Анализ двигательного отклика на появление шайбы у хоккеистов в условиях виртуальной реальности

G.S. Bugriy1, ,

A.P. Kruchinina1, ,

P.Yu. Sukhochev1, ,

I.S. Polikanova1,2, ,

S.V. Leonov1, , 1Lomonosov Moscow State University, Moscow, Russia

Введение. Техника хоккея – это совокупность способов выполнения специальных приемов, необходимых для ведения игры. Хоккеист не может достичь высоких спортивных результатов, если не владеет всем многообразием технических приемов игры в совершенстве. Техника хоккеиста высокого класса должна быть разносторонней, целесообразной, рациональной, эффективной, надежной и вариативной.

Не менее значимые требования в спортивной деятельности хоккеистов предъявляются к когнитивным ресурсам. Это обусловлено тем, что в хоккее игрокам все время необходимо удерживать целый комплекс факторов – положение шайбы, положение игроков, стратегии игры, счет, предвидение действий как членов по команде, так и сопер- ников. Такие виды спорта отличаются крайне высокой степенью неопределенности, большим количеством сложных комбинаторных ситуаций с высокой степенью неопределенности событий [2, 4, 9, 10, 15].

Высокая степень подготовки и владения техникой катания на коньках позволяет хоккеисту выполнить эту нагрузку с наименьшими энергозатратами и вместе с тем не ограничить его технический арсенал. Плохую конькобежную подготовку сложнее восполнить, чем любой другой компонент мастерства хоккеиста [1–3, 7, 8, 13].

В настоящее время накоплено достаточное количество результатов исследований вертикальной позы человека, включая комплекс разработанных показателей и статистических данных, которые позволяют судить о работе механизмов нервной системы [3, 6, 8, 10–12, 14]. При игре в хоккей человек также поддерживает специфическую вертикальную позу – так называемую посадку хоккеиста, или основную стойку хоккеиста. Профессиональные игроки поддерживают эту стойку на протяжении практически всей игры. Отработка любых навыков или движений в хоккее также начинается с основной стойки. Хотя данный тип позы отличается сохранением специфической конфигурации тела, мы предлагаем применить к нему способы исследования, аналогичные применяемым для вертикальной позы. Аналогично рассматриваются изменения углов в суставах, взаиморасположения частей тела.

Посадка, или основная стойка, хоккеиста должна быть удобной, устойчивой и обеспечивать возможность свободного проявления рабочих усилий в отталкивающих движениях ногами для развития определенной скорости.

Посадка во многом зависит от анатомоморфологических особенностей хоккеиста (роста, длины отдельных звеньев тела). Вместе с тем при обучении целесообразно придерживаться следующего усредненного, биомеханически обоснованного варианта. Туловище наклонено вперед на 15–25° от вертикали и согнуто в тазобедренном суставе под углом 100–120°, так что проекция плеч опережает колени. Ноги согнуты в коленном и голеностопном суставах соответственно под углами 90–110° и 70–80° так, чтобы проекция колена опережала стопу. Плечи развернуты, живот подтянут, голова поднята. Такая посадка обеспечивает нормальную работу мышц ног, не стесняет работу органов дыхательной и сердечно-сосудистой систем, позволяет хоккеисту хорошо видеть и ориентироваться в окружающей обстановке [3].

Цель исследования. Настоящее исследование посвящено сравнению двигательного отклика в ответ на предъявление шайбы у профессиональных хоккеистов и новичков в нескольких пробах, отличающихся уровнем сложности. Оценка двигательного отклика осуществлялась по комплексу параметров, в том числе по сохранению основной стойки испытуемого, двигательной реакции на шайбу, движениям клюшки, реакции на предупреждающие сигналы (подсветка сектора, звук щелчка вылетающей шайбы).

Материалы и методы. В исследовании приняли участие 12 испытуемых мужского пола (средний возраст – 21 год), в том числе 7 хоккеистов и 5 испытуемых, не занимающиеся хоккеем. Профессиональный уровень оценивался по количеству лет стажа и по наличию разрядов. Средний стаж составил 14,25 года. Разряды варьировали от 3-го юношеского до 1-го взрослого.

