基于惯性传感器的杂技肩倒立金字塔姿态稳定性探索性分析：顶层运动员变化与底层运动员站立构型的相互作用

《Sensors》：An Exploratory Analysis of Postural Stability in Acrobatic Shoulder-Stand Pyramids Using Inertial Sensors: The Interplay of Top-Athlete’s Variations and Base-Athlete’s Stance Configurations

　　

专业术语翻译 在静态杂技体操金字塔中，维持多人系统的稳定性至关重要，然而，不受约束的地面基线和底层-顶层配对机制仍缺乏量化研究。本研究评估了肩倒立金字塔中的姿态稳定性，考察了两种特定顶层运动员变化（较轻的金字塔T1 vs. 较重的金字塔T2）与底层运动员站姿（平行 vs. 串联）的相互作用。研究人员监测了五名精英底层运动员，在支撑两种顶层运动员变化（较轻的金字塔T1和较重的金字塔T2）时，执行标准静态肩倒立金字塔，并采用平行和串联足部放置构型（每种金字塔变化进行三次试验）。还记录了金字塔试验前后，底层运动员和顶层运动员在无约束地面自由站立时的基线数据。本研究使用置于底层和顶层运动员胫骨（左右两侧）处的三维自由加速度的均方根（Root Mean Square, RMS）（Xsens MTw Awinda惯性传感器，采样频率100 Hz，Xsens MT Manager 4.6.5版软件）来评估姿态稳定性。对所有信号应用五点中值滤波，随后进行零相位、二阶正向和反向巴特沃斯低通滤波（在5 Hz和10 Hz截止频率下产生有效的四阶响应）（MATLAB R2025b）。根据拟合到底层运动员足部轮廓的矩形边界计算站姿包络尺寸。采用非参数Spearman秩相关系数（ρ）和参数相关系数（r）来检验底层间一致性和底层到顶层的耦合。应用双因素重复测量方差分析（ANOVA）（金字塔 x 站姿构型），主要分析重点放在描述性效应量和精确p值上（SPSS v30，p < 0.05）。杂技串联站姿将平行站姿包络面积扩大了约2.5倍，宽度扩大了约1.4倍。当底层运动员从自由站立过渡到金字塔时，加速度RMS显著增加（金字塔T1：+24.3%至83.6%，金字塔T2：47.2%至166.2%）。在两个滤波截止阈值下，支撑较重的顶层运动员（金字塔T2）使底层的合加速度RMS显著增加了37%至48%（p < 0.05）。此外，顶层运动员表现出不同的行为：虽然顶层运动员2的加速度RMS低于顶层运动员1，但在金字塔中时，她经历了更大的加速度激增（超过220%）。底层和顶层的加速度曲线并未呈现平行响应，表明解耦而非镜像的稳定性调整。此外，当加速度RMS对站姿包络尺寸进行归一化处理后，在前后方向（anteroposterior, AP）观察到显著的金字塔 x 站姿交互作用（p < 0.05），但在内外侧方向（mediolateral, ML）则未观察到。底层运动员的稳定性因顶层运动员的变化和站姿几何形状而显著不同。评估不受约束的地面基线以及空间站姿边界对于捕捉多人运动任务中的结构载荷动态至关重要。

论文解读文章

研究背景、现存问题与研究目的

在体育科学领域，平衡能力常被视为预测运动表现的关键指标。杂技体操对平衡提出了极端挑战，要求支撑运动员（底层）和被托举运动员（顶层）作为一个组合质量系统协同运作。维持这种静态“平衡”动作的稳定性至关重要，任何可见的晃动都可能导致技术扣分。然而，现有研究对无约束地面基线状态下的姿态控制，以及底层-顶层之间的力学耦合机制仍缺乏深入理解。特别是，顶层运动员的个体差异（如体重、体态、平衡技能）和底层运动员的足部站位构型如何共同影响整个金字塔系统的稳定性，尚不明确。因此，本研究旨在利用可穿戴惯性传感器，探索性地分析肩倒立金字塔中的姿态稳定性，重点考察顶层运动员变化与底层站姿构型之间的相互作用，以填补这一领域的知识空白。

研究方法与技术

研究人员招募了七名年轻女性运动员（年龄范围7.7至15.7岁），其中包括五名底层运动员和两名顶层运动员。实验设计为重复测量，每位底层运动员需在两种站姿（平行站姿和串联站姿）下，分别支撑两名体重不同的顶层运动员（较轻的顶层运动员1，记为金字塔T1；较重的顶层运动员2，记为金字塔T2），每种条件进行三次有效试验。关键技术方法包括：

1. 1.
   惯性传感器数据采集：使用六台Xsens MTw Awinda惯性传感器（采样率100 Hz），分别固定在所有运动员的左右胫骨处，记录三维自由线性加速度。数据由Xsens MT Manager 4.6.5版软件同步采集。
2. 2.
   信号处理与滤波：所有信号首先经过五点中值滤波去除脉冲噪声，随后采用零相位、二阶巴特沃斯低通滤波器进行双向滤波，分别在5 Hz和10 Hz两个截止频率下处理，以消除高频噪声并保留低频姿态调整信号。数据处理使用MATLAB R2025b软件。
3. 3.
   数据分析框架：研究采用了双指标生物力学框架：(a) 合加速度均方根（Resultant RMS），用于量化总体的三维加速度幅度；(b) 方向归一化加速度均方根，即将前后（AP）和内外侧（ML）方向的加速度RMS分别除以站姿包络的长度和宽度，以考虑空间边界约束的影响。
4. 4.
   统计分析：使用Spearman秩相关系数和Pearson相关系数评估底层间一致性和底层-顶层耦合。采用双因素重复测量方差分析（ANOVA）检验金字塔变化和站姿构型的主效应及交互效应，并报告效应量（partial η2）和置信区间。所有分析使用SPSS v30完成。

