摆动腿技术

摆动腿技术（共7篇）

摆动腿技术 篇1

跳远技术由助跑、起跳、腾空和落地四个部分组成,其中起跳是关键。作为跳远起跳动作重要技术构成之一的摆动腿摆动技术对整个起跳阶段起着重要作用。根据试验研究得出:摆动腿的摆动加上双臂的摆动对起跳时的支撑反作用力所起的作用最大,约为64%,其中摆动腿占36%。摆动腿摆动技术在跳远起跳过程中对增加身体重心垂直速度起着重要作用。可见摆动腿摆动技术在起跳中有着极其重要的作用。

一、对起跳过程的阶段性认识

对于起跳阶段的划分,一般是以起跳脚着板,到起跳脚离板瞬间为止。有人将起跳技术分为起跳脚着地,缓冲和蹬伸三个阶段。并指出,摆动动作从技术角度上讲,是摆动腿在最后一步蹬离地面瞬间应立即开始积极地大幅度地加速摆动,并且认为,摆动动作对起跳效果的贡献率为15%～25%。有人认为以助跑最后一步摆动腿着地缓冲后开始蹬伸瞬间定为起跳动作开始时刻,则起跳分为摆动腿后蹬、身体腾空、起跳腿缓冲和起跳腿蹬伸四个阶段。这种划分方法更加突出地体现了助跑和起跳动作的紧密结合,充分体现了积极的缓冲动作对于提高身体重心腾起垂直速度的重要性。对跳远起跳过程的阶段性认识,不但符合跳远起跳助跑与起跳紧密配合的技术特点,也符合跳远技术发展的要求。

二、摆动技术机制的研究

跳远运动员的身体重心腾起垂直速度在缓冲阶段是通过加速摆动两臂和摆动腿来获得的,有研究发现,在缓冲阶段当垂直分力达最大值时,由摆动腿和两臂所产生的支撑反作用力占63.6%(有的研究结果为60%～70%),其中摆动腿引起的反作用力为36.6%。研究结果表明:起跳腿上板时摆动腿的摆动角速度与起跳脚的上板速度和着板角都显著正相关(r=0.6651和r=0.7223);缓冲阶段摆动腿平均摆动角速度与缓冲阶段重心垂直速度增加值显著正相关(r=0.7286),缓冲阶段摆动腿平均摆动角速度和此阶段重心水平速度损失值呈显著正相关(r=0.6431);腾起角与起跳全过程的平均摆动角速度高度相关(r=0.7512),与摆动腿摆动幅度显著相关(r=0.695)。摆动腿的角速度在起跳腿着地后至最大缓冲阶段不断增加,在蹬伸阶段摆动腿的角速度则不断减小至零。

跳远起跳技术中,“蹬”与“摆”紧密配合占有重要的地位,且已为人们所共识,而对如何充分利用摆动腿技术来提高运动员的抗缓冲能力,提高起跳效果,从而提高跳远运动成绩有着重要的理论价值和实践意义。

三、摆动腿摆动的运动学特征

(一)对上板速度的影响

有研究表明:摆动腿摆动角速度的增加引起起跳腿下压角速度的增加,从而加快起跳脚上板的速度和带动髋关节反向运动的速度,使上板时送髋充分,增大着板角度。着板角度的增大,使放腿距离和缓冲过程都缩短,重心的水平速度损失减小。着板时两大腿夹角可以用来衡量摆动腿的积极程度和摆动时机,摆动腿摆动早、摆动积极,着板时两大腿夹角缩小,有利于起跳腿积极下压,加快上板速度,减小水平速度损失和起跳脚着板时的冲击负荷,使身体重心在踏板瞬间处于较高的位置。

(二)对缓冲阶段重心速度变化的影响

缓冲动作的质量直接影响蹬伸效果。运动员在起跳腿脚跟接触踏板的瞬间,重心降至起跳过程中的最低点,随着缓冲和蹬伸动作的进行,重心轨迹曲线呈上升趋势,垂直速度持续增加。摆动腿的摆动速度越快,重心速度的增加值越大,重心在垂直方向上的位移也越大,使得缓冲结束时身体重心上升到较高位置,为随之而来的蹬伸提供有利条件。

缓冲阶段水平速度的损失包括两方面:一是与地面碰撞的消耗,二是一部分转变成弹性势能储存在肌肉中。部分水平速度的减小,能使垂直速度得到增加。从现代跳远技术的特点看,该阶段水平速度的损失是必要的。在较高水平速度的前提下以损失少量的水平速度换取较大的垂直速度,提高起跳效果是值得的。摆动速度快,则缓冲时间短,缓冲速度加快,利于获得较大的垂直速度和腾空高度及提高跳远成绩。

(三)对腾起初速度和腾起角的影响

摆动腿摆动速度值越大,加速度也越大,重心在垂直方向上的速度也增加,故提高了重心垂直速度和重心高度,由此缩短了蹬伸时间,加快了蹬伸动作的起始速度,有利于起跳腿伸肌弹性势能发挥,提高腾起初速度,增加跳远远度。摆动腿摆动速度快,加快了缓冲过程,提早了蹬伸时机,加快了蹬伸速度,从而提高了水平速度和垂直速度的转换,增大了腾起分速度和腾起角。有研究对中外运动员的离地角、离地时两大腿夹角数值与腾起角数值关系的对比分析发现:我国运动员离地角、离地时两大腿夹角较小,从而使腾起角较小。因此,重视对运动员摆动腿摆动速度和摆动幅度的训练对提高跳远运动员起跳腾起初速度及适宜的腾起角是非常重要的。

四、结束语

摆动腿摆动技术在整个跳远起跳阶段起着重要作用,但它只是起跳技术中的重要技术构成之一,在研究中还应注意从整体上把握跳远起跳及助跑、腾空和落地各技术环节之间的相互关系,以发现不同的技术环节之间、技术指标之间的内在联系。揭示其本质特征,形成更加正确的理论,并逐步在理论的指导下,实践中结合运动员的个人情况,从而使运动员的成绩不断提高。

参考文献

[1]米卫国等.跳远助跑速度与起跳技术研究现状分析[J].上海体育科研.2003(4).

[2]丁伟等.现代跳远助跑技术与起跳技术研究综述[J].山东体育科技.2005(3).

[3]陈毅清.摆动腿在跳远起跳技术中的运动力学分析[J].四川体育科学.2008(1).

[4]曹景川等.我国优秀女子跳远运动员在起跳过程中摆动腿技术分析[J].北京体育大学学报.2009(7).

摆动腿技术 篇2

摘 要 当代我国短跑技术已形成“后扒式”、“屈蹬式”、“髋动力”学说和放松技术四大主流方面。摆动腿的折叠是衔接蹬伸与后扒动作的中间链之一，优秀运动员的摆动推折叠时机相对较晚，这与相关肌群的发力时机和途中跑技术两因素有密切联系。注意把握摆动推折叠时机，将对短跑技术的改进提供帮助。

关键词 途中跑 摆动腿 折叠时机

一、现代短跑技术

我国短跑技术目前已形成四大主流方面，即“后扒式”、“屈蹬式”、“髋动力”学说和放松技术[1]。

（一）后扒式

“后扒式”强调摆动腿膝关节摆至最高处后，大腿主动下压，膝关节积极屈曲。若将足看成一个独立的支点，在接触地面的瞬间，足够快的后扒速度使足相对于地面的运动方向向后，地面对足的反作用力则向前。这样，当摆动腿着地时，地面反作用力将起到助力作用，较以往的“前戳式”地面反作用力形成的阻力有了质的提高[2]。

（二）屈蹬式

传统的“后蹬型”技术在支撑腿后蹬阶段，为最大限度地增加步幅，要求将膝关节完全伸直。但后来的研究结果表明，如果膝關节伸展180°，会导致胫骨关节面向股骨关节面滑动，髋关节和膝关节之间的距离反而会减少，既影响动作的幅度，反而会缩短步幅。“屈蹬式”技术要求运动员支撑腿在膝关节未完全伸直时完成后蹬并离地。这样，既可以在在不影响步幅的情况下增加步频，又有助于将身体重心维持在恒定的高度[3]。

