基于多源传感信息的赛艇实船运动生物力学特性研究

苏 辉 ，华凌军 ，祝兴海 ，高云刚 ，李小华 ，白骥龙 ，杜芳玲 ，刘 毅 ，张英平，刘 扬

基于多源传感信息的赛艇实船运动生物力学特性研究

苏 辉1，华凌军1，祝兴海1，高云刚1，李小华1，白骥龙1，杜芳玲1，刘 毅1，张英平1，刘 扬2

通过自主研发在桨栓与脚蹬板两个重要支点处的力学信息获取装置，研究了桨栓力、脚蹬力的发力特征，基于桨力、脚蹬力的传感信息与实船同步评价系统，对国家队优秀桨手的实测数据进行深入分析，揭示了赛艇运动的本质在于“手—躯干—腿”三者的协调用力。好的划船技术一定是基于腿部做功的，并且能够通过躯干的传递作用将腿部的力量传送至手上。

赛艇；运动生物力学；桨力；脚蹬力

1 研究背景

赛艇是一项技术性很强的项目。即使是看似微不足道的技术方面的缺陷也会在整个2 000m比赛中被足够放大，试想如果因为技术的改进能够带来每个动作周期0.01s成绩的提高，那么对于整个全程来说会带来2.4s左右（以全程240桨左右计算得出）成绩的提高，2.4s对于奥运会、世锦赛这种层面的比赛足够决定冠军的归属。

因此自上世纪70年代以来，各国研究人员都致力于利用先进的制造技术、检测技术、信息处理技术等开发各式各样的实船测试系统，并通过对实船测试数据的深入分析来对桨手技术的改进提供科学依据。在实船测试系统研发方面，国外早期的有原东德运动科学中心与洪堡大学合作设计的生物力学测试装置［1］，国内实船测试系统可见于 2005 年郑伟涛［2］研制的赛艇实船力量测试与技术评定系统，Kyle C.Pilgeram［3］等人于2006年研制出可检测桨力与角度的实船测试系统并对3名桨手的进行了测试和评价。总体而言当前实船测试系统还集中在运用多维（单维）力传感器对桨栓受力的检测。在实测数据的解析方面，彼得总结了3种赛艇技术特点的桨力－时间曲线图，即第一种类型强调拉桨的中途阶段的腿部、上体和臂部肌肉的发力；第二种类型强调拉桨的结束阶段的上体和臂部肌肉的发力；第三种类型强调拉桨开始阶段腿部的发力。综上所叙，从已有文献和各方面渠道反馈来看，当前各种实船测试系统及其评价方法对桨手技术的改进、赛艇项目规律的把握起到了很好的促进作用，但它们都存在一个共同的问题：只针对桨力进行了检测和评价，却忽视了对人体最大肌群——脚蹬力的检测与评价。但事实上，虽然桨力是人－船－桨整个系统前进的唯一动力，但桨力的大小归根结底取决于桨手能产生多大的脚蹬力［4］。好的划船技术是一定基于腿部做功的，只有充分利用腿部力量并通过躯干的传递作用将腿部力量传送至桨上才是船划得快的关键要素，这种连接本质上就是手－躯干－腿三者的协调发力。因此以往仅仅基于桨力的评价机制并不能全面评价桨手的划船技术，只有形成形成对桨力和脚蹬力的同步评价机制才能更加客观、全面的反映桨手的划船技术。

正是基于上述背景，本研究紧密结合国家赛艇队备战奥运会的科研需求［5］，开展了以桨力与脚蹬力为核心的多源传感实船测试系统的研究工作。

2 研究方法

2.1 多源传感信息的获取

在桨力信息获取上，为消除测试仪器给桨手带来的影响，破坏其原有的划船感觉，改进了奥地利Weba系统桨栓结构设计方面的缺陷，采用二维十字梁结构应变式传感器测量桨杠对桨栓的压力，保证了测试桨栓与实际使用的桨栓的机械结构的一致，据此利用杠杆原理和牛顿第三定理推算桨叶所受水的推力。同时角度传感器与桨栓连动，可测量拉桨中桨栓与船体行进方向的夹角。桨栓传感器实物图1所示。

