基于LabVIEW的人体重心测试平台研究.doc

分类号： 密级： U D C ： 编号： 工学硕士学位论文 基于 LabVIEW 的人体重心测试平台研究 硕士研究生 ：魏浩 指导教师：王 岚 教授 学科、专业 ：机械电子工程 论文主审人 ：张立勋 教授 哈尔滨工程大学 2011 年 3 月 分类号： 密级： U D C ： 编号： 工学硕士学位论文 基于 LabVIEW 的人体重心测试平台研究 硕士研究生硕士研究生：魏浩 指导教师指导教师：王 岚 教授 学位级别学位级别：工学硕士 学科、专业学科、专业：机械电子工程 所在单位所在单位：机电工程学院 论文提交日期论文提交日期 ：2010 年 12 月 27 日 论文答辩日期论文答辩日期 ：2011 年 3 月 6 日 学位授予单位学位授予单位 ：哈尔滨工程大学 Classified Index: U.D.C: A Dissertation for the Degree of M. Eng Research of Platform for Testing The Gravity Center of Mass Which Based on LabVIEW Candidate:Hao Wei Supervisor:Prof. Lan Wang Academic Degree Applied for:Master of Engineering Specialty:Mechanical and Electronic Engineering Date of Submission:Dec. 27, 2010 Date of Oral Examination:Mar. 6, 2011 University:Harbin Engineering University 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由作者本人独立完成的。 有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已 注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识 到本声明的法律结果由本人承担。 作者（签字）： 日期： 年 月 日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校攻读学位期间论文工 作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨工程大学有权保留并向国家有关部门或机 构送交论文的复印件。本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数 据库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文，可以公 布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合学位论文研究课题再撰写的论文一律注 明作者第一署名单位为哈尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文（在授予学位后即可 在授予学位 12 个月后 解密后）由哈尔滨工 程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者（签字）： 导师（签字）： 日期： 年 月 日 年 月 日 基于 LabVIEW 的人体重心测试平台研究 摘 要 人体重心是运动生物力学研究中的重要参数之一，重心位置能够充分反映人体的 形态结构和质量分布特征。在医疗康复领域，人体的平衡功能检测可作为辅助诊断和 康复疗效评定的定量指标，同时人体重心位置的检测，对于康复机器人运动轨迹的标 定、假肢的配重等，都有潜在的应用前景；在体育运动领域，人体重心位置的检测可 以为运动员的选拔和运动训练提供科学依据；同时，人体重心也是生物学研究的重点。 在查阅相关文献的基础上，对目前人体重心位置检测的方法和测力平台的国内外 发展情况进行了综述，确定了人体重心测试平台的总体方案。 本课题采用平衡台法测量人体重心，测试平台设计中采用悬吊式结构，该结构降 低了因侧向力影响对传感器性能上的要求，重心测试平台能够满足人体在站立、躺卧、 步态等姿势下的重心测试。重心测试系统硬件由传感器信号处理电路、数据采集卡和 计算机构成，主要实现传感器信号的放大、滤波和 A/D 转换；软件部分采用 LabVIEW 软件编写了多个功能模块，能够实现信号采集、数据处理、数据计算、粗大误差判断、 曲线拟合、重心坐标显示等功能。 通过标准重量砝码重心位置的测量完成了对测试平台的标定，并完成了人体站立 下的重心测试实验和步态下的重心测试实验，通过实验及实验结果验证了测试平台的 功能性、可靠性和准确性。实验结果表明重心测试平台的误差很小，能够完成人体多 种姿态下的重心测试。最后，根据人体步态下的重心测试结果，采用回归分析法提出 了人体重心位置的变化规律。 