Summary
本研究提出了一种研究乒乓球击球过程中跨步步和斜步之间地面反作用力特征的方案。
Abstract
交叉步和追逐步是乒乓球的基本步骤。本研究提出了一种研究乒乓球击球过程中跨步步和斜步之间地面反作用力特征的方案。16名健康男性国家一级乒乓球运动员（年龄：20.75±2.06岁）在了解实验的目的和细节后自愿参加实验。所有参与者都被要求分别通过交叉步和追逐步将球击入目标区域。通过力平台测量参与者前后，内侧和垂直方向的地面反作用力。本研究的主要发现是：跨步步法的后地面反作用力（0.89±0.21）明显大于步步步法（0.82±0.18）。然而，交叉步法步法的横向地面反作用力（-0.38±0.21）明显低于镂步步（-0.46±0.29）（P < <0.001），跨步步步法的垂直地面反作用力（1.73 ±0.19）明显低于镌步法（1.9 ±0.33）。基于动能链的机理，滑行程更好的下肢动态性能可能有利于能量传递，从而为回转速度带来增益。初学者应该从追逐步骤开始，在技术上击球，然后练习跨步技巧。
Introduction
乒乓球在运动训练和比赛实践中不断发展已有100多年的历史。随着经济全球化和文化交流，乒乓球在各国发展迅速2、3。例如，在克罗地亚，乒乓球不仅在俱乐部进行，而且在大学，学校甚至宿舍4中进行。对于运动员来说，建立运动分析对训练和比赛有帮助5.在乒乓球比赛中，球员需要良好的策略来尝试赢得比赛6。此外，步法是乒乓球中必须掌握的技能，也是乒乓球训练的基础和关键点之一。追逐步和交叉步是乒乓球的基本步骤7。每一项运动技能都有一个基本的机械结构。生物力学的研究对乒乓球技能的进步和发展具有很高的兴趣。在训练和比赛中，乒乓球运动员通过他们的步骤7找到准确的位置。因此，有必要学习乒乓球的步骤。
来自不同地区的乒乓球运动员的步数存在差异，亚洲选手在训练和比赛中比欧洲选手更频繁地使用步数8。在比赛期间，一名高水平的乒乓球运动员将在更短的时间内以更稳定的步数击球，并有足够的时间击中下一个球9。在乒乓球中，由于跨步击球动作，在大多数情况下，扑救球是一种技术动作，导致无法高质量地完成击球动作。相反，与跨步击球不同，击球是一种常见的技术动作，因此运动员可以通过练习更好地掌握击球技术动作，从而保证自己的击球质量。追逐步骤是指驱动腿（右腿）向右侧移动（朝向球），然后左腿跟随移动。交叉步是当驱动腿（右腿）向右侧（朝向球）移动距离较大，而左腿不移动时。
通过以前的研究，下肢肌肉在乒乓球表现中起着重要作用10.乒乓球与网球动作有相似之处。不同发球技能水平的网球运动员下肢的驾驶稳定性存在差异11.乒乓球涉及膝关节屈曲和躯干12的不对称扭转。为了提高乒乓球运动员的技能，应注意骨盆的旋转13。在玩正手循环时，优秀的乒乓球运动员具有更好的鞋底控制能力14.高水平乒乓球运动员可以较好地控制足底压力偏差，增加内外压力偏差，减少前背压力偏差15.与直射相比，对角线射门在摆动16期间具有更大的膝盖伸展。乒乓球服务技术多种多样，具有复杂的生物力学特点。与站立式发球相比，蹲式发球需要更高的下肢驱动力17。与初学者相比，精英运动员在跨步练习中步幅更灵活7.
