齊步動作的運動學分析

孟進蓬,劉應,于波

(陸軍炮兵防空兵學院 軍事體育教研室，安徽 合肥 230031)

單個軍人齊步行進是軍人步態諸元中最為基礎的構成單元，也是軍人最為常見的步態之一，盡管隊列條令和相關書籍較詳細地描述了齊步動作的基本技術，但目前為止，從動作角度分析齊步動作各個關節內在聯系的研究并不多見。因此，本文在現代體育運動科學理論指導下，以各大關節角度的變化與隊列條令對受試者的齊步動作進行實驗測試，獲取了齊步動作五大關節角度隨時間運動變化的數據，有助于對齊步動作技術進行合理客觀的評定，為隊列條令以及動作技術描述提供科學的理論依據和數據支持。出于以上考慮，本研究選擇齊步動作過程中五大關節角度在三維空間中隨時間的變化進行研究。期待能夠找到齊步動作的特征與關鍵技術環節和動作的一般規律，進一步挖掘整理隊列理論研究，進而在實踐教學中正確地分析齊步動作關節結構關系。無論是發揚軍事隊列動作風格，還是提高隊列動作教學和訓練的水平，都有一定的研究和借鑒價值。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

選擇3名被試對象，年齡(27.29±2.22)y，身高(175.00±3.87)cm，體重(69.88±5.63)kg；所有參加測試的人員均能夠高標準的熟練完成齊步與立定(4步以內的行進與停止連貫)動作。

1.2 研究方法

1.2.1 器材與過程

實驗儀器：采用瑞典Qualisys AB公司生產的Qualisys Motion Captu Sreystem-ProReflex MCU500高速紅外運動捕捉系統。實驗系統采用互成60度角的六臺MCU，它們依次串聯進行同步測量。

實驗場地布置：采用6個Qualisys紅外高速攝像頭串聯起來與計算機相連，各個紅外高速攝像頭擺放的高度約1.9～2.0m，采集時間設為20 s，采集頻率為100 Hz。三維坐標系定義為：左右方向為Y軸，前后方向為X軸，上下方向為Z軸。所有鏡頭和測試空間均通過標定，符合實驗要求。

身體標志點：根據實驗需要，本實驗選取頭部2個(頭前：額前發髻線中點；頭后：顱骨后中點)。上肢8個(左右肘外：左右肱骨外上踝；左右手腕外：尺骨莖突與橈骨莖突之間；左右手：左右手中指第二指節中點；左右肩：左右肩峰)。軀干5個(第七頸椎：第七頸椎棘突；第2腰椎：第2腰椎棘突；第5腰椎：第5腰椎棘突；左右骨盆前：左右髂前上棘)。下肢10個(左右股骨大轉子；左右膝內：左右股骨內上踝；左右膝外：左右股骨外上踝；左右外踝：左右脛骨外踝最高點；左右腳跟：左右跟骨；左右腳尖：左右第二跖趾關節)共計27個紅外反射標志點固定在受試者身上。

1.2.2 測試動作與指標

測試動作：采用齊步與立定的連貫動作，即4步內完成齊步行進與立定動作。依據齊步動作技術特征與研究的需要，將該動作過程劃分為12階段即：立正姿勢→預備期→左腿擺動期→雙支撐期→左單腿支撐前期→左單腿支撐后期→雙支撐期→左腿擺動前期→左腿擺動后期→雙支撐期→靠腳→立正姿勢。具體過程為測試者在測試范圍內完成3～5次齊步與立定連貫動作，選取效果最好的3次動作進行保存。一名受試者進行測試，下一名受試者換衣并進行測試準備活動。

實驗指標：本研究的主要目的在于探討齊步動作各關節空間角度特征，結合隊列條令等方面的要求選取的指標主要有肘、肩、髖、膝、踝五大主要關節的關節角度在三維空間運動變化值(有關指標定義按運動生物力學通常使用的關節角定義方法定義)。

