馬秀杰，陳亮，和平，王健，張霈

我國優(yōu)秀棒球投手投擲臂動作關(guān)節(jié)角度特征分析

馬秀杰1，陳亮2，和平2，王健2，張霈3

借助三維錄像系統(tǒng)，對我國5支棒球隊中6名優(yōu)秀投手進(jìn)行比賽現(xiàn)場測試，運用運動生物力學(xué)原理與方法，對我國優(yōu)秀棒球投手的投擲臂在投球過程中進(jìn)行投球技術(shù)動作的測試與分析，試圖揭示這一技術(shù)的運動學(xué)特征，并對受試者動作技術(shù)的合理性作出診斷與評價。

優(yōu)秀棒球投手；投擲臂；關(guān)節(jié)角度；三維攝像

棒球比賽中，投手技、戰(zhàn)術(shù)水平的高低對比賽勝負(fù)起到80%左右的作用，它是全隊的靈魂，亦是衡量一支棒球隊強弱的主要標(biāo)志。棒球比賽每一局的開始都是以投手的投球為起始的。因此，掌握好投球技術(shù)，利用投球的速度、路線、高低、內(nèi)外和時間差等變化，向擊球隊員進(jìn)攻是一個球隊在防守上變被動為主動的首要環(huán)節(jié)。

本研究運用運動生物力學(xué)原理與方法，對我國優(yōu)秀棒球投手的投擲臂在投球過程中進(jìn)行投球技術(shù)動作的測試與分析，試圖揭示這一技術(shù)的運動學(xué)特征，并對受試者動作技術(shù)的合理性作出診斷與評價。

1 研究對象與方法

1.1 研究對象

參加中國2008年棒球聯(lián)賽6名投手，其中北京隊1名，上海隊1名，四川隊1名，廣東隊1名，天津隊2名。基本情況見表1。

表1 研究對象一覽表Table 1 Basic condition of subjects

1.2 研究方法

1.2.1 比賽現(xiàn)場錄像采用JVC9800型常速攝像機，對研究對象投球技術(shù)動作進(jìn)行三維定點拍攝。拍攝頻率為50 Hz，兩臺攝像機高都為1.40 m，兩臺攝像機分別放置在投手板與本壘板連線的兩側(cè)，兩臺攝像機通過投球坡中心的主光軸之間的夾角約為90°，兩臺攝像機距投手坡約20 m，拍攝范圍8 m。拍攝現(xiàn)場布置和攝像機的位置放置（見圖1）。架設(shè)完畢后，用三維標(biāo)定框架對運動范圍進(jìn)行標(biāo)定。

1.2.2 錄像解析每個動作分析從伸踏腳離地瞬間開始到球離開手后為結(jié)束的完整的投球動作技術(shù)。錄像解析采用鄭秀瑗1994的中國人體模型，應(yīng)用Ariel Dynamics系統(tǒng)進(jìn)行動作解析。所得數(shù)字化數(shù)據(jù)采用數(shù)字濾波法進(jìn)行平滑處理，截斷頻率Fc＝8。

圖1 現(xiàn)場錄像拍攝布置示意圖Figure 1 On-site tape layout diagram

1.3 參數(shù)定義

在參考北京體育大學(xué)學(xué)者劉卉[1]對人體關(guān)節(jié)角度定義的前提下，對本研究所涉及的關(guān)節(jié)角度進(jìn)行定義如下[2]。

（1）上臂內(nèi)收外展角：人體向下垂直軸和上臂矢量（肩-肘）在人體額狀面上投影間的夾角；（2）上臂水平內(nèi)收外展角：左右肩連線和上臂矢量（肩-肘）的夾角；（3）上臂外旋內(nèi)旋：前臂矢量（肘-腕）和人體矢狀軸分別在與上臂垂直的平面上的兩線投影間夾角；（4）肘關(guān)節(jié)屈伸角：肘關(guān)節(jié)點-腕關(guān)節(jié)點連線和肘關(guān)節(jié)點-肩關(guān)節(jié)點連線之間的夾角；（5）球速：以球出手后4張Ariel Dynamics解析系統(tǒng)所紀(jì)錄的球速平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 投球動作投球過程的階段劃分

