基于机器学习算法的杠铃高悬垂位实力抓举与借力单杠双力臂动作的拮抗关系研究

摘      要：基于借力单杠双力臂动作中的身体姿势变化设计其拮抗训练动作——杠铃高悬垂位实力抓举，并使用机器学习算法验证与量化不同重量的杠铃高悬垂位实力抓举与借力单杠双力臂动作的拮抗关系。招募有经验的综合体能训练爱好者10名，通过线性传感器计与惯性测量单元采集借力单杠双力臂动作和杠铃高悬垂位实力抓举动作的运动生物力学数据，使用一维统计参数映射（SPM1D）和动态时间规整（DTW）机器学习算法，验证与量化两者之间的拮抗关系。结果显示：两个动作在肩关节外展内收、内旋外旋、屈曲伸展以及肘关节内旋外旋上，存在拮抗关系。当杠铃重量约60% 1RM（1次最大重量）时，两个动作的动力学数据拟合度最佳；当杠铃重量低于60% 1RM时，两个动作的关节运动的拮抗关系更加显著。研究认为：杠铃高悬垂位实力抓举动作与借力单杠双力臂动作存在拮抗关系，可用其来优化借力单杠双力臂动作的训练效果，但杠铃配重需要根据训练目标和训练者能力进行调整。当训练目标为提升上肢爆发力时，可使用约60% 1RM的杠铃配重，而当训练目标为提升借力单杠双力臂动作技巧时，则可用低于60% 1RM的杠铃配重。

关  键  词：运动生物力学；拮抗动作；运动训练；杠铃高悬垂位实力抓举；借力单杠双力臂动作；机器学习算法

中图分类号：G884    文献标志码：A    文章编号：1006-7116（2024）06-0140-09

Study on the antagonistic relationship between barbell high-hang muscle snatch and kipping bar muscle-up based on machine learning algorithms

SHI Zhiyong，XU Yining，GU Yaodong

（Faculty of Sports Science，Ningbo University，Ningbo 315211，China）

Abstract： This study aimed to design an antagonistic training movement， which was barbell high-hang muscle snatch for the kipping bar muscle-up based on changes in body posture， and then machine learning algorithms were also employed to validate and quantify the antagonistic relationship between these exercises under various loads. 10 young and experienced fitness enthusiasts were recruited to participate in this study. Biomechanics parameters for kipping bar muscle-up and barbell high-hang muscle snatch were collected by using linear sensors and inertial measurement units， and then one-dimensional statistical parametric mapping （SPM1D） and dynamic time warping （DTW） algorithms were applied to verify and quantify the antagonistic relationship between the two movements. The results showed that an antagonistic relationship was confirmed between the two movements in terms of shoulder joint abduction and adduction， internal and external rotation， flexion and extension， as well as elbow joint internal and external rotation. Optimal dynamic parameters fitting occurred at a barbell weight of approximately 60% 1RM （one-repetition maximum）， while the most pronounced antagonistic kinematic relationship was observed at weights below 60% 1RM. The conclusion indicated that the barbell high-hang muscle snatch exhibits an antagonistic relationship to the kipping bar muscle-up and can be effectively used to optimize its training effect， but the load must be adjusted based on the objectives of training and individual capabilities. For enhancing upper limb explosive strength， a load around 60% 1RM will be recommended， whereas for improving skill of kipping bar muscle-up， lighter loads below 60% 1RM are advised.

Keywords： sports biomechanics；antagonistic movement；sports training；barbell high-hang muscle snatch；kipping bar muscle-up；machine learning algorithms

在运动科学和体育训练领域，借力单杠双力臂（图1（1））作为体操运动的基础动作，在体操训练中占据核心地位^[1]。同时，该动作不仅涉及人体上肢和躯干的大多数关节的联合运动，包括肩关节、肘关节和腕关节，还需要躯干和骨盆的协调发力。因此，借力单杠双力臂动作在提升运动员的上肢与躯干的爆发力和协调性方面，表现出了极高的效率，极具训练价值，已被多种运动项目的专项体能训练所纳入，包括综合体能、游泳和篮球等^[1-2]。

然而，正因为借力单杠双力臂动作涉及复杂的上肢和躯干关节运动及协调，因此，除体操项目外，借力单杠双力臂动作在其他运动项目的专项体能训练中，属于训练难度较高的动作之一^[3]。对于训练者而言，掌握这一动作不仅需要良好的基础身体素质，还需通过大量的练习来熟练掌握相关动作技术。所以，虽然借力单杠双力臂动作拥有较高的训练价值，但在掌握该动作之前，训练者不得不冒着受伤的风险，消耗大量的时间和精力去掌握该动作，影响长期的训练收益^[4]。因此，找到一种科学的途径，提升借力单杠双力臂动作学习及训练的效率，在不额外增加训练量和训练强度的前提下维持训练收益，是十分重要且有意义的。