图1 桨力传感器实物图

图2 脚蹬力传感器实物图

在脚蹬力信息获取上，采用本单位自行研制的五维力传感器［6］可同时检测X、Y、Z三个分向的力以及 X方向和 Y方向的扭矩Mx和My。脚蹬力传感器实物如图2所示。从图片可以看出，传感器安装后鞋的高度会比正常情况下高出约20mm左右，在实际测试中，可通过调节桨架高度或者脚踏板位置消除这种差异。

2.2 多源传感信息的同步与采集

多功能中央处理器在统一时序控制下，可完成桨力、脚蹬力、船体加速度等多源传感信息的同步采集、存储和传输。中央处理器可单独使用进行单人艇（双单）测试，也可通过级联方式进行多人艇测试。为适应水上环境，采用工业级防水标准。为方便日后系统升级以适应训练反馈和教练艇无线监控等需要，控制器预留无线接口等模块。

2.3 多源传感信息的分析

通过专业的分析软件可对运动生物力学的各项指标进行深入分析，绘制力量—时间、力量—角度等各种曲线，自动生成运动生物力学的测试报表。

3 研究结果

3.1 力学模型分析

在人—船—桨系统中，桨起到了重要的作用，它将人的力量通过杠杆原理传递给桨叶，从而形成推进整个系统前进的唯一动力。因此先以桨为研究对象，如图3所示，为桨栓支点处受力值，是通过传感器可以直接测试的参量。

图3 桨受力分析示意图

Fh为桨柄处受力值，Fb为桨叶处受力值，运用杠原理可推算出Fh和Fo之间以及Fb和Fh之间的相互关系：

下面再以桨手为研究对象，建立起施加于桨柄处的受力Fh与桨手脚蹬力Ff之间的力学方程。

图4 桨手受力示意图

如图4所示，x方向与船行进方向平行，z方向与重力方向平行，人体受到四个力：脚蹬版对脚的反作用力、桨柄对桨手的反作用力、人体重力、滑座的支持力。

在x方向上，可建立如下方程：

其中Fh为施加在x方向上桨柄的力量，Ff为施加在x方向上脚蹬的力量，m为桨手的体重，a为x方向上桨手运动加速度。相关研究表明，垂直方向的分量对于艇的推进力和阻力影响很小，在此不做讨论。

基于上述力学方程的建立，方程（1）、（2）表明：桨叶作为整个人－船－桨系统前进的唯一动力，取决于内外柄的比例和桨柄处所受的力；方程（4）表明桨柄处所受的力又绝大部分取决于脚蹬上的力量。因此作为在整个系统中承担动力角色的桨叶上的力来说，其主要来源就是桨柄和脚蹬两个支点的受力大小。基于此下面对于实测数据的分析笔者将会围绕桨栓和脚蹬板两个支点的受力情况展开，并揭示出赛艇运动的本质在于手－躯干－腿的协调发力。

3.2 数据分析

在国家赛艇队女子双桨组中选取两名较有代表性的桨手做为研究对象，图5、图6分别展示了这两名桨手在同样桨频sr＝32下的手和脚的力量－时间曲线，表格1、表格2和表格3则是桨手1和桨手2在此桨频下的主要运动生物力学参数统计。

图5 桨手1的手和脚力量－时间曲线Sr＝32

图6 桨手2的手和脚力量－时间曲线Sr＝32

表1 入水时刻

表2 入水阶段（A-B）各项运动生物力学指标

表3 动力阶段（B-C）各项运动生物力学指标

如图5、图6所示，为了方便对测试数据的分析，笔者根据多年从事赛艇运动生物力学技术诊断的经验，对拉桨的动作结构在时域上进行了如下划分，如图所示，A点为拉桨开始时刻，定义此时刻为0，B点为打开髋关节上身开始发力时刻，C点为拉桨结束时刻。A点到B点这一时间段定义为入水阶段，B点到C点定义为动力阶段。下面的分析将根据这两个时间段的划分来展开。

