基于运动生物力学的太极拳技术动作智能解构与拳理探析：以“左蹬一根”为例

Intelligent deconstruction and principle analysis of Taijiquan technical movements based on sports biomechanics ： taking “kicking with the left heel” as an example

摘要

当前太极拳拳理存在描述模糊化、理解主观化和神秘倾向性等问题，严重制约太极拳作为非遗文化的传承.而对技术动作评价指标进行量化、客观化和可视化将有助于传承者科学地探究和阐明太极拳拳理.本研究选择陈式太极拳的代表性技术动作“左蹬一根”，使用三维运动捕捉系统、三维测力台和无线表面肌电系统同步测量技术，对12名高水平太极拳运动员左蹬一根动作下肢运动学、动力学和肌动学的原始数据进行采集，选用Visual3D生物力学建模和MR3.16软件获得人体运动生物力学参数，结果表明用生物力学指标对动作解构的方法来揭示抽象的拳理是可行的，为实现拳理的AI教学和智能评分提供科学依据，为保护和传承非遗文化提供了新的视角.

Abstract

At present， there are problems such as ambiguous description， subjective understanding and mysterious tendency in the principles of Taijiquan， which seriously restrict the inheritance of Taijiquan as an intangible cultural heritage. Quantifying， objectifying and visualizing the evaluation indicators of technical movements will help the inheritors scientifically explore and clarify the principles of Taijiquan. This study selected the representative technical movement of Chen-style Taijiquan， Kicking with the Left Heel， and used the synchronous measurement technology of a three-dimensional motion capture system， a three-dimensional force measurement platform and a wireless surface electromyography system to collect the original data of the lower extremity kinematics， dynamics and electromyography of this movement of 12 high-level Taijiquan athletes. The biomechanical parameters of human movement were obtained by using Visual3D biomechanical modeling and MR3.16 software. The results show that it is feasible to reveal the abstract principles of Taijiquan by deconstructing movements with biomechanical indicators， providing a scientific basis for the realization of AI teaching and intelligent scoring of principles， and offering a new perspective for the protection and inheritance of intangible cultural heritage.

Graphical abstract

关键词

太极拳拳理 / 运动学 / 动力学 / 表面肌电 / 运动生物力学 / 左蹬一根

Key words

principles of Taijiquan / kinematics / dynamics / surface myoelectricity / sports biomechanics / kicking with the left heel

太极拳作为中国传统文化的瑰宝之一，不仅深受国人喜爱，而且已经走向世界，成为一种受到国际认可的健身和武术形式.2020年12月，太极拳正式列入联合国教科文组织人类非物质文化遗产代表作名录^［1］.2022年1月，武术（含太极拳）被列为第四届青年奥林匹克运动会正式比赛项目^［2］.太极拳在控制姿势稳定^［3-6］、降低跌倒风险^［7-9］、改善老年认知^［10-11］以及预防骨质疏松^［12］等方面发挥着重要作用，同时常作为慢性阻塞性肺疾病^［13-15］，脑卒中^［16-18］，2型糖尿病^［19-20］、膝骨关节炎^［21-22］和帕金森^［23-24］等疾病的康复手段应用于临床中.

从竞技的角度讲，陈式太极拳以其独特的螺旋缠绕、柔中带刚的技术风格，在众多太极拳流派中独树一帜^［25］，其中蹬一根、二起脚、旋风脚等仍具备实用技击的意义.尤其是蹬一根动作作为传统陈式太极拳腿法技术的代表，体现了众多拳理特点.然而近年来对于太极拳的研究主要集中在健身和慢病的干预效果方面^［26-27］，对拳理科学呈现的研究非常少，不仅限制了对竞技太极拳动作深层次特征的认识，也对太极拳的国际推广产生了一定影响.

