[转帖]乒乓球正手快攻、弧圈球技术的生物力学研究及步法垫测试系

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信号采集系统与计算机之间通过串口连接，通信速率为115,200 bps。
3 乒乓球步法垫测试系统软件原理
3.1 软件构成
分析软件部分包括四个模块：数据采集模块、数据分析模块、数据调试模
块、统计模块。
数据采集模块实现与信号采集仪之间的数据通信，向信号采集仪发送控制
指令，从信号采集仪获取实时采集数据。并进行数据的预处理、存储，以便分
析（如图2－3－1）。
数据分析模块根据采集模块采集处理的数据，实现步法移动轨迹的重构，
并结合高速影像记录，实现对采集信号左、右脚区分，以实现对各参数的计算、
统计（如图2－3－2）。
数据调试模块用于对原始数据的显示，与分析统计相对应，以及时校正处
理的数据（如图2－3－3）。
统计模块根据数据分析模块的左右脚分析、计算给出各时间段内的左、右
脚的支撑时间、腾空时间、移动路程等参数（如图2－3－4）。
图 2－3－1 数据采集模块
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3.2 软件算法中时间偏差的说明
虽然乒乓球步法垫测试系统和录像拍摄是同步的，但是得到的数据上两者
在时间上有一点小差异，存在着偏差。步法垫的采集时间比录像采集时间要少
一些，总的偏差不超过5％。有如下偏差：
（1）实际时间算法的误差
在程序中出于统计处理的需要，
实际时间＝（左脚腾空时间＋左脚支撑时间）－（左脚腾空次数＋左脚支
撑次数－1）×0.02 s
（2）对于腾空和落地规定的误差
以 1 分球为一个区段进行实际时间与累加时间比较时，1 分球结束时所处
的腾空（或支撑）并没有结束，必须要等到下一个落地（或腾空）产生时，才
计算这段时间，时间已超出1 分球的时间段。同样，开头的第一段也包含了上
一分的一些时间。
图 2－3－2 数据分析模块
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图 2－3－3 数据调试模块
图 2－3－4 数据统计模块
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4 乒乓球步法垫测试系统技术参数
（1）柔性薄膜开关阵列面积：300 * 400 （cm * cm）
（2）阵列分布：4 * 4（cm * cm）
（3）采样频率：50 HZ
（4）厚度：0.3cm
5 对步法垫测试精度的检验
在进行步法垫测试前我们对步法垫的精度进行了检验。因为在测量实践中，
测量仪器的重复性、再现性和稳定性对量测结果有较大的影响。对精度的估算，
都需要用样本数据来估计测量总体的标准差。误差能反映测量结果与真值的差
异，差异小，俗称精度高，差异大则称精度低，评价仪器精度的高低有多种方
式和指标，常用的有精度范围、重复性与线性度。
针对精度范围的评估一般有两种情形：其一已知真值的情况下，可以把所
测量的数据与真值相减以得到一组偏离真值的误差样本，对于这些样本数据，
可用贝塞尔（Bessel）公式计算样本的标准差进而对精度值进行检验。
重复性是指在相同条件下（相同测量方法、相同操作人员、相同测量器具、
相同地点和相同使用条件等），在短时间内对同一个量进行多次测量所得结果之
间的一致程度。样本数据的标准差可反映仪器的重复性如何。
线性度是指随着自变量的增加因变量变化的线性程度。
本实验中，由于柔性薄膜开关的制作技术已比较完备，因此有关柔性薄膜
开关本身的精度问题可认为符合实验要求。现主要问题是将柔性薄膜开关制成
步法垫时，由于面积增大和线路增多，应对步法垫进行检验。在本实验中，通
过两种方法来成步法垫的精度范围：其一是单点测试；另一种方法步法垫上铺
上不同厚度的物体进行测试。通过单点测试，反映出此仪器有良好的精度，精
度约为1.73±0.06 mm，已经满足本实验所需精度；重复测量数据的数据误差约
为0.76 mm，具有良好的重复性；由于线性度的检测没有很直观的检测方法，