入水阶段是整个拉桨动作的第一个重要技术环节，只有桨叶在入水阶段迅速的建立起牢固的水下支点才有可能完成一次有力的拉桨。如表格2所示，激发时间、激发高度、激发速度、手脚激发速度比是评价桨叶入水质量的4个重要指标。前三者的关系是激发速度等于激发高度除以激发时间。激发时间是指从A点拉桨开始时刻至B点打开髋关节时刻所耗费时间，由于前面已经定义A时刻为零时刻，因此激发时间就是B点时刻。从表格2可以看出，在前三个指标上，除左脚激发高度和左脚激发速度等指标外，桨手2的大部分指标都好于桨手1。此现象表明如果以孤立的视角来分别对待手上发力和脚上发力时，桨手2较桨手1来说无疑是优秀的。接下来，重点介绍一下手、脚激发速度比，它是用来考察手和脚配合协调发力的一个重要指标。如表格2所示，桨手2的左手激发速度高达1 281N/s，但是其左脚激发速度仅仅只有162N/s，两者相差竟8倍。从力量－时间曲线上来看，脚蹬力发力时间明显早于手发力时间，当A时刻桨叶入水时，脚蹬力已经提前发力并已经有272牛顿的力量，而其B时刻脚蹬力值为298牛顿，也就是说，从A至B，桨手2的脚蹬力激发高度仅仅只有20牛顿，相反其左手激发高度却高达205牛顿。这种手、脚力量上升趋势的巨大差异归根结底还是由于手－躯干－脚发力的不协调造成的。当腿部开始发力时，躯干没有起到应有的力量传递作用，手和脚变成了两个相对独立的发力机构而不是一个有机的整体，造成的结果就是脚蹬力在A时刻以前的做功都是无用的功，对于入水阶段迅速提升桨力是没有任何帮助的。相反，桨手1虽然在激发高度、激发速度等指标上没有桨手2高，但其手和脚的激发速度的比值更接近于1，说明了桨手1的手上和脚上的力量的上升趋势保持着很高的一致性，这一点从力量－时间曲线也能直观的反映出来。这种高度的一致性本质上就在于手－躯干－腿三者之间的协调用力，腿上的力量能够通过躯干的传递作用及时传送到手上。在这里笔者再强调一下躯干的传动作用，在多年的测试中，很多运动员自我感觉入水阶段脚上用了很大的力量但船速的提高却并不明显，在笔者多年的测试中也会经常出现男子公开级别的桨手在入水阶段力量上升的峰值和速度还不如优秀的女子桨手，其实问题的根源就在于脚虽然狠狠地蹬在了船上，但却没有利用腰部和上肢的连接将脚蹬板的反作用力传送至桨上，或者说只传送了极少的一部分力量给桨，躯干完全散失了应有的作用，下肢和上肢成为了两个相对较为独立的发力机构，这样的发力模式不但对于船的推进没有任何作用，更为严重的是由于脚蹬的发力方向是与船前进的方向是相反的，它会使船有极大的负向加速度，从外在看，能明显感觉到船速的停顿。因此，在入水阶段，不但希望桨手用最短的时间迅速提升桨力的同时（即激发速度快），更为关键的是手上和脚上的力量的上升的趋势要保持高度的一致性（即手腿激发速度比值接近1）。

从B时刻至C时刻的动力阶段提供了人－船－桨系统前进的大部分动力来源，这一点从B时刻至C时刻曲线所包含的面积也能直观的反映出来。在这个阶段，笔者认为以下几个方面最为核心：手和脚的力量曲线走势、力量峰值、拉桨幅度、做功面积、左右的一致性、力量的连贯性。

如图6所示，从曲线走势上来说，桨手2的左手力量从B时刻开始一直呈现下降趋势，直至桨叶出水，但其左脚力量从B时刻开始却呈现上升趋势，并在C时刻达到力量峰值。桨手2这种异常明显的手、脚截然相反的曲线趋势走势相对于其在入水阶段的表现来看，手和脚的脱节更为严重，完全成为了两个独立的发力机构，躯干在这一阶段已经散失了对上肢和下肢的连接作用，腿部力量仅仅是是作用在船上。