随着运动生物力学测试技术的快速发展，三维运动捕捉、三维测力台和表面肌电同步测试技术已广泛应用于太极拳科学研究领域.多项研究通过这一技术体系揭示了太极拳运动的科学规律：在7种典型太极动作的生物力学分析中，研究者量化了关节运动轨迹与力学特征^［28］；通过对比陈式太极拳与深蹲的下肢负荷，明确了膝关节软骨和半月板的应力分布差异^［29］；太极拳大师与初学者的对比研究则发现了长期练习太极拳在关节灵活性、动作姿势和应用效果上与初学者有显著差异^［30］；竞技太极拳143D平衡阶段的稳定性研究解析了影响平衡控制的生物力学机制^［31］；而金刚捣碓震脚动作的分析则精确量化了下肢冲击力与肌肉激活时序的关系^［32］.这些研究为现代训练和教学提供了量化依据，充分体现了多模态生物力学测试技术在传统体育项目研究中的重要作用.

本研究以陈式太极拳标志性技击动作“左蹬一根”为切入点，运用多模态生物力学检测技术^［33-37］，构建下肢运动链的动力学、运动学和肌动学参数体系，尝试将参数规律与拳理特征建立联系，为拳理的AI教学和智能评分提供科学依据.从非物质文化遗产传承维度看，生物力学介入拳理探析开创了智能传承的新路径，既可突破传统师徒制传承的时空限制，又能以国际通行的科学语言增强文化阐释力，为太极拳在全球化语境中的创新性发展提供关键技术支撑.

1 材料与方法

1.1 研究对象与工具

根据团队先前相关的研究数据以及预实验结果，设定运动学、动力学以及表面肌电的主要参数，ŋ²约为0.23，对应效应量为0.54.因此根据

G-power计算本研究所需最小样本量为12人（效应量设定为0.4，统计功效设定为80%，显著性水平设定为0.05）.本研究招募12名高水平太极拳运动员，为探究不同等级的运动员对拳理的执行情况是否有差异，将实验对象分为精英组［6名国家健将级运动员，年龄（20.0±3.8）岁，身高（173.0±4.6） cm，体质量（66.2±7.2） kg，武术年限（10.8±5.9） a，太极年限（5.7±3.7） a］和优秀组［6名国家二级及以上运动员，年龄（17.7±1.7）岁，身高（173.2±6.0） cm，体质量（60.5±3.3） kg，武术年限（7.3±1.1） a，太极年限（4.2±1.1） a］.所有受试者均具有良好的身体素质和运动能力，近6个月无损伤疾病史，在实验前都详阅实验计划，了解研究的目的、方法、测试流程与可能发生的危险.本研究已通过武汉体育学院人体实验伦理委员会审查（NO.2024043）.

采用9台Vicon光学运动捕捉系统（250 Hz，型号T40，Vicon公司，英国牛津）、4台Kistler三维测力台（1 000 Hz，型号9260AA6，Kistler公司，瑞士温特图尔）、1套Noraxon无线表面肌电测试系统（1 500 Hz，型号desktop DTS，Noraxon公司，美国斯科茨代尔）采集运动学、动力学和肌电图数据.

实验预备阶段，所有受试者被要求以6.5 km·h^-1的速度进行跑步热身5 min和拉伸活动，随后上半身裸露、下半身穿紧身裤，做好被试准备.实验员利用数字信号转换器使Vicon系统和Kistler系统同步、利用同步线和端口指令将Vicon与Noraxon设备同步，测量并记录受试者的形态学指标（身高、体重、上臂长、前臂长、大腿长、小腿长、足长、肘宽、腕宽、膝宽、踝宽和手厚），将52个反光点牢固粘贴于受试者体表标记处.使用蘸有75%的酒精棉球擦拭所测肌肉的皮肤表面去除油脂汗渍，继而剔除体毛后再次用酒精棉球擦拭，待皮肤干燥后将两片电极顺肌纤维走向贴于肌腹处，两电极片间距约2 cm，随后用导线将电极片和信号传感器进行连接并用肌贴加以固定.在太极拳动作参数正式采集前，实验员要求受试者呈标准解剖学姿势，双足分别站于两块测力台上，利用Vicon采集反光点的三维坐标建立人体多刚体系统静态模型，随后受试者按照要求完成左蹬一根完整动作5次，每次间隔时间60 s，后期根据教练员的建议，选取每名队员最优的3次数据进行统计分析.