因此，没有对其进行线性度的检测，但由于整个仪器的制造及组装都是由中科
院合肥智能研究所来完成，其在仪器运出前对其进行了调试，反映精度、重复
性、线性度良好。
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第三部分对步法垫测试系统的验证及测试结果分析
1 研究方法
1.1 测试对象
本次实验为对乒乓球步法的初步研究，该步法测试系统在硬件测试和软件
分析上还有许多不成熟的地方，数据后期分析的工作量很大。故此次选取的测
试对象人数为1 名运动员和1 名陪练，系北京体育大学运动系优秀乒乓球运动
员。（表3－1－1）。
表 3－1－1 测试者与陪练基本情况
性别 年龄
（岁）
训练
年限
身高
（m）
体重
（Kg）
运动
等级
执拍
手
球拍
类型
打法类
型
测试者 男 19 12 1.76 65 一级右手 横拍 弧快
陪练 男 23 15 1.83 98 一级右手 直拍 弧快
1.2 实验仪器
（1）乒乓球步法垫测试系统（包括乒乓球步法垫、信号反射器、信号接收
器、数据采集与分析软件等）
（2）一台Panasonic M9500 录像机
（3）外同步装置
（4）乒乓球台、乒乓球拍和乒乓球
1.3 实验方法
应用与中科院合肥智能机械所合作研制开发的乒乓球步法垫测试系统，同
时与录像同步测试，对运动员在一场比赛中的步法移动特征进行研究。在北京
体育大学生物力学实验大厅进行。
摄像机置于运动方向的右前侧方，与实验对象运动区域中心的距离约为10
m，主光轴距地面的高度0.8 m，拍摄频率为50 幅/s，在拍摄之前调整摄像机焦
距并使之达到最清晰，然后锁定。
乒乓球步法垫测试频率为 50 Hz，置于球台前的地板上，表面铺上一层乒
乓球比赛专用地板胶。
乒乓球步法测试垫和摄像机之间用外同步装置（发光二极管）相连，由步
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法测试垫数据采集系统开关的同时，来控制外同步装置中发光二极管的亮与灭，
以此从录像的画面上找到与步法垫测试同步的时刻，从而达到两个测试系统的
外同步。
1.4 实验过程
进行了一场 5 局3 胜制（比分为3：2，测试者胜）的比赛。基本按平时正
常比赛进行。只是双方运动员在每局结束以后无需换边，以保证受试者一直站
在步法测试垫上。在受试者在每一分球前准备发球或准备接球时，开始采集数
据，待一分球结束时，停止采集。
1.5 数据分析与处理
利用乒乓球步法垫中的数据分析模块获取原始数据，采集时间 13.64 min，
共获取了整场比赛中双脚步法移动的各6 万余个数据点，对两只脚的所有数据
进行了分析与处理。后期运用Microsoft office Access2003、Microsoft office
Excel2003 进行数据处理与统计分析。
2 乒乓球步法的测试结果与分析
2.1 对比赛的描述
整场比赛共打满 5 局。比分为3：2，测试对象胜。整场比赛中测试对象始
终在步法测试垫上。经赛后询问，与平常打球时的地面感觉相似，步法测试垫
未影响运动员的正常打球。每局比分、擦网球数、及采集球数见表3－3－1。
本论文对全部102 分球（包括8 个擦网发球）中的所有步法进行了分析与统计。
表 3－3－1 整场比赛基本情况
局数
比分
（测：陪）
发球擦网
次数（个）
共采集
球数（个）
1 8:11 1 20
2 8:11 5 24
3 11:5 2 18
4 11:5 0 16
5 13:11 0 24
一场球共计 8 102
以下行文中按一分球、一局球和一场球，从微观到宏观对比赛中的步法移
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动的运动学特征进行描述与分析。当进行1 分球详细分析时，以第4 局第1 分
为例；当进行一局球具体分析时，以第4 局或第5 局为例。
对具体一分球步法特征的描述，可以从微观对每一次脚步移动进行详细的
描述；当选取一局球时，是将一分球作为一个最小单位对步法特征进行描述的；