鉴于上述情况，随着科学的不断进步和乒乓球技能的不断发展，越来越多的运动员和研究人员加入了乒乓球，这需要高质量的生物力学研究来支持这项运动。然而，由于乒乓球的复杂性，研究人员很难测量生物力学1。关于乒乓球下肢生物力学的研究很少。本研究的目的是测量精英大学乒乓球运动员在球拍引线的运动和摇摆中在追逐步和交叉步中的地面反作用力。比较了两个步骤的地面反作用力数据。本研究的第一个假设是，沙塞步和跨步具有不同的地面反作用力特性。利用追逐步和跨步法的地面反作用力，获取两种步数的动力学数据，为乒乓球运动员提供指导和建议。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
本研究获中国宁波大学人类伦理委员会批准。在被告知乒乓球实验的目标，细节，要求和实验程序后，从所有受试者那里获得书面知情同意。
1. 乒乓球实验室准备
- 将 USB 加密狗插入电脑的并行端口，然后打开运动捕捉红外摄像机和模数转换器。
注：在该实验室中，力平台（采样频率为1000 Hz）与运动采集系统一起使用，并通过同一系统显示力平台收集的数据并进行初步分析。力平台的默认采样频率为 1000 Hz。 - 双击桌面上的软件图标以打开跟踪软件。
注：在打开软件之前，请清除实验环境中的所有障碍物并清洁地面。 - 如果硬件连接为真，则每个相机节点都将显示绿灯。当所有相机的指示灯均为绿色时，在 本地系统中选择八个相机。
- 单击"透视"窗口中的" 相机 "，然后将"频闪强度"调整为 0.95-1、"增益"为 1 （x1）、"阈值"调整为 0.2-0.4、"最小圆度比"调整为 0.5、"灰度模式"调整为"自动"，以及"最大 Blob 高度"调整为 50。
- 将T校正架放在拍摄区域的中心，然后在系统中选择八个摄像头。使用 2D 模型，确认相机可以辨别 T 校正，并且没有噪点。
- 将 T 校正架放置在相机区域的中心。单击"系统准备"，"L - 帧"下拉列表，然后选择"5 Marker Wand & L - Frame"。然后，单击"AimMX相机"选项下的"开始"按钮。
- 选择"系统准备"按钮，然后单击"工具"窗格中"校准 MX 相机"部分中"开始"按钮。然后，在捕获范围内挥舞T形魔杖。当红外摄像机上的蓝光停止闪烁时，停止操作。
- 观察进度条，直到校准过程以 100% 的速度完成并返回到 0%。同时，观察图像的误差。当图像的误差小于0.3时，请继续以下操作。
- 将T形校正框放置在移动区域的中心，以确保轴方向与力平台的边界方向一致。
- 选择"工具"窗格中"设置卷源"部分下的"开始"按钮。
2. 参与者的准备工作
注：16名健康男性国家1级乒乓球运动员自愿参加实验（年龄：20.75±2.06岁;高度： 173.25 ± 6.65 厘米;重量： 66.50 ± 14.27 千克;培训年：12.50±2.08年）。他们都属于宁波大学乒乓球队。在实验正式开始之前，再次向参与者简要解释了实验的细节和过程，并获得了符合实验条件的参与者的书面知情同意书。
- 选择右撇子，右腿占主导地位，身体健康，在过去6个月内没有任何形式的下肢疾病或伤害的参与者。该实验共包括16名符合实验条件的男性参与者。参与者的人口统计信息如 表1所示。
注意：由于左撇子球拍用户很少，因此更容易找到足够的右撇子球拍用户来参与此实验。 - 要求所有参与者填写与健身相关的问卷。
注意：问题包括：您有过乒乓球比赛的历史吗？你一周内多久参加一次乒乓球训练？在过去的6个月里，您是否遭受过任何下肢疾病和伤害？ - 确保所有参与者都穿着专业的乒乓球比赛鞋以及相同的T恤和紧身裤。让所有参与者使用相同的专业乒乓球拍。
- 给每个参与者5分钟以适应实验环境，15分钟在专业跑步机上轻轻跑步和伸展运动。由于实验时间短，在正式实验期间限制受试者进食和饮水，以保持稳定状态。
注意：参与者首先在实验室的专业跑步台上以自适应速度完成5分钟的慢跑，然后进行5分钟的下肢肌肉伸展。最后，他们练习了5分钟的乒乓球步法。完成热身任务后，参与者被给予2分钟来调整他们的状态。正式的数据收集开始了。
3. 静态校准
- 单击工具栏上的" 数据管理 "按钮。
- 单击工具栏上的" 新建数据库 "选项卡，单击" 位置"，然后导入试用版的说明。选择 临床模板 ，然后单击 "创建 "按钮。
- 选择在"打开数据库"窗口中创建的 数据库 的名称。然后，单击绿色的" 新建患者类别 "按钮、黄色的" 新建患者 "按钮和灰色的" 新建会话 "按钮，在新打开的屏幕中创建实验信息。
- 单击 "主题 "以在 Nexus 主窗格中创建新的主题数据集。
- 单击"主题捕获"部分中的"开始"按钮以创建静态模型。当图像帧为 140-200 时，单击"停止"按钮以完成静态模型的建立。
注意：在实验过程中，参与者被要求站在力平台上。他们被要求保持稳定的姿势，双手交叉并举在胸前，向前看，双脚分开与肩同宽。
4. 动态试验
- 如图 1所示，将乒乓球桌和球筐放在实验环境中，以确保受试者有足够的空间进行两种步法。
