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研究生: 蔡虔祿
Tsai, Chien-Lu
論文名稱: 網球發球上肢肢段關節之動力學分析
DYNAMICAL ANALYSIS OF UPPER EXTREMITY IN TENNIS FLAT SERVICES
指導教授: 黃長福
Huang, Chen-Fu
林德嘉
Lin, Der-Chia
學位類別: 博士
Doctor
系所名稱: 體育學系
Department of Physical Education
畢業學年度: 87
語文別: 中文
論文頁數: 111
中文關鍵詞: 生物力學網球發球運動學逆過程
英文關鍵詞: Biomechanics, Tennis, Serve, Inverse Solution
論文種類: 學術論文
相關次數: 點閱:426下載:13
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  • 國 立 臺 灣 師 範 大 學 體 育 學 系
    博 士 學 位 論 文
    網球平擊發球上肢肢段關節之動力學分析
    研究生:蔡虔祿 指導教授:黃長福 共同指導教授:林德嘉 民88年6月
    摘 要
    大多數的選手在發第一發球時,幾乎都全力以赴,這造成持拍手的三個關節--肩關節、肘關節與腕關節承受強大的壓力,若沒有經過適當的訓練,可能會使選手的上肢關節會面臨巨大的傷害。本研究即欲探討選手的第一發球的過程中,擊球前後在上肢關節的作用力、力矩與功率,及其相互間的作用所造成的影響。
    本研究以國內四名大專甲組冠軍隊的男網球選手為受試者,針對他們的第一發球的動作來做分析。他們的年齡平均為20.3歲、身高平均為184公分、體重平均為78.9公斤。本文將受試者的持拍手分成上臂、前臂與球拍(加上手掌)。將各肢段視為去頂橢圓錐體模型,以此數學模式的方法計算出肢段的重量、體積、與轉動慣量。配合重心板與浸水法的校正,而獲得各選手個人的人體肢段參數。以一部Kodak高速攝影機(500Hz)拍攝選手們矢狀面的二度空間資料。在結合球、人體肢段參數與攝影機得到的數位化動作資料後,運用動力學的逆過程 (Inverse Dynamics),分析碰撞前後上肢關節的力學變化,並計算上肢關節的作用合力,以瞭解發球與上肢關節的作用情形。
    從以上的方法分析所得的結果,得到下列幾項結論:
    一.以去頂橢圓錐體所計算的人體肢段參數資料得到的數據精確度很高,可以做更廣泛的應用。也可以增加受試者的人數,以得到更精確的參數資料。
    二.網球發球的上肢作用合力、淨關節力矩與功率,各肢段皆在碰撞時達
    到極值。
    三.網球發球在碰撞時,三個關節中以腕關節在角速度、角加速度與關節作用功率的表現上最為突出。
    四.依照上肢的關節角速度、關節淨力矩與關節作用功率的數據所分析出之網球發球型態,發現為避免屈肘肌群的離心收縮負荷,應多做屈肘肌群的重量訓練,以減少發球前期所產生的傷害。
    關鍵詞:生物力學、網球、發球、運動學逆過程

    National Taiwan Normal University Department of Physical Education
    DYNAMICAL ANALYSIS OF UPPER EXTREMITY
    IN TENNIS FLAT SERVICES
    Doctoral Graduate Student: Tsai, Chien-Lu
    Advisor: Huang, Chenfu
    Co-Advisor: Lin, Der Chia
    Present Date: 06/ 19/ 1999
    ABSTRACT
    The purpose of this study is to analyze the net joint forces, moments and powers on the upper extremities of the elite players during the flat service movement. In this study, we are interested in analyzing from the phase of the period before and after the point of making contact with the ball. Four elite collegiate players in Taiwan were served as subjects. Their mean age, height and weight were respectively 20.3 years, 184.0cm and 78.9kg. The upper extremity of the subject was separated into three segments, upper arm, forearm and racket (with fist included). The body segment parameters of each subject were calculated by a mathematical model of truncated elliptical cone and calibrate by reaction board and water displacement methods. A Kodak Ekta-Pro 1000 high-speed video camera (500Hz) was used to record the 2D kinematics data. The inverse dynamics solution was employed calculate the forces, moments and powers of the upper segment joints. From these data, we can understand the power balance within the segments.
    The results were concluded as follows:
    1. The mathematical model of truncated elliptical cone employed in this study present a very useful and accurate method for the calculation of body segment parameters.
    2. By analyzing the acceleration stage of the tennis serve, the net joint forces, net joint moments and power simultaneously attained peak values at the time of contact.
    3. The wrist joint has the greatest angular velocity, angular acceleration and joint power during the contact phase.
    4. From the analysis of the motion of the upper extremities, it is realized that regular training on the elbow flexor will reduce likelihood of injury due to stress the flexor through eccentric contraction during acceleration phase.
    Key Words: Biomechanics, Tennis, First Serve, Inverse Dynamics