（三）“髋动力”学说

髋关节处的肌纤维数远多余膝、踝关节，快速伸髋对跑速的影响远大于快速伸膝[4]，优秀运动员途中跑髋关节运动幅度和角速度明显高于普通运动员[2]，以髋动力为主的短跑技术已成为不争的定论。

（四）放松技术

由几十个重复动作组成的途中跑，两腿快速的交替运动被称为剪绞运动，主要包含着髋膝关节的快速屈伸交替，优秀的放松技术能让运动员在保持高速跑中协调肌肉的收缩与舒张，最大限度发挥肌体的能量并获得最高速度[5]。

二、摆动腿折叠时机比较分析

摆动腿的折叠是衔接蹬伸与后扒动作的中间链之一，是指运动员在进行途中跑时膝关节从足尖离开地面至屈曲到其最小角度的过程。所谓折叠的时机是指当膝关节屈曲至运动员个人最小角度时，同侧髋关节前侧角，即同侧大腿与躯干所成角度，也可以理解为当摆动腿充分折叠时，其送髋高抬腿这一动作进行的程度。

采用录像分析法对运动员100m途中跑的折叠时机进行研究，得出不同水平运动员在膝关节充分屈曲时，同侧髋关节前侧角度的平均值，其中世界级运动员（2013田径世锦赛前八名）为98.3°，一级运动员为147.5°，二级及以下运动员为179.5°。由此可见，水平越高的运动员，其摆动腿的折叠时机相对越晚。

三、影响摆动腿折叠时机的因素

（一）相关肌群的发力时机

在运动员完成摆动腿技术过程中，相关肌群全部做近固定工作。人体在近固定时主要屈髋肌群为髂腰肌和股四头肌中的股直肌，主要屈膝肌群腘绳肌和腓肠肌，其中腘绳肌在近固定收缩时除具有屈膝功能，还具有伸髋功能。因此，若腘绳肌过早收缩，则会对屈髋动作产生阻力，影响摆动速度。若腘绳肌在膝关节位于人体正中额状面之前时收缩，则此时肌拉力在垂直方向上的分力向上，有助于其完成高摆动作；虽然其在水平方向上的分力向后，但与完成“送髋”动作肌群产生的力量差距甚大，对动作影响极小。

（二）途中跑技术的不同

保持重心稳定，维持身体平衡是短跑速度的重要影响因素，无论是先进的“后扒式”结合“屈蹬式”技术，还是落后的“前戳式”结合“后蹬式”技术，都需要协调跑动时位于躯干前侧和后侧下肢的姿势与位置，以配合摆臂维持自身在矢状面上的平衡。从技术特点来看，“后扒式”足尖着地时与“屈蹬式”足尖离地时，两足尖相对于人体自身的距离约为腿长的0.8倍，“前戳式”足尖着地时与“后蹬式”足尖离地时，两足尖相对于人体自身的距离约为腿长的1.4倍。“屈蹬式”技术支撑腿足尖离地时足尖距躯干较近，用于完成送髋与大腿高抬的伸髋惯性损失较少；“后蹬式”技术支撑腿足尖离地时距躯干较远，只能先完成屈膝，减少大腿前摆的转动半径与拮抗肌收缩所产生的对抗力量，这种技术将屈膝与屈髋分离，增加了完成一步所用的时间。

四、结论与建议

（一）高水平短跑运动员途中跑摆动腿折叠时机相对较晚，当膝关节充分屈曲时，其送髋高抬腿这一动作进行的程度较高。

（二）在“屈蹬式”技术训练中，应强调足尖离地后，膝关节在额状面之后被动屈曲，当运动至额状面前应主动发力屈曲。

（三）当运动员在练习“后扒式”技术时出现着地点偏前现象，可尝试采用提醒其注意支撑腿早离地、晚折叠的方式，以此反作用于另一条腿，协助完善后扒动作。

参考文献：

[1] 黄达武.短跑技术研究理论热点综述[J].体育学刊.2009.16（3）.

[2] 纪凯斌.改进途中跑摆动腿技术对提高短跑速度的作用[J].长春师范学院学报（自然科学版）.2006.25（5）.

[3] 王建.短跑摆动腿技术分析与力量训练[J].咸宁学院学报.2005.25（6）.

[4] 王卫星.髋部肌群对跑速的作用与训练[J].中国体育科技.1993.29（5）.

跨栏跑初学者摆动腿技术分析 篇3

1 研究对象与研究方法

1.1 研究对象

以曲靖师范学院体育学院2010级体教专业田径的10名男同学为研究对象, 学习时间1 6学时。

1.2 研究方法

1.2.1 文献资料法

通过查阅网络数据库, 为本文研究提供理论依据。

1.2.2 二维摄像法

用一台SonyHVR-A1C摄像机对研究对象期末考试进行拍摄, 摄像机主光轴距离第一道1 2米, 前后拍摄标尺。

1.2.3 图像解析法

采用Dartfish 4.5对录像资料进行解析。

1.2.4 数据统计法

采用Excel对原始数据进行统计学处理。

2 结果与分析

2.1 起跨攻栏阶段摆动腿技术分析

起跨腿着地阶段, 摆动腿在蹬离地面后应充分折叠并快速前摆, 使摆动腿尽快靠近身体重心垂线, 以减小因折叠不充分所产生的较大重力矩, 尽早结束起跨腿着地时的前蹬状态, 迅速转入缓冲阶段, 同时摆动腿在这个阶段充分折叠前摆, 增大起跨腿对地面的蹬伸力量而获得较大的支撑反作用力, 增大起跨初速度。在起跨腿缓冲阶段的前段, 摆动腿应快速积极前摆, 而非上摆。前摆的效果, 一方面使身体重心迅速前移, 同时又牵引起跨腿向前移动, 而特别意义则在于能使处在缓冲阶段的起跨腿膝关节在缓冲中同步快速前移, 使起跨腿小腿在缓冲阶段就获得与地面构成的较小夹角, 能为起跨腿起跨蹬伸时取得合适的起跨角, 进而获得起跨后人体重心在空中的“平直”运动轨迹, 起跨腿与地面夹角是评价摆动效果的重要指标。

研究对象在起跨腿着地阶段, 摆动腿膝关节角度平均值为84.42° (表1) , 高水平运动员的平均角度57.02°, 由此可看出初学者在起跨腿着地阶段, 摆动腿折叠的不充分, 不利于摆动速度的加快, 影响起跨攻栏的效果。起跨腿与地面的夹角是评价摆动效果的重要指标, 角度越小, 可以为起跨蹬伸时获取较小的起跨角, 角度越大, 则不利于起跨腿迅速形成合理的起跨角。本文研究对象在起跨脚最大缓冲时起跨腿小腿与地面的夹角平均值为86.34°, 高水平运动员的为68°～71°之间, 大部分同学的角度都明显高于优秀运动员。可以看出初学者在起跨腿着地阶段, 起跨腿小腿与地面的夹角过大, 起跨腿蹬离地面后, 起跨初速度不够, 会出现身体重心向上的现象, 造成跳栏, 飘栏动作, 在空中浪费过多时间, 影响下面技术动作的发挥。

2.2 起跨腿蹬伸至起跨离地瞬间摆动腿技术

在此阶段, 摆动腿仍应始终折叠膝关节继续加速向前上方摆动。意义:首先, 保持并继续增大摆动腿向前上方摆动的角速度, 增大髋关节夹角, 使身体重心大幅度前移, 缩短身体腾空后飞行距离。同时又使起跨时保持高重心位置, 减小身体重心的起伏波动差。其次, 如果摆动腿直腿摆动攻栏, 不仅摆动速度慢, 而且还将形成一个使身体向上向后的转动力矩, 亦即造成“跳栏”。通过录像可以看到只有四名研究对象不是直腿攻栏, 说明初学者容易出现直腿攻栏现象。