注意：乒乓球桌和球符合专业赛事的标准。 - 要求参与者保持就绪位置，当实验者发出启动命令时，要求教练分别将乒乓球发球到第一个和最后一个撞击区域。
- 在正式实验开始之前，给参与者足够的时间通过练习习惯这个姿势。
- 要求参与者从桌子的左侧开始，离桌子大约半米远。然后，要求他们用正手以最大力量击中第一个和第二个发球，并在完成第二个击球任务后返回到就绪位置。
- 要求参与者首先使用追逐步法完成5次成功的击球，然后使用跨步步法完成5次成功的击球。
- 在软件中，单击压力平台中的" 捕获 "按钮开始录制，然后单击" 停止 "按钮结束录制。对每个参与者重复五次。
注意：如果射击不在目标区域的范围内，或者如果被摄体的右脚没有完全在力平台上，则将重新进行测量。
5. 后处理
- 双击" 数据管理 "窗口中的试用名称。单击工具栏中的" 重建管道 "和" 标签 "按钮以显示实验演示。
- 在 "透视"窗口中，移动时间栏上的蓝色三角形以截取所需的时间间隔。
- 选择"主题校准"窗格中的"动态插件步态"。单击"开始"按钮以运行并导出数据。
6. 统计分析
- 使用专业统计软件分析所有数据。运行夏皮罗-威尔克斯检验以检查所有变量的正态分布。
- 使用配对的 t检验来比较乒乓球击球过程中步法和跨步步法的动力学特征。
- 将显著性水平设置为 p < 0.05。除非另有说明，否则结果将在整个文本中以平均值±标准差的形式显示。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
如图2和表2所示，与步法步法（0.82±0.18）相比，跨步步法的后地面反作用力（0.89±0.21）明显大于（P = 0.014）。然而，跨步步法的横向地面反作用力（-0.38±0.21）明显低于步法（-0.46±0.29）（P<0.001）。此外，交叉步法的垂直地面反作用力（1.73±0.19）明显低于步法（1.9±0.33）（P <0.001）。在乒乓球比赛中，横步和脚步之间的内侧或前地面反作用力之间没有观察到差异（P >0.05）。
图 1：实验设置请单击此处查看此图的放大图。
图 2：后、前、内侧、侧和垂直方向的地面反作用力。请单击此处查看此图的放大图。
| 与会者（n） | 年龄（年） | 高度（厘米） | 重量（公斤） | 培训年（年） |
| 16 | 2006.2±20.75 | 173.25±6.65 | 66.50±14.27 | 2008年2±2月12.50 |
表 1：参与者人口统计信息表。
| 地面反作用力 | 跨步步法均值±SD | 追逐步法意味着±SD | P 值 | |
| 矢状面 | 后面的 | 0.89±0.21 | 0.82±0.18 | 0.014* |
| 前面的 | -0.02±0.05 | -0.01±0.04 | 0.705 | |
| 正面平面 | 中间字母 | 0.31±0.39 | 0.27±0.33 | 0.078 |
| 侧面的 | -0.38±0.21 | -0.46±0.29 | <0.001* | |
| 水平面 | 垂直 | 1.73±0.19 | 1.9±0.33 | <0.001* |
表2：乒乓球击球时三个平面上步法和跨步步法的地面反作用力信息。 追逐步法和跨步步法之间的显着差异用星号（*）表示。BW表示体重的倍数。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
本研究旨在研究乒乓球击球过程中跨步步和斜步之间的地面反作用力特征。本研究的主要发现在这里陈述。跨步步法的前地面反作用力明显大于步法步法。跨步步法的横向地面反作用力明显低于步法步法。跨步步法的垂直地面反作用力明显低于步法步法。
Marsan等人（2020）表明，牛顿第二定律可能是除峰值地面反作用力18之外的地面反作用力值的良好估计方法。在这项研究的结果中，地面反作用力的显示值接近Marsan等人（2020）观察到的测量值。这进一步支持了这项研究的结果。完美的击球需要整个身体的协调。步法模式的控制需要身体部位相互交互的协调序列，所有环节的最佳激活被定义为"动能链"11，19，20。下肢作为动能链的起点，通过动能链9、21的连续运动，将最佳激活的能量从下肢传递到上肢。这些包括击球时身体的完整性，以及下肢动力学链的更充分传递。
