Sports Power and Healthy China

Construction of a Three-Dimensional Kinematic Model of the Full-Swing Body Motion in Elite Male Golfers——Based on AIGolf Video Recognition Technology

  • ZHOU Hongyu ,
  • LIU Baohua ,
  • LI Chao ,
  • LI Jiayun
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  • School of Social Sports, Tianjin University of Sport, Tianjin 301617, China

Received date: 2025-09-11

  Online published: 2026-07-29

Abstract

Objective: To explore the kinematic data of full-swing body motion in top-ranked elite male golfersfrom around the world, summarize the technical characteristics and Kinematics principles of their full swing, and construct a three-dimensional kinematic model of the elite male golfer’s full swing. Methods: Based on AIGolf video recognition technology, the videos of 15elite male playersfrom around the world was analyzed. Result: 1)In terms of static standing posture, the spine leans forward by 34.07°±2.79°towards the“+” direction of the Y axis and tilts by -4.00°±1.13°towards the“-”direction of the x axis. The shoulder line and hip line are parallel to the target direction of the x axis. The upper limb system, with the left arm (F1: 176.07°±2.34°) and right arm(F2: 164.67°±4.35°) naturally hanging down, forms an angle of 39.87°±3.89° with the spine. The lower limb system, with the left knee (x1: 154.93°±4.37°, y1: 3.27°±3.77°) and right knee (x2: 153.00°±5.03°, y2: -1.27°±4.15°) moderately bent, forms an angle of 129.00°±4.81° between the spine and thigh, with the centers of gravity of the left and right feet evenly distributed; 2)In terms of dynamic stability, there were significant differences in the trunk spine tilt angle (B2) between P5 and P1 positions (p<0.001), as well as significant differences in the lower limb system’s spine-thigh angle (L), left knee flexion angle (x1), right knee offset angle (y2), and center of gravity distribution (z1/z2) (p<0.05). There were also significant differences in the upper limb system’s forearm-shaft angle (V1) and right arm flexion angle (F2) (p<0.001); 3)In terms of dynamic rotational force, the effective working angles of the shoulders and hips are 249.33°±16.32°and 114.93°±17.89°, respectively, with effective working powers of 67.30% and 63.33%, respectively. Conclusion: A three-dimensional kinematic model of the elite male golfer’s full swing was constructed. The model includes the lower-limb system (knee joints G1/G2), the trunk system (hip joints K1/K2, shoulder joints D1/D2), and the upper-limb system (elbow joints E1/E2), providing reference for AI recognition and optimization research on golf full swing movements.

Cite this article

ZHOU Hongyu , LIU Baohua , LI Chao , LI Jiayun . Construction of a Three-Dimensional Kinematic Model of the Full-Swing Body Motion in Elite Male Golfers——Based on AIGolf Video Recognition Technology[J]. Journal of Capital University of Physical Education and Sports, 2026 , 38(3) : 277 -285 . DOI: 10.14036/j.cnki.cn11-4513.2026.03.005

高尔夫球全挥杆技术是极其复杂的技术动作系统,全挥杆技术水平的差异直接影响球员在高尔夫球赛事中的竞技表现,职业巡回赛具有优秀全挥杆技术水平的球员能够击打出距离更远、方向更准、控球更稳的击球表现,全挥杆技术一直被认为是影响高尔夫球竞赛成绩的关键因素[1]。为有效提高高尔夫球员竞技表现,现有研究对如何提高全挥杆技术进行了研究,有研究发现,击球距离与更高的杆头速度[2]、更快的躯干旋转角速度[3]、更大的肩髋分离角以及合理的顶点过渡时间等指标相关[4-5],同时击球精准性[6]及稳定性受到人体肩、髋、躯干位置和角度变化的显著影响[7-8],上述球杆击球参数、击球效果参数和人体运动参数是评价高尔夫球员全挥杆技术水平的重要指标。
由于受到视频采集许可和视频解析分析技术的限制,现有研究多是集中于击球效果指标分析[9-10]与中外高尔夫球员部分挥杆技术指标[11-12]对比分析,鲜有对世界排名前列球员职业比赛条件下的研究,尤其是对全挥杆人体三维数据的研究[13]。目前AI捕捉识别和诊断技术已在户外活动时间识别计算[14]、公共体育场所健身危险识别[15]、动作捕捉[16]和运动功能诊断[17]等领域得到广泛研究和应用。本研究基于AI Golf视频识别技术,分析世界优秀男子高尔夫球员职业比赛条件下全挥杆人体运动技术数据,重点总结优秀球员全挥杆人体运动学特征与规律,研究构建世界优秀男子高尔夫球员全挥杆人体三维数据模型,为高尔夫球全挥杆动作AI识别和优化研究提供参考。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

