网球发球过程中上肢环节链鞭打动作的计算机辅助分析

发布时间：2020-03-23 23:25

【摘要】：研究目的探究网球发球中上肢环节做鞭打动作时肘关节角、腕关节角变化对末端速度的影响,分析发球时,不同的肘关节角、腕关节角变化与上肢各环节转动惯量的关系,进而计算出末端动能,分析鞭打的一般规律,为网球运动运动员获得最大击球速度提供参考。研究方法完成本研究主要采用了文献资料法,实验测量法,软件工程法。。1)文献资料法具体为:通过聊城大学图书馆、中国学术期刊网、EBSCO等数据库,以“鞭打”、“网球发球”、“tennis serve biomechanics”、“生物力学”、“多刚体建模”、“仿真”等为检索词,查阅了国内外文献以及相关论著,全面了解了网球发球过程中上肢鞭打动作技术的研究现状,以及计算机技术在体育领域中的应用,为本研究奠定理论基础。2)实验测量法具体为:筛选取6名聊城大学体育学院的网球专选运动员(年龄19.5±0.5岁,身高179.5±2.5 cm,体重69±6 kg,绝对力量为563.5±24.5 N)作为实验的研究对象。使用两台JVC-GC-PX100型号相机对6名运动员的发球进行采集,通过发光二极管进行同步,Simi Motion 9.1进行剪辑、关节点的标定,通过运动学数据的输出,得出了6名测试运动员的肘关节、腕关节角度随时间变化的曲线,得出了拍头的末端速度随时间变化的曲线,对发球进行了运动学分析。3)软件工程法具体为:网球发球时除去力量因素对发球速度的影响,分析了不同发球技术对网球发球速度的影响,其主要表现在腕关节角,肘关节角的变化。采用Matlab GUI编程的方法,将上肢简化为3个刚体环节,编写了肘关节角、腕关节角与转动惯量的程序,对简化的刚体进行了一般力学分析,列出了关节角和转动惯量之间的关系,程序实现了肘关节角、腕关节角与转动惯量之间的计算,得出了肘关节角-转动惯量、腕关节角-转动惯量的曲线,整合运动学分析得出的数据,对上肢发球环节进一步讨论,分析发球中上肢环节的鞭打动作。研究结果1)6名网球运动员在发球时肘关节角有两种形式的变化,其一为肘关节角先减小,此处是引拍环节储存能量;其二为肘关节角增大的阶段,此时挥拍击球。腕关节角有两种形式的变化,减小和增大,减小阶段为储存能量。2)6名运动员有着不同的发球方式,其主要的差距表现在引拍阶段、击球阶段肘关节角、腕关节角。通过进行相关计算和Simin Motion得出的数据知,不同的关节角度使末端有不同的转动惯量,从而末端有着不同的转动动能,且球拍末端获得的速度与参与发球末端环节的动能变化量呈正相关。研究结论1)通过运动学分析,计算机辅助结果分析知,提高发球速度除了增大肌肉力量外,通改变发球技术亦可以提高发球速度。改进动作技术是计算机辅助技术主要任务。2)对网球发球时关节点位移速度的变化分析知,网球发球时有上臂环节到前臂,从前臂到拍头的动量传递,上肢鞭打时依次发力保证动量传递,使末端获得更大速度。根据计算机辅助分析结果知,制动有利于动量矩的传递,增加末端速度,因此合理的鞭打动作存在近端环节的制动。3)对网球发球时角速度变化的分析知,存在着动量矩的传递,但通过计算其合外力矩不为零,得出局部环节不满足动量矩守恒定理。计算动量矩的减少量以及转动惯量的变化曲线发现,相对制动有利于动量矩的传递,使末端获得更多的动量矩,对鞭打制动的进一步描述为相对制动。4)网球击球时上肢各环节作同向运动,且击球时末端转动惯量是增大的。根据转动动能定理,要获得较高击球速度,增大转动惯量或增大角速度,转动惯量通过改变转动半径改变,角速度主要通过增大肌肉力量。5)肘关节角、腕关节角影响着上肢鞭打动作的转动惯量。发球过时肌肉做功改变肘关节角,影响着角加速度;击球时肘关节角增大,末端的转动半径增大,末端转动惯量增大,使末端产生较大转动动能。结合计算机辅助分析知,最佳的击球角度为肘关节角、腕关节角依次逐渐增大。
【学位授予单位】：聊城大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP391.7;G845

【参考文献】