    目       次 章節 內        容 頁次 授權書 ........................... I 口試委員與所長簽字證明 ........................... II 中文摘要 ........................... III 英文摘要 ........................... IV 謝誌 ........................... V 目次 ........................... VI 表次 ........................... VII 圖次 ........................... VIII 第一章 緒論........................ 1 一. 問題背景..................... 1 二. 研究問題..................... 2 三. 研究目的..................... 3 四. 研究假設..................... 4 五. 研究範圍..................... 4 六. 名詞操作型定義................. 4 七. 研究的重要性................... 5 第二章 文獻探討..................... 6 一. 人體肢段參數的文獻............... 6 二. 有關網球發球的文獻............... 8 第三章 方法與步驟.................... 14 一. 研究對象..................... 14 二. 實驗流程..................... 14 三. 人體肢段參數的計算............... 15 四. 網球拍與球之測量................ 26 五. 二度空間高速攝影................ 29 六. 實驗器材..................... 34 七. 實驗步驟..................... 37 八. 資料處理..................... 40 第四章 結果........................ 42 一. 人體肢段參數基本資料............. 42 二. 運動學變數...................... 47 三. 動力學變數......... 57 第五章 討論與結論.................... 76 一. 人體上肢肢段參數............. 76 二. 運動學變數...................... 77 三. 動力學變數......... 80 第六章 參考文獻..................... 89 附錄一. 受試者身高體重資料.................. 93 附錄二. 電子秤測量球拍重量................... 94 附錄三. 受試者實驗同意書................ 95 附錄四. 受試者基本資料表............... 96 附錄五. 受試者實驗須知.................. 97 附錄六. 肢段長短徑與長度測量表.................. 98 附錄七. 數學模式法肢段測量原始數據資料....... 99 附錄八. 受試者肢段浸水法測量體積原始數據資料... 100 附錄九. 測力板測量肢段重心............... 101 附錄十. 動作拍攝之實驗情景............... 102 附錄十一. 受試者之關節角度數據資料............... 103 附錄十二. 受試者關節作用合力數據資料.......... 106 附錄十三. 受試者關節作用淨力矩數據資料.......... 108 附錄十四. 受試者關節作用功率數據資料........... 110 表       次 表一. 兩種發球步法變數比較表............. 10 表二. 網球發球肩部肌群活動訊號表......... 12 表三. 人體肢段體積表.................. 42 表四. 數學模式法計算的肢段重心位置與轉動慣量表.... 44 表五. 重心板與數學模式法計算人體肢段重量...... 45 表六. 網球拍的參數資料表................ 46 表七. 網球發球擊球時之基本變數表............ 48 表八. 網球發球過程之關節角度變數表.......... 51 表九. 擊球剎那的關節作用合力、關節作用淨力矩與關節作用功率值...................... 63 表十. A受試者發球動作上肢關節作用分析........ 72 表十一. B受試者發球動作上肢關節動力學分析........ 73 表十二. C 受試者發球動作上肢關節動力學分析........ 74 表十三. D受試者發球動作上肢關節動力學分析........ 75 表十四. 網球發球動作上肢關節動力學綜合分析........ 87 圖       次 圖一. 網球發球動作階段圖........... 2 圖二. 實驗流程圖.................... 14 圖三. 浸水法壓克力長方體校正方塊圖........ 15 圖四. 浸水法....................... 16 圖五. 浸水法手部實際測量圖................. 17 圖六. 浸水法上肢實際測量圖................. 17 圖七. 肩關節之分割面................. 18 圖八. 肘關節之分割面................. 18 圖九. 腕關節之分割面................. 18 圖十. 去頂橢圓錐體肢段圖............... 19 圖十一. 測力板力量曲線圖................ 21 圖十二. 重心板測量上肢手臂重心圖-A........... 22 圖十三. 重心板測量前臂重心圖-B............... 23 圖十四. 重心板測量手掌部重心圖-C............ 23 圖十五. 網球拍重心平衡法................ 26 圖十六. 網球拍重心實際測量圖................ 26 圖十七. 網球拍轉動慣量簡諧運動法........... 27 圖十八. 網球拍轉動慣量實際測量圖........... 28 圖十九. 網球與拍子之彈性係數測驗圖......... 28 圖二十. 三肢段動力學模式圖-A............. 29 圖二十一. 三肢段動力學模式圖-B............. 30 圖二十二. Kodak Ekta-Pro 1000 高速攝影機...... 35 圖二十三. Peak Performance 攝影分析電腦........ 35 圖二十四. 重心板一塊(195*74cm) ............ 36 圖二十五. 壓克力圓柱型量筒 36 圖二十六. 滴定管 37 圖二十七. 場地與儀器佈置圖 38 圖二十八. 動作的拍攝 39 圖二十九. 網球發球上肢肢段動作連續圖 47 圖三十. 網球發球上肢肢段運動學角度界定圖 50 圖三十一. A 受試者上肢關節變化圖 53 圖三十二. B 受試者上肢關節變化圖 54 圖三十三. C 受試者上肢關節變化圖 55 圖三十四. D 受試者上肢關節變化圖 56 圖三十五. 網球發球上肢肢段動力學角度界定圖 58 圖三十六. A 受試者上肢關節動力學變化圖 59 圖三十七. B 受試者上肢關節動力學變化圖 60 圖三十八. C 受試者上肢關節動力學變化圖 61 圖三十九. D 受試者上肢關節動力學變化圖 62 圖四十. A受試者發球前段上肢關節動力學變化圖 64 圖四十一. A受試者發球後段上肢關節動力學變化圖 65 圖四十二. B受試者發球前段上肢關節動力學變化圖 66 圖四十三. B受試者發球後段上肢關節動力學變化圖 67 圖四十四. C受試者發球前段上肢關節動力學變化圖 68 圖四十五. C受試者發球後段上肢關節動力學變化圖 69 圖四十六. D受試者發球前段上肢關節動力學變化圖 70 圖四十七. D受試者發球後段上肢關節動力學變化圖 71

    第六章.參考文獻
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