研究结果

3.1 底层与顶层运动员的姿态动力学：自由站立 vs. 金字塔整合

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  底层运动员：在无约束自由站立时，底层运动员的合加速度RMS基线值很低（0.0129至0.0265 m/s2）。当进入金字塔后，加速度显著放大。支撑金字塔T1时，加速度增加24.3%至83.6%；而支撑金字塔T2时，增幅更大，达到47.2%至166.2%。这表明支撑更重的顶层运动员对底层构成了更大的机械负荷。
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  顶层运动员：自由站立时，顶层运动员2的基线加速度RMS低于顶层运动员1。然而，进入金字塔后，顶层运动员2的加速度激增幅度（超过220%）远大于顶层运动员1，甚至在某些条件下其绝对值超过了顶层运动员1。这表明，在孤立状态下看似更稳定的顶层运动员，在金字塔系统中可能传递出更高频、更难以控制的扰动。

3.2 底层间一致性与底层-顶层耦合：相关性分析

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  底层间一致性：在不同金字塔条件下，各底层运动员的加速度响应排名保持高度一致（Spearman ρ在0.90至1.00之间，p < 0.05），表明存在稳定的个体性能层级。即，在一种金字塔条件下表现更稳定的底层，在另一种条件下也倾向于更稳定。
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  底层-顶层耦合：底层与顶层运动员的加速度剖面之间普遍呈现弱到中等的相关性，且大多未达统计显著性。这支持了研究假设H1，即金字塔系统中顶层和底层的稳定性调整是解耦的，而非简单的镜像传递，暗示了各自独立的稳定策略。

3.3 金字塔与站姿构型对底层合加速度RMS的主效应与交互作用

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  主效应：金字塔配置和站姿构型对底层合加速度RMS均有显著的主效应（p < 0.05）。具体而言，支撑金字塔T2（较重顶层）相比金字塔T1（较轻顶层）显著增加了底层加速度（平行站姿下增加37%，串联站姿下增加47-48%）。同时，串联站姿相比平行站姿也导致了更高的加速度RMS。
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  交互作用：金字塔与站姿构型之间的交互作用不显著，表明站姿对稳定性的影响在不同顶层运动员条件下是一致的。

3.4 金字塔与站姿构型对底层方向归一化加速度RMS的主效应与交互作用

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  前后方向（AP RMS_norm）：金字塔和站姿构型均表现出显著的主效应。更重要的是，两者之间存在显著的交互作用（p < 0.05）。这意味着，在前后方向上，顶层运动员的变化对不同站姿下底层稳定性的影响是不同的。例如，支撑金字塔T2在串联站姿下导致的AP方向加速度增幅（40.2-49.3%）比平行站姿下（29.7-38.1%）更为明显。
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  内外侧方向（ML RMS_norm）：金字塔和站姿构型同样有显著主效应，但两者的交互作用不显著。这表明，在内外侧方向上，顶层运动员的变化对两种站姿下底层稳定性的影响模式相似。

讨论与结论

讨论部分指出，本研究的核心发现是金字塔配置（由不同顶层运动员决定）对底层姿态稳定性有决定性影响。通过对比自由站立基线，清晰揭示了金字塔带来的巨大机械负担。有趣的是，研究发现顶层运动员的独立平衡能力与其对底层施加的稳定需求呈负相关：在平地上更稳的顶层运动员（顶层运动员2）反而给底层带来了更大的挑战。这被解释为，一个看似僵硬的顶层可能会传递更生硬、高频的扰动，而一个有轻微微动的顶层可能具备某种“顺应性”，有助于平滑力量传递，从而减轻底层稳定负担。

研究人员强调，将加速度对站姿包络尺寸进行归一化处理，能够揭示原始指标无法体现的方向性控制机制。AP方向的显著交互作用表明，矢状面的稳定性与站姿空间边界紧密耦合；而ML方向仅有主效应，提示额状面的稳定调节是按比例缩放以适应站姿宽度的。

研究结论翻译如下：

这项探索性研究展示了底层体操运动员在杂技肩倒立金字塔中所承受的加速度需求，证明了姿态稳定性在所考察的两种特定顶层运动员变化（较轻顶层与较重顶层）和底层足部放置构型（平行与串联）之间存在差异。利用可穿戴惯性传感器并结合对站姿包络尺寸的归一化处理，揭示了结构复杂性（金字塔T1与金字塔T2）会显著增加加速度幅度，尤其是在前后（AP）方向，同时凸显了底层间一致的表现层级。尽管受限于较小的样本量和顶层运动员特征固有的混杂因素，这些发现强调了在评估多人运动任务中的姿态控制时，必须考虑空间边界和结构载荷的必要性。未来的研究可以进一步探讨顶层运动员的质量或体格在各种杂技平衡任务中对姿态稳定性的作用。