沙塞步击运动的横向地面反作用力明显大于跨步击打运动的作用。Lam等人（2019）观察到了相同的结果。侧步的最大水平力明显高于一步22。运动员可以通过练习掌握追逐步击技术，与追逐步击动作相比，跨步击球技术具有很大的可变性。因此，随着大量练习的击球，球员的下肢动能链传输可以更完整、更顺畅，使击球过程中的挥杆推力更加完整。动能链的流动有利于能量从下肢传递到上肢，在球拍运动22、23、24、25中对球拍和球速有相当大的影响。总的来说，就横向地面反作用力而言，沙塞台阶击球比跨台阶击球球高，这再次证实了本研究关于垂直地面反作用力的结果。由于跨步的可变性和即时性，跨步击打技术无法完全完成摆动动作。因此，需要更大的推动力作为前方向的补偿机制。为了补偿，交叉步骤表现出比追逐步骤击打技术更大的前地面反作用力。Shimokawa等人（2020）在网球正手击球中调查了类似的结果。峰值前后地面反作用力对冲击后正手球速26起有影响作用。然而，较大的前地面反作用力可能导致重心不能及时返回初始位置，从而影响下一个运动的开始。在训练和比赛的实际应用中，运动员和教练试图掌握在跨步步步法中控制重心的能力。初学者应该从追逐步法到击球开始。当球员掌握了在击球时控制重心的能力后，他们就可以进一步学习使用跨步步法。
该协议中有几个关键步骤。首先，受试者在执行两步法时，需要准确地踩在力测量台的中心位置，以确保可以完整准确地收集受试者的地面反作用力数据。应消除脚放在平台外的任何数据。其次，在实验执行过程中，为了准确收集数据，运动员需要在听到"开始"命令后执行动作。同一实验者负责发出命令。第三，在数据后期处理过程中，对主体动作的解释要极为严谨。
本研究的主要局限性在于整个实验是一个真实的匹配环境，因为这会影响本研究结果的实际应用。其次，在本研究中，仅测量了摆动阶段两步声的地面反作用力信息。在今后的进一步研究中，实验数据应在尽可能接近真实竞争环境的情况下收集，球拍前期的地面反作用力信息也应一起收集。
通过比较两种步法的地面反作用力，跨步步法的前地面反作用力明显大于步法。跨步步法常用于从远距离追回球，这可能是跨步及时性的结果。返回初始位置的时间改变了重心，并影响了下一个动作的开始。运动员和教练应注意使用跨步步法，并善好重心的控制，以避免将重量向前移动过多而影响下一个动作。同时，玩家在跨步划击后应尽快调整自己的步伐，为下一个动作做准备。沙塞步长的横向和垂直地面反作用力明显大于跨步步法。追逐步骤是运动员可以通过训练来学习击球的动作。增强下肢的驱动力，优化下肢动力链的传递，可以提高挥杆的速度和力量。
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
作者没有报告潜在的利益冲突。
Acknowledgments
这项工作得到了国家自然科学基金（第81772423号）的支持。作者要感谢参与这项研究的乒乓球运动员。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 14 mm Diameter Passive Retro-reflective Marker | Oxford Metrics Ltd., Oxford, UK | n=22 | |
| Double Adhesive Tape | Oxford Metrics Ltd., Oxford, UK | For fixing markers to skin | |
| Force Platform | Advanced Mechanical Technology, Inc. | Measure ground reaction force | |
| Motion Tracking Cameras | Oxford Metrics Ltd., Oxford, UK | n= 8 | |
| T-Frame | Oxford Metrics Ltd., Oxford, UK | - | |
| Valid Dongle | Oxford Metrics Ltd., Oxford, UK | Vicon Nexus 1.4.116 | |
| Vicon Datastation ADC | Oxford Metrics Ltd., Oxford, UK | - |
References
- Kondrič, M., Zagatto, A. M., Sekulić, D. The physiological demands of table tennis: a review. Journal of Sports Science & Medicine. 12 (3), 362 (2013).
- Mueller, F. F., Gibbs, M. R. A physical three-way interactive game based on table tennis. Proceedings of the 4th Australasian Conference on Interactive Entertainment. , 1-7 (2007).
- Mueller, F. F., Gibbs, M. A table tennis game for three players. Proceedings of the 18th Australia conference on Computer-Human Interaction: Design: Activities, Artefacts and Environments. , 321-324 (2006).