关键词：人体重心；平衡台法；测试平台；LabVIEW；重心测试 哈尔滨工程大学硕士学位论文 基于 LabVIEW 的人体重心测试平台研究 Abstract Human gravity center is one of the important paramenters in sports biomechanics research. The position of human gravity center can fully reflect the morphological structure of human body and the characteristics of quality distribution. In medical rehabilitation field, the testing of human balance function can be used as indices of auxiliary diagnosis and rehabilitation curative effect evaluation; besides, the position testing of human gravity center have porential application prospect in rehabilitative robot locus calibration and balancing weight of artificial limb, etc. In sports field, the testing of human gravity center can be used as scientific basis of athletes selection and training; meanwhile, human gravity center is the key point of biology research. After reading scientific literatures, the paper summarized the methods of testing human gravity center and the development of testing platform here and abroad. Finally, we determined the scheme of human gravity center testing platform. The subject adopts the balance platform testing method, and adopts hanging type in the design of testing platforms structure. Because of the infuence of lateral force, we usually seclect the sensor that have proper performance, but is not too much matter by using this structure. The testing platform can satisfy the demands of testing human gravity center of different postures. The hardware of testing platform consists by sensors signal processing circuit, the card of data acquisiton and computer, its function is the signal amplifier, filter and A/D conversion. We select the LabVIEW software as the main software of the testing system, and write many programs which can realize function such as signal calculation, data processing, data calculation, bulky error judgement, the curve fitting and the display of gravity centers coordinates, etc. Through position measurements of standard weight farmars gravity center, we calibrated the testing platform. We completed the human gravity center measurment of standing and walking. We verify the function, reliability and accuracy of the testing platform. The results of experiment show that the error of testing