从表2可以看出, 研究对象在起跨离地阶段时, 摆动腿膝关节角度平均值为91.1°, 优秀运动员平均值为77.2°。10名同学当中只有一名同学接近这个角度, 和表1起跨着地阶段相比对, 一些同学摆动腿折叠角度稍好于之前的折叠幅度, 而一部分同学的摆动腿折叠则有些过早的打开, 不利于保持并继续增大摆动腿向前上方摆动的角速度, 容易造成直腿攻栏。初学者应极制动, 在起跨腿离地瞬间这个阶段, 始终保持摆动腿的充分折叠, 避免出现尽早打开。

在摆动腿充分折叠的同时, 摆动腿大腿与水平面的夹角角度的大小是很重要的, 并不是角度越大就越好, 摆动腿折屈摆动的高度应有所控制, 还应该按照运动员的身高和起跨时获得的垂直速度与过栏时运动员重心至栏顶的距离经济合理来确定。由表2可以看出, 研究对象的大腿与水平面的夹角平均值为25.62, 与优秀高水平运动员的平均值27.4相差不多, 但是考虑测试栏高为中栏, 说明初学者摆动腿上摆幅度较小。

2.3 腾空过栏阶段摆动腿技术分析

当起跨腿蹬离地面, 人体进入腾空阶段瞬间, 摆动腿大小腿应迅速打开同时完成伸踝动作。在这个阶段, 摆动腿必须在栏前就要开始做下压过栏动作, 因为适宜的起跨距离和起跨角, 决定了人体腾空抛物线最高点在栏前, 摆动腿在栏前开始做下压动作时其踝与小腿均高于栏。如果在摆动腿过栏后开始做下压过栏动作, 势必会造成栏上滞留时间长, 过栏后着地点远, 着地角小, 着地后明显制动以及身体重心大幅度下降等一系列弊端。

研究对象摆动腿膝关节角度平均值为144.2, 而优秀运动员的平均值为165°左右 (表3) , 有两名同学接近这个角度值。并不是说摆动腿的膝关节角度越大就越好, 角度太大说明已经出现直腿攻栏的现象, 而角度太小, 则表示摆动腿的大小腿打开的太慢, 在身体前移过栏的过程中, 容易出现踢栏现象。所以, 在摆动腿大小腿迅速打开的同时, 摆动腿摆至一定高度后, 大腿应积极的制动, 随即主动快速下压过栏, 构成一个完整、协调的“鞭打”动作, 有利于摆动腿快速过栏。

落地时摆动腿小腿与地面的夹角是评判下栏着地技术动作的一个重要指标, 研究对象落地时摆动腿小腿与地面的夹角平均值为81.3°, 优秀运动员的平均值为77.2°。整体相差不大, 落地时摆动腿小腿与地面的夹角过大, 说明运动员的摆动腿直腿支撑, 身体会出现直立或者后仰的情况, 影响接下来快速进入栏间跑的节奏, 而夹角过小, 会出现身体重心冲前的现象, 容易前仆跌倒, 适宜的夹角, 可以让身体重心稍稍前倾, 在稳定支撑的同时, 迅速过渡到栏间跑阶段。

摆动腿大小腿充分打开是在栏板前就完成的, 此时摆动腿的小腿与脚踝都高于栏板。研究对象下压时摆动腿脚与栏板的距离平均值为0.11m (表3) , 优秀运动员平均值为0.19m。

3 结语

(1) 起跨腿着地阶段, 初学者摆动腿的膝关节折叠角度过大, 折叠不充分, 影响起跨攻栏的效果, 对之后腾空过栏时, 摆动腿迅速打开, 不利于压栏技术的完成; (2) 起跨腿离地瞬间, 摆动腿的膝关节角度较大, 摆动腿大腿抬起幅度较小, 大部分同学都出现直腿攻栏的动作, 原因是摆动腿折叠不充分, 在没有到达最高点时就过早打开; (3) 腾空过栏阶段, 摆动腿膝关节角度过大, 当摆动腿大小腿打开的同时, 摆动腿由折屈到打开要快, 膝角尽量大, 摆动腿由折屈到打开至快速下压应是一个快速、连贯、准确、完整的“鞭打”动作。下压时摆动腿脚与栏板接近, 是由于摆动腿过早的打开下压, 在没有达到适宜的高度就下压至栏架, 出现踢栏和大腿打栏的现象; (4) 下栏着地时, 摆动腿与地面夹角过大, 不利于跨栏步和栏间跑的衔接。

参考文献

[1]王健, 许世岩.跨栏步中起跨距离和下栏距离及摆动腿动作的研究[J].内蒙古师范大学学报 (自然科学汉文版) , 2007, 36 (2) :257～258.

[2]赵吉刚, 张健勇.跨栏过程中摆动腿动作的生物力学分析[J].通化师范学院学报, 2005, 26 (2) :78～80.

摆动腿技术 篇4

在跨栏技术中, 摆动腿的过栏技术对提高跨栏运动成绩起着至关重要的作用。摆动腿屈膝高摆和积极下压技术是摆动腿技术动作中的关键技术, 在跨栏跑或练习过程中, 摆动腿屈膝高摆时应注意充分折叠, 膝关节外转高抬, 足尖勾起, 屈膝攻摆, 积极“鞭打”并快速下压式着地, 有效减少腾空时问, 缩短跨栏步的腾空距离, 最大限度地减少因过栏而造成的水平速度的损失, 为更快的过渡到栏问跑提供有利的条件。它们在跨栏跑全程中对提高整个跨栏技术具有十分重要意义。跨栏步技术既表现了跨栏跑的项目特点, 又是决定跨栏跑技术和成绩优劣的关键环节。多年来, 人们在实践中逐步认识跨栏步的运动规律, 获取了一定的经验, 也发现了运动员在完成跨栏步中摆动腿技术动作存在一些问题。如整个跨栏步中摆动腿运动路线;膝关节折叠及打开时机;下栏着地支撑等问题, 即在跨栏步中摆动腿技术不能体现合理性、经济性、实效性。

本文试图针对上述问题, 查阅近年来国内相关文献, 依据生物力学原理, 借鉴优秀跨栏选手有关资料及本人多年训练研究, 就跨栏步中摆动腿技术力学机制及正确技术予以阐述。对目前我国跨栏跑摆动腿技术的训练方法做一综述, 旨在为广大跨栏学者, 专家, 教练及运动员提供实践、科学与应用参考依据。

1、跨栏跑摆动腿技术的训练方法

1.1、起跨攻栏瞬间摆动腿技术分析

起跨腿着地阶段, 摆动腿在蹬离地面后应充分折叠并快速前摆, 使摆动腿尽快靠近身体重心垂线, 以减小因折叠不充分所产生的较大重力矩, 尽早结束起跨腿着地时的前蹬状态, 迅速转入缓冲阶段, 同时摆动腿在这个阶段充分折叠前摆, 增大起跨腿对地面的蹬伸力量而获得较大的支撑反作用力, 增大起跨初速度。在起跨腿缓冲阶段, 摆动腿应快速积极前摆, 而非上摆。前摆的效果, 一方面使身体重心迅速前移, 同时又牵引起跨腿向前移动, 而特别意义则在于能使在缓冲阶段的起跨腿膝关节在缓冲中同步快速前移, 使起跨腿小腿在缓冲阶段就获得与地面构成的较小夹角, 能为起跨腿起跨蹬伸时取得合适的起跨角, 进而获得起跨后人体重心在空中的“平直”运动轨迹, 起跨腿与地面夹角是评价摆动效果的重要指标。