- Furjan-Mandić, G., Kondrič, M., Tušak, M., Rausavljević, N., Kondrič, L. Sports students' motivation for participating in table tennis at the faculty of kinesiology in Zagreb. International Journal of Table Tennis Sciences. 6, 44-47 (2010).
- Wang, Y., Chen, M., Wang, X., Chan, R. H., Li, W. J. IoT for next-generation racket sports training. Internet of Things Journal. 5 (6), 4558-4566 (2018).
- Muelling, K., Boularias, A., Mohler, B., Schölkopf, B., Peters, J. Learning strategies in table tennis using inverse reinforcement learning. Biological Cybernetics. 108 (5), 603-619 (2014).
- Shao, S., et al. Mechanical character of lower limb for table tennis cross step maneuver. International Journal of Sports Science & Coaching. 15 (4), 552-561 (2020).
- Malagoli Lanzoni, I., Di Michele, R., Merni, F. A notational analysis of shot characteristics in top-level table tennis players. European Journal of Sport Science. 14 (4), 309-317 (2014).
- Qian, J., Zhang, Y., Baker, J. S., Gu, Y. Effects of performance level on lower limb kinematics during table tennis forehand loop. Acta of Bioengineering and Biomechanics. 18 (3), (2016).
- Le Mansec, Y., Dorel, S., Hug, F., Jubeau, M. Lower limb muscle activity during table tennis strokes. Sports Biomechanics. 17 (4), 442-452 (2018).
- Girard, O., Micallef, J. -P., Millet, G. P. Lower-limb activity during the power serve in tennis: effects of performance level. Medicine and Science in Sports and Exercise. 37 (6), 1021-1029 (2005).
- Rajabi, R., Johnson, G. M., Alizadeh, M. H., Meghdadi, N. Radiographic knee osteoarthritis in ex-elite table tennis players. Musculoskeletal Disorders. 13 (1), 1-6 (2012).
- Malagoli Lanzoni, I., Bartolomei, S., Di Michele, R., Fantozzi, S. A kinematic comparison between long-line and cross-court top spin forehand in competitive table tennis players. Journal of Sports Sciences. 36 (23), 2637-2643 (2018).
- Fu, F., et al. Comparison of center of pressure trajectory characteristics in table tennis during topspin forehand loop between superior and intermediate players. International Journal of Sports Science & Coaching. 11 (4), 559-565 (2016).
- He, Y., et al. Comparing the kinematic characteristics of the lower limbs in table tennis: Differences between diagonal and straight shots using the forehand loop. Journal of Sports Science & Medicine. 19 (3), 522 (2020).
- Wong, D. W. -C., Lee, W. C. -C., Lam, W. -K. Biomechanics of table tennis: a systematic scoping review of playing levels and maneuvers. Applied Sciences. 10 (15), 5203 (2020).
- Yu, C., Shao, S., Baker, J. S., Gu, Y. Comparing the biomechanical characteristics between squat and standing serves in female table tennis athletes. PeerJ. 6, 4760 (2018).
- Marsan, T., Rouch, P., Thoreux, P., Jacquet-Yquel, R., Sauret, C. Estimating the GRF under one foot knowing the other one during table tennis strokes: a preliminary study. Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering. 23, sup1 192-193 (2020).
- Yu, C., Shao, S., Baker, J. S., Awrejcewicz, J., Gu, Y. A comparative biomechanical analysis of the performance level on chasse step in table tennis. International Journal of Sports Science & Coaching. 14 (3), 372-382 (2019).
- Kibler, W., Van Der Meer, D.
- Elliott, B.
- Lam, W. -K., Fan, J. -X., Zheng, Y., Lee, W. C. -C. Joint and plantar loading in table tennis topspin forehand with different footwork. European Journal of Sport Science. 19 (4), 471-479 (2019).
- Seeley, M. K., Funk, M. D., Denning, W. M., Hager, R. L., Hopkins, J. T. Tennis forehand kinematics change as post-impact ball speed is altered. Sports Biomechanics. 10 (4), 415-426 (2011).
- Reid, M., Elliott, B., Alderson, J. Lower-limb coordination and shoulder joint mechanics in the tennis serve. Medicine Science in Sports Exercise. 40 (2), 308 (2008).
- He, Y., Lyu, X., Sun, D., Baker, J. S., Gu, Y. The kinematic analysis of the lower limb during topspin forehand loop between different level table tennis athletes. PeerJ. 9, 10841 (2021).
- Shimokawa, R., Nelson, A., Zois, J. Does ground-reaction force influence post-impact ball speed in the tennis forehand groundstroke. Sports Biomechanics. , 1-11 (2020).