本研究以世界排名优先、不同国家、右手型球员为原则,选取高尔夫球官方世界排名系统(Official World Golf Ranking)男子(表1)前50名球员中来自9个国家的14名球员,以及世界排名第77位的1名中国球员,进行世界优秀男子高尔夫球员全挥杆人体三维数据模型构建研究。
表1 球员基本信息

注:官方世界排名截至2025年7月27日更新。

1.2 研究方法

1.2.1 AI Golf视频解析

选取Swing Catalyst官网球员2025赛季全挥杆视频(240帧/s),分别选取每位球员正前方(图1左)和正后侧机位(图1右)一号木全挥杆视频,正前方视频肩部连线、髋部连线均为0度,正后侧肩部投影、髋部投影重叠,确保机位准确。
图1 三维直角坐标系
AI Golf软件是一款国产高尔夫挥杆动作智能分析软件,软件基于CV技术的深度学习模型对视频进行人体自动分析检测与关节点提取,通过坐标映射与优化,实现对人体关节点的精准识别,并进一步计算出各参数数据。为检验AI Golf软件的科学性和准确性,预实验中分别运用AI Golf软件和Kwon3DXP三维运动采集分析软件对10名大学生运动员一号木全挥杆视频进行解析,两组数据差异性检验显示配对指标均无显著性差异(p>0.05)。

1.2.2 数据统计与分析

采用SPSS29.0和Excel2019软件对指标参数进行描述性统计,使用配对样本t检验,数据以平均值±标准差(M±SD)表示。

1.2.3 全挥杆关键位置及阶段划分

根据研究需要将高尔夫球全挥杆定义为站姿、上杆、顶点、下杆、击球、前挥、收杆7个关键位置和上杆阶段、下杆阶段、释放击球阶段、前挥阶段、收杆阶段5个阶段(图2)。
图2 全挥杆关键位置

注:P1,站姿,全挥杆准备时杆头移动的瞬间;P2,上杆,上杆过程中左小臂与地面平行的瞬间;P3,顶点,杆头到达顶点静止的瞬间;P4,下杆,下杆过程中左小臂与地面平行的瞬间;P5,击球,杆头与球接触的瞬间;P6,前挥,随挥过程中右小臂与地面平行的瞬间;P7,收杆,击球后球杆静止的瞬间;P1~P3,上杆阶段(站姿至顶点);P3~P4,下杆阶段(顶点至下杆);P4~P5,释放击球阶段(下杆至击球);P5~P6,前挥阶段(击球至前挥);P6~P7,收杆阶段(前挥至收杆)。

1.2.4 指标选取与概念界定

三维坐标设定(图1):以球员右脚踝中心点在足跟投影点作为原点O(0,0,0),球员正前后方向设定为y轴,垂直y轴向球员左右侧方向作垂线为x轴,垂直于xy轴平面方向为z轴。本研究中人体整体所在坐标系为绝对坐标系,部位和关节所在单独坐标系为相对坐标系;同时运用到球坐标系(r,θ,ϕ)的公式运算,径向距离(r)是坐标点到球心的距离,极角(θ)是z轴与r的夹角,方位角(ϕ)是赤道面(由x轴与y轴确定的平面)上起始于x轴,沿逆时针方向量出的角度。
上肢系统:本研究将人体肩关节、大臂、肘关节、小臂、腕关节、手部与一号木球杆组成的上肢结构整体定义为上肢系统。
下肢系统:本研究将人体髋关节、大腿、膝关节、小腿、踝关节、足部组成的下肢结构整体定义为下肢系统。
有效做功率:本研究将躯干旋转“有效做功角度/总做功角度×100”的值定义为有效做功率,从站姿P1至击球P5阶段旋转角度为有效做功角度,从站姿P1至P7阶段旋转角度为总做功角度。
全挥杆人体运动技术参数:球员在全挥杆过程中人体各部位和关节点(表2)呈现的运动技术数据。
表2 参数名称及定义

注:身高(h)=头颈长度(h0)+躯干长度(h1)+大腿长度(h2)+小腿长度(h3)+足跟高度(h4),足部宽度/站姿宽度(J)=左脚(J1)-右脚(J2),踝关节宽度(U)=左踝(U1)-右踝(U2)=足部宽度/站姿宽度(J),小腿侧倾角(Q)指小腿在xy平面与x轴的夹角,左侧小腿(Q1)、右侧小腿(Q2)向x轴“+”方向倾斜为正值、“-”方向倾斜为负值,膝盖宽度(G)=左膝(G1)-右膝(G2),髋部宽度(K)=左髋(K1)-右髋(K2),髋部中心点(K0)=K/2;肩部宽度(D)=左肩(D1)-右肩(D2),肩部中心点(D0)=D/2;大臂长(I),左侧大臂长度(I1)、左侧大臂长度(I2),肩部-大臂夹角(M),肩部-左大臂夹角(M1)、肩部-右大臂夹角(M2),肘关节(E):左肘关节(E1)、右肘关节(E2)。