初学者研究对象在起跨腿着地阶段, 摆动腿膝关节角度平均值为84.42° (表1) , 高水平运动员的平均角度57.02°, 由此可看出初学者在起跨腿着地阶段, 摆动腿折叠的不充分, 不利于摆动速度的加快, 影响起跨攻栏的效果。起跨腿与地面的夹角是评价摆动效果的重要指标, 角度越小, 可以为起跨蹬伸时获取较小的起跨角, 角度越大, 则不利于起跨腿迅速形成合理的起跨角。初学者研究对象在起跨脚最大缓冲时起跨腿小腿与地面的夹角平均值为86.34°, 高水平运动员的为69.6°。大部分同学的角度都明显高于优秀运动员。可以看出初学者在起跨腿着地阶段, 起跨腿小腿与地面的夹角过大, 起跨腿蹬离地面后, 起跨初速度不够, 会出现身体重心向上的现象, 造成跳栏, 飘栏动作, 在空中浪费过多时间, 影响下面技术动作的发挥。

注:数据引自对110米栏跨栏步摆动腿技术特点的重要性分析刘泽珩2011年。

1.2、起跨腿蹬伸至起跨离地瞬间摆动腿技术分析

在此阶段, 摆动腿仍应始终折叠膝关节继续加速向前上方摆动。意义:首先, 保持并继续增大摆动腿向前上方摆动的角速度, 增大髋关节夹角, 使身体重心大幅度前移, 缩短身体腾空后飞行距离。同时又使起跨时保持高重心位置, 减小身体重心的起伏波动差。其次, 如果摆动腿直腿摆动攻栏, 不仅摆动速度慢, 而且还将形成一个使身体向上向后的转动力矩, 亦即造成“跳栏”。

初学者研究对象在起跨离地阶段时, 摆动腿膝关节角度平均值为91.1° (表2) , 高水平运动员平均值为77.2°。和表1起跨着地阶段相比对, 一些运动员摆动腿折叠角度稍好于之前的折叠幅度, 而一部分运动员的摆动腿折叠则有些过早的打开, 不利于保持并继续增大摆动腿向前上方摆动的角速度, 容易造成直腿攻栏。初学者应极制动, 在起跨腿离地瞬间这个阶段, 始终保持摆动腿的充分折叠, 避免出现尽早打开。

注:数据引自男子110m高栏跨栏步摆动腿的技术特点———周斌2009。

在摆动腿充分折叠的同时, 摆动腿大腿与水平面的夹角角度的大小是很重要的, 并不是角度越大就越好, 摆动腿折屈摆动的高度应有所控制, 还应该按照运动员的身高和起跨时获得的垂直速度与过栏时运动员重心至栏顶的距离经济合理来确定。初学者运动员的大腿与水平面的夹角平均值为25.62° (表2) , 与优秀高水平运动员的平均值27.4°相差不多, 说明初学者摆动腿上摆幅度较小。

1.3、腾空过栏阶段摆动腿技术分析

当起跨腿蹬离地面, 人体进入腾空阶段瞬间, 摆动腿大小腿应迅速打开同时完成伸踩动作。在这个阶段, 摆动腿必须在栏前就要开始做下压过栏动作, 因为适宜的起跨距离和起跨角, 决定了人体腾空抛物线最高点在栏前, 摆动腿在栏前开始做下压动作时其脚与小腿均高于栏。如果在摆动腿过栏后开始做下压过栏动作, 势必会造成栏上滞留时间长, 过栏后着地点远, 着地角小, 着地后明显制动以及身体重心大幅度下降等一系列弊端。

初学者运动员摆动腿过栏瞬间膝关节角度平均值为144.2° (表3) , 而优秀运动员的平均值为165°左右, 初学者运动员脚跟接近栏板瞬间膝关节角度平均值为190°, 而优秀运动员的平均值为172°。并不是说摆动腿的膝关节角度越大就越好, 角度太大说明已经出现直腿攻栏的现象, 而角度太小, 则表示摆动腿的大小腿打开的太慢, 在身体前移过栏的过程中, 容易出现踢栏现象。所以, 在摆动腿大小腿迅速打开的同时, 摆动腿摆至一定高度后, 大腿应积极的制动, 随即主动快速下压过栏, 构成一个完整、协调的“鞭打”动作, 有利于摆动腿快速过栏。

摆动腿大小腿充分打开是在栏板前就完成的, 此时摆动腿的小腿与脚跟都高于栏板。初学者研究对象下压时摆动腿脚与栏板的距离平均值为0.11m (表3) , 优秀运动员平均值为0.19m。

1.4、摆动腿过栏着地支撑技术分析

下栏动作实际是以身体重心抛物线达到最高点后, 摆动腿以大腿带动小腿积极下压, 人体就开始自然下落, 这一动作是靠臀大肌积极收缩来完成的。当摆动腿大腿积极下压时, 起跨腿随之回收, 屈膝外展, 以膝高于踝经体侧迅速提拉, 两腿在栏上形成杠杆作用, 并协调而有节奏地完成剪绞动作。在无其它外力作用下, 运动员主要下压摆动腿虽然不能改变重心运动速度和运动轨迹, 但是能调整身体各环节重心相对位置, 有利于尽早落地, 有利于减小足着地时所形成的阻力和减少制动时间, 取得迅速转入栏间跑第一步的有利姿势。摆动腿加速着地支撑还有另外一个意义, 这样将使摆动腿着地后能够获得较大的蹬地力量和较快的蹬地速度。

落地时摆动腿小腿与地面的夹角是评判下栏着地技术动作的一个重要指标 (表4) , 初学者运动员落地时摆动腿小腿与地面的夹角平均值为81.3°, 优秀运动员的平均值为77.2°。现代跨栏技术原理要求下栏支撑时摆动腿膝关节伸直, 以保持较高的身体重心高度, 初学者运动员落地时摆动腿膝关节角度平均值为158°, 优秀运动员的平均值为169°。整体相差不大, 落地时摆动腿小腿与地面的夹角过大, 说明运动员的摆动腿直腿支撑, 身体会出现直立或者后仰的情况, 影响接下来快速进入栏间跑的节奏, 而夹角过小, 会出现身体重心冲前的现象, 容易前仆跌倒, 适宜的夹角, 可以让身体重心稍稍前倾, 在稳定支撑的同时, 迅速过渡到栏间跑阶段。

注:数据引自男子110米栏全程技术分析_冯敦寿

2、结论

(1) 起跨腿着地阶段摆动腿在蹬离地面后应充分折叠并快速前摆。在起跨腿缓冲阶段, 摆动腿应快速积极前摆, 而非上摆, 前摆的效果, 一方面使身体重心迅速前移, 再能使在缓冲阶段的起跨腿膝关节在缓冲中同步快速前移;

(2) 摆动腿蹬离地面后, 即应充分折叠前摆, 直至起跨蹬伸起跨都应保持膝关节折屈并依据运动员个体差异, 在摆至合理位置时, 制动摆动腿大腿;

(3) 腾空后, 摆动腿由折屈到打开要快, 膝角尽量大, 摆动腿由折屈到打开至快速下压应是一个快速、连贯、准确、完整的“鞭打”动作, 应强调摆动腿接近栏板时即开始做下压过栏动作;

摆动腿技术 篇5

目前,我国大多数体育院(系)使用的教科书、以及一些文献资料中普遍认为,在形成左侧支撑前的摆动腿技术动作中,摆动腿的“弧线”摆动有助于运动成绩的提高。但是,在实际的教学训练中,摆动腿“弧线”摆动增大旋转半径是否真的有利于获得更大的旋转动能,提高最后出手的速度,趋于“直线性”摆动腾空阶段,左腿积极靠向右腿是否有利于减小下肢的旋转角,提高下肢的转动角速度,使下肢更好地完成超越器械的动作,是值得探讨的。陈学华在《铁饼投掷技术中的衔接技术》中指出现代旋转掷铁饼技术发展及运动训练中所亟待解决的重要问题之一,就是最大限度提高旋转阶段所获得的预行速度的利用率。耿焕章在《浅谈铁饼新旧技术之差异》中指出,摆动腿在旋转中的摆幅大小及积极与否,关系到下肢对上肢的超越、旋转速度、加快用力节奏等一系列动作的质量,并起着决定性的作用;在腾空阶段摆动腿要积极有力地外摆下甩,左腿晚起快拿,腾空时间的缩短能减少身体重心的上下起伏,为争取更大的最后用力工作距离创造条件,减少速度的损耗。本文在文献查阅的基础上,从生物力学的角度,对铁饼旋转技术中摆动腿走向对运动成绩的影响进行分析研究。

