.1 研究对象

国内优秀拳击运动员6名，运动员身体健康，无肌肉损伤等疾病（表1）。

2.2 实验方案

出拳－击打环节（以右势为例）：环节开始前运动员基本姿势为两脚成左前右后的斜开立姿势；左脚尖稍向内扣，两臂自然弯曲，肘置于肋部，两肘放松下垂；运动开始后，右脚掌蹬地发力，右腿内旋，同时非出拳侧腿向前迈一步，右腿发出力量使右侧髋关节前送，身体重心转移至前腿，带动腰部迅速向前转动，右肩前送，右拳以直线向前发出，伴随前臂内旋击打中靶。

实验场地上放置一个不倒翁靶（30 kg），其上方中心放置一枚marker球，用于判断击中靶的时刻。受试者在跑步机上进行10 min热身，然后进行后手直拳击打不倒翁靶练习，时间为5 min。

热身结束后，对受试者出拳侧的肱桡肌、肱三头肌、肱二头肌长头、三角肌前束、股二头肌、腓肠肌共6块肌肉进行EMG采集准备，电极片定位及相关操作流程采用SENIAM（www.seniam.org）标准，电极外周固定采用弹性绷带。

按照Vicon FULLBODY模板为受试者粘贴全身Marker，正式实验之前采用Noraxon推荐的方法［26］对受试者所测每块肌肉逐一进行MVC（Maximum Voluntary Contraction）测试，用于肌电指标的标准化。

MVC采集成功后，开始正式实验，要求运动员以最快速度全力击打靶位，技术动作要求完整、连贯。采集成功击打6次，每次击打间隔2 min。

表面肌电（sEMG）数据采集采用Biovision多功能运动生物电测量与分析系统（1 000 Hz，Biovision Inc.，Wehrheim，Germany）。

采用VICON MX红外高速摄影系统（100 Hz，Vicon Motion Analysis Inc.，Oxford，UK）采集同步运动学数据。

表1 受试者基本情况一览表 （n＝6）

图1 Marker set位置图

肌电和运动学同步采用外接无线同步信号器进行同步连接。

2.3 数据处理

2.3.1 表面肌电分析

应用DasyLab 10.0（Biovision Inc.，Wehrheim，Germany）对原始肌电信号进行带通滤波（10 Hz～400 Hz）、整流，然后对所得结果进行如下处理：1）进行低通滤波（截止频率：6 Hz）得到包络线，通过观察包络线的变化［30］，判断肌肉活动时序。2）计算出拳动作各肌肉活动积分肌电（IEMG）和平均振幅（aEMG），以此说明肌肉运动单位募集情况。积分肌电是指肌肉在活动时间内肌电信号的面积。平均振幅（aEMG）是指积分肌电值与其时间的比值［16］。为了比较计算的需要，文中对所测的每块肌肉平均振幅进行了标准化处理，即各肌肉出拳动作的平均振幅与其MVC的平均振幅的比值。3）计算所测肌肉做功百分比。肌肉做功百分比［7］是指在完成某一动作时一定时间内某一块肌肉的积分肌电值占参与该动作中所测全部肌肉积分肌电值总和的百分比，用于反映某块肌肉在完成动作中的相对比重或者重要性。

2.3.2 运动学分析

运动学数据处理采用Visual3D软件（C－Motion，Inc.，Germantown，MD，USA），考察指标有：1）肘关节角度：肩峰点、肘外侧点、腕外侧点构成的3D角度。用以了解出拳击打环节肘关节角度变化情况。2）肩髋转动角：左右髂嵴连线和左右髂嵴连线在水平面上（XY平面）内的投影所成的夹角，用以代表躯干扭转的程度，正负号根据右手法则确定。肩髋转动角观察躯干扭转的变化情况。3）肩峰点、上臂环节质心和拳心速度（X轴）变化，用于判定上肢关节运动的速度变化。

各对象的指标结果数据的总体平均值采用时间标准化（％）处理，以运动员非出拳侧的脚离开地面为动作开始，出拳击中固定靶即刻为动作结束。

3 研究结果

图2 出拳击打环节拳速、肘关节和肩髋转动角对应肌肉活动顺序图

出拳击打环节肌肉活动顺序见图2。出拳击打环节肌肉活动顺序为下肢向上肢依次活动。顺序为：腓肠肌→股二头肌→三角肌前束→肱三头肌→肱二头肌长头→肱桡肌；在拳速明显加速至峰值区间内（80％～95％），上肢肌肉持续活动，尤其手臂肌肉的肱二头肌、肱三头肌和肱桡肌。出拳击打环节运动中肩髋转动角先变小后增大，其最小值开始增大（75％）至环节结束（100％）的同时，肘关节显著增大直至环节运动结束。