1.2 数据处理与坐标定义

将Vicon和Kistler采集的数据以C3D的格式导入到Visual3D（型号v6.03.6，HAS-Motion公司，加拿大安大略）中建立人体骨骼模型，人体运动学和动力学数据采用右手定则进行计算，实验室惯性坐标系和关节非惯性坐标系如图1a与图1b所示，质心位移以实验室惯性坐标系为参考系，所有关节角度是以对应的关节非惯性坐标系为参考系的相对关节角，如图1c所示.

将坐标数据和外力数据分别进行低通10 Hz和25 Hz的滤波处理，对时间特征采用归一化处理，把完成动作的总时长归一为100%，随后在Visual3D软件中进行人体运动学和动力学指标数据的计算和提取.表面肌电数据通过MR 3.16进行整流、滤波、平滑处理，计算左蹬一根动作下肢各肌肉的均方根振幅（root mean square，RMS）和贡献率.

1.3 划分动作阶段

陈式太极拳左蹬一根动作过程为左腿屈膝提起，随即向右蹬出；同时，双掌变拳交叉合于胸前，随即分别向左右发出，拳眼向上；目视左拳.动作要点为左脚侧踹与双臂分展协调一致；力达脚跟^［38］.

为了清晰地分析左蹬一根动作的运动生物力学特征，结合动作过程描述将整个动作进行时相的划分.准备时刻（E1）： 两足接触力台，且左足力台力线开始下降的时刻.左足离地时刻（E2）： 左足完全离开力台，且左足力台力值为零的时刻.虚步时刻（E3）： 左足再次触地，且左足力台开始显示力值的时刻.最大屈膝时刻（E4）： 左膝关节屈曲至最大角度的时刻.最大伸膝时刻（E5）： 左膝关节伸展至最大角度的时刻.稳定时刻（E6）： 两足接触力台，且力线均匀稳定的时刻.提膝阶段（P1）： E1到E4阶段.伸膝阶段（P2）： E4到E5阶段.屈收阶段P3： E5到E6阶段（图2）.

1.4 评价指标

考虑到本研究主要为从运动生物力学特征角度揭示动作拳理，故将运动学、动力学和表面肌电的过程性特征进行描述统计.由于该动作的躯干与上肢运动主要目的是维持单支撑状态下的稳定，下肢的表现是评定动作质量的关键，结合国内外的专家学者利用运动生物力学方法对太极拳动作的研究大部分也是针对人体下肢展开的^［39］，所以选取动作各阶段的时间分布、重心（center of gravity，COG）位移、蹬伸下肢关节在屈伸方向的范围和速度、蹬伸下肢环节质心速度、支撑下肢垂直地面反作用力（vertical ground reaction force，vGRF）、主要工作肌肉的RMS和贡献率.vGRF经体重标准化后的指标为BW（body weight），经过体育动作的解剖学分析后选取两侧股直肌（rectus femoris，RF）、股外侧肌（vastus lateralis，VL）、胫骨前肌（tibialis anterior，TA）、股二头肌（biceps femoris，BF）、腓肠肌内侧头（medical head of gastrocnemius，MG）和臀大肌（gluteus maximus，GM）共12块肌肉.

1.5 数据统计

本研究采用统计学软件SPSS 26.0对受试者左蹬一根动作的运动学、动力学、表面肌电指标参数进行平均值±标准差（x±sd）的求解；采用独立样本t检验（paired t tests）分析精英组和优秀组部分特征值之间的差异，显著水平设定p<0.05为显著，p<0.01为非常显著.

2 结果

2.1 时间特征与重心位移

表1表明，精英组总耗时为5.06 s，优秀组总耗时为4.43 s.P1、P3和整体动作耗时两组比较差异无统计学意义（p>0.05），精英组P2耗时显著短于优秀组（p<0.05）.精英组重心x、y、z轴偏移量峰值分别为0.357、1.100、0.950 m，优秀组重心x、y、z轴偏移量峰值分别为0.344、1.140、1.010 m（图3）.P1阶段精英组重心前移幅度显著大于优秀组，右移、下移幅度显著小于优秀组（p<0.05），P2阶段优秀组向左、向上方向的重心位移幅度显著大于精英组（p<0.05）.