为了便于研究和分析,背向旋转掷铁饼技术可分为以下六个动作环节:①双腿支撑起转,即第一双腿支撑阶段(预摆结束至右腿离地瞬间)②左腿单腿支撑阶段,即单腿旋转(右腿离地至左腿离地)③腾空阶段(左脚离地瞬间至右脚落地瞬间)④右腿单腿支撑阶段,即衔接阶段(右脚落地至左脚落地)⑤最后用力初始加速阶段(左脚落地至铁饼运行至最低点)⑥最后用力的加速阶段(铁饼运行到最低点至铁饼出手)。本文重点研究的是第二环节:当形成身体左侧旋转轴(时),“右腿以大腿带动,右脚贴近地面,沿大半径围绕左侧旋转摆动。身体平稳地在转动过程中向前和向前过程中转动右髋,右腿摆向投掷圈中心时要低平下扣,右腿摆动和左腿蹬转相结合”。

背向旋转掷铁饼技术从很大意义上讲是对大多数运动员都适应的,这是无可争议的,但是从运动选材的角度分析,有些运动员的身体形态很难达到标准铁饼运动员的要求,一部分运动员可能偏向力量型,一部分运动员可能更偏向速度型,速度力量型则是铁饼项目选材的要求。在铁饼技术训练中,教练员应仔细观察不同运动员的身体特点,制定相应的训练计划,这样才能更快地提高运动员的成绩。

一、摆动腿“弧线”摆动的技术动作分析

(一)摆动腿“弧线”摆动的技术解析

背对投掷方向站立(以右手持饼为例),两脚左右开立略宽于肩,站立于投掷圈后缘中线的两侧,两膝微屈,重心位于两腿之间,当上体开始摆动,重心落在右腿上,随后双腿屈膝支撑转动髋部,带动上体启动旋转,左臂伸展向投掷方向转动,身体重心由右腿逐渐向蹬转的左腿移动。由双腿支撑旋转进入单腿支撑阶段,右脚离地后,靠近地面旋转,膝关节微屈,右腿以大腿带动小腿,右脚靠近地面,以弧形向投掷圈中心摆动,当身体重心通过弯曲的左腿时,左腿稍蹬地,推动身体重心向投掷圈圆心移动,同时右髋转扣,右腿向圆心摆动。这时的身体重心投影点远离支撑点向投掷方向移动,两臂适时摆动配合右腿的摆动和左腿的蹬转来控制旋转的方向和维持身体的平衡。由于此时的身体重心远离支撑点,为了维持身体的动态平衡,左腿在离地后插到投掷圈中心时必须伸直远离右腿摆动。这就是摆动腿的“弧线”摆动,右腿摆动腿增大旋转半径来获得更大的动能,这也是形成超越器械动作的关键(图1)。

早期研究表明:根据转动动能(E)与转动惯量(I)、转动角速度(ω)的关系式E=1/2Iω2,人体转动惯量与人体质量(m)、转动半径(r)的关系式I=mr2,说明人体在质量不变的情况下,转动惯量与转动半径成正比,在人体总重量不变的前提下,旋转中大半径转动,可以获得大的人体转动惯量,根据公式可以得出,转动惯量的增加便可以提高人体旋转的转动动能,通过人体转移到器械的动能也就越多。所以,左腿单腿支撑旋转过程中,摆动腿必须远离左腿,增大旋转半径,获得更大的转动动能,使铁饼有更好的出手速度。

(二)摆动腿“弧线”摆动的优点

1.“弧线”摆动大半径旋转,加大起转总动量

摆动腿大半径旋转,根据转动惯量与转动半径成正比的规律,可以增加人体所获得的初始转动动能,转动动能的增加就会增加人体旋转的速度,转移到器械的动量也就越多,使器械获得很好的出手速度。

2.“弧线”摆动有助于提高力量型运动员的旋转速度

根据“弧线”摆动支撑腿和摆动腿的走向,结合不同身体条件运动员的特点,“弧线”摆动较适合体形庞大,协调性、柔韧性较差的运动员。这种类型的运动员更倾向于力量型,基于自身协调性、柔韧性差的弊端,在旋转中摆动腿的大半径旋转将更适合运动员将自身旋转获得的动能转移到器械,并且最大限度地减低旋转中需要克服自身的阻力,更大可能地提高运动成绩。

(三)摆动腿“弧线”摆动的缺点

1.“弧线”摆动增大转动半径,延长旋转时间

左腿单腿支撑旋转过程中,“弧线”摆动要求摆动腿远离支撑腿,以便增加下肢的旋转半径,获得更大的旋转动能。旋转半径的增大必然会增加旋转的时间,阻碍支撑腿的蹬伸后插,只能靠增大支撑腿的蹬地力量,消耗更多的腾空时间来完成旋转的衔接阶段。这样必然会消耗总的能量,造成总能量的流失,降低传到投掷臂的能量,减小铁饼的出手速度,最终影响运动成绩。同时,下肢的转动半径增大,下肢的旋转腾空时间被延长,在完成旋转技术过程中,人体上肢的旋转速度就要更慢于下肢的旋转速度,否则身体就不会达到一个扭紧的状态,更加增加了旋转的难度,不利于超越器械的动作。

2.“弧线”摆动影响身体重心的稳定性

左腿单腿支撑旋转过程中下肢转动半径增大,身体重心远离支撑点,摆动腿离投掷圈中心的距离较远,重心前后、左右偏移较大。在旋转技术练习中,造成练习者动作的错误,上肢不等下肢蹬转结束,就开始转向投掷圈,身体重心和上肢、下肢不在一条垂直直线上,这样就会造成身体重心的不稳定,严重的会造成运动员摔伤,影响旋转动作的完成。

3. 不利于超越器械动作的完成

当人体处于腾空无支撑状态时,重心作用于质心,不对基本轴产生力矩,若不计空气阻力,则将腾空的人体看作封闭的力学系统,满足动量矩守恒条件。即|1ω1+I2ω2=0,这种现象称为“相向运动”。在旋转掷铁饼的腾空阶段,右腿的摆动腿做转动右髋和右脚低平下扣的动作与左腿的力学条件,就是动量矩的矢量和等于零。所以,在旋转腾空阶段,右腿摆动腿的低平下扣,必然使左腿做相反方向的动作。因此,在右脚着地后,使左脚做向后方向大幅度摆动的肌肉继续收缩用力收缩,形成左大腿大幅度“扫动”着的超越器械动作。

二、摆动腿趋于“直线性”摆动技术动作分析

(一)摆动腿趋于“直线性”摆动的技术解析

背向旋转掷铁饼技术摆动腿趋于“直线性”动作,经过上体的预摆,双腿支撑起转后,右腿前半圈的摆动同“弧线”摆动一样,以大腿带动小腿,右脚贴近地面,沿大半径弧线以左腿为轴旋转(图2)。此时旋转半径增大,身体下肢的转动力矩增大,所获得的动能增加。而且,摆动腿做大半径的弧线摆动,必然会引起人体腿部肌肉的拉长,使肌肉收缩时的加速度加快,便可以提高人体的功能效率。然后,支撑腿继续蹬转,重心落于支撑腿上,此时,摆动腿以大腿带动小腿积极主动地摆向投掷圈中心,而不是继续做大半径的摆动运动,这就是区别于“弧线”摆动的摆动腿的走向。这使得旋转半径相对减小,在摆动腿经过支撑腿时达到最小(图4)。接下来,支撑腿继续蹬转,当旋转离心力几乎完全压到支撑腿上时再顺势用左脚外侧蹬地,并立即与右腿的摆扣配合加速髋关节的转动后进入腾空阶段,此时的旋转半径再一次增大(图5)。在单腿支撑旋转的后半圈,摆动腿积极主动地向支撑腿摆动,在衔接阶段,左腿快速收缩靠近右腿内侧向后下方插腿,这是相对于摆动腿“弧线”摆动的趋于“直线”的摆动。

