根据训练状态，使用矢量编码分析方法研究羽毛球正手击球过程中横向平面上的肩肘协调性

《Human Movement Science》：Shoulder-elbow coordination in the transverse plane during badminton forehand drive depending on training status using vector coding analysis

　　李敬恩|金勋
韩国牙山顺天乡大学软件融合系

**摘要**
本研究利用矢量编码和耦合角映射技术，探讨了羽毛球正手击球过程中训练状态对肩部和肘部在横向平面内协调性的影响。共有15名受过训练的参与者与15名未受过训练的参与者参与了实验。通过运动捕捉技术记录了他们正手击球时的上肢运动学数据。通过逆运动学分析获得了肩部内外旋转角度以及肘部旋前/旋后角度。数据选取自肩部最大外旋时刻至羽毛球击中球的瞬间，并通过矢量编码计算耦合角，将协调性分为八类，随后进行耦合角映射分析。同时测量了肩部、肘部和腕部的活动范围。采用多元分析和单变量分析方法检测组间差异，并通过主成分分析总结了各阶段的协调特征。研究发现，受过训练的参与者在多个平面上的上肢活动范围更大，其协调序列主要表现为反相位开始，在击球前转为同相位，其中肩部内旋现象较为常见；而未受过训练的参与者则更多以同相位开始并在击球后转为反相位，显示出不同的关节间协调模式。相位计数分析和主成分分析进一步区分了两组之间的差异，结果显示受过训练的参与者表现出更多的同相位肩部内旋现象以及较少的远端关节主导阶段。通过耦合角映射技术可视化了这些协调模式。研究表明，在正手击球过程中，受过训练的参与者与未受过训练的参与者在横向平面上的肩部和肘部协调性存在显著差异。受过训练的参与者采用了一种先分离再同步关节运动的策略，优先利用近端关节的带动作用来支持高效的动能传递和球拍加速。这些发现为教练提供了生物力学依据，有助于培养球员的同相位肩部主导协调能力，同时考虑到个体间的差异性。

**引言**
羽毛球被誉为速度最快的球拍运动，其在所有球类运动中处于“速度阶梯”的顶端。根据Cohen和Clanet（2016）的研究，羽毛球扣球的最高速度达到了137米/秒（约493公里/小时），几乎是网球（73米/秒或263公里/小时）的两倍，远高于高尔夫（91米/秒或328公里/小时）和乒乓球（32米/秒或115公里/小时）（Cohen & Clanet, 2016）。尽管网球和羽毛球使用的球拍长度相似，但羽毛球的高速得益于其弹性球拍杆的助力。这种弹性使得球拍头在加速阶段能够储存弹性能量，并在击球时将其转化为动能，从而使球拍头速度翻倍。这种极高的速度要求运动员在极短的时间内做出快速而精确的反应。此外，由于羽毛球轨迹的高度不确定性，运动员需要在较大的活动范围（ROM）和自由度下完成复杂的上肢协调动作（Pardiwala et al., 2020）。

正手击球是一种常见的水平击球方式，通常在球场中间位置执行，球拍以低速快速穿过网面（Abdullahi & Coetzee, 2017; Badminton World Federation, 2017, pp. 109, 114）。其目的既是进攻也是防守——通过快速反击对手的球来限制对方的攻击机会并干扰其表现（Badminton World Federation, 2017, p. 114）。因此，正手击球的生物力学特性会因技能水平而异，了解这些差异对于指导低水平球员的训练至关重要。

理解肩部和肘部关节的协调性，尤其是在横向平面上的协调性，至关重要，因为近端到远端的关节控制对最大化球拍速度和能量传递效率起着关键作用。先前的研究已经证实了这一点。例如，López de Subijana等人（2010）展示了网球发球过程中动能从躯干和肩部向球拍的顺序传递，强调了协调的近端到远端运动的重要性（López de Subijana et al., 2010）。Ramasamy等人（2022）也发现，在羽毛球跳杀中，较大的肩部内旋力矩与更高的球拍头速度显著相关（Ramasamy et al., 2022）。这些研究表明，受过训练的运动员可能采用更精细的关节间协调策略。然而，像羽毛球正手击球这样的水平动作中，这种协调的具体时间和方向特征尚未得到量化。因此，识别这些协调模式可以为提高羽毛球技能提供生物力学基础。