2 研究结果与分析

2.1 静态站姿参数特征

站姿是全挥杆技术的基本功,优秀的站姿能够帮助球员精准地瞄向目标,随后完成高效合理的全挥杆。优秀的站姿要求躯干、上肢系统和下肢系统各技术参数处于合理的角度和位置。由研究结果可知(表3),世界优秀男子高尔夫球员一号木全挥杆在准备(P1)位置时为静态站姿状态,躯干为保持合理的挥杆平面和挥杆稳定性,脊柱合理向y轴“+”方向前倾34.07°±2.79°(B1);为保持肩部连线、髋部连线与x轴目标方向平行,脊柱合理向x轴“-”方向倾斜-4.00°±1.13°(B2)。上肢系统左臂(F1=176.07°±2.34°)、右臂(F2=164.67°±4.35°)自然下垂,与脊柱呈39.87°±3.89°(A)夹角,小臂与杆身呈151.40°±4.15°(V1)夹角,杆身与脊柱角呈95.00°±3.23°(V2)夹角,手腕中心点位于合理位置(T=96.53°±3.31°)。下肢系统左膝(x1=154.93°±4.37°、y1=3.27±3.77°)和右膝(x2=153.00°±5.03°、y2=-1.27°±4.15°)适度屈膝,保持弹性和稳定性,脊柱与大腿角形成129.00°±4.81°(L)夹角,左脚(z1=50.40°±4.63%)与右脚(z2=49.60°±4.63%)重心平均分布。
表3 准备位置(P1)技术参数

2.2 动态稳定性参数特征

动态稳定性指在全挥杆过程中人体在矢状面、额状面和水平面维持稳定的能力,是影响击球效果的重要因素。击球位置(P5)作为全挥杆过程中最关键的位置,其与准备位置(P1)的人体技术参数差异变化能够量化动态稳定性的水平。通过比较参数发现(表4),优秀球员P5与P1位置脊柱侧倾角(B2)呈现显著性差异(p<0.001),说明B2在P5位置出现了显著的角度变化。结合运动链进一步分析发现,脊柱-大腿角(L)、左膝屈曲角(x1)、右膝偏移角(y2)和重心分布(z1/z2)均呈现显著性差异(p<0.05),但是躯干在矢状面B1保持良好的动态稳定性,说明随着髋部-腹部-肩胸联合依次旋转和重心转换过程中髋部沿x轴“+” 方向产生了合理位移,形成“超越器械”的技术动作,为一号木全挥杆创造更长的做功距离和更加理想的发力条件。分析水平面稳定性参数发现,脊柱-大腿角(L)、左膝屈曲角(x1)、右膝偏移角(y2)均呈现显著性差异(p<0.05),结合视频分析发现,球员在P5位置头部高度显著低于P1位置,高度的变化会间接引起击球甜蜜点的波动,但同时能够为球员创造将重力势能转化为转动能的条件,增加旋转角速度和挥杆速度。分析挥杆平面稳定性参数发现,优秀球员P5与P1位置杆身-脊柱角(V2)无显著性差异(p=0.956),说明优秀球员的挥杆平面表现出较好的动态稳定性;但是,小臂-杆身角(V1)却呈现显著性差异(p<0.001),通过分析上肢系统的挥杆原理发现,双臂屈曲角(F1/F2)是影响V1的直接因素,正是由于P5位置右臂屈曲角(F2)的显著性变化(p<0.001),导致了V1的显著性变化。
表4 准备位置(P1)与击球位置(P5)动态稳定性参数