根據(jù)Fleisig等學(xué)者[3]和Escamilla等學(xué)者[4]所提的動作劃分方法，按照投球動作的運動學(xué)特征及其本論文研究目的和任務(wù)進(jìn)行劃分，分為6個動作時相和5個動作階段（見圖2）。

圖2 投球動作流程特征圖（本研究對象的投球動作）Figure 2 Pitching motion process characteristics graph（The pitching of the subject）

6個動作時相：①前導(dǎo)腳離地瞬間；②伸踏腿抬腿的最大屈膝；③前導(dǎo)腳觸及投手坡瞬間；④肩關(guān)節(jié)的最大外旋；⑤球出手瞬間；⑥肩關(guān)節(jié)最大內(nèi)旋。

5個動作階段：第一階段為提膝轉(zhuǎn)軸階段（①-②）；第二階段為前導(dǎo)腳伸踏階段（②-③）；第三階段為上肢后擺階段（③-④）；第四階段為手臂加速階段（④-⑤）；第五階段為手臂減速階段亦手臂隨揮階段（⑤-⑥）。

2.2 投擲臂肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)角度變化運動學(xué)特征分析

2.2.1 投擲臂上臂水平外展內(nèi)收角度變化分析投手投球動作各階段的肩關(guān)節(jié)水平外展內(nèi)收角度的變化不僅可以反映投手肩關(guān)節(jié)柔韌性的好壞，而且可以反映運動員肩部肌肉能力的強弱。

從圖3中前導(dǎo)腳離地瞬間時刻和伸踏腿最高提膝時刻的肩關(guān)節(jié)水平外展內(nèi)收角的數(shù)值分析，6名投手在前導(dǎo)腳離地瞬間時刻和伸踏腿最高提膝時刻的肩關(guān)節(jié)水平外展內(nèi)收角的平均值分別為90.48°和95.47°。由前導(dǎo)腳離地瞬間時刻的肩關(guān)節(jié)水平外展角度平均值到伸踏腿最高提膝時刻變化了4.99°，可以看出6名投手的肩關(guān)節(jié)水平外展內(nèi)收角度在這兩個動作時刻之間沒有很大的變化。因為在這一動作階段（提膝轉(zhuǎn)軸階段）所有投手的上肢基本上沒有動作，這樣更有利于維持軸心腳的平衡性，從而可以提高投球的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

圖3 投擲臂肩關(guān)節(jié)水平外展內(nèi)收角度－時間曲線示意圖Figure 3 Throwing arm shoulder horizontal adduction Angle-time curve graph

在前導(dǎo)腳伸踏階段，伸踏腿伸踏的同時投擲臂開始后擺，肩關(guān)節(jié)水平外展角度開始增加，使肩部肌肉充分拉長，從而為進(jìn)行超等長收縮奠定基礎(chǔ)。在前導(dǎo)腳觸地瞬間時刻6名投手肩關(guān)節(jié)水平外展角度的平均值為150.28°，就水平外展角度Escamilla等人[5]的研究結(jié)果，前導(dǎo)腳觸地瞬間水平外展角度澳大利亞隊（205±12）°，意大利（202±8）°，荷蘭（213±11）°，日本（198±13）°，韓國（203±9）°美國（200±5）°，古巴（225±11）°，尼加拉瓜（204±10）°。相比之下，我國棒球投手在該動作的肩關(guān)節(jié)水平外展角度就太小了，這也與我國投手投球速度不高有直接關(guān)系。