(二)摆动腿趋于“直线性”摆动的优势

1. 摆动腿趋于“直线性”摆动有利于旋转速度的利用率

在背向旋转掷铁饼技术单腿开始起转的后半圈(图4),根据转动定律:M=I/β,(其中M表示作用在旋转轴上的旋转力矩,I表示转动惯量,β表示转动角加速度)。由公式可以得出,要想获得更大的旋转力矩,必须尽量增加旋转半径,获得更大的转动惯量,同时也必须增大左脚的蹬地力量,得到更大的转动角速度。这样,便可以达到理想的旋转动量,为更好的出手速度作好充分的准备。所以在摆动腿趋于“直线性”摆动中,左腿单腿支撑旋转的后半圈,左腿积极向右腿靠拢,减小下肢的转动半径,人体在M转动力矩相同的情况下,转动半径的减小必然会影响旋转的转动惯量降低,转动角速度就会相应地增大,这就减少了身体的腾空时间,增加了旋转速度的利用率。

2. 摆动腿趋于“直线性”摆动有利于形成超越器械的动作

所谓超越器械的动作,就是指在助跑的最后阶段,最后用力开始前,身体(尤其是下肢)以更快的速度向前运动,造成髋部横轴运动速度超越肩部横轴的运动速度,使器械落在身体后面,使身体处于扭紧状态,形成下肢在前,上体在后的倾斜姿势。这时,身体向右倾斜(左脚、左髋、躯干左侧成一条直线),左臂微屈与提前内旋、含胸、收腹,保持肩轴与髋轴扭紧,即“超越器械”动作。在左腿单腿支撑旋转的前半圈(图3),摆动腿以弧线进行大幅度的摆动,使左腿后侧的肌肉充分地拉长,这就增加了左腿收缩时的加速度,在旋转的后半圈(图4)旋转半径相对减小,增加了下肢的转动速度,再加上左腿后侧肌肉的快速收缩,下肢的转动速度明显大于上肢,身体易形成一个扭紧的状态,这就符合超越器械的动作原理,为最后出手动作的完成创造条件。

3. 趋于“直线性”摆动适合不同身体形态的运动员

趋于“直线性”的摆动腿摆动中,摆动腿的外摆下甩和支撑腿的后插蹬伸,对运动员自身的协调、柔韧性和下肢力量有一定的要求。身材较小,自身力量较差,但有很好的协调性和柔韧性的运动员,需要依靠增加旋转获得的初始动能提高运动成绩,这种速度型运动员在运用“直线性”摆动时更能发挥自身的优点,依靠自身的特点,获得更大的转动动能,提高出手的速度。

(三)摆动腿趋于“直线性”摆动的缺点

1. 趋于“直线性”摆动技术动作复杂

在左腿单腿支撑旋转过程中,要求练习者要有很好的协调性、柔韧性和足够的下肢力量,才能保证身体在旋转中有稳定的重心,不至于消耗自身能量来维持身体的平衡,对于初学者来说这种摆动腿的旋转技术过于复杂,不利于掌握技术的重点、难点,有可能会出现旋转投的远度不如原地投的成绩好,这就降低练习者在练习中的积极性,影响运动成绩的提高。

2. 容易造成旋转技术动作脱节

摆动腿经过支撑腿的外摆下甩过程中,摆动腿动作消极无力,影响下肢的转动速度,造成旋转中动作的脱节,达不到旋转获得动能的目的,对超越器械的动作产生阻碍。有些运动员,外摆下甩不够积极,使摆动腿的落地点较近,这样就使两脚之间的距离缩短,影响器械出手时下肢蹬地发力的力矩,影响最终的运动成绩。

三、小结与建议

(一)小结

(1)旋转掷铁饼技术中摆动腿“弧线”摆动延长旋转时间,对支撑腿的积极后插蹬伸造成影响,不利于超越器械动作的完成,影响最后的运动成绩。

(2)趋于“直线性”的摆动技术可以增加下肢的转动速度,使支撑腿落地时间缩短,下肢旋转速度快于上肢,形成身体充分扭紧的状态,更好地完成超越器械的动作,取得更好的成绩。

(3)对于不同身体素质和身体形态的运动员,适合不同的摆动腿走向,体重较大、身材较高的力量型运动员,较适合摆动腿的“弧线”摆动;体重较轻、身材相对较矮,身体柔韧性较好的速度型运动员,较适合摆动腿的“直线性”摆动;对于标准身材的速度力量型运动员,摆动腿趋于“直线性”摆动能更好地提高旋转速度,增加旋转总能量的利用率。

(二)建议

1. 铁饼旋转技术要有很好的衔接

铁饼旋转技术中的第二、三环节,左腿单腿支撑旋转阶段和腾空阶段,两个动作环节完成的速度相当快并且要求要很好地衔接。这两个阶段最主要的就是摆动腿和支撑腿的协调配合,右腿的大半径摆动和左腿的蹬转控制身体平衡,这个阶段容易发生左腿蹬地过早,即摆动腿刚一起转,重心还没有完全落到左腿上时,左腿便开始离地,这样就造成左脚被动地增加蹬地力量,增加腾空时间,使身体重心起伏较大,旋转无力。另外,在腾空阶段,左腿没有积极地向右腿靠拢,使下肢的转动角加大,落地消极无力,缩小了超越器械动作,或者造成左脚、右脚落地距离太近,减小下肢的转动力矩,影响最后的用力动作。铁饼旋转技术是连贯一致的动作,左腿单腿支撑过渡到腾空阶段的良好衔接,是为形成身体的左侧支撑奠定基础,提高最后投掷远度的必要环节。

2. 铁饼旋转技术的练习方法

背向旋转掷铁饼技术是一项技术环节较复杂的运动项目,运动员在练习中身体要协调配合,不管哪个技术环节动作不够充分,会直接影响最后的运动成绩。在平时的训练中,常用到的训练手段有:“T”型教学法,在反复的练习中建立正确的时间感和空间感,以及正确的动作定位,以便在大脑皮质中形成正确的动作表象,特别是对纠正旋转方向错误、空间感差、两脚落地点错误等技术动作有很好的帮助;运用橡胶皮条,将橡皮条系于腰间,使身体在徒手练习中有一定的负荷,体会身体转动时的用力顺序和肌肉的用力感觉,运用皮条可以有力于正确技术动作的形成,更有利于增强爆发力,增大旋转半径,提高运动成绩。

3. 不同类型运动员训练应采取不同的摆动腿技术

摆动腿技术 篇6

关键词：跨栏步,摆动腿,生物力学

一、前言

跨栏步技术既表现了跨栏跑的项目特点, 又是决定跨栏跑技术和成绩优劣的关键环节。多年来, 人们在实践中逐步认识跨栏步的运动规律, 获取了一定的经验, 也发现了运动员在完成跨栏步中摆动腿技术动作存在一些问题。如整个跨栏步中摆动腿运动路线;膝关节折叠及打开时机;下栏着地支撑等问题, 即在跨栏步中摆动腿技术不能体现合理性、经济性、实效性。本文试图针对上述问题, 依据生物力学原理, 借鉴世界优秀跨栏选手有关资料及本人多年教学与训练研究, 就跨栏步中摆动腿技术力学机制及正确技术予以阐述。

二、分析与讨论

良好的跨栏步技术应体现出起跨速度快, 起跨时重心高, 起跨角度适宜, 人体重心空中运动轨迹“平直”且接近栏顶, 空中滞留时间短, 下栏快速、支撑平稳、水平速度损失小, 能顺利转入栏间跑, 摆动腿参与跨栏步动作的全过程。因此, 其技术必须符合上述跨栏步技术规格的要求。