选取一场球时，是以一局球为单位，从较为宏观的角度对步法特征进行分析与
描述的。
第 4 局第1 个球基本情况为，测试对象发球，共进行了3 个回合，净时间
为11.22 s，测试对象输。净时间是指从运动员准备发球到这一分比赛结束为止
的时间，排除了比赛中拣球和休息的时间。
第 4 局总比分为11：5，共有16 分球，测试对象胜，净用时共2 min。第5
局比分为13:11，共有24 个球，测试对象胜，净用时共2.97 min。
2.2 比赛中运动员步法的时相特征
在乒乓球比赛中，运动员的双脚与地面的关系有四种状态：左脚单脚支撑
（同时右脚腾空）、右脚单脚支撑（同时左脚腾空）、双脚支撑和双脚腾空。对
于一侧脚而言，该侧脚与地面的关系有两种状态：该侧脚支撑或该侧脚腾空。
每次腾空视为一次步法移动。
2.2.1 一分球中步法的时相特征
表 3－3－2 第4 局第1 分球的时相参数表
左脚
支撑
左脚
腾空
右脚
支撑
右脚
腾空
双脚
支撑
双脚
腾空
次数 11 10 8 8 13 4
时相最小值(s) 0.04 0.16 0.18 0.12 0.08 0.10
时相最大值(s) 1.94 0.40 3.24 0.44 1.38 0.12
时相平均值(s) 0.70 0.29 0.96 0.27 0.44 0.11
时相标准差(s) 0.56 0.09 1.14 0.11 0.46 0.01
总计(s) 8.50 2.72 8.62 2.60 5.68 0.44
时相百分比 75.76% 24.00% 76.83% 22.08% 50.62% 3.92%
测试结果显示了单脚时相的特征（见表3－3－2）。在用时11.22 s 的一分球
中，左脚腾空了10 次，右脚腾空了8 次。左脚在一分球的24.00%的时间（2.72
s）内处于腾空状态，右脚在一分球的23.00 %的时间（2.60 s）内处于腾空状态，
其余时间为该侧脚的支撑时间。每次平均腾空时间为：左脚2.72 s,右脚2.60 s。
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其中右脚腾空的最长时间为0.44 s,左脚为0.40 s。最短时间分别为：左脚0.16 s，
右脚0.12 s。
在一分球比赛中，双脚腾空次数为4 次，双脚支撑次数为13 次。在一分比
赛中有一半左右的时间双脚处于双支撑状态，而其余一半时间双脚处于非双支
撑状态，双脚的腾空状态有三种，双脚腾空、左脚腾空和右脚腾空，一侧脚腾
空的同时另一侧脚处于单支撑状态。其中双脚腾空的时间仅占一分时间的3.92
%，平均每次为0.11 s，在其他44.08 %时间内,处于单脚腾空状态（其中，右脚
24 ％，左脚22.08 %）。
2.2.2 一局中步法的时相特征
表 3－3－3 第5 局步法的时相参数表
球数
1 分球
时间
（s）
双脚腾
空次数
（次）
左脚支
撑时间
（s）
左脚腾
空次数
（次）
左脚腾
空时间
（s）
右脚支
撑时间
（s）
右脚腾
空次数
（次）
右脚腾
空时间
（s）
1 9.46 1 7.62 7 1.84 7.66 8 2.10
2 7.62 2 5.96 8 1.66 5.92 8 1.64
3 6.84 1 4.70 7 2.14 5.34 8 1.96
4 8.30 1 6.44 6 1.86 6.66 6 1.84
5 5.70 0 5.26 2 0.44 4.62 4 0.84
6 6.98 3 4.80 8 2.18 5.78 8 1.60
7 6.46 0 4.78 6 1.68 4.70 5 1.86
8 4.90 2 3.58 4 1.32 3.78 6 1.44
9 9.32 0 7.12 8 2.20 7.34 6 1.48
10 6.44 0 5.58 5 0.86 5.78 4 0.72
11 6.42 3 4.62 6 1.80 4.86 7 1.74
12 8.30 5 5.68 8 2.62 6.28 9 2.12
13 5.34 1 4.10 6 1.24 4.36 4 1.04