在該時刻鄒某的肩關(guān)節(jié)外展角度最?。?32.8°）。比平均值150.28°要小很多，說明鄒某在伸踏階段投擲臂的后擺幅度相對較小。

在上肢后擺階段，外展角度越大說明動作越舒展，越充分，越合理，并能為下一階段的手臂最后用力鞭打動作提供良好的條件。在④動作時刻，6名投手肩關(guān)節(jié)外展角度為（158.7±10.71）°，這與Escamilla等人[4]分析11位美國與8位韓國職棒投手的肩關(guān)節(jié)水平外展角度很相近，美國職業(yè)投手在最大外旋時刻的肩關(guān)節(jié)水平外展為（164±7）°，韓國職業(yè)投手為（166±7）°。說明該階段我國投手動作相對上一階段要好。

棒球出手瞬間時刻，6名投手的肩關(guān)節(jié)水平外展角度平均值166.40°，這與Escamilla等人[6]分析美國和韓國職棒投手的肩關(guān)節(jié)水平外展角度在棒球出手時刻角度（美國的肩關(guān)節(jié)水平外展為（172±8）°，韓國職業(yè)投手為（175±6）°相當(dāng)。

2.2.2 投擲臂肩關(guān)節(jié)外展內(nèi)收角度變化分析投手肩關(guān)節(jié)外展內(nèi)收角度變化與正確動作順序聯(lián)系比較密切。因為外展最能直接影響軀干能量轉(zhuǎn)移至手臂上。故通常肩關(guān)節(jié)外展內(nèi)收角度變化作為評價投球動作合理性和正確性的一個重要角度類參數(shù)。

從圖4前導(dǎo)腳離地時刻分析，6名投手的外展角度平均值為15.13°，其中張某某、鄔某某、湯某的投擲臂外展角度都比較大，分別為21.26°、30.82°和20.7°。肩關(guān)節(jié)外展角度與投手在提膝階段投擲臂不同的持球方式有關(guān)。

圖4 投擲臂肩關(guān)節(jié)外展內(nèi)收角度－時間曲線示意圖Figure 4 Throwing arm shoulderadduction Angle-time curve graph

6名投手從前導(dǎo)腳離地時刻到觸地時刻投擲臂肩關(guān)節(jié)外展角度平均增大了80.07°。在該階段投擲臂肩關(guān)節(jié)外展角增大的幅度越大說明投擲臂上擺的越充分。上擺越充分肘關(guān)節(jié)就越高于肩關(guān)節(jié)，這樣可以防止肘關(guān)節(jié)發(fā)生損傷。

在前導(dǎo)腳觸地瞬間6名投手的肩關(guān)節(jié)外展角度為（95.20±14.57）°。這與Fleisig等[3]和Escamilla等[7]的研究結(jié)果很相似。說明在這一時刻我國投手與國外投手沒有什么差別。

伸踏階段過后，投擲臂繼續(xù)向后向上做拉伸的運動，投擲臂肩關(guān)節(jié)外展角度隨之增大。6名投手的投擲臂肩關(guān)節(jié)外展角度在④時刻平均為102.04°。從圖4投擲臂肩關(guān)節(jié)外展的角度曲線分析，手臂后擺階段的肩關(guān)節(jié)外展角度的變化不一，像鄔某某和趙某某的肩關(guān)節(jié)外展角度是相對減小了，而其他的圖像顯示肩關(guān)節(jié)外展角度是增加的。

2.2.3 投擲臂肘關(guān)節(jié)角度變化分析肘關(guān)節(jié)在整個投球過程中作用是最為關(guān)鍵的，肘關(guān)節(jié)將身體其他部位產(chǎn)生的動量傳遞至棒球。投手必須利用身體重心轉(zhuǎn)移及勢能、動能的變換來投出時速高達(dá)140～160 km的球速，在球出手前的0.05 s，肘關(guān)節(jié)的內(nèi)側(cè)必需要承受一極大的外翻力矩（valgus torque）[8]。