**以往研究**
针对高尔夫和网球等挥拍类运动的研究表明，熟练运动员在活动范围（ROM）和协调模式（如身体各部分的旋转、力量传递、关节力和力矩）以及神经肌肉特性（如肌肉激活顺序）方面表现出优势（Landlinger et al., 2010; Lo & Hsieh, 2016; Okuda et al., 2010; Wei et al., 2006）。这些因素对力量产生、球速和受伤风险都有重要影响。尽管协调模式在挥拍类运动中至关重要，但关于羽毛球协调性的生物力学研究仍相对较少。这主要是由于该运动的高速度要求带来了技术挑战，需要高频率的运动捕捉和先进的同步技术，而这些技术在以往较为难以实现。现有的羽毛球生物力学研究主要集中在扣球或冲刺（即下肢运动）上，使用离散的运动学变量（Fu et al., 2017; Ramasamy et al., 2024; Sakurai & Ohtsuki, 2000; Zhang et al., 2016; Zhao & Gu, 2019）。然而，这些传统线性分析往往忽略了定义熟练表现的动态、非线性关节相互作用。因此，关于正手击球及其关节间协调的生物力学研究较为缺乏，主要是因为量化这种快速多关节序列所需的方法工具直到最近才变得普遍。

正手击球是从身体侧面或前方执行的，涉及上肢的旋转（Badminton World Federation, 2017, p. 114）。虽然扣球和正手击球都需要在上肢矢状面上的运动，但正手击球在矢状面上的运动较少，而在横向平面上的运动更多。尽管横向平面对于这种水平击球具有重要的机械意义，但大多数研究仍集中在扣球上，导致对击球过程中关节间动态的理解不足。因此，观察上肢（如肩部和肘部）在横向平面上的协调性对于理解不同技能水平下的运动策略至关重要。本研究特别选择了肩部内旋和肘部旋前作为分析对象，因为它们在正手击球中具有生物力学重要性。肩部内旋启动了近端关节的旋转，推动球拍向前加速，而肘部旋前则调整球拍面角度，帮助精确控制球轨迹。这两种旋转共同产生了横向平面上有效能量传递所需的角速度。与矢状面运动相比，这些横向旋转是平快正手击球中球拍方向和挥动速度的主要决定因素。通过分析这些角度，我们可以直接评估熟练的协调模式对羽毛球表现的影响。先前研究表明，在足球踢球（Li et al., 2016）和羽毛球扣球（Zhang et al., 2016）中，相邻关节会以同相位运动，类似的协调模式在正手击球中也可能同样重要。这反映了棒球和乒乓球中常见的广泛时间协调策略，其中精确的关节耦合对于拦截高速球体至关重要（Kishita et al., 2020; Shinkai et al., 2024）。在羽毛球中，这种耦合可能是为了在极短的时间内最大化球拍速度而形成的特殊适应机制。然而，关于羽毛球正手击球过程中肩部和肘部在横向平面上的协调模式的研究仍然有限。

**研究方法**
本研究采用矢量编码和耦合角分析方法来研究受训者和未受训者在正手击球过程中的肩部和肘部协调性。与传统的时间序列角度图或基于相关性的分析不同，矢量编码通过量化耦合角并将其分类为有意义的类别（如同相位、反相位和关节主导）来捕捉协调变化的细节。这种细节水平对于评估高速多关节运动（如羽毛球正手击球）尤为重要，因为协调模式在运动周期中会动态变化（Needham et al., 2020）。许多研究者使用时间序列运动学分析（即时间-角度图）来研究球拍挥动中的生物力学（Landlinger et al., 2010; Zhang et al., 2016）。然而，多时间-角度图本身无法详细分析和量化两个相邻关节的协调模式，因为旋转方向和关节主导性变化非常迅速（Needham et al., 2020）。矢量编码是一种非线性数据分析技术，通过计算角度-角度图中的耦合角来量化协调性（Hamill et al., 2000; Needham et al., 2014）。根据两个关节之间的相对运动方向和哪个关节主导运动（即关节主导性），耦合角被分为八类（Needham et al., 2015）。此外，耦合角映射技术可以通过颜色编码来可视化和定性分析整个运动周期中的协调变化（Needham et al., 2018）。这些技术有助于分析正手击球过程中肩部（内外旋转）和肘部（旋前/旋后）的协调模式。

**结论**
本研究首次运用矢量编码和耦合角分析技术，探讨了受训者和未受训者在正手击球过程中的肩部和肘部协调性。结果表明，受过训练的参与者表现出更多的同相位运动和肩部运动主导性，这为制定提升技术技能的训练计划提供了宝贵见解。

**致谢**
本研究得到了韩国国家研究基金会（NRF）的资助（由韩国政府（MSIT）提供，项目编号RS-2022-00165979），以及顺天乡大学研究基金和BK21 FOUR计划（培育杰出研究型大学，项目编号5199990914048）的支持。研究结果清晰、真实地呈现，未涉及任何伪造、篡改或不当数据操作。