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研究生: 陳信華
Chen, Shin-Hua
論文名稱: 台灣側肩投手與上肩投手之生物力學分析
Biomechanical Analysis between Sidearm and Overhand Pitchers in Taiwan
指導教授: 王榮泰
Wang, Rong-Tyai
共同指導教授: 周有禮
Chou, You-Li
周伯禧
Chou, Pei-Hsi
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 工程科學系
Department of Engineering Science
論文出版年: 2014
畢業學年度: 102
語文別: 中文
論文頁數: 199
中文關鍵詞: 棒球側肩投手上肩投手直球滑球肌力肘關節內側力肘關節內翻力矩運動學動力學
外文關鍵詞: baseball, sidearm pitcher, overhand pitcher, fastball, slider, muscle strength, elbow medial force, elbow varus torque, kinematics, kinetics
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  • 前言:
      投手在投球方式的選擇上的考量因素有很多,要成為一名優秀的投手,除了先天上的才能和苦練之外,找到屬於適合的自己投球方式將會是成為一名偉大投手的重大分水嶺,適合投手本身的投球姿勢,也將減少投手在投球時受傷的風險。

    目的:
      探討國內上肩投手及側肩投手在投擲直球及滑球過程中運動學及動力學參數差異,探討國內側肩投手在投擲直球及滑球過程中運動學及動力學參數差異。
      探討國內上肩投手及側肩投手在投球前後的肌力衰退變化。

    研究方法:
      本研究以十位16至22歲的側肩投手及十一位16至22歲上肩投手做為受測者。利用Biodex等速肌力測試訓練系統量測受測者投球前、投球後肌力,來觀察其投球後的肌力變化。使用三維動作分析系統擷取側肩投法(Sidearm)及上肩投法(Overhead)動作的過程,投球內容為直球、滑球兩種球路。統計方法用重複測量變異數分析及配對t檢定分析。設定p<0.05即達顯著差異。

    結果:
      側肩投手與上肩投手投擲直球的分析結果,81項運動學參數中,有41項有達到統計上顯著差異,33項動力學參數中,有20項有達到統計上顯著差異,標準化後則有21項達統計上顯著差異;側肩投手與上肩投手投擲滑球的分析結果,81項運動學參數中,有52項有達到統計上顯著差異,33項動力學參數中,有15項有達到統計上顯著差異,標準化後則有18項達統計上顯著差異;側肩投手投擲直球與滑球的分析結果,81項運動學參數中,有20項有達到統計上顯著差異,33項動力學參數中,有15項有達到統計上顯著差異,標準化後則有7項達統計上顯著差異。
      肌力結果,由於本研究投手的投球數量只有30球,投手在投球過後在疲勞量表的統計結果上均顯示輕鬆,因此在慣用手肌力的衰退率上,側肩投手與上肩投手皆無太明顯的衰退現象。

    結論:
      投擲直球或滑球時,側肩投手的手臂加速時期所經歷的時間皆高於上肩投手,而在手臂加速時期,側肩投手的肩關節及肘關節所承受到的力及力矩多大於上肩投手。另外,側肩投手不論是在投擲直球還是滑球,肩關節及肘關節的11項動力學參數,其最大值有5項皆發生在手臂加速時期。因此,側肩投手在關節受力大於上肩投手且暴露在較長時間的情況底下,側肩投手發生運動傷害的風險將大於上肩投手。
      側肩投手在投擲直球及滑球時,球離手的時間點只有3項運動學參數達統計上顯著差異,可看出側肩投手投擲直球及滑球時並沒有太大的差異性,打者很難從側肩投手的投球動作判斷出是投擲直球還是滑球,只能藉由球的軌跡判斷球種,能夠更有效率的壓制打者。然而在這樣的投球優勢背後,側肩投手在投擲滑球時,在肘關節內側力、肘關節內翻力矩的負擔卻是明顯大於直球的,與過去本實驗室中針對上肩投手的研究其結果是相反的,因此側肩投手在投擲直球時,其數量得嚴加控管,以避免在反覆投球後造成運動傷害的發生。

    To be a great baseball pitcher, In addition to the innate and again and over again practice, a proper pitching motion maybe increase the pitching skill and avoid sport injury risk. In the thesis, we study the kinematic and kinetic differences among the fastball and slider in sidearm and overhand pitcher.
    In the thesis, biomechanical analysis between sidearm and overhand pitchers. Our subject is ten sidearm pitchers and eleven overhand pitchers who come from senior and collegiate baseball pitcher.The twenty-one baseball players pitched off a outdoor mound during three dimensional motion analysis (Raptor-E Cameras, Motion Analysis Corp., Santa Rosa, C.A., U.S.A) to measure whole body kinematics and kinetics at 300 Hz. These pitcher pitched fifteen fastball and fifteen slider and every pitch scored by catcher.We choose five pitches which highest score to analyze.
    When throwing the fastball and slider, sidearm pitcher's arm acceleration phase during time is longer than overhand pitcher.In arm acceleration phase, sidearm pitcher's joint force and moment is bigger than overhand pitcher.
    The result of fastball and slider analysis in sidearm pitcher.In this study, only 3 kinematic parameters P<0.05 at ball release. 33 kinetic parameters, there are 15 parameters reached statistical significance, all the parameters is slider bigger than fastball. Thus, fastball and slider is small differences in pitching motion in sidearm pitcher, but force and moment slider is bigger than fastball.
    In sidearm pitcher, by the kinematic parameters, we find fastball and slider have high similarity in pitching motion, only 3 parameters P<0.05 at ball release. But in the joint loading slider is greater than fastball, and the result is opposite of the overhand pitcher, so sidearm pitcher need to limit the pitches of slider to avoid the sports injuries after pitching.