platform is very little. So it can perform gravity center measuring of various posture. Finally, according to the results of 哈尔滨工程大学硕士学位论文 gravity center measuring of walking, we proposed the variation rules of gravity centers position based on regression analysis method. Key words:human gravity center; balance platform testing method; testing platform; LabVIEW; test of the gravity center 基于 LabVIEW 的人体重心测试平台研究 目 录 第 1 章 绪论1 1.1 课题的研究目的及意义1 1.2 人体重心测试方法 2 1.3 测力平台的国内外发展状况 2 1.3.1 测力平台的国外发展状况3 1.3.2 测力平台的国内发展状况6 1.4 论文的主要工作内容 9 第 2 章 系统总体方案11 2.1 引言 11 2.2 测试平台工作原理 11 2.3 重心测试系统组成 13 2.4 重心测试台结构设计 13 2.4.1 设计依据13 2.4.2 机械结构14 2.4.3 传感器选择15 2.5 受力分析与校核 17 2.6 本章小结 19 第 3 章 测试平台数据采集系统设计20 3.1 引言 20 3.2 测试平台数据采集系统硬件设计 20 3.2.1 传感器信号处理电路20 3.2.2 A/D 转换23 3.3 测试平台数据采集系统软件设计 24 3.3.1 控制界面25 3.3.2 信号采集模块26 3.3.3 数据处理模块28 3.4 本章小结 30 第 4 章 测试平台的标定及静态测试31 哈尔滨工程大学硕士学位论文 4.1 引言 31 4.2 测试平台的标定 31 4.2.1 测试系统的标定31 4.2.2 坐标系的标定32 4.3 静态测试 35 4.3.1 砝码重心测试35 4.3.2 人体静态重心测试37 4.4 实验结果分析 39 4.5 本章小结 43 第 5 章 人体步态重心测试44 5.1 引言 44 5.2 步态运动中人体重心位置变化分析 44 5.3 人体重心动态测试实验 44 5.3.1 实验步骤45 5.3.2 回归分析46 5.3.3 X 轴方向重心位置测试和模型描述47 5.3.4 Y 轴方向重心位置测试和模型描述51 5.3.5 Z 轴方向重心位置测试和模型描述53 5.4 人体步态重心变化的相关分析 55 5.4.1 Y 轴方向相关分析56 5.4.2 Z 轴方向相关分析59 5.5 本章小结 61 结 论62 参考文献63 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果66 致 谢67 第 1 章 绪论 1 第 1 章 绪论 1.1 课题的研究目的及意义 人体重心是指人体总重量分布的加权平均位置1。它是运动生物力学研究中的重要 参数之一，能够充分反映人体形态结构和质量分布特征。人体重心位置的测量，可以 为医疗康复和体育运动等领域提供参考依据2。 一、在医疗康复领域 人体重心位置的静态测量，可以直接评价人体平衡功能的强弱。平衡功能是人体 的一项重要功能，日常生活中的各种动作，以及站立、行走等活动都依赖有效的平衡 功能作保障。平衡感觉来自前庭、视觉和本体感觉，平衡的维持是三者功能的完整体 现，而从老年医学角度讲，视觉、前庭、本体等平衡感觉功能2050岁间最稳定，随后 逐渐减退，至70岁以后降低明显。平衡功能低下是老年人特别是伴慢性病患者跌倒及 由此引发的一系列严重问题的主要原因。因此，人体平衡功能检测可作为眩晕、前庭 病变、脑部病变的辅助诊断和康复疗效评定的定量指标，对疾病的进展及疗效有监测 作用3-4。 同时，近年来随着科学技术的进步和人民生活水平的提高，人们对康复器械的要 求也越来越高。作为辅助病人康复的医疗器械，保持病人重心平衡及重心控制是非常 重要的，因此就需要了解正常人行走及实际的运动轨迹。人体重心位置的测量，对于 康复机器人运动轨迹的标定、伤残人假肢的配重等，都有着潜在的应用前景5-11。 二、在体育运动领域 在体育运动中人体重心位置往往起着决定性作用。例如在跳高、跳水、艺术体操 等项目中，运动员在完成动作时的人体重心位置往往决定着动作的稳定程度，从而最 终决定运动员的比赛成绩12。因此，人体重心位置的检测可以为运动员的科学训练和 设计新动作提供科学依据，为运动员取得好的比赛成绩提供保障。 同时，人体重心高度也是运动员选拔的重要指标。不同的体育项目对运动员身体 素质的具体要求是不一样的，例如在艺术体操等观赏性体育项目中，要求人体重心要 比较高，因为人体重心高，运动员动作就会比较舒展，从而容易能够获得好的成绩； 而在摔跤等力量型体育项目中就要求较低的人体重心，因为重心低，运动员的稳定性 就会比较好，从而不容易被对方摔倒。