14 5.82 1 4.86 4 0.96 5.12 5 0.96
15 6.80 2 4.94 7 1.86 5.36 9 1.66
16 7.76 2 5.58 7 2.18 5.56 8 1.64
17 9.20 0 8.22 6 0.98 8.12 5 1.12
18 8.82 0 7.56 6 1.26 8.18 4 0.84
19 7.00 2 5.02 7 1.98 5.98 5 1.14
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20 9.54 2 5.90 14 3.64 7.02 10 2.48
21 10.56 2 9.26 9 1.30 9.04 6 1.34
22 5.42 3 3.62 6 1.80 3.92 6 1.52
23 6.94 1 5.60 4 1.34 5.64 4 1.06
24 8.00 3 5.82 6 2.18 5.58 9 2.52
最小值 4.90 0 3.58 2 0.44 3.78 4 0.72
最大值 10.56 5 9.26 14 3.64 9.04 10 2.52
平均值 7.41 1.54 5.69 6.54 1.72 5.94 6.42 1.53
标准差 1.53 1.28 1.41 2.25 0.66 1.38 1.91 0.50
总计 177.9 37 136.6 157 41.32 142.6 154 36.66
百分比 76.78% 23.22% 80.14% 20.60%
表3－3－3 显示了第5 局中的时相参数特征，对24 个球的所用净时间、支
撑、腾空时间进行了详细统计。第5 局比赛总用时为177.94 s（2.97 min），每
一分球平均净用时为7.41 s，每分球用时最长10.56 s，最短4.90 s。双脚腾空次
数共37 次，每分平均为1.54 次，一分中双脚腾空最多是5 次，最少的是没有
一次双脚腾空。左脚腾空的总时间占一局时间的23.22%，为41.32 s，每一分球
平均为1.72 s，最长时间3.64 s，最短时间0.44 s。右脚腾空时间占一局时间的
20.60%，总时间为36.66 s，在一分比赛中用1.53±0.50 s。
右脚腾空次数和腾空时间略比右脚的腾空次数和腾空时间多，经 T 检验，
差异不显著，可以认为左右脚腾空时间基本相同。
2.2.3 一场比赛步法的时相特征
如表 3－3－4 所示，测试的这一场比赛的净用时为13.64 min，每局平均净
用时为2.73 min。一场比赛中运动员双脚共腾空了132 次，左脚腾空了730 次，
右脚腾空了707 次，左脚的腾空次数和腾空时间和右脚的腾空次数和腾空时间
相似，略高一些，经T 检验差异不显著。
在一局中，双脚腾空最多为37 次，最少为18 次，平均为26 次；左脚腾空
最多为162 次/局，最少为110 次/局，平均为146 次/局；右脚腾空次数的最大
值159 次/局，最少值为112 次/局，平均次数为141 次。
从左右脚的腾空总时间、支撑总时间和时相百分比上可以看到，左脚和右
脚的腾空总时间分别为3.06 min 和2.89 min，时间百分比分别为22.43 %和21.19
%，即一场比赛中有将近一半的时间，两脚处于移动状态。
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表 3－3－4 对整场比赛的步法移动参数表
局数
双脚腾
空次数
（次）
平均净
时间
（min）
左脚支
撑总时
间（min）
左脚腾
空总次
数（次）
左脚腾
空总时
间（min）
右脚支
撑总时
间（min）
右脚腾
空总次
数（次）
右脚腾
空总时
间（min）
第1 局 21 2.54 2.03 143 0.51 2.05 136 0.49
第2 局 28 2.91 2.27 158 0.63 2.32 146 0.58
第3 局 18 3.23 2.45 162 0.78 2.45 159 0.78
第4 局 28 2.00 1.55 110 0.44 1.57 112 0.43
