(肆) 研究方法

一、研究對象：本研究共有12 位國立體育學院棒球隊投手(8 名左投、4 名右投) 自願參與，這些受試者在過去3 個月內上肢各關節均無重大且影響實驗數值之 運動傷害，其年齡介於 18-23 歲。在實驗之前向受試者解說實驗流程與目的，

並簽署相關同意文件。期間包括兩次的測試： Biodex 等速肌力測試及 Vicon 動作分析系統拍攝。

二、實驗儀器：

（一） 等速肌力測試：

1. 硬 體 ： 美 製 Biodex 等 速 測 力 儀 (Biodex Medical System 2001 Dynamometer, Shirley, NY)。

2. 軟體： Biodex Medical System Ⅲ分析軟體。

3. 使用情況：商借國立體育學院運動傷害防護研究所之等速測力儀。

(二) 三維動作分析：

1. 硬體：英製 Vicon 624(Vicon 3D Motion Analysis System, Oxford Metrics, UK)動作分析系統

(1) 主機與顯示器。

(2) 7 架紅外線攝影機。

(3) 7 架紅外線閃頻器(strobe)。

(4) 直徑 14mm 反光球。

2. 軟體：Vicon 之 Workstation 與 BodyBuilder 動作分析軟體。

3. 使用情況：商借國立體育學院運動科學研究所之三維動作分析系統。

(三) 電腦模擬分析軟體：

1. 硬體：筆記型電腦 (P4 2.4GHz 以上)

2. 軟體：人體動作電腦模擬相關軟體，如：ADAMS, KWON…等。

2. 動作分析之座標定義：在定義人體上肢之運動模型時，利用靜態之受 試者校正資料，可以明確計算此模型之幾何參數，以及定義關節變數。

座標系統定義的一致性可有助於研究人員或臨床人員之間的溝通。本 研究依據國際生物力學會(Internal Society of Biomechanics, ISB)之建議 定義上肢各肢段之局部座標系統；各解剖位置敘述如下：

humerus

Z X

Y v v

v

(二) 前臂：前臂之局部座標系統定義係依據橈骨莖突(Radius styloid process; rsp)與尺骨莖突(Ulna styloid process; usp)之中心點(RUM) 以及肱骨內、外髁所共同決定。其原點位於橈骨莖突與尺骨莖突

forearm

Z Y

X v = v × v

(三) 手掌：手掌之局部座標系統定義係依據橈骨頭(Radius styloid process; rsp)以及肱骨內、外髁所共同決定。其原點位於橈骨莖突 (Radius styloid process; rsp)與尺骨莖突(Ulna styloid process; usp)之 中心點(RUM)。Y 軸沿著第三掌骨之長軸，橈骨莖突與尺骨莖突

旋轉順序(sequence)，會導致不同之結果，而造成誤解。另一方面 選定適當之旋轉順序可有助與臨床人員之溝通，具有實質上之意 義。本研究是依據大多數學者(Anglin and Wyss, 2000)之建議選定 尤拉角旋轉順序。肩胛骨相對於軀幹之旋轉尤拉角度順序為 y-z’-x’’，而肱骨相對肩胛骨之旋轉順序為 y-z’-y’’。

3. 實驗步驟：

3. 調整測試椅位置，使受試者各關節轉軸垂直面與調整等速測力儀之轉 軸(Actuator shaft)軸心對齊。

4. 調整等速測力儀之轉軸(Actuator shaft)高度，與各關節轉軸切齊。

10. 肩與肘關節以 60,180,300,450°/sec、前臂與腕關節以 30,90,150,210°/sec 之角速度測驗。

(四) Vicon 動作分析系統拍攝詳細流程：

(一) 資料收集：

(1) 以Pearson 積差相關(Pearson`s Product-Moment Method) 考驗球 速與上肢各關節絕對肌力、球速與上肢各關節最大實際應用力

(1) 依據動力鏈原理，利用不同的動作形態組合，找出某個等速肌力 下可投出最大球速的最佳動作形態，即最佳化模擬。

(2) 最佳化模擬所得結果，將可對促進投球表現的方法上提出建議，

即如何用最小的肌力投出最快的球速。這結果也將幫助我們了解 關節力矩的限制，特別可解釋在加速期與跟進動作期之動作動力 學與等速肌力，以及涉及潛在運動傷害之細節。

三、使用LifeMOD 建立虛擬人

步驟一、建立全身肢段(Segments – Create BASE Set)

將真人資料(男性、240 個月大、173cm 高、72kg 重)套用到 GeBod 人體測量資 料庫(Anthropometric Database) 建立虛擬人的各肢段(圖 4-5)。模擬和分析過程所使 用之單位為：長度[mm]、質量[kg]、力[Nt]、角度[degree]、時間[sec]。