2.2 蹬伸下肢关节屈伸方向的角度和角速度

精英组和优秀组蹬伸下肢髋、膝、踝关节屈伸方向上的运动趋势具有一致的规律性（图4）.两组髋关节均在48%时刻达到屈曲最大值，精英组显著高于优秀组（p<0.05）；精英组由屈髋转为伸髋的时间更短（精英组为48%~54%，优秀组为48%~58%，p<0.05），伸髋幅度更小（精英组为76.56°~40.59°，优秀组为70.37°~15.58°，p<0.05）.精英组48%时刻、优秀组49%时刻达到屈膝峰值，两组峰值无显著性差异（p>0.05）；精英组由屈膝转为伸膝的时间更短（精英组为48%~54%，优秀组为49%~59%，p<0.05），伸膝幅度更小（精英组为-110.11°~-53.92°，优秀组为-102.89°~-28.15°，p<0.05）.精英组56%时刻、优秀组57%时刻达到屈曲峰值，两组峰值无显著性差异（p>0.05）；精英组由足背屈转为跖屈的时间更短（精英组为56%~75%，优秀组为57%~78%，p>0.05），跖屈幅度更小（精英组为21.74°~65.29°，优秀组为20.13°~65.64°，p>0.05）.两组蹬伸下肢髋、膝、踝屈伸角速度变化趋势一致，均在P2阶段达到最大角速度，且精英组最大伸膝角速度是优秀组的1.4倍（图5）.

2.3 蹬伸下肢各环节质心速度

精英组和优秀组蹬伸下肢大腿、小腿、足环节质心速度均呈现由近至远地叠加特点，在P2阶段均达到速度最大值，且精英组足环节质心最大速度为优秀组的2.1倍（图6）.统计分析发现，精英组蹬伸下肢大腿、小腿、足环节质心最大速度均显著大于优秀组（p<0.05），且在E4和E5时刻，精英组蹬伸下肢三环节质心速度均非常显著地大于优秀组（p<0.01）.

2.4 支撑下肢垂直地面反作用力

精英组和优秀组支撑下肢vGRF-时间曲线都表现出波谷与波峰相互交替的多峰型曲线，精英组vGRF的变化范围在0.43BW~1.07BW，优秀组的变化范围在0.33BW~1.05BW（见图7）.统计分析发现，在E4和E5时刻，vGRF值两组比较差异无统计学意义（p>0.05）.

2.5 动作各级段工作肌肉均方根值及贡献率

表2表明P1阶段，优秀组RVL的RMS比精英组高，差异极显著（p<0.01）.而精英组的LGM的RMS平均值相比于优秀组更高，具有显著性差异（p<0.05）.在动作过程中两组的RVL的贡献率均为最大，其次是RTA.精英组LVL的贡献率最低，优秀组则是LGM.优秀组RVL、LVL和RBF的贡献率显著高于精英组（p <0.05），而精英组LGM贡献率显著高于优秀组（p <0.01）.

表3表明P2阶段，精英组RTA和LMG的RMS与优秀组具有显著性差异（p<0.05）、RMG和LGM的RMS与优秀组差异极显著（p<0.01）.在动作过程中精英组LGM的贡献率最大，其次是LRF.优秀组LVL的贡献率最大，其次为LGM.精英组的LVL、RVL和RBF的贡献率与优秀组具有显著性差异（p<0.05），LGM则具有非常显著性差异（p<0.01）.

表4表明P3阶段，精英组LMG和LGM的RMS显著高于优秀组（p<0.01）；而优秀组RVL的RMS显著高于精英组（p<0.01）.精英组RMS最高的是RMG，而优秀组则是RVL.在动作过程中，精英组RMG贡献率最大，其次是LMG；优秀组RVL贡献率最大，其次是RTA和RMG.精英组的LVL、RRF和RTA的贡献率与优秀组具有显著性差异（p<0.05），RVL则具有非常显著性差异（p<0.01）.