1.2.3 數據處理

選取動作質量最好，以及拍攝過程中丟點最少、數據最完整的一個動作進行分析，并進行丟失數據的補充。用系統自帶的QT軟件獲得各個標志點的三維坐標和各個關節隨時間變化的角度。利用Excel、Origin 、SPSS17.0軟件對相關標志點和對關節角度三維坐標數據進行計算、平滑與分析。

2 實驗結果與分析

按照隊列條令的齊步行進動作要領：左腳向正前方邁出約75 cm，按照先腳跟后腳掌的順序著地，同時身體重心前移，右腳照此法動作；上體正直，微向前傾；手指輕輕握攏，拇指貼于食指第二節；兩臂前后自然擺動，向前擺臂時，肘部彎曲，小臂自然向里合，手心向內稍向下，拇指根部對正衣扣線，并高于春秋常服最下方衣扣約5 cm(著夏常服、水兵服時，高于內腰帶扣中央約5 cm；著作訓服時，與外腰帶扣中央同高)，離身體約30 cm；向后擺臂時，手臂自然伸直，手腕前側距褲縫線約30 cm，行進速度116～122步/min[1]。實驗測試結果如表1。

表1 齊步關節角度測試結果/度

2.1 肘關節角度變化分析

通常在齊步行進技術要求中，僅僅講到擺臂定位時前臂肘關節自然微屈，后臂略直。具體操作時則憑感覺而定，因此，基本沒有什么標準。實驗結果表明：齊步行進中肘關節角度在157～179°之間變化。如圖1和圖2，其中右臂在3、9階段與左臂在6、7階段前擺“定位”瞬間臂“微屈” 的角度在(159.70±1.76)°；右臂6、7階段與左臂3、9階段后擺臂“略直”的角度在(175.70±2.76)°；從曲率變化頻次和表1數據分析發現，在相同階段的時間內，右肘關節變化頻次較左肘關節變化明顯，這說明在一個周期的齊步上肢協同動作中，右肘肘關節變化動作的掌握十分重要，在教學訓練中給予重要關注。

圖1 右肘關節角度隨時間變化曲線圖

圖2 左肘關節角度隨時間變化曲線圖

2.2 肩關節角度變化分析

與隊列條令要求“向前擺臂時，……拇指根部對正衣扣線，并高于春秋常服最下方衣扣約5 cm(著夏常服、水兵服時，高于內腰帶扣中央約5 cm；著作訓服時，與外腰帶扣中央同高)，離身體約30 cm；向后擺臂時，手臂自然伸直，手腕前側距褲縫線約30 cm”的比較，從圖3和圖4的實驗結果看，右臂在3、9階段與左臂在6、7階段前擺“定位”瞬間肩關節的角度為(15.070±1.16)°；右臂6、7階段與左臂3、9階段后擺臂到位時肩關節的角度為(22.870±2.76)°；從實測結果看，肩關節角度在齊步行進中前后擺的角度相差5°～8°。形成這一差別的原因主要是前擺時肘關節“微屈”與“上體保持正直，微向前傾”的身體形態有關，這與5、8、11擺臂經過垂直地面瞬間肩關節角度為(4.870±1.23)°相吻合。說明這個過程中肩關節的運動角度在前后(20.690±1.44)°，是前后協調一致的。從曲率變化頻次和表1數據分析發現，在相同階段的時間內，肩關節變化頻次相同，這說明在一個周期的齊步肩部協同動作較容易掌握，僅為前擺角度較后擺的大。