所以，人体重心位置的测量也可以为体育事业 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 选拔出色人才提供依据。 本课题应用LabVIEW软件建立人体重心位置检测平台，能够实时的测量人体重心 位置的变化情况。通过测试平台，不仅能够完成人体重心位置的静态测量，而且可以 实现动态测量，完成人体在步态运动中的实时重心位置检测，为其它领域的研究提供 依据。 1.2 人体重心测试方法 人体重心位置检测的方法有很多，例如用分析法、平衡台法、图解法、放射性同 位素扫描法、测量板测重心法和利用“乘系数法”公式计算人体重心位置等13。 分析法计算人体重心是以合力矩原理为依据，即把人体按照选定的人体模型看成 是由多个环节组成的刚体系统，依据身体各环节重心半径系数及各环节合成半径系数， 然后合成重心位置。常用的模型有日本松井秀治提出的15个环节的人体模型、美国的 Hanavan提出的15个环节人体模型和Yeadow提出的40个环节组成的人体模型。而获取 人体环节重量参数的主要方法是尸解法，通过将死者的尸体进行解剖，然后做成数据 库，作为计算的参考依据。但是尸体和活体有明显的差别，并且不同人的实际情况也 不尽相同，所以这种分析方法计算人体重心存在着一定缺陷14-15。 在活体检测方法中，最为著名的就是前苏联莫斯科中央体育学院的Zatsiorsky和 Seluyanov采用的放射性同位素法（又称射线扫描法）和中国清华大学郑秀瑗教授等 人采用的CT法。随着科学技术的发展，测试内容可以细化到脂肪组织、肌肉组织和骨 组织。但是这种扫描方法却难以应用于敏感体、少年儿童等特殊人群的环节参数研究 上16。对于这些特殊人群个体化的测量，也只能通过将原有参数库回归到计算公式上 从而得到被测者的重心位置。 “乘系数法”人体重心计算公式适用于底片测量和定量分析，其测试原理是在身 体各关节中心坐标值的基础上，乘以相应的系数，其乘积总和就是人体的总重心位置。 “乘系数法”相对分析法来说计算简单，精度更高。现在常用的计算公式有吴廷禧推 算的特殊姿势下的重心高度位置公式和洪友廉推算的人体重心高度公式。 平衡台法和测量板测重心法又称为二维重心板法和一维重心板法，它们是依据力 矩平衡原理测量重心的方法。测量板测重心法，只能够测量一个方向的重心位置；平 衡台法可以得到两个方向的重心位置变化情况，完全可以满足人们对重心位置的测量， 其测试范围广、精度高的特性使得成为国际上较为流行的重心测试方法17-19。 第 1 章 绪论 3 1.3 测力平台的国内外发展状况 1976年Terekhov首次报道了利用测力平台检测人体站立时重心的变化情况，自此 这种利用测力平台角上安装的传感器（一般是3个或4个）检测人体重力计算人体重心 变化轨迹的方法，逐步被推广应用20。早期的平台测试系统采用单片机等来处理数据， 分析功能比较单一。近年来随着计算机的普及，并且软件的功能越来越强大，大多测 试系统采用计算机来进行数据采集和处理，使其系统具有更大的灵活性和可扩展性。 1.3.1 测力平台的国外发展状况 国外测力平台的生产厂家主要有瑞士Kistler公司、美国AMTI公司等，其中以瑞士 Kistler公司的产品为代表，它几乎垄断了全世界的测力平台市场21。 瑞士Kistler公司生产的测力平台主要采用压电晶体式传感器。该类传感器基于压电 效应原理，压电效应是指一些晶体当它受挤压或拉伸时，它的两端就会产生不同的电 荷，并且电荷的数量和力的大小成正比；当外力撤掉后，晶体又恢复到不带电的状态。 独特的压电式测力系统使其生产的测力平台具有更多的优点：高精度和灵敏度，良好 的线性度；高固有频率和阻尼；极宽的测量范围和优异的分辨率。Kistler公司生产的测 力平台的测试内容可分为体育运动、技术诊断和步态分析22-28。 压电式传感器的高预载和完美线性，使得Kistler测力板在很高的初始载荷下也能够 非常精确地测量力的大小，因此测力板可以安装在任意位置，可以在测力板上面安装 仪器或盖板使用，不会影响其精度和零点。并且测力板具有高固有频率、宽测量范围 和大量程能够确保捕捉高动态过程。例如9281E型测力板在举重或其他田径项目中的应 用，如图1.1所示测量板安装在跑道的下面，运动员在通过此处跑道时，测力板就能够 测得运动员对跑道的作用力情况。运动员可以根据其测量结果规范运动姿势，提高体 育竞技水平。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 4 图1.1 9281E型测力板 Kistler测力板同时是技术诊断的一个理想工具，其能够完成生物力学中起始力的客 观测量。9290AD型纵跳测力板是一个完整的便携式分析系统，被测者可以在测力平台 上完全自如地运动，测试人员就可以通过测试软件获得客观、可靠、可重复的测量结 果。如图1.2所示，残疾人运动员佩戴假肢后在测力板上自如运动，完成对测力板作用 力的测量，其测试结果对于残疾人佩戴的假肢质量分布测定以及佩戴后跳跃能力的检 测都有很大的帮助。 图1.2 9290AD型纵跳测力板 同时，测力板的高精度性使得其能够测出步态中测量力的微小变化和非对称性， 从而能够完成步态分析和平衡功能的检测。