3 讨论

太极拳运动求稳胜于求速，对身体在特征时刻各关节角度、动作过程中各环节的配合要求较高.因此太极拳运动生物力学特征研究既包括特征画面的静态分析，又关注指标值随时间变化的动态趋势，综合揭示陈式太极拳左蹬一根动作规律.

3.1 时间特征与重心位移分析

表1显示两组运动员均为P1耗时最长，其次是P3，P2耗时最短，充分体现了陈式太极拳拳理中“快慢相间”的特点，“快”与“慢”是指动作在时间上的表现，陈式太极拳要求快慢相间，也就是对每个动作及整套动作练习节奏的要求.练习动作时的一快一慢、一张一弛，从生理学角度即为神经肌肉放松、紧张、放松的调节过程.从人体动作形式出发，左蹬一根动作属于基本运动动作中的鞭打动作.这种类型的动作最终目的是运动链末端产生极大的速度和力量，那么为了达到此目的，该动作最关键的是P2阶段，在保证身体稳定的前提下，小腿快速绕膝关节转动，耗时越短、小腿和足环节获得的速度才会越大，精英组P2耗时显著短于优秀组（p＜0.05），说明精英组伸膝肌群爆发力优于优秀组，该动作与散打动作中的侧踹腿的结构类似，然而精英组和优秀组P2耗时比国内优秀散打运动员都要短^［40］，体现了陈式太极拳不同于其他项目，具有独特的“刚柔相济、蓄劲并发”的用力特点.

由于左蹬一根动作具有单腿支撑、快速蹬伸的外显特点，因此重心位移是反映重心变化特征、评判整体平衡稳定性、体现“立如平秤”拳理的重要指标.如图3所示，两组运动员在前后、左右、上下方向上的位移趋势均具有一致的规律.P1阶段（精英组0~48%，优秀组0~49%）运动员重心向前、向右、向下转移至支撑下肢的前足.但在P2阶段（精英组48%~54%，优秀组49%~59%）运动员重心逐渐向后、向左、向上回归，且在P3阶段初（精英组54%~61%，优秀组59%~61%）重心持续向上到最高值，主要原因可能为运动员蹬伸下肢蹬出速度快且力度大，在最大蹬伸后下肢各关节存在缓冲时段，以此降低快速离心运动可能带来的肌肉及韧带损伤.在P3阶段（两组均为61%~100%）重心先转移至支撑下肢，后随着蹬伸下肢足的落地稳定，逐渐回归至左右方向的初始位.在前后方向上，相比动作开始时刻，两组运动员的重心位移在动作结束时均出现前移现象，考虑是由于动作刚结束，运动员仍保持重心位于前足的预备状态.通过重心三轴方向的位移，说明拳理要求的“立如平秤”泛指重心保持相对的平稳，而不是绝对地不变.

3.2 蹬伸下肢关节角度变化的分析

图4表明在E4时刻精英组（48%）蹬伸下肢髋关节屈曲程度显著高于优秀组（49%），从转动运动学的角度看，精英组下肢髋关节折叠的更充分，蹬伸下肢绕矢状轴、垂直轴的转动惯量较小，转动启动越容易，蹬伸时间更短，与上述时间特征一致.从肌肉发力的角度看，精英组蹬伸下肢髋关节主动屈曲幅度越大，伸髋肌群被拉长的越充分，储存更多的弹性势能，在P2阶段伸髋肌群主动收缩发力叠加上弹性力，伸髋力量更大、速度更快，是陈式太极拳充分利用弹性爆发劲、“松腰开胯”的良好体现.除此以外，精英组踝关节微跖屈和充分内翻，为P2阶段充分跖屈和外翻提供良好的关节体位和积蓄更多的肌肉力量，充分体现了“意欲向上必先向下”的拳理.