相反，如图5所示，桨手1的手和脚的力量－时间曲线走势在动力阶段仍然保持着高度的一致性，从B时刻开始都呈现出上升的趋势，并在C时刻附近达到其力量峰值，整个力量－时间曲线走势反映出一个更加合理的技术动作：最大限度的延长了腿部做功和支撑的时间，打开髋关节后身体重量尽量挂在桨上并尽可能晚的坐在滑座上。需要指出的是，虽然希望尽可能延长腿部的做功时间，但是无论如何，由于发力顺序的原因，腿部做功一定会会先于手上做功结束，这是无法避免的。从表格3来看，表现在腿上力量峰值出现的时刻会稍早于手上力量峰值出现的时刻，但绝不会象桨手2那样在B时刻腿部力量就已经到达其峰值，正常情况下应该出现在拉桨的中末期。

力量峰值、拉桨幅度、做功面积是评价桨手水上专项能力素质的重要指标。三者大体的关系是力量峰值反映了力量－时间曲线的高度，拉桨幅度反映了力量－时间曲线的宽度，两者的乘积即为桨手的每桨做功面积。如前所述，虽然从曲线走势上来看，桨手1有着不错的手－躯干－腿协调发力的感觉，但从表格3来看，其水上专项能力素质相对桨手2来说还有待加强。相反，桨手2的各项专项能力素质虽然要强于桨手1，但由于技术方面的缺陷使专项能力并不能带来船速的提高。

左右的一致性是划船技术中容易被从业者忽视的一个重要技术环节，但不可否认的是它也是船划得快的重要前提之一。如表格2所述，无论是桨手1还是桨手2，其左边和右边的指标的差异性都较大，如桨手1的左脚激发高度为80，而右脚为20，相差4倍；桨手2的左手激发高度为205N，而左脚仅为26N，相差近7倍。如图6所示，这种差异从力量－时间曲线更能直观的反映出来：当桨手2的左脚力量达到其力量－时间曲线走势的峰值时，其右腿的力量在曲线的谷底；左腿力量峰值和右腿力量峰值出现的时刻明显错开；无论是手上还是腿上，曲线的轮廓差异明显，尤其是腿上的曲线。上述这些左右较严重的差异性对于优秀的桨手来说都是致命的缺陷。事实上，左右高度的一致性恰是身体协调发力的外在表现。从另一方面说，高度的一致性能够保证船在行进的过程中更加平稳，不致于因为左右力量的不均衡造成船体姿态过于左右摆动，从外在看，就是船的行进路线是S型而不是尽可能的沿着直线在前行。多年的大量测试数据表明：越是优秀的桨手，左右两边的一致性越高。

力量的连贯性是指力量－时间曲线在整个入水和动力阶段有无明显的二次发力现象。观察力量－时间曲线，在入水阶段，桨手1的腿部有明显的力量上升、下降、再上升的趋势。而在动力阶段，桨手2的二次用力现象更加明显。造成二次发力的原因有很多，比如入水时桨叶入水太深、脚蹬用力过大跑滑座等等。但无论何种原因造成的二次发力都能直观的反映在力量－时间曲线上。在二次发力出现的时机上，相对来说，B时刻即打开髋关节的一瞬间是二次发力的高发时段，尤其对于双桨桨手来说这种现象更为普遍，即使很多的优秀桨手在B时刻也容易出现力量的稍微停顿。但对于单桨桨手来说，优秀的单桨桨手在B时刻的连贯性会更好，从曲线上基本看不出来力量的明显停顿。但实际教学上，还是需要强调桨手要养成连贯的发力习惯，因为这会使得多人艇的配艇工作更加容易。

最后，指出一个细节问题，即使是合理的技术，由于回桨时人的运动方向是向船尾的，因此在A时刻入水前脚总会对脚蹬板施加些压力，但无论如何，希望这种力量越小越好，因为在回桨阶段，桨叶已经出水，脚蹬力完全成为了破坏船前进的阻力。