如图1.3所示9286BA型测力板是专为步态和 平衡分析而开发的测力台，其能够在大载荷下测得测量力和振动的微小变化，提高了 测量结果的准确性。 图1.3 9286BA型测力板 医疗跑台测力仪gaitway II完全是基于奇石乐公司的测量技术和分析软件开发的新 第 1 章 绪论 5 一代测力仪，如图1.4所示，它将压电晶体测力台装入跑步机中，能够连续的测量跑步 和行走过程中的地面垂直反力、压力中心、双脚足底冲击力等参数。通过调节跑步机 的速度和倾角，可以给测试者提供不同的测试条件，完成多种环境下的步态分析和医 疗康复评估，同时还能够连接其它设备完成对心脏功能、肺功能、血压系统的检测。 其全面的功能，使得其能够为医疗、康复、运动设备的设计和制造提供可靠的参考依 据。 图1.4 gaitway II测力仪 美国AMTI公司生产的测力平台大多采用金属应变片式传感器，该类传感器基于金 属材料应变效应原理。应变效应是指当试件受力变形时，应变片的敏感栅也随同形变， 引起应变片电阻值的变化，通过测量电路将其转换为电压或电流信号输出。该类传感 器具有以下几个优点：精度高，测量范围广；频率响应特性比较好；结构简单，尺寸 小；价格低廉，品种多样。 AMTI公司主要有OR和BP两种系列产品，每种系列分别包括标准型、内置放大器 型、防水型、玻璃型等，而每种型号测力台又有1000、2000和4000磅三种负载类型。 其测试内容主要包括：步态分析、运动技术分析和矫形康复等。 图1.5 AccuSway平衡测试台 AccuSway平衡测试台是AMTI公司生产的便携式测力台，仅重11.4公斤。如图1.5 哈尔滨工程大学硕士学位论文 6 所示，AccuSway平衡测试台上画有参考坐标系，为静态测试提供了参考依据。测力台 通过测量三维的受力与三维的力矩，从而计算出压力重心的运动轨迹，并且可以直接 通过RS232连接到电脑上。AccuSway平衡测试台使用SwayWin95分析软件，该软件适 用于多种计算机操作系统，具有超强的数据编辑能力和分析能力，可以计算出重心位 移的相关系数，并可以描绘出重心轨迹。 1.3.2 测力平台的国内发展状况 我国的康复工程产业，近十年来有较快的发展，产品的质量有了很大提升，产品 也不断翻新。可以说国内已具有生产人工智能化产品的基本技术和研究实力。一些高 等院校和研究单位已多年从事康复工程方面的研究，大连理工大学、清华大学、中科 院成都分院、中科院合肥智能机械研究所等单位均有三维测力台的研究成果。 YDT5461三维压电晶体测力平台如图1.6所示，是大连理工大学体育科研所于1983 年研制成功的我国第一台压电式测力平台22。该测力平台是一个多功能的测力装置， 测力平台的主要技术性能指标达到了当时测力平台的世界技术水平，它由测力平台、 电荷放大器、A/D数据采集卡及分析软件组成，可实时采集人体运动时力的变化情况。 图1.6 YDT5461三维压电晶体测力平台 图1.7 DLUT4060-1型测力平台 第 1 章 绪论 7 DLUT4060-1型测力平台及分析系统是由大连理工大学体育科研所应用先进测力、 传感技术研制而成的动态力测试系统，由测力平台及分析软件两部分组成。如图1.7所 示，系统应用三维压电晶体传感器，实时采集人体运动时的力的变化情况，经专用电 荷放大器处理后输入计算机，应用系统专用分析软件，输出各种数据及图表，为体育 科学研究、生物力学研究、康复及一般工程中的多维动、静态力的测量提供了一种可 靠的测试手段。从而为科学的训练提供准确的定量依据和量化指标，服务于运动训练 和科学研究。 DLUT4060-1型测力平台主要技术指标： 一、测力平台 1、传感器：压电晶体； 2、灵敏度：Z向35pc/kgf，X、Y向80pc/kgf； 3、量程范围：X向1000kgf，X、Y向500kgf； 4、非线性、重复性误差：1； 二、电荷放大器 1、输入输出通道数：8； 2、频率范围：2Hz100kHz（可调） ； 3、精度：1； 三、A/D转换卡 1、分辨率：12bit； 2、精度：1； 3、输入通道数：单端16路； 4、输入电压范围：5V； 5、采样频率：最高l00kHz； YDT-5462双平台测力系统由两个测力平台构成，如图1.8所示，该系统主要完成对 人体运动过程中压力的测量以及运动轨迹的分析。在进行分析时要在同一空间坐标系 下计算两个平台的各项力学指标，然后根据数据分析结果得出曲线图，可以直观的分 析人体的运动过程，为其他生物研究提供依据。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 8 图1.8 YDT-5462双平台测力系统 中国科学院合肥智能机械研究所研制了一种五维力测力平台，可以测量空间三个 方向的力、和二维力矩、的测力装置29。该五维力测力平台结构如 x F y F z F x M y M 图1.9所示，其顶层板可以是圆形、正方形、长方形等任意形状。它包括三个单维力传 感器和一个二维力传感器，三个单维力传感器处于第一层，形成一个等腰三角形，二 维力传感器位于三个单维力传感器的上方，处于第二层。