在E5时刻（精英组54%、优秀组59%），蹬伸下肢膝关节屈伸方向两组比较均无统计学意义（p>0.05），说明两组在此刻膝关节的外显特征一致.而精英组髋关节略屈曲而优秀组略伸展，从单关节的角度分析，优秀组在P2阶段髋关节的伸展幅度比精英组要充分（p<0.05），那是不是优秀组在P2阶段髋关节的运动表现就优于精英组呢？答案是否定的，左蹬一根动作属于鞭打动作，其目的是为了获得运动链末端极大的速度和力量，为了此目的肢体的运动形式往往表现为由近端环节到远端环节依次加速与制动，在完成动作的过程中，加速固然重要，但是制动也不可忽略，近端环节适时的制动才能将最大的角动量传递给远端环节.蹬伸下肢髋关节处于下肢鞭打动作的中间核心关节，在P2的初始阶段伸髋力矩大使髋关节迅速伸展，当髋关节伸展角动量达到最大时，髋关节伸展应迅速制动，将最大的角动量转移至小腿绕膝关节的转动上，达到角动量和速度叠加的效果，伸髋关节角动量最大的时刻应该是屈髋体位一定不是伸髋体位.所以精英组的快速制动能力优于优秀组，更能体现“虚实转换即为拳经”的拳理特点.

3.3 蹬伸下肢关节角速度的变化分析

如图5所示，在E4时刻虽然蹬伸下肢髋、膝、踝在屈伸方向上的角速度两组差异无统计学意义（p>0.05），但是此刻精英组髋关节具有屈髋角速度，在进一步屈髋折叠下肢以便降低P2阶段大腿环节的转动惯量，而优秀组髋关节具有伸髋角速度.也就是说在E4时刻，优秀组在做伸髋运动，这将使P2阶段大腿环节的转动惯量升高.然而这一举动不仅对升高转动惯量和降低大腿绕髋关节转动速度产生影响，最重要的是打乱了P2阶段的弹性力爆发和速度层层叠加的秩序，在伸髋速度达到最大值之前伸膝角速度就已经达到了最大.也就是说伸膝伸髋的同时，远端的膝关节角速度却率先达到最大值，完全违背了鞭打动作的力学原理.图5中精英组所体现的是伸膝伸髋且同时达到各自的最大值，伸髋肌群和伸膝肌群在P1阶段储存的弹性势能和自主收缩产生的力量同时被释放，力量和速度得到完美的叠加，拳理中“上下相随”的时机体现得淋漓尽致.

在E5时刻，精英组髋关节在继续伸髋而优秀组却已经在屈髋了（p＜0.05），所以优秀组在E4提前做的伸髋动作不仅影响了关键的蹬伸阶段，而且在P3阶段也受到了影响，所以对于优秀组来说首先应该学习鞭打动作的原理、降低动作速度以便于纠正混乱的发力顺序，勤加练习完成动力定型后，提高动作速度的同时增强训练量和训练强度.

3.4 蹬伸下肢环节质心速度的变化分析

图6表明两组运动员蹬伸下肢各环节质心速度均在P2阶段达到最大峰值，随后均迅速下降至最大蹬伸时刻速度，而后在P3阶段均出现第二个速度峰值.就P2阶段而言，精英组各环节质心速度到达最大峰值所耗时间更短，速度更快，且精英组最远端足环节质心速度峰值显著高于优秀组（p＜0.05）.

环节质心速度是环节绕关节转动的角速度与关节中心点到质心距离的乘积，是质心点三个方向分速度的合成，所以关节三个方向转动角速度、关节位置和关节中心点到环节质心的距离都会影响环节质心的速度，其中关节位置和关节中心点到质心的距离相对固定，影响环节质心速度的最大变量就是角速度了，而左侧蹬伸下肢中，关节主要的转动发生在矢状面上的屈伸运动，图5中可以清晰的看到两组运动员蹬伸下肢屈伸方向的角速度随时间变化的特征，精英组最大伸髋角速度和伸膝角速度大于优秀组，从各方面都体现了精英组的技术与力量更优.