步驟二、建立關節(Joints – Create BASE Set)

依據Lifemod 軟體，關節的三軸向(圖 4-6)定義為：

1. 矢狀(sagittal)軸—肢段依此軸轉動在矢狀面活動，為左右方向、向左為正；

2. 衡(transverse)軸—肢段依此軸轉動在衡面活動，為上下方向、向上為正；

3. 額(frontal)軸—肢段依此軸轉動在額面活動，為前後方向、向前為正。

圖4-6

關節的三軸向定義 全身關節三軸參數選取有阻尼之彈簧(Spring Damper Joints with Stops) 內建資 料來設定(圖 4-7)，其硬度(Nominal Joint Stiffness)為 1000、阻尼(Nominal Joint Damping)為 10(Esteves, et al., 2004)，結果如圖 4-8 a~e；其中，不動或少動的方向設 為固定(fixed)，可動的方向設為被動(passive)；各關節三軸向的驅動力矩(Driving Torques)將由真實的動作資料利用 LifeMOD 內建模組來推算。

圖4-7 關節設定

圖4-8a、軀幹關節(上頸、下頸、胸、腰)設定

圖4-8b、左上肢關節(胛、肩、肘、腕)設定

圖4-8c、右上肢關節(胛、肩、肘、腕)設定

圖4-8d、左下肢關節(髖、膝、踝)設定

圖4-8e、右下肢關節(髖、膝、踝)設定 關節驅動力矩

步驟三、輸入動作點資料(Motion – MOCAP Data Import)

將VICON 拍攝之真實動作資料(從投手準備動作開始至球離手(圖 4-9)共 1.508 秒)依 LifeMOD 格式存成.slf 檔(圖 4-10)：每列資料依序為 time(時間 sec)、part(拍攝 點編號)、x、y、z、yaw、pitch、roll，其中只選取拍攝點(LifeMOD 中稱為動作原動

力Motion Agents，MA)與 LifeMOD 身體點(Body Markers, BM)相同之資料套入(共 36 點，設為‘ON’，如圖 4-11 所示)。如圖 4-12 所示套入(Apply)後，MA 之時間序列 資料將匯入整個系統中；但此時MA 和 BM 尚未配當(Matched)。

a. 準備 b. 肩關節最大外轉 c. 球離手 圖4-9、拍攝動作三個時間點之 VICON 處理圖

圖4-10、動作資料輸入 .sfl 檔格式

圖4-11、對應 LifeMOD 之拍攝點

圖4-12、動作輸入 步驟四、執行平衡分析(Equilibrium Analysis)

為了讓BM 配當 MA，如圖 4-13 設定執行平衡分析：因為拍攝頻率為 250Hz，

故1.508 秒內有 378 個時間點、377 步(Time Steps)將動作資料。依序點選 “Analyze”、

“Update Model Posture with equilibrium results”、 “Synchronize Body Marker Locations with Data Locations”，可得 BM 與 MA 配當並同步後的結果(圖 4-14)。

圖4-13 執行平衡分析

步驟五、建立地面與足部接觸資料 在ADAMS/View 內建立地面基準 點(Contact Surface Marker)：

.World.ground.flr，並配合虛擬人調整其 位置與方向。如圖十四所示，建立地面 與足部接觸資料；圖十三中的藍色面即 為地面。

圖4-14 BM 與 CMM 配當並同步後 ISO View

圖4-15 地面與足部接觸資料之建立 步驟六、逆動力學分析(Inverse Dynamic Analysis, IDA)

在 _Analyze 之 Dynamics 模式下(圖 4-13)進行 IDA：勾選“−y”為重力方向、

不勾選 “Freeze Motion Agents for Equilibrium Analysis”；“Analyze” 後可得各關節驅 動力矩(Driving Torques)。圖 4-16 為虛擬投手(右手投擲)右邊腕、肘、肩關節驅動力 矩時間序列圖。要注意的是，分析後在關節處並無 “力” 項，是因為虛擬人的關節 是提供力矩的彈簧，併不提供力；此分析結果亦無 “關節合力”。

圖4-16 LifeMOD IDA 之右臂腕、肘、肩驅動力矩

驅動虛擬人

步驟七、建立驅動源(Servo Spline)

在逆動力學分析(IDA)後，已產生各關節的驅動力矩和角度隨時間變化的資 料。要讓被動的虛擬人成為自動，需將關節型態由被動(Passive)改為驅動(Servo)，

並提供所需的驅動源(Servo Spline, SS)：SS 建立由圖 4-17 所示。在刪去所有的動作 原動力(Motion Agents)、並製造新的軌跡原動力(Tracker Agent，圖 4-18)後，進行正 向動力模擬(Forward Dynamics Simulation)：設定與 IDA 同。

圖4-17 建立動作源之設定

圖4-18 製造軌跡原動力設定