注:*为p<0.05,**为p<0.001。下同。

2.3 动态旋转力参数特征

高尔夫球全挥杆主要由人体躯干旋转提供转动能,肩部旋转角(C1)和髋部旋转角(C2)代表躯干旋转的做功角度(表5),在P3位置时C1/C2分别储存了114.87°±6.84°、39.40°±4.84°的做功角度;P1~P5是全挥杆过程中的有效做功阶段,代表着肩部和髋部有效做功角度分别为249.33°±16.32°、114.93°±17.89°,有效做功率分别为67.30%和63.33%。分析图3发现:P3~P5阶段髋部领先于肩部恢复0°,进一步验证了下杆阶段髋部-腹部-肩胸联合的正确的运动学顺序;由于肩部与髋部的转速差产生肩髋分离角(C3),蕴藏着转动能-弹性势能-转动能的转化,P3位置时髋部的瞬间启动使C3达到最大值75.47°±7.19°,弹性势能达到峰值,在P5~P6之间C3恢复0°,C3产生的弹性势能全部转化为转动能。全挥杆过程中上肢系统的动量传递也发挥着重要的作用,上肢系统的杠杆作用对杆头速度产生显著影响,通过比较参数发现(表4),优秀球员P5与P1位置右臂屈曲角(F2)和小臂-杆身角(V1)呈现显著性差异(p<0.001),说明在P3~P5阶段右臂保持了良好的延迟释放,保持能量的高效传递的同时,V1在P5位置显著增加,共同保证杆头在P5位置获得最大杆头速度。
表5 肩部与髋部做功角度
图3 肩部旋转角、髋部旋转角、肩髋分离角散点图

3 全挥杆人体运动学原理与三维数据模型构建

3.1 下肢系统

3.1.1 下肢系统运动学原理

下肢系统是与躯干髋部相连,在全挥杆过程中为躯干旋转提供扭转与纵向支撑力、高度调节、平衡稳定和重心转换作用的下肢结构整体。通过分析下肢系统技术参数变化(表6)发现,在水平面运动方向,下肢系统左右侧腿部的内外旋配合,为全挥杆躯干旋转提供扭转支撑力;左侧腿呈现上杆阶段外旋,下杆至收杆阶段内旋的运动模式;右侧腿呈现上杆至顶点阶段内旋,下杆至收杆阶段外旋的运动模式。在矢状面运动方向,下肢系统的屈伸为躯干旋转提供纵向支撑力并发挥高度调节作用,左侧膝关节呈现出屈曲(上杆至顶点阶段)-伸展(下杆至收杆阶段)的运动模式,右侧膝关节呈现伸展(上杆阶段)-屈曲(顶点至下杆阶段)-伸展(下杆至收杆阶段)的运动模式。在额状面运动方向,下肢系统的内收与外展在球员全挥杆中发挥重心转换和平衡稳定作用;左侧腿呈现上杆至顶点阶段外展,下杆至收杆阶段内收的运动模式;右侧腿呈现上杆至顶点阶段内收,下杆至收杆阶段外展的运动模式;上杆阶段重心向右侧转移,下杆至收杆阶段重心逐渐转移至左侧。
表6 下肢系统技术参数
全挥杆过程中下肢系统的运动学原理主要包括:在水平面运动方向,下肢系统左右侧腿部内外旋配合,为全挥杆躯干旋转提供扭转支撑力[18-19];在矢状面运动方向,下肢系统的屈伸为躯干旋转提供纵向支撑力并发挥高度调节作用;在额状面运动方向,下肢系统的内收与外展在球员全挥杆中发挥重心转换和平衡稳定作用[20]

3.1.2 下肢系统三维数据模型构建

三维数据模型是高尔夫球全挥杆技术动作数据化的体现,模型运用三维数据和公式形式展现全挥杆躯干、上肢系统和下肢系统的动作轨迹[21],以数据化、科学化、精确化的数据模型构建世界优秀男子高尔夫球员一号木全挥杆人体运动模式和技术动作范例。下肢系统中足部在全挥杆过程中基本为固定状态,因此,下肢系统中仅涉及膝关节三维数据模型的构建。
1)定位足部、踝关节静态位置坐标
本研究将球员右脚踝中心点在足跟投影点为原点O(0,0,0),因此足部静态位置坐标分别为J1J,0,0)、J2(0,0,0);足跟高度为h4,因此踝关节静态位置坐标分别为U1J,0,h4)、U2(0,0,h4)。
2)踝关节建立球坐标系(相对坐标系),计算膝关节坐标
以踝关节中心点作为球坐标系原点,双侧膝关节极角分别为θG1)=L-x1θG2)=L-x2,双侧膝关节方位角分别为ϕG1)=|Q1|、ϕG2)=|Q2|,径向距离(r)=h3,膝关节球坐标为G1h3L-x1,|Q1|)、G2h3L-x2,|Q2|)。
运用球坐标系转换为相对三维直角坐标系公式x=rsin θ cos ϕy=rsin θ sinϕz=rcos θ,膝关节相对坐标系为G1[h3sin(L-x1)cos|Q1|,h3sin(L-x1)sin|Q1|,h3cos(L-x1)]、G2[h3sin(L-x2)cos|Q2|,h3sin(L-x2)sin|Q2|,h3cos(L-x2)]。
转换为绝对坐标系:
G1=U1±G1=[J±h3sin(L-x1)cos|Q1|,h3sin(L-x1)sin|Q1|,h3cos(L-x1)+h4]。
G2=U2±G2=[0±h3sin(L-x2)cos|Q2|,h3sin(L-x2)sin|Q2|,h3cos(L-x2)+h4]。
(注:Q为正值时执行“+”、负值时执行“-”。)