为便于图示肩髋夹角，棍图中两髋连线被平行移动，使左肩点与左髂嵴点重合，构成便于理解的三点夹角所测肌肉出拳击打环节肌肉做功百分比得到结果见图3。肌肉做功百分比分别为：三角肌前束＞肱三头肌＞股二头肌＞腓肠肌＞肱桡肌＞肱二头肌长头。aEMG计算结果见表2。出拳击打环节aEMG值最大为三角肌前束，其他依次为：

股二头肌、肱三头肌、腓肠肌、肱桡肌、肱二头肌长头。

图3 出拳击打环节肌肉做功百分比图

表2 出拳击打环节aEMG结果一览表 （±SD）

表2 出拳击打环节aEMG结果一览表 （±SD）

三角肌前束 肱三头肌 肱二头肌长头 肱桡肌 股二头肌 腓肠肌aEMG（％） 0.27±0.09 0.22±0.10 0.05±0.02 0.14±0.09 0.25±0.09 0.22±0.08

出拳击打环节肩峰点、上臂环节质心和拳心速度变化见图4。肩关节、上臂环节质心和拳心速度变化在环节运动75％开始明显加速依次达到峰值，峰值出现的时间呈现次序性，顺序为：肩关节→上臂质心→拳心。

图4 出拳击打环节肩峰点、上臂环节质心和拳心速度（平均值）变化曲线图

4 分析与讨论

4.1 出拳击打环节肌肉激活顺序

根据出拳击打环节动作的相关解剖学知识及前人研究结果［7，29］，本研究选取三角肌前束、肱三头肌、肱二头肌长头和肱桡肌的EMG来考察上肢肩关节和肘关节的活动特征；选取股二头肌和腓肠肌（双关节肌）的EMG来考察下肢主要关节运动之间的协调表现。

研究结果发现，运动员出拳击打环节始以运动员前足离地，止于拳中靶即刻。环节运动过程中所选肌肉活动顺序呈现从下肢向上肢激活的现象（图2）。顺序为：腓肠肌→股二头肌→三角肌前束→肱三头肌→肱二头肌长头→肱桡肌。从动作结构上看，后手直拳技术的出拳击打环节主要包括下肢髋、膝关节的屈伸，躯干绕垂直轴的扭转以及上肢各关节的屈伸、旋转动作。这些动作的衔接配合依次在上述的肌肉活动顺序上得到了充分验证：前脚离地后（动作开始），支撑腿髋、膝两关节首先产生一个轻微的离心屈动作。相应地，腓肠肌（协助股四头肌）与股二头肌此时分别行使膝、髋两关节的离心屈控制功能。在身体重心下降的同时，躯干开始向后（支撑侧）旋转，当后旋至最大幅度（图2中动作时间的75％处肩髋夹角达到最小负值）之前，由于对侧足着地（62％）导致身体重量过渡到前足，而使得出拳侧下肢的腓肠肌与股二头肌活动逐渐消失。但由于此时躯干后旋仍未结束，股二头肌将延续其外旋功能来配合躯干运动，直至肩髋夹角达到最小负值（即躯干后旋结束）。当躯干向后扭转达到最大（此时前足着地已提供良好支撑）时，接下来就是爆发性躯干前旋和上肢鞭打动作。在躯干前旋过程中同侧腹外斜肌和对侧腹内斜肌的向心收缩力及其功率对于快速击打的贡献作用应该是毋庸置疑的。在躯干前旋的同时，肩、肘关节的运动也开始启动。上肢肌肉最先激活的肌肉是三角肌前束（图2），这符合大关节首先产生运动的原理。由图2可知，在躯干还处于向后扭转过程中三角肌前束的sEMG信号就已经开始出现，这可能是拉伸拮抗和预激活的一种表现。从激活开始（61％）至肩髋夹角达到最小负值（75％），三角肌前束活动时间为14％。但在随后的向前击打过程中，三角肌前束（肩屈主动肌）的参与时间要明显短于肱三头肌（肘伸主动肌），且在向前动作开始不久（78％）就到达其峰值，此时肩髋夹角仍处于负值（即同侧肩关节在位置上尚未超越髋关节，图2）。注意到在三角肌前束EMG达到峰值时，肘关节角度开始出现明显的加速增大（图2），这意味着肘关节伸肌在此时开始主动发力来完成后续的击打动作，这符合人体开放链鞭打动作的原理，即肢体的运动形式往往表现为由近端环节到远端环节依次加速与制动，各环节的速度也表现为由近端到远端的依次增加［3］（图4）。肱三头肌在环节运动的65％被激活，活动一直持续至击打完成，其峰值出现在环节末期的91％附近（图2），肱三头肌的激活不难理解，其主要作用是为完成最后的爆发式伸肘击打。注意到在肘关节角度出现明显变化之前（72％），肱三头肌已经被激活，同时伴随有肱二头肌的协同激活，表现出明显的伸肘击打前的预激活状态。肱二头肌和肱三头肌作为拮抗肌表现出的共收缩时长占环节运动总时间的37％。作为肱三头肌的拮抗肌，肱二头肌的活动一直伴随存在，其峰值出现在击打末期（93％）。正常情况下，主动肌收缩时，在中枢神经系统的作用下，拮抗肌会协调并适当离心参与关节运动，但在大负荷运动时，强烈运动单位兴奋可能超过选择性抑制的能力，从而引起拮抗肌的共同收缩［30］。也有研究证明：人体在进行最大用力和快速动作时，动作力量大小的控制与肌肉之间的拮抗作用有密切的关系，拮抗肌会适当的产生“刹车”力量以提高肢体在快速动作中的准确性［20，27，28］。由此可知，拮抗肌的共收缩对于拳击击打准确性的控制具有一定的意义。优秀运动员在环节运动中三角肌前束、肱二头肌和肱三头肌表现出的预激活和共收缩现象对于环节运动的控制与协调具有一定的意义。最后被激活的肌肉是肱桡肌（73％），这是因为在伸肘动作开始后需要前臂的内旋配合（肱桡肌收缩），最终形成拳背朝上的姿态完成击打。