精英组在完成左蹬一根动作时下肢环节速度由小到大依次为大腿、小腿、足，通过P1阶段被拉长的伸髋伸膝肌群储存了大量的弹性势能，在P2阶段伸髋伸膝肌群积极主动发力并叠加上拉伸所产生的弹性力，爆发力量得到保障的同时，合理的动作顺序和适时的制动环节将力量和速度“节节贯穿”，充分体现了陈式太极中独有的拳理特点.

3.5 支撑下肢垂直地面反作用力变化分析

图7表明在垂直方向上，两组在0~25%之间为E1—E2阶段，支撑下肢的vGRF从约0.5BW到1BW，从此段曲线图可以看出，vGRF值不是直线升至1BW的，而是有个下降，显然精英组在8%达到0.43BW，优秀组在9%达到0.33BW，表明两组运动员支撑下肢都有加速下蹲的动作，且优秀组下蹲加速度大于精英组，而后在25%时刻随着左足的离地，精英组所有的压力都转移至右足，支撑下肢vGRF达到了1BW，而优秀组为0.95BW仍小于1BW，说明在E2时刻优秀组仍具有向下运动的加速度，屈膝屈髋肌群仍在收缩.精英组25%~34%、优秀组25%~35%为E2—E3阶段，优秀组支撑下肢vGRF比精英组下降明显，而结合此阶段优秀组重心向右移动的幅度比精英组明显（图2c所示），说明此阶段优秀组支撑下肢依然在加速下蹲.精英组35%~48%、优秀组35%~49%为E3—E4阶段，两组支撑下肢vGRF均上升至1BW以上，重心完全落在右足上，且两组运动员支撑下肢都在积极的伸膝伸髋以获得较大的vGRF.在优秀组56%时刻，处于该组的P2阶段，vGRF迅速下降至最低值，说明在此刻优秀组下肢加速下蹲的加速度最大；精英组从48%~54%的P2阶段，支撑下肢有加速下蹲的现象，但是小于优秀组.精英组54%~100%、优秀组59%~100%属于P3阶段，此阶段为了收回左下肢，重心先右移至右下肢，如精英组的67%时刻，随后随着左下肢的回落触地，vGRF和重心恢复值初始状态，但是在此阶段优秀组依然低于1BW，判断在P3阶段，右下肢的屈膝屈髋肌群依然在紧张的收缩发力.

通过上述vGRF和各环节质心速度综合分析发现，精英组和优秀组在伸膝最大时刻地面垂直反作用力均小于1BW，所以为各环节提供加速的力量不是全部来自于支撑反作用的外力，太极可以同时调动主动肌群和被动肌群，通过“对拉拔长”产生掤劲为各环节质心加速提供动力.

3.6 动作各级段工作肌肉均方振幅及贡献率分析

表面肌电的RMS是表面肌电信号的时域分析指标，通过计算信号窗口内所有采样点幅值的平均值的平方根获得，公式为

S_{\mathrm{r}\mathrm{m}}=\sqrt[]{\frac{\mathrm{1}}{N}{\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^N}sEM{G}_i^{\mathrm{2}}}，

其中，N为时间窗口内的采样点数.RMS可直接表征肌肉收缩时运动单位募集的数量和同步化程度，数值越高表示肌肉活动强度越大，肌肉力越大.相较于RMS峰值或积分肌电值，RMS对噪音干扰更鲁棒，适合动态运动分析.在P1阶段优秀组支撑下肢RVL的RMS非常显著地高于精英组（p<0.01），对于单支撑下肢来说最主要的作用是支撑并维持稳定，而优秀组RVL肌力格外发力显著提示有代偿的情况发生，而精英组支撑下肢蹬伸肌群力量分布相对均匀.精英组的LGM的RMS显著高于优秀组（p<0.05），而在这一环节主要表现为屈髋，屈髋动作使GM拉长，为后续蹬伸蓄能，LGM的RMS越高，表示被拉长的越明显，蓄能更多，更符合P1阶段动作的生物力学原理.在P2、P3阶段精英组LGM、LMG的RMS显著高于优秀组（p<0.05），这两块肌肉的功能分别为伸髋和足跖屈，作为蹬伸下肢最主要的动作表现为快速蹬伸和屈收，蹬伸肌群力量越大，蹬伸关节角速度越大，蹬伸下肢末端获得的速度越快，显然精英组的表现更符合“松活弹抖”的拳理特点.