3.2 躯干

3.2.1 躯干运动学原理

根据躯干技术参数(表7)、高尔夫球全挥杆生物力学原理和解剖学知识可知,躯干在全挥杆中的运动模式主要为旋转运动,上杆阶段正确的运动学顺序为肩胸联合-腹部-髋部自上向下依次旋转,肩-胸联合围绕胸椎(5~8节)顺时针旋转,受关节活动度和肌肉组织弹性势能作用带动腹部与髋部旋转[22]。到达顶点(P3)位置,肩髋分离角(C3)达到最大,由旋转产生的弹性势能即将达到峰值。下杆阶段正确的运动学顺序为髋部-腹部-肩胸联合由内向外(靠近脊柱为内)依次做逆时针旋转[23],髋部的瞬间启动使肩髋分离角达到最大值,旋转弹性势能达到峰值,参与躯干旋转的肌肉在拉长-收缩周期(SSC,Stretch-Shortening Cycle)内激活牵张反射(SR, Stretch Reflex)[24],弹性势能向转动能转变依次带动腹部、肩胸联合旋转。释放击球阶段躯干旋转弹性势能逐渐全部转化为转动能,肩部旋转角和髋部旋转角由顺时针角度转向逆时针角度。前挥阶段至收杆躯干处于动能回收和制动阶段,由P1~P3形成的弹性势能完全释放。躯干除了旋转运动外同时做屈曲、伸展运动,脊柱前倾角(B1)和脊柱侧倾角(B2)变化幅度代表球员额状面、矢状面和水平面全挥杆稳定性水平,对击球弹道、距离、方向和倒旋量等击球表现产生直接影响。世界优秀男子球员脊柱随着髋部-腹部-肩胸联合依次旋转和重心转换过程中髋部沿x轴“+”方向的合理位移,形成了“超越器械”的技术动作,有效增加了额状面方向的做功距离。
表7 躯干技术参数 单位:(°)
综上,躯干的全挥杆运动学原理为肩胸联合以近乎垂直的角度围绕脊柱旋转,依次带动腹部、髋部做顺时针旋转合理角度上杆至顶点后,髋部依次带动腹部、肩胸联合做逆时针旋转的同时沿x轴“+”方向合理位移完成下杆、击球至收杆。