    內文目錄 第一章 緒論 1 1.1 前言 1 1.2文獻回顧 6 1.2.1過肩投球之動作分期 7 1.2.2直球的生物力學相關研究 9 1.2.3滑球的生物力學相關研究 17 1.2.4投球後的肌力影響 24 1.3研究動機 26 1.4研究目的 27 第二章 理論與分析方法 28 2.1 運動學與動力學之理論方法 28 2.2實驗假設 31 2.3定義反光球位置 32 2.3.1靜態與動態資料描述 35 2.3.2關節中心 36 2.3.3座標系的訂定 39 2.4生物力學模式在空間中運動的描述與分析 46 2.4.1旋轉矩陣與關節夾角 48 2.4.2角速度與角加速度之計算 51 2.4.3肢段作用力之計算 53 2.4.4肢段作用力矩之計算 54 2.5運動學與動力學的流程 56 2.5.1運動學計算流程 56 2.5.2動力學計算流程 58 2.6運動學與動力學的方向定義 59 2.6.1運動學方向定義 59 2.6.2動力學方向定義 61 第三章 研究方法 63 3.1 實驗設備 63 3.1.1硬體設備 63 3.1.2軟體設備 65 3.2.1受測者資料 66 3.3實驗設備架設 67 3.4 實驗流程 68 3.4.1 實驗問卷調查 70 3.4.2 實驗空間校正 70 3.4.3 暖身練習 72 3.4.4 Biodex肌力量測 72 3.4.5 手持式肌力量測 74 3.4.6 投球動作分析 77 3.5 資料處理 79 3.6 統計方法 80 3.7 標準化方法 80 第四章 研究結果 81 4.1球速、投球數量、自覺量表統計 81 4.2投球運動學 82 4.2.1上肩投手與側肩投手投擲直球比較結果 82 4.2.2上肩投手與側肩投手投擲滑球比較結果 87 4.2.3側肩投手投擲直球與滑球比較結果 93 4.3軀幹、骨盆轉向前方時間、最大肩關節外旋角度及出現時間 112 4.3.1上肩投手與側肩投手投擲直球比較結果 112 4.3.2上肩投手與側肩投手投擲滑球比較結果 112 4.3.3側肩投手投擲直球與滑球比較結果 113 4.4投球動力學 116 4.4.1上肩投手及側肩投手投擲直球比較結果 116 4.4.2上肩投手及側肩投手投擲滑球比較結果 118 4.4.3側肩投手投擲直球與滑球比較結果 122 4.4.4 上肩投手與側肩投手投擲直球最大動力學參數出現時期 124 4.4.5 上肩投手與側肩投手投擲滑球最大動力學參數出現時期 125 4.5肌力 137 4.5.1上肩投手肌力衰退率量測結果 137 4.5.2側肩投手肌力衰退率量測結果 137 4.5.3上肩投手與側肩投手肌力衰退率比較結果 137 第五章 討論 145 5.1球速、投球數量、自覺量表統計 145 5.2投球運動學 146 5.2.1上肩投手與側肩投手投擲直球之運動學探討 146 5.2.2上肩投手與側肩投手投擲滑球之運動學探討 148 5.2.3側肩投手投擲直球與滑球之運動學探討 149 5.3軀幹轉向前方時間、最大肩關節外旋角度及出現時間探討 149 5.3.1上肩投手與側肩投手投擲直球之探討 150 5.3.2上肩投手與側肩投手投擲滑球之探討 150 5.3.3側肩投手投擲直球與滑球之探討 150 5.4投球動力學 151 5.4.1上肩投手與側肩投手投擲直球之動力學探討 151 5.4.2上肩投手與側肩投手投擲滑球之動力學探討 153 5.4.3側肩投手投擲直球與滑球之動力學探討 155 5.4.4上肩投手與側肩投手投擲直球及滑球最大動力學參數出現時期探討 157 5.5肌力 158 5.5.1投球後肌力衰退之探討 158 第六章 結論與未來展望 159 6.1結論 159 6.2未來展望 161 參考文獻 162 【附錄A】基本資料問卷 165 【附錄B】受測者同意書 167 【附錄C】自覺量表(Brog’s RPE) 171 【附錄D】運動學參數曲線圖 172 【附錄E】動力學參數曲線圖 183 表目錄 表1-1文獻探討上肩投手投擲直球中前導腳著地時之運動學 10 表1-2文獻探討上肩投手投擲直球中手臂後拉時期之運動學 11 