第5 局 37 2.97 2.28 157 0.69 2.35 154 0.61
最小值 18 2.00 1.55 110 0.44 1.57 112 0.43
最大值 37 3.23 2.45 162 0.78 2.45 159 0.78
均数 26 2.73 2.12 146 0.61 2.15 141 0.58
标准差 7 0.48 0.35 21 0.13 0.70 19 0.14
总计 132 13.64 10.58 730 3.06 10.75 707 2.89
时相
百分比
77.57% 22.43% 78.81% 21.19%
2.2.4 小结
综上所述，测试的这一场比赛的净用时为13.64 min，每局平均净用时为2.73
min。一场比赛中运动员共出现双脚腾空132 次，左脚腾空730 次，右脚腾空
707 次。在乒乓球比赛中，有大约一半的时间运动员处于移动状态，乒乓球步
法的移动以单脚的移动为主，以双脚的同时移动为辅。左脚和右脚的移动次数
和移动时间基本相似。
2.3 比赛中步法的空间特征
2.3.1 步法移动的区域特征
如图 3－3－1 所示，显示了该名运动员乒乓球比赛中1 分、1 局、1 场中每
一步的位置点分布，从中可以看出该运动员的移动范围的大致区域分布特点。
本文采用步法移动范围的计算方法是用步法在左右最远端的距离与前后最远端
距离的乘积。
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5.3.1 步法的移动范围
第 4 局第1 分第 5 局
2.747m
图 3－3－1 1 分、1 局、1 场中步法移动区域示意图
在第 4 局第1 分的比赛中，运动员步法在左方最远端一点的横坐标值为1.68
m，右方最远端一点的横坐标为3.28 m；运动员步法在前后最远端一点的纵坐
1.525m
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标分别为0.56 m、2.52 m，所以这一分的步法移动范围为：
（3.28－1.68）×（2.52－0.56）＝3.14 m2；
同样，算得一局比赛中，该运动员移动的范围大约是：
（3.92－0. 80）×（2.56－0.48）＝6.49 m2；
在一场比赛中，该运动员移动的区域范围为：
（3.92－0. 68）×（2.56－0.08）＝8.04 m2。
在第 4 局第1 分球中，运动员先在球台的左侧侧身发球后，右脚向右前跨
一小步，紧接着双脚小跳步，正手弧圈球技术；后两脚向左后跳步，反手拨球，
球失误，同时，双脚又小跳步，站稳，一分球结束。从图3－3－1 的一分球图
中可以看到在这一分球中，该运动员步法移动大致区域在中远台，偏左边。
从第 5 局和整场比赛的步法分布区域来看，该名运动员的步法为不对称分
布，大部分分布在中远台偏左的地方，在步法垫的偏右侧，即球台右边侧向右
1 米以外，以及步法垫右后侧，几乎没有见步法的分布。
从乒乓球技战术来看，在乒乓球比赛中，双方运动员总是从反手位开始比
赛，在比赛进行中也通常以压对方反手位为主。从本论文对乒乓球运动员比赛
步法分布图上也可以证实乒乓球这一技战术特点。
2.3.2 步法的移动距离
2.3.2.1 一分球中步法移动特征
表 3－3－5 1 分中双脚移动距离单位：cm
左脚步幅 右脚步幅
次数（次） 11 8
最小值 1.00 4.10
最大值 16.40 19.20
平均值 8.39 9.86
标准差 5.48 5.08
合计 83.90 88.70
在第4 局第1 分球中，左脚移动了83.90 cm，右脚移动了88.0 cm，每一步
最大的移动距离，左脚为16.40 cm，右脚为19.20 cm。每一步最小的移动距离
左脚为1cm，右脚为4.10 cm。左右脚的平均移动距离分别为8.39 cm 和9.86 cm。
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看了这个，我才知道我很肤浅[em1025]