3.2.2 躯干三维数据模型构建

躯干中涉及髋部髋关节和肩胸联合肩部三维数据模型的构建。
1)髋部髋关节三维数据模型构建
以膝关节中心点作为球坐标系原点,双侧髋关节极角θK1K2)=180°-B1-L,双侧髋关节方位角分别为ϕK1)=|Y1|、ϕ(K2)=|Y2|,径向距离(r)=h2,髋关节球坐标为K1h2,180°-B1-L,|Y1|)、K2h2,180°-B1-L,|Y2|)。
转换为相对三维直角坐标系后为K1[h2sin(180°-B1-L)cos|y1|、h2sin(180°-B1-L)sin|y1|、h2cos(180°-B1-L)]、K2[h2sin(180°-B1-L)cos|y2|、h2sin(180°-B1-L)sin|y2|、h2cos(180°-B1-L)]。
转换为绝对坐标系:
K1= G1±K1=[xG1)±h2sin(180°-B1-L)cos|y1|,yG1)±h2sin(180°-B1-L)sin|y1|,zG1)+h2cos(180°-B1-L)](注:仅相对坐标系K1y1为正值时执行“-”,负值时执行“+”;xG1)为G1x轴坐标值,yz同理)。
K2= G2±K2=[xG2)±h2sin(180°-B1-L)cos|y2|,yG2)-±h2sin(180°-B1-L)sin|y2|,zG2)+h2cos(180°-B1-L)] (注:仅相对坐标系K2值y2为正值时x轴执行“+”、y轴执行“-”,负值时x轴执行“-”、y轴执行“+”)。
2)肩胸联合肩部三维数据模型的构建
i. 定位髋部中心点静态位置坐标。以右侧髋关节中心点为原点构建球坐标系,髋部中心点极角θK0)=90°+B2,方位角为ϕK0)=|C2|,径向距离(r)=K/2,髋部中心点球坐标为K0K/2,90°+B2,|C2|)。
转换为相对三维直角坐标后为K0[K/2sin(90°+B2)cos|C2|,K/2sin(90°+B2)sin|C2|,K/2cos(90°+B2)]。
转换为绝对坐标系:
K0= K2±K0=[xK2)±K/2sin(90°+B2)cos|C2|,yK2)±K/2sin(90°+B2)sin|C2|,zK2)±K/2cos(90°+B2)](注:仅相对坐标系K0值在P1~P3阶段时,x轴、z轴执行“-”,y轴执行“+”;P3~P5C2为0阶段时,x轴、z轴执行“+”,y轴执行“-”;C2为0-负90°时, x轴、y轴执行“-”,z轴执行“+”;C2小于负90°时,x轴、z轴执行“-”,y轴执行“+”)。
ii.定位肩部中心点静态位置坐标。以髋部中心点为原点构建球坐标系,肩部中心点极角θD0)=B1,方位角为ϕD0)=|B2|,径向距离(r)=D/2,肩部中心点球坐标为D0D/2,B1,|B2|)。
转换为相对三维直角坐标后为D0[D/2sinB1cos|B2|,D/2sinB1sin|B2|,D/2cosB1]。
转换为绝对坐标系:
D0= K0±D0=[xK0)±D/2sinB1cos|B2|,y(K0)+ D/2sinB1sin|B2|,zK0)+ D/2cosB1](注:仅相对坐标系D0B2为正值时x轴执行“+”,负值时x轴执行“-”)。
iii.肩部中心点建立球坐标系,计算肩部肩关节坐标。双侧肩关节中心点极角分别为θD1)=90°+B2θD2)=90°-B2,方位角为ϕD1D2)=|C1|,径向距离(r)=D/2,双侧肩关节球坐标分别为D1D/2,90°+B2,|C1|)、D2D/2,90°-B2,|C1|)。
转换为相对三维直角坐标后为D1[D/2sin(90°+B2)cos|C1|,D/2sin(90°+B2)sin|C1|,D/2cos(90°+B2)]、D2[D/2sin(90°-B2)cos|C1|,D/2sin(90°-B2)sin|C1|,D/2cos(90°-B2)]。
转换为绝对坐标系:
D1= D0±D1=[xD0)±D/2sin(90°+B2)cos|C1|,yD0)±D/2sin(90°+B2)sin|C1|,zD0)±D/2cos(90°+B2)](注:仅相对坐标系D1值在P1~P3阶段0°≤C1≤90°和-180°<C1<-90°时,y轴执行“+”,x轴、z轴执行“-”,90°<C1<180°和-90°≤C1<0°时,z轴执行“+”,x轴、y轴执行“-”;在P3-P5阶段90°<C1<180°时,x轴、y轴执行“+”,z轴执行“-”,0°≤C1≤90°时,x轴、z轴执行“+”,y轴执行“-”)。
D2= D0±D2=[xD0)±D/2sin(90°-B2)cos|C1|,yD0)±D/2sin(90°-B2)sin|C1|,Z(D0)±D/2cos(90°-B2)](注:仅相对坐标系D2值在P1~P3阶段0°≤C1≤90°和-90°>C1>-180°时, x轴、Z轴执行“+”、y轴执行“-”,90°<C1<180°和0°>C1>-90°时, x轴、y轴执行“+”,z轴执行“-”;在P3~P5阶段90°<C1<180°时,z轴执行“+”,x轴、y轴执行“-”,0°≤C1≤90°时,y轴执行“+”,x轴、z轴执行“-”)。

3.3 上肢系统

3.3.1 上肢系统运动学原理

上肢系统是与躯干相连,全挥杆过程中将动能传递至高尔夫球的重要上肢结构整体,也称“杠杆系统”。自站姿(P1)至顶点(P3)阶段(表8),上肢系统同步跟随躯干旋转,通过左侧大臂内收、左侧小臂内旋、右侧大臂外展外旋、右侧肘关节屈曲、右侧小臂外旋完成上挥杆动作,挥杆半径逐渐缩短,高度提升产生的重力势能达到峰值,上肢系统充分蓄力,为快速下挥杆创造结构优势。自下杆(P4)至击球(P5)阶段,旋转动能依次传递至上肢系统,上肢系统被动牵引旋转,通过左侧大臂外展、左侧小臂外旋、右侧大臂内收内旋、右侧肘关节伸展、右侧小臂内旋完成下挥杆击球动作,旋转动能和重力势能借助上肢系统充分释放,产生极高挥杆速度形成“鞭打”现象。自前挥(P6)至收杆(P7)阶段,上肢系统通过左侧大臂外展外旋、左侧小臂外旋、左右侧肘关节屈曲、右侧大臂内收、右侧小臂内旋完成旋转动能回收[26]。全挥杆过程动能传递的过程充分体现上肢系统(杠杆系统)的运动学原理。
表8 上肢系统技术参数 单位:°
此外,分析数据发现杆身-脊柱角(V2)和T线角(T)在P2位置较P1和P3位置出现明显变化,此现象并非代表球员挥杆平面稳定性差或上杆一致性不足,而是挥杆原理(杠杆系统影响挥杆平面)的科学数据体现[25]。由于上杆初期右臂屈曲度较小(图4左),杆身沿原平面(S1)运动,接近P2向P3运动时(图4中),右臂屈曲率增高使杆身由S1平面向S3平面过渡,出现12°左右的平面角度差,正是P1与P2、P2与P3之间V2的差值;此过渡现象在P4和P6位置亦如此。
图4 杆身-脊柱角变化