從圖5中前導(dǎo)腳離地時刻分析，6名投手投擲臂肘關(guān)節(jié)角度參差不齊，最大值為趙某某的140.16°，最小值為鄔某某的58.5°。平均值為90.42°。之所以這樣分散不集中，是因為投手在提膝轉(zhuǎn)軸階段持球的位置不同，有的投手習(xí)慣兩手合手于在胸前（像湯某、鄔某某），有的投手習(xí)慣放在小腹前（張某某、趙某某），這些不影響投球的質(zhì)量。在②時刻，平均值為82.74°。其中趙某某的數(shù)值最大，分別為124.29°，這是由于在提膝的同時，投擲臂離開手套移到體側(cè)，所以角度值變大。

在前導(dǎo)腳觸地瞬間時刻，投手的雙臂應(yīng)形成所謂“彎曲T型”[9]，6名投手的投擲臂肘關(guān)節(jié)角度平均值為72.83°。Fleisig等[5]研究結(jié)果少年為（74±17）°，高中生為（82±17）°，大學(xué)生為（85±18）°，職業(yè)投手為（87±15）°。Escamilla等[4]研究結(jié)果分別是韓國投手（96±18）°美國投手（89±12）°。Escamilla等[8]的研究結(jié)果，前導(dǎo)腳觸地時刻的投擲臂肘關(guān)節(jié)的角度分別是大洋洲投手為（92±20）°，歐洲投手為（78±26）°，亞洲投手為（74±26）°，美洲投手為（97±21）°。由以上數(shù)據(jù)比較可知，我國投手前導(dǎo)腳觸地瞬間時刻的肘關(guān)節(jié)角度偏小，這可能是影響球速的一重要因素。

圖5 投擲臂肘關(guān)節(jié)屈伸角度－時間曲線示意圖Figure 5 Throwing arm elbow flexion Angle-time curve graph

在手臂加速階段，肘關(guān)節(jié)變化很大，由肩關(guān)節(jié)最大外旋時刻的平均值97.01°到球出手瞬間時刻的平均值136.26°，平均差值為39.25°。在手臂加速階段，投擲臂肘關(guān)節(jié)角差值的大小可以反映投手在最后用力階段前臂的擺動幅度和加速距離的大小，差值越大，越有利于前臂的加速和提高球的出手速度。

棒球出手瞬間時刻，6名投手的肘關(guān)節(jié)伸展角度平均值為（134.54±18.22）°，相對Escamilla[5]的研究結(jié)果，我國投手的肘關(guān)節(jié)伸展角度要比國外優(yōu)秀投手的大。

2.3 棒球投球動作上肢動作角速度特征分析

湯姆·豪斯[8]指出，投球動作是一項連續(xù)的肌肉負(fù)載動能的連鎖，也就是說把力量從軸心腳的腳尖到另一前導(dǎo)腳的腳尖，透過身體傳達(dá)到投球點。其動作實質(zhì)也就是：運動員的肌肉不斷產(chǎn)生力量，力量作用于跨關(guān)節(jié)的骨骼使關(guān)節(jié)的角度發(fā)生變化（關(guān)節(jié)產(chǎn)生角速度），并且角動量由大關(guān)節(jié)向小關(guān)節(jié)傳遞，最后將動量傳遞至人體的末端效應(yīng)器（手），使棒球獲得較大的出手速度。因此，研究投手參與投球動作的主要關(guān)節(jié)的角速度，對于分析投手各關(guān)節(jié)周圍的肌肉力量，動作的準(zhǔn)確性等都有比較重要的意義。

2.3.1 肩關(guān)節(jié)內(nèi)旋外旋角速度變化特征分析投手投擲臂上臂加速運動的主要發(fā)力機制是以胸大肌為主的肌肉群收縮帶動肩關(guān)節(jié)活動來完成的，對棒球出手速度的大小起著至關(guān)重要的作用[10]。投球動作主要是通過肩關(guān)節(jié)把下肢的力量傳遞到上肢最后傳到末端——手，所以說投擲臂肩關(guān)節(jié)內(nèi)旋外旋角度在整個投球動作過程中起著很重要的作用[11]。