表1-3文獻探討上肩投手投擲直球中手臂加速時期之運動學 12 表1-4文獻探討上肩投手投擲直球中球離手之運動學 13 表1-5文獻探討上肩投手投擲直球中手臂後拉時期之動力學 14 表1-6文獻探討側肩投手投擲直球中手臂後拉時期之動力學 15 表1-7文獻探討上肩投手投擲直球中手臂加速時期之動力學 15 表1-8文獻探討上肩投手投擲直球中手臂減速時期之動力學 16 表1-9文獻探討上肩投手投擲滑球中前導腳著地時之運動學 18 表1-10文獻探討上肩投手投擲滑球中手臂後拉時期之運動學 19 表1-11文獻探討上肩投手投擲滑球中手臂加速時期之運學 20 表1-12文獻探討上肩投手投擲滑球中球離手之運動學 21 表1-13文獻探討上肩投手投擲滑球中手臂後拉時期之動力學 22 表1-14文獻探討上肩投手投擲滑球中手臂加速時期之動力學 23 表1-15文獻探討上肩投手投擲滑球中手臂減速時期之動力學 24 表3-1上肩投手受測者基本資料 66 表3-2側肩投手受測者基本資料 67 表4-1上肩投手與側肩投手投擲直球的運動學參數比較 95 表4-2上肩投手與側肩投手投擲滑球的運動學參數比較 100 表4-3側肩投手投擲直球與滑球的運動學參數比較 105 表4-4上肩投手與側肩投手投擲直球的最大肩關節外旋角度及軀幹轉向前方時間的比較 112 表4-5上肩投手與側肩投手投擲滑球的最大肩關節外旋角度及軀幹轉向前方時間的比較 112 表4-6側肩投手投擲直球與滑球的最大肩關節外旋角度及軀幹轉向前方時間的比較 113 表4-7上肩投手與側肩投手投擲直球的動力學參數比較 124 表4-8上肩投手與側肩投手投擲滑球的動力學參數比較 127 表4-9側肩投手投擲直球與滑球的動力學參數比較 130 表4-10上肩投手投球前後慣用手與非慣用手衰退率比較 136 表4-11側肩投手投球前後慣用手與非慣用手衰退率比較 137 表4-12上肩投手與側肩投手投球前後慣用手衰退率比較 138 圖目錄 圖1-1側肩投手正視圖 2 圖1-2上肩投手正視圖 2 圖1-3投球之動作分期 7 圖1-4直球握法 9 圖1-5滑球握法 17 圖2-1上肢關節瞬間所受的合力與合力矩之自由體圖 29 圖2-2反光球標記位置 35 圖2-3靜態中立姿勢 36 圖2-4軀幹(Trunk)座標系 40 圖2-5上臂(Upperarm)座標系 41 圖2-6前臂(Forearm)座標系 41 圖2-7手腕(Hand)座標系 42 圖2-8大腿(Thigh)座標系 43 圖2-9小腿(Shank)座標系 44 圖2-10骨盆(Pelvis)座標系 45 圖2-11上肢各個肢段座標系圖 46 圖2-12下肢各個肢段座標系圖 47 圖2-13腕關節、肘關節、肩關節及膝關節尤拉角的旋轉順序 49 圖2-14運動學計算流程 57 圖2-15動力學流程 58 圖2-16肘關節屈曲 59 圖2-17肩關節外旋/內旋 59 圖2-18肩關節外展 60 圖2-19肩關節水平外展 60 圖2-20膝關節屈曲 60 圖2-21軀幹前傾 60 圖2-22軀幹外傾 61 圖2-23軀幹(ωUT)、骨盆(ωP)旋轉角速度 61 圖2-24肩關節受力定義 62 圖2-25肩關節受力矩定義 62 圖2-26肘關節受力定義 62 圖2-27肘關節受力矩定義 62 圖3-1三維動作分析系統 63 圖3-2手持式肌力器 64 圖3-3 Biodex(System 4 Pro) 64 圖3-4測速槍 64 圖3-5實驗設備及場地佈置圖 68 圖3-6實驗流程圖 69 圖3-7肩關節內旋/肩關節外旋 72 圖3-8肩關節外展/肩關節內收 72 圖3-9肩關節屈曲/肩關節伸展 72 圖3-10肘關節屈曲/肘關節伸展 72 圖3-11前臂旋前/前臂旋後 73 圖3-12國訓中心牛棚圖 76 圖4-1上肩投手投球前後慣用手與非慣用手衰退率比較圖 139 圖4-2側肩投手投球前後慣用手與非慣用手衰退率比較圖 140 圖4-3側肩投手投球前後慣用手衰退率比較圖 141

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