3.3.2 上肢系统三维数据模型构建

因腕关节手部角度变化精细且难以识别[27],上肢系统中仅涉及肘关节三维数据模型的构建。
肘关节三维数据模型构建,以双侧肩关节中心点作为球坐标系原点,肘关节极角θE1)=A-B1θE2)=A-B1,方位角为ϕE1)=|M1|、ϕE2)=|M2|,径向距离rE1)= I1rE2)= I2,肘关节球坐标为E1I1A-B1,|M1|)、E2I2A-B1,|M2|)。
转换为相对三维直角坐标系后为E1[I1sin(A-B1)cos|M1|,I1sin(A-B1)sin|M1|,I1cos(A-B1)]、E2[I2sin(A-B1)cos|M2|,I2sin(A-B1)sin|M2|,I2cos(A-B1)]。
转换为绝对坐标系:
E1= D1±E1=[xD1)±I1sin(A-B1)cos|M1|,yD1)±I1sin(A-B1)sin|M1|,zD1)-I1cos(A-B1)]。
E2=D2±E2=[xD2)±I2sin(A-B1)cos|M2|,yD2)±I2sin(A-B1)sin|M2|,zD2)-I2cos(A-B1)](注:仅相对坐标系E1E2值在P1~P3阶段0°≤C1≤90°和-180°<C1<-90°时,z轴执行“+”,x轴、y轴执行“-”,90°<C1<180°和-90°≤C1<0°时,x轴、z轴执行“+”,y轴执行“-”;在P3~P5阶段90°<C1<180°时y轴执行“+”,x轴、z轴执行“-”,0°≤C1≤90°时,x轴、y轴执行“+”,z轴执行“-”)。

4 结论

1)静态站姿特征方面,优秀球员脊柱合理向y轴“+”方向前倾34.07°±2.79°、向x轴“-”方向倾斜-4.00°±1.13°,肩部连线、髋部连线与x轴目标方向平行;上肢系统左臂(F1:176.07°±2.34°)与右臂(F2:164.67°±4.35°)自然下垂,与脊柱呈39.87°±3.89°夹角;下肢系统左膝(x1:154.93°±4.37°、y1:3.27°±3.77°)和右膝(x2:153.00°±5.03°、y2:-1.27°±4.15°)适度屈膝,脊柱与大腿角呈129.00°±4.81°夹角,左右脚重心平均分布。
2)动态稳定性特征方面,优秀球员躯干在矢状面具有良好的动态稳定性,髋部沿x轴“+”方向产生合理位移,为一号木全挥杆创造更长的做功距离和更加理想的发力条件。水平面头部高度在击球位置显著低于准备位置,间接引起击球甜蜜点的波动,但同时能够创造重力势能转化为转动能的条件,增加旋转角速度和挥杆速度。球员的挥杆平面表现出较好的动态稳定性。
3)动态旋转力特征方面,优秀球员具备正确的全挥杆运动学顺序和延迟释放技术,表现出优秀的躯干旋转有效做功率。
4)在分析全挥杆人体运动学原理的基础上,构建了包括下肢系统(膝关节G1G2)、躯干(髋关节K1K2,肩关节D1D2)和上肢系统(肘关节E1E2)的世界优秀男子高尔夫球员全挥杆人体三维数据模型,为高尔夫球全挥杆动作AI识别和优化研究提供参考。
[1]
朱瑶佳, 霍洪峰. 高尔夫不同球杆类型挥杆动作的肌电特征研究[J]. 天津体育学院学报, 2022, 37(2):233-237.

[2]
Marsan T, Thoreux P, Bourgain M, et al.. Biomechanical analysis of the golf swing: methodological effect of angular velocity component on the identification of the kinematic sequence[J]. Acta of Bioengineering and Biomechanics, 2019, 21(2):115-120.

DOI PMID

[3]
吴淑元, 王泽文, 王翔宇, 等. 高尔夫全挥杆技术运动生物力学研究进展[J]. 科学技术与工程, 2025, 25(12):4840-4848.

[4]
李令岭, 赵鹏, 李洪彪. 下背痛高尔夫球手挥杆时核心肌群及生物力学变化研究进展[J]. 中国运动医学杂志, 2018, 37(2):177-180.