由表2看出，從肩關(guān)節(jié)最大外旋至球出手瞬間這一階段，也就是棒球出手前投手的最后用力過程，6名投手的最大水平內(nèi)收角速度的平均值為786.52°/s，上臂的最大內(nèi)旋角速度平均值為7266.1°/s。與國外職業(yè)選手還有差距，Escamilla等的研究中測得美國職業(yè)投手最大肩內(nèi)旋角速度為（7844±954）°/s，而韓國選手最大肩內(nèi)旋角速度為（8006±1071）°/s[6]。這可能也是我們球速較低的原因之一，同時也說明我們選手的肩關(guān)節(jié)肌群快速力量與國外職業(yè)選手還有差距。

Werner等[11]學(xué)者研究40位職業(yè)投手，分析他們投直線快球時，各運動參數(shù)與肘關(guān)節(jié)外翻壓力的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)，手臂加速期時，最大肩水平內(nèi)收角速度越大時，肘關(guān)節(jié)外翻壓力就越大（其研究中最大水平內(nèi)收角速度為（933±320）°/s。另外，Sabick[12]等學(xué)者研究平均年齡12歲少年棒球手時發(fā)現(xiàn)，肩關(guān)節(jié)外旋角度越大時，肘關(guān)節(jié)外翻壓力就越大（其研究中最大肩外旋角度平均為（166±9）°。過大的肘關(guān)節(jié)外翻壓力都會造成肘部肌群損傷。

表2 投擲臂肩關(guān)節(jié)角速度參數(shù)表（°/s）Table 2 Throwing arm shoulder internal rotation angular velocity parameter（°/s）

因此，要在適當(dāng)提高肩內(nèi)旋角速度和肩水平內(nèi)收角速度的同時要注意加強肘部相關(guān)肌群的訓(xùn)練，以避免造成損傷。

2.3.2 肘關(guān)節(jié)屈伸角速度變化特征分析投球最后的鞭打速度主要有肘關(guān)節(jié)把下肢的動力傳遞到末端環(huán)節(jié)，棒球投球動作也不例外，而前臂作為投手投球動作的次末端環(huán)節(jié)，其速度變化可以用肘關(guān)節(jié)角速度來表示，并且其速度對棒球的出手速度有直接影響。

在前導(dǎo)腳離地瞬間－伸踏腿最大提膝階段，投擲臂和非投擲臂為了保持身體的平衡應(yīng)該盡量避免做過大的動作，為提高身體重心速度做好基礎(chǔ)，在該階段大部分的投手肘關(guān)節(jié)屈伸角度變化不是很大。在伸踏腿最大提膝—前導(dǎo)腳觸地瞬間階段，肘關(guān)節(jié)的伸展肌群（肱三頭肌、三角肌后束等）主動收縮，使前臂加速伸展，為下一動作階段的手臂后擺呈彎曲T型做好鋪墊。所以說前導(dǎo)腳觸地瞬間的肘關(guān)節(jié)屈伸角速度變化率與伸踏腿最大提膝時刻的肘關(guān)節(jié)屈伸角速度變化率的差值可以反映投手肘關(guān)節(jié)伸展肌肉群收縮用力、加速投球的能力。6名投手在該階段肘關(guān)節(jié)屈伸角度變化率差值為315.21°/s，說明我國投手肘關(guān)節(jié)的伸肌肌肉群力量還需加強（見圖6）。

圖6 肘關(guān)節(jié)屈伸角速度－時間曲線示意圖Figure 6 Elbow extension angular velocity-time curve graph