1. 起跨腿着地阶段摆动腿技术

摆动腿蹬离地面后即应充分折叠并快速前摆, 使摆动腿重心尽快靠近身体重心垂线, 以减小因未折叠 (或折叠不充分) 将产生的较大重力, 尽早结束起跨腿着地时的前蹬效应, 而迅速转入缓冲阶段。同时摆动腿在这个阶段充分折叠前摆, 相对于髋关节额状轴, 大大缩短了摆动腿的转动半径。

在起跨腿缓冲阶段的前段, 摆动腿应快速积极前摆, 而不应强调向上摆。前摆的效果, 一方面使身体重心迅速前移, 同时又牵引起跨腿向前移动 (相对于起跨点) 。特别有意义的是, 使处在缓冲阶段的起跨腿膝关节在缓冲中同步快速前移, 使起跨腿小腿在缓冲阶段就获得与地面构成的较小夹角 (小腿角) 。这样做的结果, 能为起跨腿起跨蹬伸时取得较小的起跨角, 进而获得起跨后人体重心在空中的“平直”运动轨迹。另一方面, 能获得更大的起跨水平速度

2. 起跨腿蹬伸至起跨离地瞬间摆动腿技术

在此阶段, 摆动腿仍应始终折叠膝关节继续加速向前上方摆动。其意义: (1) 保持并继续增大摆动腿向前上方摆动的角速度, 增大髋关节打开的夹角, 使身体重心大幅度前移, 缩短身体腾空后飞行的距离。同时又使起跨时保持身体高重心位置, 减小了身体重心的起伏波动差。 (2) 如果摆动腿直腿摆动攻栏, 不仅摆动速度慢 (摆动腿摆动力矩增大) , 而且还将形成一个使身体向上向后的转动力矩, 亦即造成“跳栏”。摆动腿折屈摆动有利于上体前倾攻栏;有利于攻栏时保持较小起跨角;有利于取得腾空后身体重心较“平直”的运动轨迹。 (3) 摆动腿折屈摆动, 伸膝肌群被拉长, 为起跨腾空后快速有力完成伸膝动作创造了有利条件, 可快速及大角度打开膝关节。

3. 腾空阶段摆动腿技术

当起跨腿蹬离地面, 人体进入腾空阶段瞬间, 摆动腿大小腿应迅速打开 (伸膝) 同时完成伸踝动作。摆动腿小腿前摆打开的力量来自摆动腿折屈摆动时储备的动量, 即摆动腿大腿摆至稍高于栏后制动传递至小腿而获得的。因此摆动腿大小腿的打开, 不能理解为 (或做成) 主动前踢 (或蹬) 小腿动作。摆动腿折屈快速前上摆至一定高度后大腿积极制动———小腿因惯性伸膝伸踝摆出———随即大腿主动快速下压过栏, 构成一个完整、协调的“鞭打”动作, 并一气呵成, 将十分有利于摆动腿快速过栏和着地稳固支撑后续动作。

摆动腿大小腿充分打开应在栏板前完成, 并立即做主动下压过栏动作。在这个动作阶段, 应特别强调的是, 摆动腿必须在栏前 (未过栏) 就要开始做下压过栏动作, 如果摆动腿小腿已过栏才下压, 时机已晚了, 将造成栏上滞留时间长, 过栏后着地点远、着地角小、着地后明显制动及身体重心大幅度下降等一系列弊端。有人担心, 栏前就下压摆动腿, 是否会过不了栏或撞栏, 这种担心是不必要的。因为适宜的起跨距离和起跨角, 决定了人体腾空抛物线最高点在栏前 (跨栏步栏前与栏后的距离比约为3:2) , 摆动腿在栏前开始做下压动作时其踝与小腿均高于栏;同时, 由于起跨后, 人体己获得较大的前移水平速度, 摆动腿在栏前下压实际上是一个向前向下的运动轨迹, 在摆动腿下压过程中, 人体所获得前移水平速度已使摆动腿在下压的同时前移过栏了。

4. 摆动腿过栏着地支撑技术

正确的摆动腿过栏着地技术应是:过栏着地速度快, 着地角大 (与地面) , 着地点靠近身体重心投影点, 支撑稳固, 重心较高。

下栏动作实际是从身体重心抛物线达到最高点后, 人体就开始自然下落, 在无其他外力作用下, 运动员积极下压摆动腿虽然不能改变身体总重心运动速度和运动轨迹, 但能调整身体各环节重心的相对位置, 以使摆动腿尽早着地, 获得较大的着地角, 使着地点靠近身体重心投影点, 从而减小足着地时所产生的阻力 (国外优秀运动员足着地时的制动阻力为30公斤, 我国运动员为60公斤) , 减少着地前蹬时间, 取得迅速转入栏间跑第一步的有利姿势。摆动腿加速着地支撑还有一个积极意义:人体在地面加速运动时, 将获得动力支撑反作用力, 这个力的大小由人体重力 (P) 和惯性力 (F) 决定, 表达式为F=P+F=mg+ma。P值是固定的, F是身体某环节的质量乘以其加速度 (a) , 增大动力支撑反作用力, 就是要增加某环节的a值。摆动腿加速着地, 将有效地增大对地面的作用力而获得较大的动力支撑反作用力。因此要有强烈的摆动腿加速着地支撑意识和扒地式着地的技术动作, 这将使摆动腿着地后有较好的稳定性、较大的蹬地力量和较快的蹬地速度。

三、结论

(1) 摆动腿蹬离地面后, 即应充分折叠前摆, 直至起跨腿蹬伸起跨都应保持膝关节折屈并依据运动员个体差异, 在摆至合理位置时, 制动摆动腿大腿。

(2) 腾空后, 摆动腿由折屈到打开要快, 膝角尽量大, 摆动腿由折屈到打开至快速下压应是一个快速、连贯、准确、完整的“鞭打”动作, 应强调摆动腿接近栏板时即开始做下压过栏动作。

(3) 摆动腿过栏着地应有强烈的加速完成的意识和扒地式着地技术, 着地时保持伸髋, 伸膝肌群的紧张度, 直腿着地支撑。

参考文献

[1]袁庆成.人体运动分析[M].北京:人民体育出版社, 1981.

摆动腿技术 篇7

基于外骨骼机器人感知系统所采集信号的不同类型,可将外骨骼机器人的随动系统分为四类。第一类为预编程控制,装置的运动轨迹是预先编程设计好的,操作者只能进行有限的干预,适用于基于程序控制的康复矫正装置;第二类为基于人体脑电信号(EEG)的随动系统,该系统易受到外界环境的干扰,不适合操作者同一时刻执行多重脑部指令任务[2],常用于肢体瘫痪患者的助力装置设计;第三类为基于人体表面肌电信号(s EMG)的随动系统,如日本筑波大学的混合助力外骨骼(HAL)就是使用贴附在人体皮肤上的电极,检测微弱的生物电流判断运动意图,在下肢机器人中得到应用[3]。但是,肌电传感器需要紧贴人体表面,人体皮肤表面出汗会影响测量的准确度,长时间的粘附容易导致传感器脱落[4];第四类为基于运动力学信号的随动系统,通过在外骨骼机器人和人体上使用大量不同类型的传感器设备,测得人机交互信息判断人体运动意图,从而控制外骨骼机器人的运动,如美国的SARCOS使用力传感器研制的外骨骼机器人WEAR[5]、日本神奈川理工学院使用肌肉硬度传感器研制的外骨骼机器人WPS[6]、中科院合肥智能机械研究所的基于压力传感器的可穿戴助力外骨骼机器人[7];该机器人通过传感器去估测人体的运动意图,由于人机交互信息的输出滞后于人体运动意图,因而存在一定的延时。

本文在已设计的双关节驱动助力外骨骼机器人系统平台上,使用惯性传感器测量人机交互信息,利用卡尔曼滤波器的预测功能,对传感器采集的髋、膝关节角度信息进行预测,从而获得人体相应关节的运动意图。将预测量作为外骨骼机器人控制器的输入,设计基于二连杆模型的外骨骼助力机器人下肢摆动腿PD控制系统,控制外骨骼助力机器人相应关节跟随人体下肢随动,从而对人体运动轨迹进行跟踪,达到助力的目的。