[5]
毕志远, 王泽峰, 何文捷, 等. 国家女子高尔夫球队选手全挥杆技术生物力学分析[J]. 中国体育科技, 2021, 57(11):20-29.

[6]
Khalaji M, Dehkordi PS, Mousavian F, et al.. Comparative analysis of mental and physical fatigue on motor coordination, visual search patterns, perceived effort, and performance outcomes in closed-loop aiming task[J]. PLoS One, 2025, 20(7): e0324063.

DOI

[7]
朱黎明, 钟璧蔚, 李晓峰, 等. 优秀高尔夫球手全挥杆技术运动学特征研究[J]. 广州体育学院学报, 2018, 38(1):90-93.

[8]
Kim S, Burket K, Richards A, et al. Validation of Inertial Measurement Units for Analyzing Golf Swing Rotational Biomechanics[J]. Sensors 2023, 23:8433.

DOI

[9]
Villarrasa S, Ortega B, Monfort-Torres G, et al.. Test retest reliability of task performance for golf swings of medium- to high-handicap players[J]. Sensors, 2022, 22:9069.

DOI

[10]
Hollaus B, Heyer Y, Steiner J, et al. Location Matters—Can a SmartGolf Club Detect Where the Club Face Hits the Ball?[J]. Sensors, 2023, 23:9783.

DOI

[11]
赵紫龙, 王泽峰, 展更豪, 等. 我国与世界优秀女子高尔夫运动员一号木技术三维运动学对比分析[J]. 中国体育科技, 2023, 59(4):19-26.

[12]
毕志远, 王泽峰, 展更豪, 等. 国内外优秀男子职业高尔夫球员一号木挥杆技术三维对比分析[J]. 中国体育科技, 2022, 58(10):21-27.

[13]
Kim W, Vette A, Ottes W, Wahl C. An Exploratory Study of a Choreographic Approach to Golf Swing Dynamics: Bridging Biomechanics and Laban Movement Analysis[J]. Sensors, 2024, 24:6845.

DOI

[14]
吴宇, 石慧英, 汪骞, 等. AI图像识别监测小学生在校户外活动时间方法分析[J]. 中国学校卫生, 2023, 44(8):1178-1181.

[15]
刘晓然, 刘玉, 李健, 等. 公共体育场所健身危险事件AI识别和报警系统平台构建[J]. 首都体育学院学报, 2023, 35(3):267-275.

[16]
张帅, 洪翱, 胡恒瑞, 等. 基于AI动作捕捉技术的视神经脊髓炎康复训练系统交互性研究[J/OL]. 图学学报,1-9.

[17]
陈艳杰, 舒大伟, 杨吉江, 等. 儿童运动协调障碍AI诊断系统研究综述[J]. 计算机工程与应用, 2021, 57(2):28-36.

DOI

[18]
Kim T, So W. Comparison of knee characteristics between professional and amateur golfers during the downswing[J]. Technology and Health Care, 2017, 25:299-310.

DOI

[19]
Kim M, Park S. Enhancing accuracy and convenience of golf swing tracking with a wrist?worn single inertial sensor[J]. Scientific Reports, 2024, 14:9201.

DOI

[20]
Lynn S, Wang J, Schmitt A, et al.. Lower body joint moments during the Golf swing in older adults: Comparison to other activities of daily living[J]. Journal of Sports Science and Medicine, 2023, 22:382-388.

DOI PMID

[21]
Sugimura D, Tsutsui H, Hamamoto T. Detecting flaws in golf swing using common movements of professional players[J]. Machine Vision and Applications, 2016, 27:13-22.

DOI

[22]
Chen Z, Pandy M, Huang T, et al.. Does overhead squat performance affect the swing kinematics and lumbar spine loads during the Golf downswing?[J]. Sensors, 2024, 24:1252.

DOI

[23]
Gulgin H, Armstrong C, Gribble P. Hip rotational velocities during the full golf swing[J]. Journal of Sports Science and Medicine, 2009(8):296-299.

[24]
周宏宇. 快速伸缩复合训练对高尔夫球专项学生挥杆速度影响的研究[D]. 天津: 天津体育学院, 2020.

[25]
Nesbit S, Mcginnis R. Kinematic analyses of the golf swing hub path and its role in golfer/club kinetic transfers[J]. Journal of Sports Science and Medicine, 2009(8): 235-246.

[26]
Kim S E. Reducing knee joint load during a Golf swing: The effects of ball position modification at address[J]. Journal of Sports Science and Medicine, 2022,(21):394-401.

[27]
Choi H, Park S. Three dimensional upper limb joint kinetics of a Golf swing with measured internal grip force[J]. Sensors, 2020,(20):3672.

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