Схема эксперимента

Характеристики виртуальной среды и предъявления шайб. Виртуальная среда отображает окружение с позиции хоккеиста, находящегося на линии ворот. Испытуемый от первого лица видит тело своего виртуального аватара, держа в руках клюшку (клюшка в виртуальной среде совпадает с клюшкой в реальности). Экипировка соответствует полевому игроку, других игроков на площадке нет. Перед игроком ставится задача: отбить клюшкой все шайбы, летящие в ворота. Шайбы предъявляются в случайном порядке, с разного расстояния и направления и с разной начальной скоростью. Вылет каждой шайбы сопровождается характерным щелчком. Непосредственно перед предъявлением шайбы подсвечивался желтым цветом сектор поля, откуда предъявлялась шайба. Шайбы, отбитые не клюшкой, не засчитывались.

Параметры движений шайб задавались начальными условиями: по скорости – 60, 80, 100, 130, 170 км/ч; расстоянию до ворот – 18, 12 и 6 м; начальной высотой, на уровне льда или 0,5 м над его уровнем; локализацией – право, лево, центр. Таким образом, выбранные величины перекрывают диапазон скоростей полета шайбы в профессиональном хоккее: средняя – 110–120 км/ч, максимальная – 170–190 км/ч.

Имитация бросков шайб включает три блока сложности. Сложность блоков определяется в зависимости от скорости шайб и их расстояния до испытуемого. Чем ближе расстояние и выше скорость шайбы – тем сложнее блок:

• 1-й блок – самый простой блок с низкими скоростями шайбы (60–80 км/ч) и дальними расстояниями до шайбы (18 м), отбить могут даже новички, не играющие в хоккей;

• 2-й блок – более сложный режим, скорости выше (60 – 80 км/ч, а также 100 км/ч), добавляются средние расстояния до шайб (12 и 18 м). Ориентирован на средний уровень мастерства;

• 3-й блок – сложный режим с высокими скоростями (до 170 км/ч) и всеми расстояниями, включая близкие (6, 12, 18 м).

Анализируемые параметры

Перемещения частей тела испытуемого и клюшки регистрировались с использованием системы SteamVR Tracking 2.0. Отслеживающие трекеры закрепляются на хоккейной форме: щитках на голени, на бедре, груди, перчатках и клюшке. Для анализа были выбраны изменения углов в коленных и тазобедренных суставах [1, 3–5]. В силу большой жесткости конька исследования изменения угла в голеностопном суставе оказываются не информативными. Для более полного описания стойки и оценки ошибок рассматриваются взаиморасположение трекеров правого и левого бедра и положение головы (отслеживаемое шлемом виртуальной реальности) относительно ног.

Виртуальная сцена разработана и воспроизводилась в среде Unity. Данная система позволяет отображать виртуальную сцену и регистрировать движения игрока. Запись проводилась с использованием XR. Стоит заметить, что при такой записи регистрируются позиции и повороты отслеживаемых трекеров. Получаемые данные схожи с результатами, полученными нами на начальном этапе с помощью DTrack2. Для задач исследования вертикальной позы человека разработаны частотные методы, которые можно было бы применить к инерциальным данным от трекеров, получение которых потенциально возможно, но не реализовано при выбранном дизайне эксперимента. Использование перспективных частотных методов, как и на профессиональных системах отслеживания движений, на данных с системы SteamVR Tracking 2.0 затруднено неравномерностью шага времени. Исходя из этого, мы сосредоточились на применении менее чувствительных к шагу времени и не требующих применения дифференцирования методах анализа, применяемых для анализа вертикальной позы [1, 3]. В связи с этим в нашем исследовании мы ограничились рассмотрением вероятностных характеристик выбранных переменных.

Для анализа двигательной реакции были выбраны параметры:

• 1)    изменения угла в коленном суставе (правого и левого колена),

• 2)    изменения угла в тазобедренном суставе (правой и левой стороны);

• 3)    перемещение клюшки (средняя скорость за такт измерений);

• 4)    скорость реагирования на предъявление шайб.

Для данных величин были проведены расчеты со следующими параметрами: ширина временного окна – 0,1 с, моменты двигательной реакции выбирались как пики, имеющие высоту больше, чем утроенное значение среднеквадратичного отклонения соответствующей величины при спокойном стоянии (30 с до начала предъявления стимулов).

Результаты. Наиболее информативно оказалось рассмотрение среднеквадратичного отклонения изменения углов в каждом из суставов. Данные величины зависят от степени подготовки игрока, профессиональные игроки отличаются большей амплитудой колебаний, постоянной на всем интервале наблюдений. Начинающие же игроки характеризуются меньшими амплитудами колебаний при сохранении стойки и значительно большими – при выходе и разрушении заданной стойки.