1 外骨骼机器人的整体系统设计

设计了一种双关节驱动助力外骨骼机器人,如图1所示。它由一对外骨骼机械下肢、四组伺服电缸、传感器和控制箱组成。每条机械腿上有3个自由度,其中髋关节与膝关节为主动自由度,踝关节为被动自由度,传感器为6个足底压力传感器,4个陀螺仪和4个电机自带的编码器。4个陀螺仪分别安装在左右膝关节,左右髋关节。脚底压力传感器对称安装在左右脚底,主要用于实现步态识别功能,膝关节和髋关节各安装一个陀螺仪,用于测量各个关节处运动的角度,获取人体步态数据。将传感器获得的角度值作为卡尔曼滤波的测量值,以获取对应的预测量。预测的角度与编码器反馈的外骨骼机器人相对应关节角度的差值即为控制器的输入信号,设计PD控制器来实现外骨骼机器人系统准确跟随人体运动,控制流程框图如图2所示。

2 运动意图的卡尔曼预测

2.1 卡尔曼滤波的数学模型

卡尔曼滤波是一种从与被提取信号有关的观测量中通过估计得到所需信号的算法,被广泛的应用于实际工程中[8,9,10]。它主要由两个部分组成:第一部分为预测,即根据以往检测的信号预测下一时刻的信号;第二部分为估计,即根据预测的信号估计下一时刻检测出来的信号[11]。

在离散域中,系统方程和量测方程如下。

式(1)中x(k)为k时刻系统的状态,y(k)为k时刻的测量值,H为观测矩阵,u为控制输入量,τ为噪声驱动矩阵,w(k)和v(k)分别为过程噪声和观测噪声,两者的协方差分别为Q和R。结合过程噪声和测量噪声的协方差进行卡尔曼预测,其过程与进行滤波的过程刚好相反,即先估计后预测,过程如下。

第一步:求解卡尔曼增益

第二步:求解状态估计值。

第三步:求解协方差。

第四步:状态预测。

第五步:协方差预测。

式中Q、R分别为过程噪声和测量噪声的协方差,均为随机白噪声且相互独立不相干,p为状态变量对应的协方差矩阵,根据初值x(0)、p(0)对上述五个步骤进行迭代运算。

2.2 运动意图的卡尔曼预测模型建立

运用惯性传感器测得人体髋、膝关节的运动角度,由运动学的关系可知角度、角速度存在以下微分关系。

式(7)中θ、w分别为角度、角速度,将下肢外骨骼摆动过程中髋、膝关节角加速度φ作为随机干扰,角度

作为观测值,则可建立以下状态向量。

离散化的状态方程如下。

观测方程为

上述状态方程中系统的控制输入量u为零,i=1,2分别表示髋关节和膝关节。

2.3 初值的选取

令采样周期T=0.1 s,则可知

R为观测噪声的方差,可根据观测时所使用的传感器的精度,以及观测的方法进行确定,Q=4T-4R可以直接确定,状态向量按照比较接近真实值得方法进行确定,方差的初值选取不影响结果。

3 外骨骼机器人摆动腿动力学建模

下肢外骨骼机器人的动力学方程主要描述机器人运动和控制力的关系,为便于分析,现将外骨骼机器人简化成一种串联的二联杆模型(图3),并采用拉格朗日方法对整体结构进行动力学建模。

假设连杆的质量都集中在连杆中心位置处,定义关节变量为

定义的力矩向量为

式(13)中的τ1和τ2由驱动器提供,例如电动缸、液压缸。这里采用电动缸机构,力矩由电机提供。

对连杆1(大腿支撑杆)来说,运动过程中的动能和势能分别是

对连杆2(小腿支撑杆)来说,末端目标位移点为

式(15)中,l1、l2分别为大小腿支撑杆的长度,lc1和lc2是连杆1和连杆2的重心点(中心处)距连杆边界的长度,我们可以得到连杆速度的平方

然后连杆2的动能、势能分别为

从而得到整个系统的动能和势能为

从式(18)用公式可以得到动力学模型的惯性矩阵为

式(19)中,

然后用M(q)推导为

重力向量为

式(22)中

则机器人的拉格朗日标准形式为

式(24)即为单腿下肢外骨骼机器人动力学模型。其中M(q)为惯性矩阵,且为对称矩阵,为哥式力向量,G(q)为重力向量。

4 控制系统设计

在同时考虑加入离心力,哥式力以及各杆之间的耦合影响的情况下,为了控制下肢外骨骼机器人的末端准确得跟踪一个固定的预测位置qd,并到达这个位置,采用独立的PD控制可以满足控制要求的[12]。根据所建立的动力学模型,不考虑外界干扰,并考虑重力的影响,控制系统的输入为

式(25)中是重力补偿相,Kp为比例系数,Kd为微分比例系数,设预测旋转角度为qd,系统的跟踪误差为

因为采用定点控制,所以预测旋转角度为qd是常值,有,假设重力矩能够准确估计,即有,此时机器人动力学方程变为

为证明其稳定性,取李亚普诺夫函数[13]为

由M(q)和Kp的正定性可知VPID是全局稳定的,对其求导得

根据的协对称得到,推导可得

因为是半负定的,并且Kd是正定的。因此,当的时候有,从而。将此代入方程(29),得到Kpe=0,再由Kp的可逆性得到e=0。再由La Salle定理知,是受控机器人全局渐进稳定的平衡点,即满足从任何初始条件出发,都有q→qd,的结果。

5 实验仿真结果分析

第一步利用所设计的采集系统采集人体正常行走时的髋、膝关节运动角度,以卡尔曼滤波预测算法对膝关节和髋关节角度进行预测,在MATLAB编程环境下进行相应算法编写,对采集得到的数据进行处理可得到如图4~图7所示的结果。

从图5可以看出,利用卡尔曼预测算法所得的膝关节的预测误差为(-2.075°~2.554°),由图7可得到髋关节的预测误差为(-2.697 6°~2.743 7°),差值较小,能满足控制系统对输入信号的精度要求。

第二步运用MATLAB中的from workspace模块将第一步中生成的预测角度值输入到用S-Function所建立的外骨骼机器人动力学模型模块和控制算法模块的Simulink位置控制系统中,并以传感器的采样频率作为控制仿真的采样频率,所设计的仿真框图如图8所示。根据设计的要求,利用1990年的国家标准人体数据,成人男性的平均数据:大腿长为496mm,小腿长为396 mm。为计算的方便,令大腿的支撑杆长度为l1=0.5 m,重量为m1=12 kg;小腿的支撑杆长度为l2=0.4 m重量为m2=10 kg,设置连接杆角度变量的起始位置q1=-4.132,q2=-27.641,经过对PD参数的多次调节实验,在确定的参数整定范围内,选择比例系数矩阵kp1=[200,0;0,210],kp2=[800,0;0,800],微分比例系数矩阵kd1=[190,0;0,190],kd2=[800,0;0,800],采用变步长龙格-库塔ode45常微分方程解法得到图9~图11示。

由图9可以看出该系统可使得膝关节、髋关节运动轨迹对输入预测曲线具有很好的跟随性,由图10可知膝关节的跟踪误差为0.090 3°±0.675 6°,固定大腿,可知小腿末端关节在水平方向的位移误差为0.063 0±0.471 4 cm;髋关节的跟踪误差为0.016 2°±0.102 1°,固定躯干,可得到大腿末端关节在水平方向的位移误差为0.014 1±0.089 1 cm,误差很小足以满足跟随的精度要求;在2.0~3.5 s内髋、膝关节依次达到最大摆动角度,造成跟随角度的突变,使得控制系统的跟踪误差也随之变化剧烈。由图11可知膝、髋关节运动时所需的输入力矩大小,可为控制系统的力矩输出提供参考。实验结果表明控制效果良好,可以达到跟随控制的目的。

6 结论