4.2 出拳击打环节所测肌肉做功百分比和aEMG

在表面肌电研究中有关表面肌电－肌力的关系一直都是研究的热点［19］。大量研究表明，在一定条件下，各种肌肉负荷形式下肌肉收缩力或输出功率的变化与sEMG信号的振幅间存在着良好的线性关系，肌肉收缩强度加大，肌电图的幅值增加；同时积分肌电与肌力之间也存在高度相关关系［10，21］。因此，积分肌电是评估肌肉活化程度和用力程度的一项重要指标。

研究结果显示，环节运动所测肌肉做功百分比差异明显（图3）。所测肌肉做功百分比方面，三角肌前束和肱三头肌两块上肢肌肉的用力程度明显高于其他4块肌肉，这可能与出拳击打环节的动作结构有关，同时也与前人的研究在一定程度上相对应［7］。出拳击打是一个复杂但同时又协调配合的运动链，相对于肩髋转动角的活动幅度，肩肘关节在整个环节运动链中运动幅度大（图2），且三角肌前束和肱三头肌的屈肩、伸肘运动又是在瞬间爆发式用力完成，因此，三角肌前束和肱三头肌从运动形式的表现来看，肌肉做功百分比高于其他肌肉也是合理的。aEMG结果（表2）显示，所测肌肉aEMG与其做功百分比有着相对一致的趋势，三角肌前束、肱三头肌和股二头肌在击打过程中显示出较明显的主导作用。后手直拳的专项力量训练中提供一定的参考：在出拳击打的训练上除了注重技术规范，协调发力外，还要强化三角肌前束、肱三头肌和后支撑腿的股二头肌力量训练。