Профессиональные игроки характеризуются четкими и стабильными двигательными паттернами в ответ на предъявление шайбы, что проявляется как синхронными и симметричными изменениями углов в коленных уставах, так и в тазобедренных (рис. 1). У новичков такая стабильность и симметричность отсутствуют (рис. 2).

Анализ двигательного отклика показывает, что испытуемые (как хоккеисты, так и новички) начинают двигательную реакцию уже при предъявлении предупреждающего стимула (подсветки сектора).

Скорость реагирования на шайбу вычислялась от момента предъявления шайбы до удара клюшкой отдельно для успешных проб и промахов. Также подсчитывались отбитые шайбы и пропущенные. Результаты представлены в таблице. Статистический анализ (t-тест для независимых выборок) показал значимые различия в скорости реагирования у хоккеистов и новичков только в блоке 3 (в случае успешных проб). Вероятно, такие результаты могут свидетельствовать о лучшей сформиро-ванности пространственных, временных, технико-тактических способностей, которые в свою очередь позволяют хоккеистам лучше «чувствовать» и контролировать игровую ситуацию. В данном случае блок 3 характеризуется наивысшей сложностью – шайбы летят с более высокой скоростью и с более близкого расстояния, что не позволяет обычному испытуемому (не хоккеисту) осознанно контролировать такую игровую ситуацию в полной мере. Однако в случае профессионального

Рис. 1. Изменение углов в коленных и тазобедренных суставах у профессионального хоккеиста в ответ на предъявление шайб. Зеленый график (вверху) – движения клюшки, красный график (средний) – левая нога (колено/бедро), синий график (нижний) – правая нога (колено/бедро). Зеленая метка – нача л о полета шайбы (звуковой сигнал предъявлялся всегда за 0,5 с до зеленой метки), красная метка – конец полета шайбы Fig. 1. Changes in the angles in the knee and hip joints in a highly-skilled ice hockey player in response to the puck. The green (top) graph is stick movement, the red (middle) graph is the left leg (knee/thigh), an d the blue (bottom) graph is the right leg (knee/thigh). The green mark is the beginning of the puck's flight (the sound signal was always 0.5 s before the green mark), and the red mark is the end of the pu c k's flight

Рис. 2. Изменение углов в коленных и тазобедренных суставах у новичка в ответ на предъявление шайб. Зеленый график (вверху) – движения клюшки, красн ы й график (средний) – левая нога (колено/бедро), синий график (нижний) – правая нога (колено/бедро). Зеленая метка – начало полета шайбы (звуковой сигнал предъявлялся всегда за 0,5 с до зеленой метки), красная метка – конец полета шайбы

Fig. 2. Changes in the angles in the knee and hip joints in a low-skilled ice hockey player in response to the puck. The green (top) graph is stick movement, the red (middle) graph is the left leg (knee/thigh), and the blue (bottom) graph is the right leg (knee/thigh). The green mark is the beginning of the puck's flight (the sound signal was always 0.5 s before the green mark), and the red mark is the end of the puck's flight

Средние показатели результативости хоккеистов и новичков Mean performance in highly- and low-skilled hockey players

№ блока Block №	Ср. число пропущ. шайб Mean number of missed pucks	Ст. откл. Standard deviation	Ср. число отбитых шайб Mean number of reflected pucks	Ст. откл. Standard deviation	Ср. время реакции при отбивании Mean response time (reflected)	Ст. откл. Standard deviation	Ср. время реакции при промахе Mean response time (missed)	Ст. откл. Standard deviation
Hi				Хоккеисты ghly-skilled Hockey Players
1	5,71	1,98	7,86	1,35	0,58	0,39	0,87	0,64
2	8,40	1,34	5,60	1,34	0,40	0,19	0,67	0,32
3	8,60	2,07	5,40	2,07	0,52*	0,18	0,94	1,00
Новички Low-skilled Hockey Players
1	7,25	3,30	6,25	3,59	0,83	0,75	0,77	0,63
2	8,60	2,19	5,40	2,19	0,67	0,19	0,83	0,68
3	10,00	1,87	3,60	2,07	1,19	0,11	0,75	0,82

*статистические различия р ≤ 0,05.

*statistical differences р ≤ 0,05.