拮抗训练作为一种重要的训练策略，旨在针对某个训练动作所涉及肌肉（群），选择某个特定的拮抗动作，对运动功能互为拮抗关系的肌肉（群）进行训练。这一策略的核心在于通过训练那些在生物力学上与主要运动相反的肌肉（群），以平衡肌肉（群）之间的力量和功能，从而提升运动表现，预防运动损伤^[5]。拮抗训练涉及两个主要方面：其一是所采用的动作所涉及的肌肉（群）必须与原动作所涉及的肌肉（群）之间存在明确的运动功能上的拮抗关系，确保这两组肌肉在运动过程中产生相对的活动模式；其二是训练参数（如负荷、组数、每组次数和组间歇等）要与原训练参数相匹配，以确保训练效果的最大化^[6]。之前的研究已经证实，通过在抗阻训练计划中合理增加拮抗训练，不仅可以提升相关关节的稳定性及运动表现，而且在促进肌肉之间的平衡、提高整体运动效率方面有显著效果，对于减少由肌肉不平衡导致的运动损伤更是具有重要意义^[7-8]。

目前，拮抗训练中所采用的拮抗动作，主要针对单关节或双关节动作。其中，单关节动作的拮抗动作选择常基于肌肉（群）的运动解剖学特征，如站姿杠铃肱二头肌弯举的拮抗动作常选用站姿绳索下拉，坐姿膝伸展的拮抗动作常选用俯卧屈膝。而双关节动作的拮抗动作的选择常基于动作对外部负荷的作用效果，如卧推（即仰卧水平推，训练者以仰卧姿势将外部负荷在水平方向上推离身体，动作成分为肩关节水平内收结合肘关节伸展）的拮抗动作常采用俯身杠铃划船（即俯身水平拉，以俯身姿势将外部负荷在水平方向上拉近身体，动作成分为肩关节水平外展结合肘关节屈曲）。然而，由于复合动作的运动生物力学特征较为复杂，目前针对多关节复合动作的拮抗训练研究和探索是缺乏的，尤其是上肢和躯干，主要原因在于上肢和躯干的多关节复合动作所涉及的关节数量、关节类型以及协调模式，比下肢多关节复合动作更多更复杂。所以，借力单杠双力臂动作拮抗训练动作，仅仅依靠简单借鉴单关节和双关节动作的拮抗训练动作设计方法是不够的。

本研究基于“身体姿势”考量（即重点关注训练者在执行特定多关节复合动作过程中的身体姿势的变化，起源于人体运动控制理论中的程序控制理论，即运动由中枢神经系统预先设定的运动程序控制，包含执行特定运动所需的动作指令，不完全依赖于外界反馈^[9]），发现奥林匹克举重训练中的杠铃高悬垂位实力抓举（图1（2））可能可以成为借力单杠双力臂的拮抗动作，因为在执行借力单杠双力臂的过程中，人体通过做功升高身体质心（COM）的位置，而在执行杠铃高悬垂位实力抓举的过程中，人体通过做功升高杠铃的位置。因此，执行借力单杠双力臂和杠铃高悬垂位实力抓举动作的过程中，单杠和杠铃相对于人体的运动轨迹相反——借力单杠双力臂动作过程中，单杠相对于人体从过顶位转换到髋部，而在杠铃高悬垂位实力抓举动作中，杠铃杆从髋部（即预蹲位）转换到过顶位^[10-11]。基于这一发现，本研究假设杠铃高悬垂位实力抓举与借力单杠双力臂动作存在拮抗关系，旨在通过运动生物力学分析和机器学习算法，探索、分析并量化两种动作之间的拮抗关系。

1  研究方法

1.1  研究设计和受测者招募

招募10名综合体能训练爱好者作为受测者，招募期为2周，受测者系自愿报名，纳入标准为：（1）年龄18～25岁，性别不限；（2）半年内无运动损伤史和临床高强度运动禁忌；（3）已熟练掌握借力单杠双力臂和杠铃实力抓举动作；（4）借力单杠双力臂连续完成最大次数不低于5次；（5）杠铃实力抓举1次可重复最大重量（1RM）不低于60 kg。

受测者排除标准为：（1）年龄不符合纳入标准；（2）半年内有运动损伤史或高强度运动禁忌；（3）测试前48 h存在饮酒、熬夜等容易诱发运动中不良事件的风险因素；（4）存在焦虑、躁郁、抑郁等心理健康问题。

受测者报名后须填写相关登记表以记录其基础信息。受测者签署知情同意书后，在研究人员的协助下进行借力单杠双力臂连续完成最大次数和杠铃实力抓举1RM测试。

最终，共有12名综合体能训练爱好者报名参与测试，最终8名符合要求的男性受测者参与测试，年龄（21.2±1.2）岁，身高（175.6±2.2）cm，体重（70.3±6.6）kg，借力单杠双力臂连续完成最大次数（7.2±3.2）次，杠铃实力抓举1RM为（65.2±5.2）kg。