4.3 出拳击打环节运动学变化情况

拳击后手直拳技术躯干运动主要是绕垂直轴的转动带动上臂、前臂运动。躯干转动角的变化主要表示两肩和两髋连线投射的夹角在XY平面内的运动情况。研究结果表明（图2），出拳击打环节肩髋转动角度范围为18.58°，其转动幅度相对于其他关节，几乎可以忽略不计。虽然转动范围有限，但躯干的反向扭紧增加了相关肌群（躯干肌肉和三角肌）的弹性能储存并获得更大击打空间。理论上躯干扭转角在拳击实战中随临场情况和战术需求会有所变化，因此，本研究所得到的肩髋角转动范围仅代表本实验设计中的结果。肩髋转动角的运动实际代表了躯干的扭转运动。躯干的作用主要是将下肢产生的原动力传递到出拳侧手臂，为出拳侧的最后击打提供稳固的肩部支撑。动作开始时躯干反向扭转，带动骨盆也产生轻微后旋，然而躯干的扭转幅度要大于骨盆的扭转幅度，在击打初期（图2：38％），出拳侧肩关节位置开始向后超越同侧髋关节点，至动作的75％处达到最大扭转，随后躯干开始前旋发力，在图4中可见此时肩关节点的速度开始明显上升，同时也带动手臂的向前运动，但肘关节角度仍未出现明显变化（图2），当躯干前旋至击打动作的83％处，肩关节向前超越同侧髋关节点，此时肘关节已有明显发力迹象。图4中3个考察点的速度峰值有一个明显的时间次序：肩峰点→上臂环节质心→拳心。结合图2和图4，我们可以做出以下的理论推断：向前击打过程中躯干肌肉的向前扭转作用最先对拳速产生贡献，随后三角肌发力使前臂（包括上臂和手）的速度进一步增大，最后在肱三头肌的爆发性收缩下，前臂（手）的速度达到了峰值（95％）。拳速峰值对应的肘关节角度约为120°，这也验证了拳击击中目标物时手臂并未完全伸直，且速度是由高速突然减速的结论［2］，结合肌肉活动可知手臂肌肉的共收缩对肘关节的固定，对形成精确击打具有积极的意义。

4.4 相关肌群对拳速的贡献分析

击打效果主要取决于击打的速度和质量。理论上，击打效果的最终评定应由被击打物体的运动状态来评估。击打动量取决于出拳时的击打质量和击打速度，击打动量越大，传递的动量也越大，在弹性碰撞中主碰物体的质量和速度越大，被碰物体的速度也越大［5］。在质量相对固定的前提下，拳心速度是获得良好击打效果的一个前提性因素，如前所述，相关肌群的依次发力导致运动链产生鞭打效果，使末端速度达到最大。然而这些肌群在发力过程中并不是简单的依次“开”与“关”，肌肉活动在时间顺序上存在重叠，因而只能定性估算这些肌群对最终拳速的贡献：如图4所示，出拳侧肩峰的速度的获得在动作结构上主要来源于下肢和躯干肌群的发力，在完整动作时间的90％处肩峰点速度达到峰值，若以最高拳速为参照，其贡献度达到44.6％。在此基础上，三角肌前束发力产生肩关节屈运动，使手臂（上臂质心）速度进一步上升，其贡献度大约占最高拳速的11％。最后三头肌的发力使拳速达到了峰值，其贡献度大约为44.4％。由此可见，下肢肌群和躯干肌群及伸肘肌群对拳速的贡献是主要的，两者贡献度相当，三角肌对拳速的贡献较小。从本研究对优秀运动员的这一结果来看，下肢和躯干扭转对拳速较高的贡献度提示在运动训练中应重视这些肌群的爆发力训练。

5 结论

1.拳击后手直拳出拳击打环节所选肌肉活动呈现从下肢向上肢激活的次序性。击打过程中三角肌前束、肱二头肌和肱三头肌在相应时间位置上出现的预激活和共收缩现象值得关注，这可能也是反映运动员技术水平和特点的肌肉活动指标。

2.在肌肉贡献度和aEMG方面，三角肌前束、肱三头肌和股二头肌在动作过程中表现出相对重要的地位。

3.上肢相关肌群的活动次序与肩关节、上臂环节质心和拳心速度变化的时序性有着合理的解剖学相关，是产生上肢开放链鞭打动作的根本原因。

4.针对出拳击打环节下肢和躯干的肌群对拳速的贡献，运动训练中应注意强化相关肌群的爆发力训练。

6 展望

本研究提供的优秀运动员在后手直拳出拳击打环节中的肌肉活动特点和运动学表现为运动训练实践提供了一定的参考。将来的研究可在两个方面进一步深入：1）考察更多的相关肌群，包括躯干肌群和前支撑腿的相关肌群；2）对不同水平运动员进行比较，有利于对动作技术的生物学机制的更好理解。

［1］何正方，吕永祥.拳击［M］.北京：人民体育出版社，1997：27.

［2］艾里尔博士来华讲学专辑［M］.中国运动生物力学学会，1983：42.