圖3 右肩關節角度隨時間變化曲線

圖4 左肩關節角度隨時間變化曲線

2.3 髖關節角度變化分析

在齊步行進中髖關節主要繞額狀軸轉動。測試結果顯示，齊步行進中髖關節角度在163°～187°變化，如圖5和圖6可見右髖關節角度在4、10階段與左髖關節在6、7階段及腳尖即將蹬離地面時的角度最大為(185.690±1.04)°；右髖關節角度在第5階段與左髖關節在3、8階段及擺動腳通過支撐腳正上方時的角度最小為(164.390±0.84)°。從曲率變化頻次和表1數據分析發現，在相同階段的時間內，左髖關節變化頻次較右髖關節明顯，突出左髖關節在齊步動作中是邁好第一步的關鍵。

圖5 右髖關節角度隨時間變化曲線圖

圖6 左髖關節角度隨時間變化曲線

2.4 膝關節角度變化分析

條例中要求“腿要直及腳著地時，腿部自然伸直；腳落地后，腿要保持挺直”。試驗證明，齊步行進中膝關節角度在123～179°變化，其中右、左膝關節除了在右、左腳擺動經過支撐腳時的圖7的第5和圖8的第8階段角度最小為(125.690±1.24)°與右、左膝關節在右、左腳蹬離地面時的圖7的第10和圖8的第2階段角度最次小為(146.690±1.24)°外，其他階段均在(178.390±1.05)°。從曲率變化頻次和表1數據分析發現，在相同階段的時間內，右膝關節變化頻次與左膝關節相同，這說明在一個周期的齊步下肢協同動作中，兩膝關節變化相同，僅為前后次序有別。

2.5 踝關節角度變化分析

在隊列條令中對于踝關節沒有明確要求，但在長期教學訓練中，要實現落地腿的相對較直與腳著地滾動前進的要求，實踐中就突出了落地腳主動翹腳尖的動作要領。從實驗結果看，齊步行進中踝關節角度在66～110°變化，其中圖9的第6階段與圖12的3、9階段正是右、左腳觸及地面時，其角度最小為(68.390±1.05)°；圖9和圖10的峰值為(107.220±2.05)°看出，此時正是右腳或左腳蹬離地面時為踝關節角度最大。從曲率變化頻次和表1數據分析發現，在相同階段的時間內，右踝關節變化頻次與左踝關節相同，這說明在一個周期的齊步下肢協同動作中，兩膝關節變化相同，僅為前后次序有別。

圖7 右膝關節角度隨時間變化曲線

圖8 左膝關節角度隨時間變化曲線

圖9 右踝關節角度隨時間變化曲線

圖10 左踝關節角度隨時間變化曲線

3 結論與建議

3.1 結論

由高速紅外運動捕捉及三維運動采集系統檢測出的圖形和數據，對隊列條令齊步動作描述進行量化解析：向前擺臂到位時肘關節角度為(159.70±1.76)°、肩關節角度為(15.070±1.16)°；向后擺臂到位時肘關節角度為(175.70±2.76)°、肩關節角度為(22.870±2.76)°。齊步行進間髖關節角度在(185.690±1.04)°到(164.390±0.84)°變化；膝關節角度在(125.690±1.24)°～(178.390±1.05)°變化；踝關節角度在(68.390±1.05)°～(107.220±2.05)°變化，從而發現提高隊列教學訓練科研等質量與水平的新方法。

3.2 建議

一是利用直觀角度概念進行隊列教學訓練，更加科學合理，如“手臂前擺肘關節微屈”變個提法“手臂前擺肘關節角度為(159.70±1.76)°”表述更加準確；二是利用角度衡量動作的規范性，更能表達“整齊劃一、協調一致”的內涵，如“手腕前側距褲縫線約30 cm”換成“前擺時肩關節角度為(15.070±1.16)°” 描述更加有利于身高差異較大者的協同配合和個性化區別對待訓練；三是利用“角度”進行隊列教學訓練，更符合軍事訓練要求，不受軍兵種與時間對著裝的限制，如“……高于春秋常服最下方衣扣約5 cm”等。

參考文獻：

[1] 中國人民解放軍總參謀部軍訓部.軍事技能(上冊)[M].北京:國防工業出版社，2012：109.