肌肉贡献率用于量化多块协同肌肉在特定动作中的参与程度，通常基于肌肉激活水平的比例计算，公式为

\mathrm{贡献}{\mathrm{率}}_K=\frac{\mathrm{激活}\mathrm{水}{\mathrm{平}}_K}{{\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^M}\mathrm{激活}\mathrm{水}{\mathrm{平}}_i}\times \mathrm{100}\mathrm{\%}，

其中，M为参与动作的肌肉总数，\mathrm{激活}\mathrm{水}{\mathrm{平}}_K为第K块肌肉的积分肌电值.肌肉贡献率揭示不同肌肉在动作中的功能分工，通过对比贡献率差异，可评估不同运动员在执行同一动作时肌肉募集模式的差异，在该研究中主要体现不同水平运动员肌肉募集模式与拳理的契合性.P1阶段精英组和优秀组支撑下肢均为RVL贡献率最大、RTA次之、蹬伸下肢均为LMG贡献率最大、LTA次之，表明两组运动员在这一阶段两下肢肌群的肌肉募集模式相似，揭示出该组肌群在维持平衡和提高表现的重要性.P2阶段精英组和优秀组的LMG、LRF、LVL和LTA贡献率均显著高于其他起肉，表明在蹬伸下肢伸肌链索迅速激活呈现阶段性的强大爆发，与拳理所讲“蓄劲如开弓，发劲如放箭”相符.P3阶段由于身体重心转换至支撑下肢，精英组支撑下肢各肌群阶段性均匀发力，优秀组RRF、RVL和RTA显著高于精英组（p<0.05），说明优秀组存在以上3组肌群的代偿现象.精英组蹬伸下肢肌群在P3阶段表现为LMG贡献率非常显著高于优秀组（p<0.01），综合分析无论是提膝、伸膝亦或是屈收阶段蹬伸下肢的MG都是要贡献的肌群，充分体现了“裆劲开圆”的拳理特点.

4 结论

通过“左蹬一根”的三维运动学、动力学及表面肌电的同步测试，首次验证了传统拳理中“刚柔相济、蓄劲并发、立如平秤、意欲向上必先向下、虚实转换即为拳经、上下相随、节节贯穿、对拉拔长、松活弹抖、蓄劲如开弓，发劲如放箭”等抽象概念的生物力学可测性.研究发现精英组不仅从运动等级上高于优秀组，其动作技术更符合左蹬一根动作的拳理特点，用生物力学指标对动作解构的方法来揭示抽象的拳理是可行的，实现了该动作拳理阐释的科学突破.

通过以上研究为建立基于关键参数的AI教学评估系统，构建重要动作特征点的太极拳数字孪生模型，开发可视化训练反馈工具提供数据支撑.通过卷积神经网络识别学员动作与标准模型的偏离度，构建分级评估体系与训练数据库.这种融合生物力学量化与AI实时矫正的新范式，可使传统“刚柔并济、节节贯穿、对拉拔长”等拳理获得精确的技术实现路径.

从“左蹬一根”的下肢运动生物力学特征为切入点探索太极拳腿法中的拳理，不断扩展至其他腿法、步型、步法，指导运用惯性传感器融合柔性应变片技术开发适应宽松服装的动态捕捉系统，同步采集全身三维空间轨迹、地面反作用力及肌电信号等多维度参数，构建生物力学指标与传统要诀的映射矩阵，实现所有拳理的进一步科学化阐释.同时该研究涉及体育学、理学、工学和生物学等多个领域，提示中华民族非遗文化的研究和保护可以加强跨学科合作，整合不同学科的知识和方法，推动其发扬光大.

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基金资助

湖北省自然科学基金体育高质量创新发展联合基金项目(2025AFD652)

湖北省教育厅科研计划中青年人才项目(Q20224107)

武昌工学院2023年大学生创新创业训练计划省级项目(2023041)