4 研究结论

通过自主研发在桨栓与脚蹬板两个重要支点处的多维力信息获取装置，研究了桨栓力、脚蹬力的发力特征，揭示了赛艇运动的本质在于手——躯干——腿三者的协调用力。好的划船技术一定是能够最大限度利用腿部力量并能够通过躯干的传动作用将腿部力量传送至桨上。躯干的传动作用至关重要，只有充分利用躯干的传动和连接作用，才能保证手/腿的力量－时间曲线的走势具有高度的一致性，否则，就会象桨手2那样身体躯干失去了力量的传递作用，手和腿成为了两个独立的发力机构，两者的力量－时间曲线的走势截然相反，在这样的情况下，腿不但不能够提供人－船－桨系统前进的动力，相反，由于腿部产生的反向破坏力会成为整个系统前进的阻力。

最后，笔者对手——躯干——腿三者的协调用力的要点做个简单总结：

1）桨叶上的力是人－船－桨整个系统前进的唯一推进力，而桨叶上的力归根结底取决于桨手能产成多大的脚蹬力，同时通过躯干的传递作用能传输多大比例的脚蹬力给手。

2）桨叶入水时应该通过腰部和上肢的连接将脚蹬力量及时传送至桨上。从曲线上看就是手和脚的力量－时间曲线走势应保持高度的一致性。

3）桨叶入水时要控制桨叶深度，太浅容易漂桨，太深容易造成二次用力。

4）动力阶段是指打开髋关节的瞬间直至桨叶出水，这一阶段的做功占据了绝大部分的动力来源，因此在这一阶段应最大限度延长腿部的做功和支撑时间，同时身体重量尽量挂在桨上并尽可能晚的坐在滑座上。从曲线走势来看，力量－时间的走势应该紧接着桨叶入水的激发高度继续保持走高的趋势，直至桨叶出水。

5）由于身体的限制和发力时机的差异，脚上力量的峰值会比手上力量的峰值稍早出现，但总体来说，手和腿的力量的峰值都应该出现在拉桨的中末期而不是拉桨初期的入水阶段。

6）无论是手还是脚，左右两边的力量－时间曲线应尽量保持高度的一致性，避免一边力量过大或过小而造成船体在行进过程中的左右摇摆。

7）应尽可能的延长每桨做功时间，增加每桨有效幅度，从而增加每桨输出功率。

8）在桨叶入水前应尽可能少的对脚蹬板施加压力。

9）最后，再次强调，手和腿的力量－时间曲线的趋势应该具有高度的一致性。这种高度的一致性的内在意义就在于保证了手－躯干－腿三者的协调发力。

［1］ Schwanitz P.Applying biomechanics to improve rowing performance［J］.FISA coach，1991（03）:1-7.

［2］ 何海峰，郑伟涛，马 勇，等.赛艇运动技术的力学原理及测试分析［J］.武汉体院学院学报，2005（04）:74-78.

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Biomechanical Characteristics of Rowing Based on Multi-source Information

SU Hui1， HUA Ling-jun1， ZHU Xing-hai1， GAO Yun-gang1， LI Xiao-hua1，BAI Ji-long1， DU Fang-ling1， LIU Yi1， ZHANG Ying-ping1， LIU Yang2

This paper studied an information acquisition system，based on the oar force sensor and the stretcher force sensor.This test showed that the essence of rowing was hand-trunk-leg coordination force.A good rowing technique must be based on leg drive，and transfer the leg strength to the oar through the trunk transmission.

Rowing； Sports biomechanics； Oar force； Stretcher force

G80-05

A

1003-983X（2017）12-1078-05

2017-10-15

苏 辉（1982～），男，陕西西安人，中级职称，研究方向:运动训练.

1.陕西省水上运动管理中心，陕西 杨凌，712100；2.中国科学院合肥物质科学研究院，安徽 合肥，230031 1.Shaanxi Water Sports Administrative Center， Yangling 712100， China； 2.Hefei Institute of Physical Science，Chinese Academy of Sciences， Hefei 230031，China

刘 扬（1979～），男，安徽池州人，中级职称，硕士，研究方向：体育科研器材研发、赛艇实船运动生物力学，E-mail:397681150@qq.com