五维力测力平台能够实时采 集被测试者的空间三维力和二维力矩的变化情况，然后可通过计算机及配套软件进行 数据分析。 图1.9 五维力测力平台 合肥荣事达科源传感系统工程有限责任公司是中科院合肥物质科学研究所与合肥 荣事达三洋电器股份有限责任公司合资组建的高新技术企业。其主要产品KY-1112型人 体平衡功能测试仪如图1.10所示，可以在人体睁眼和闭眼的情况下，双脚直立和单脚直 立时对人体的重心变化进行实时检测、显示并分析，能对机体平衡能力进行定量的描 述与评价。测试平台的主要参数如下：500mm500mm的测试面积；适用于台式电脑和 笔记本电脑，可以适用于多种使用环境Win98、Win2000、WinME、WinXP；可以直接 连接USB接口，适用于USB1.0USB2.0标准；30公斤的自身重量，使用方便；外观 500mm（长）500mm（宽）80mm（高） 。其主要应用于以下几个方面：机体平衡能 力的定量描述与评价；运动员的选材：主要用于体能和运动素质测试；运动损伤康复 第 1 章 绪论 9 效果测试与分析；训练效果的测试与分析；运动生物力学教学与科研。 图 1.10 KY-1112 型人体平衡功能测试仪 图 1.11 KY-1012 型一维重心测试仪 KY-1012型一维重心测试仪也是该公司的产品，如图1.11所示，其主要应用于人体 重心高度的测量。测试者平躺于测试板上，旁边的数字显示屏上就会显示出被测者的 重心高度，使用方便。该仪器主要采用传感器和单片机技术，通过高精度传感器采集 人体对测试板的压力，并将其转换成电压信号，同时通过微型计算机监控传感器信号。 该测量仪器将数据采集、运算处理和数字显示集为一体，其主要参数如下：测量精度： 0.01%；分辨率：0.05kg；量程：300kg；测试长度：2m；外型面积：2006035cm。 由清华大学研制的一种应变式三维测力平台，如图1.12所示，该测力平台包括脚踏 板、位于脚踏板正下方的箱体，以及设置在箱体中的四个三维应变式传感器、调理电 路和USB接口数据转换与采集电路30。三维应变式力传感器包括由一整块金属加工而 成的弹性体结构和多个应变片，弹性体结构包裹分层叠加在一起的两个正交的用于检 测前后和左右方向力的悬臂梁和一个用于检测竖直方向力的剪切梁，各梁上均分别贴 有四个应变片，每个梁上的四个应变片组成一个全桥电路，从而每个力传感器设有三 个全桥电路。三维测力平台对四个力传感器的一致性要求低，从而降低了加工、安装 和调试的难度和成本，使用方便。 图1.12 应变式三维测力平台 哈尔滨工程大学硕士学位论文 10 1.4 论文的主要工作内容 （1）系统方案确定、重心测试平台结构设计 综合各种人体重心测试方法，最终采用平衡台法测量人体重心。介绍了人体重心 测试系统的总体方案，为了使测量结果更加准确，设计了新的测试平台结构，并对主 要部分进行了校核分析。 （2）数据采集处理系统设计 数据采集处理系统的主要流程是将传感器输出的模拟信号经滤波、放大后输入到 采集卡上，通过信号采集卡将其转化为数字信号。选择传感器型号并完成模拟信号处 理电路的设计，通过数据采集卡将采集到的模拟信号进行 A/D 转换并传输到计算机中， 为以后的重心位置计算提供依据。 （3）软件系统设计 通过 LabVIEW 软件来搭建测试系统的功能模块，重心测试系统的所有功能都是通 过该软件实现的，其中包括人机交互界面、数据采集、数据处理、粗大误差判断和曲 线拟合等。 （4）重心测试实验 重心测试实验包括静态测试和动态测试两组实验。静态测试试验主要内容有：标 准砝码重心测试，完成对测试系统的标定，同时又检验了测试系统的准确性；人体静 态重心测试，测试者站立在测试板上，测量其重心变化情况，画出重心动摇轨迹。动 态测试实验是指测量人体在步态运动过程的重心位置变化情况，记录重心坐标以及对 人体对测试台作用力的变化情况。 （5）人体步态重心变化轨迹分析 通过测试数据分析人体在步态运动过程中的重心变化规律，总结重心位置在空间 三个方向的变化轨迹，并对步行速度和身高与重心变化情况进行了相关性分析。 第 2 章 系统总体方案 11 第 2 章 系统总体方案 2.1 引言 重心测试系统主要由测力台、信号处理系统、采集系统、数据处理分析系统组成， 能够完成对人体重心位置的测量。本章完成了测力平台工作原理的介绍、重心测试系 统的组成和测力台结构介绍等工作。 2.2 测试平台工作原理 人体重心测试平台采用平衡台法测量人体重心位置，其主要基于力和力矩平衡原 理。采用四点支撑方式来设计测试平台结构，在测试平台的四个角各安装一个传感器， 在重心测试过程中测试平台的受力分析简图如图 2.1 所示，测试板受到被测物的压力和 四个传感器的拉力，当知道测试平台的尺寸参数后就可以通过力和力矩平衡原理求出 被测物的重心坐标了。 图 2.1 重心测试平台受力分析简图 以重心测试平台的中心为坐标原点建立 XY 坐标系，设压力传感器作用点坐标分 别为：(，)、(，)、(，)、(，)；传感器的拉力分别为：、 1 x 1 y 2 x 2 y 3 x 3 y 4 x 4 y 1 F 2 F 、；测试平台的重量为；测试物体的重量为，坐标为(，)；设 X 方向 3 F 4 F 板 GG