［3］弗拉基米尔M.扎齐奥尔斯基 主编.运动生物力学－运动成绩的提高与运动损伤的预防［M］.陆爱云 译审.北京：人民体育出版社，2005：614－615.

［4］曹辉，王子羲，季林红，等.速滑中腿部肌肉协调性同步肌电分析［J］.清华大学学报，2005，45（8）：1072－1075.

［5］谷晓红，于军.拳击运动中有关生物力学原理应用的若干问题［J］.辽宁体育科技，2006，28（2）：30－31.

［6］高强.表面肌电图自动分析的应用［J］.中国运动医学杂志，1985，4（2）：95－102.

［7］郭峰，张日辉.优秀女子拳击运动员后手直拳技术动作上肢肌肉表面肌电分析［J］.沈阳体育学院学报，2009，28（4）：65－68.

［8］孙砺.女子抓举技术动作的肌电分析［J］.山东体育科技，2007，29（1）：36－38.

［9］李永智.2种不同起跑动作的生物力学实验研究［J］.中国体育科技，2002，38（5）：54－56.

［10］刘述芝，吴瑛，李玉章.我国部分优秀男子跳远运动员起跳环节肌肉用力特征分析［J］.上海体育学院学报，2011，35（2）：62－65.

［11］刘云峰，施伯雄.直拳技术的力学原理［J］.浙江体育科学，2001，23（2）：52－53.

［12］刘宇.生物力学在运动控制与协调研究中的应用［J］.体育科学，2010，30（11）：62－73.

［13］麦康德.浅析直拳在拳击比赛中的应用［J］.军事体育进修学院学报，2008，27（4）：80－82.

［14］马南京，张兵.拳击和武术打击动作的生物力学比较［J］.辽宁体育科技，2005，27（4）：18－22.

［15］孙有平，隋新梅，钱风雷，等.基于sEMG的男子旋转推铅球运动员单支撑阶段肌肉用力特征研究［J］.体育科学，2010，30（1）：44－50.

［16］王健.sEMG信号分析及其应用研究进展［J］.体育科学，2000，20（4）：57－60.

［17］张清华，华立君.男子排球上步扣球起跳技术的生物力学分析［J］.体育科学研究，2008，12（2）：65－67.

［18］张秀丽，刘卉.国家队射箭运动员动作技术的肌电特性［J］.中国体育科技，2007，43（6）：71－74.

［19］CARLO J，DE LUCA.The use of surface electromyography in biomechanics［J］.J Appl Biomechanics，1997，13：135－163.

［20］C D MARSDEN，J A OBESOAND，J C ROTHWELL.The function of the antagonist muscle during fast limb movements in man［J］.J Physiol，1983，335：1－13.

［21］HEIKKI KYRO，JANNE AVELA.Changes in muscle activity with increasing running speed［J］.J Sports Sci，2005，23（10）：1101－1109.

［22］J KEITH GULLEDGE，JESU＇S DAPENA.A comparison of the reverse and power punches in oriental martial arts［J］.J Sports Sci，2008，26（2）：189－196.

［23］KIBLER WILLIAM B，CHANDLER T.Muscle activation in coupled scapulohumeral motions in the high performance tennis serve［J］.British J Sports Med，2007，41（11）：45－749.

［24］KNUDSON D，BLACKWELL J.Trunk muscle activation in open stance and square stance tennis forehands［J］.Int J Sports Med，2000，21（5）：321－324.

［25］MASAYA HIRASHIMA，HIROSHI KADOTA.Sequential muscle activity and its functional role in the upper extremity and trunk during over arm throwing［J］.J Sports Sci，2002，20：301－310.

［26］PETER KONRAD.A practical introduction to kinesiological electromyography［Z］.USA：Noraxon INC，2005：29－33.

［27］PAUL L，GRIBBLE，D J OSTRY.Independent co－activation of shoulder and elbow muscles［J］.Experimental Brain Res，1998，123（3）：355－360.

［28］PETER WAYERS，PETER L STRICK.Influence of strategy on muscle activity during ballistic movements［J］.Brain Res，1981，207（1）：189－194.

［29］SMITH P K，NIILER T A.Relationship between muscle activation sequencing and segmental motion during punching［J］.Med Sci Sports Exe，2008，40（5）：378.

［30］DAVID WINTER.Biomechanics and motor control of human movement［M］.Hoboken，N J USA.John Wiley Sons Inc.2009，A Wiley－international Publication，1990：271.