棒球出手瞬間時刻6名投手的肘關(guān)節(jié)速度變化率平均值為2350.87°/s（韓國投手為2401°/s、美國投手2565°/s）[6]，肩關(guān)節(jié)最大外旋時刻為244.05°/s。可見，手臂加速階段的肘關(guān)節(jié)屈伸角速度變化率的差值最大，為2106.82°/s。說明此階段投手的肘關(guān)節(jié)角度和角速度變化都很大，充分體現(xiàn)出肘關(guān)節(jié)的快速鞭打用力，這一現(xiàn)象符合動量矩的傳遞規(guī)律，較好地向肢端末節(jié)傳遞了動量矩，有利于提高棒球的出手初速度。其中趙某某的角度變化率較其他投手大，為3071.27°/s，說明在手臂加速階段趙某某的伸肘加速能力相對較強。

由圖6也可以看出，肘關(guān)節(jié)屈伸角度變化率最大基本上都發(fā)生在手臂加速階段。且肘關(guān)節(jié)角度變化率最高值基本上都在棒球出手瞬間時刻。這樣有利于提高棒球出手速度。

3 結(jié)論

（1）本研究所測得到的球速平均數(shù)為（32.21±3.43）m/s。我國投手投出的棒球速度要比國外的投手小很多。

（2）受試投手均為中國優(yōu)秀棒球投手，肩關(guān)節(jié)水平外展內(nèi)收角度變化相對國外投手，我國投手在前導(dǎo)腳觸地時刻的肩關(guān)節(jié)水平外展角度太?。ㄆ骄禐?50.28°），后擺不充分。這也與我國投手投球速度不高有直接關(guān)系。

（3）棒球出手瞬間時刻6名投手的肘關(guān)節(jié)伸展角度平均值為（134.54±18.22）°，較國外優(yōu)秀棒球投手我國投手在該時刻大20多度。投擲臂肘關(guān)節(jié)在球出手瞬間時刻伸展角度太大，影響棒球的出手速度。

（4）6名投手的最大水平內(nèi)收角速度的平均值為786.52°/s，而上臂的最大內(nèi)旋角速度平均值為7266.1°/s。與國外職業(yè)選手還有差距，國外優(yōu)秀投手最大水平內(nèi)收角速度為（933±320）°/s，美國職業(yè)投手最大肩內(nèi)旋角速度為（7844±954）°/s，而韓國選手最大肩內(nèi)旋角速度為（8006±1071）°/s。這可能也是我們球速較低的原因之一。同時也說明我們選手的肩關(guān)節(jié)肌群快速力量與國外職業(yè)選手還有差距。

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Angle Characteristics Research on the Pitching Movement of Throwing arm of the Elite Baseball Pitchers in China

MA Xiujie1，CHEN Liang2，HE Ping2，WANG Jian2，ZHANG Pei3
（1.School of PE，Handan College，Handan 056005，China；2.Tianjin University of Sports，Tianjin 300381，China；3.Dept.of PE，Hebei Polytechnical University，Tianjin 300130，China）

At present，the level of the baseball pitchers in China is not good enough，which needs a sports biomechanics research to meet the need of practice and theory.In this study，Three-dimensional Video System was used to test the top 6 pitchers from five teams in China.The sports biomechanics principles and methods were used to test and analyze the pitcher's pitching technique of the excellent baseball players.Record the kinematics data of the participants.Attempt to reveal the kinematics characteristics，and make a reasonable diagnosis and evaluation to the participants'movement.Objectively analyze the best pitchers'movement in China so as to provide a theoretical and training reference.

pitcher；throwing arm；joint degree；three-dimensional cameras

G 804.3

A

1005-0000（2011）01-0086-04

2010-07-19；

2010-09-02；錄用日期：2010-11-15

馬秀杰（1983-），男，山東聊城人，助教，研究方向為運動生物力學(xué)、體育教育訓(xùn)練學(xué)，E-mail：maxiujie2008@163.com。

1.邯鄲學(xué)院體育學(xué)院，河北邯鄲300381；2.天津體育學(xué)院，天津300381；3.河北工業(yè)大學(xué)體育部，天津300130。