（体育教育训练学专业论文）多功能人体重心动态位置测量仪的开发及应用研究.pdf

山东师范大学硕e 学位论文 多功能人体重心动态位置测量仪的开发及应用研究 中文摘要 人体重心位置是人体的一个基本参数，它能在一定程度上反映出人体环节的质量 分布和体型特征，一直以来都是值得探索的人类奥秘之一。他不仅对人的日常生活有 很大的影响，同时又与人体的运动紧密相关，能在一定程度上反映运动能力。对它进 行快速准确的检测对运动员选材、运动训练、技术动作的创新、体育科研、全民健身 和医疗康复等有着重要的意义。曾经被广泛使用的一维、二维测力板法已经不能满足 快速测试的需要，基于电子传感器和计算机的人体重心测量设备因测试速度快，准确 性高等优点而受到人们的欢迎。但目前常用的人体重心测量设备有些存在着应用范围 狭窄，功能单一的缺点，有些则体积庞大，不方便携带运输。 本文详细分析了各种人体重心测试方法的优缺点，并针对目前人体重心测量设备 所存在的问题进行改进，设计出了可折叠式多功能人体重心动态位置测量仪。测量仪 由测试平台和计算机构成，其中测试平台包括主体部分、辅助部分和附加板，各部分 可以拆装折叠，方便运输。主体部分下面安置四个压力传感器，可以单独使用，用来 测量人体站姿或坐势的人体重心位置变化情况，并且可以根据“重心位置一时间”曲线 间接推测人体平衡能力。辅助部分不含任何电子设备，在使用的时候一端和主体部分 相连，另一端依靠一个普通支点支撑。它的作用是加长测量仪的长度，以方便测量人 体仰、卧等姿势下的人体重心位置。附加板安插在主体和辅助部分上，其目的是拓宽 测量仪的宽度，使测量仪能够测量手臂和双腿外展时人体重心动态位置的变化情况。 本研究专门为测量仪设计了一套重心测试软件。软件包含一个连接底层硬件和上 层应用软件的接口层，当传感器或a d 转换卡更换的时候，只需要更改接口层配置， 上层应用可以不做任何改变，增强了软件的适用性。在测试指标方面，对常用的指标 进行了优化和扩充，为包络面积、优势动摇方向及程度等指标设计了新的算法，添加 了动摇最适合椭圆、动摇周期等指标。在数据存储方面，不仅为用户提供了二进制的 文件存储格式，还利用了国际上流行的l 格式，把数据存储成既可以让其他软件 识别，又方便用户直接阅读的x m l 文件。在软件界面方面，利用v c + + 6 0 设计了 一个能够即时直观显示受试者重心轨迹变化，随时查看各种统计指标，操作方便的图 形用户接口。 山东师范犬学硕l 学位论义 对测量仪的硬件和软件在功能性、可靠性和准确性等方面进行了严格的测试。测 试表明：系统软硬撵性麓可靠、运行稳定，主体部分误差在2 蕊左右，辅助部分误 差在3m m 左右，能够满足站姿、坐姿、卧姿等各种姿态的重心位置测试的要求，可 以为体育教学与训练、运动员选材、全民体质监测、医疗康复等方面服务。 最后利用新式测量仪进行了一些人体重心动态饿置和平衡能力方面的研究，探索 ? 入体重心及平衡能力方面的规律，得到了一些有价值的结论。 关键词：人体重心；平簿能力；折叠式；多功能 分类号：弹2 l 矿l 瓣 山东帅范人学硕士学位论文 s m d yo ft h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no ft h em u l t i 如n c t i o n a l i n s t n j m e n tt om e a s u r ed y n a m i ch u m a nb o d yc e n t e r a b s t r a c t h u m a nb o d yc e n t e ri so n eo ft h em o s ti m p o r t a n ti n d i c a t o r so ft h eh u m a n b o d y i tc a n r e n e c tt h em 硒so fd i 脏r e n tp a n so ft h eb o d y nn o t0 1 1 1 yp l a y s 锄i m p o n 觚tr 0 1 ei i lt h e d a i l yl i f e b u ta l s ok e e pc l o s er e l a t i v ew i t hs p o n s i tc a i lr e n e c tt h es p o n sa b i l i 够s om e m e a s u r e m e n to f t m si n d i ca _ t o ri sv e 巧s i 鲥f i c a n ti na t h l e t es e l e c t i n g ，s p o n st r a i m n g ，n e w a c t i o ni r e m i o n ，h e a l t ha i l ds p o r t sr e s e a r c h i n gf i e l d s t h et r a d i t i o n a lm e t h o d st om e a s u r e h 啪如b o d yc e i l t e ru s i n go n e0 r 铆od i m 髓s i o i l sf o r c ep l a t f o mc 锄，ts a t i s 母h l l i i l a n t s r e q u i r e m e i l t sn o w m o d e mi n s t m m e l l tb a u s e do ne l e c 仃0 l l i cs e n s o r 锄dc o m p u t e ri sw i d e l y a c c 印t e df o ri t s r a p i d i 够a 1 1 da c c u r a c y b u tm ed i s a d v 粕t a g e so ft h e s ei i l s t n l m e m sa r e 0 b v i o u s s o m eo ft h e ma r es i n g l e m n c t i o n a l ，m eo m e r sa r et o ob i gt om o v e t 1 1 i ss t u d ya n a l y z e da 1 1m et r a d i t i o n a lm e t h o d st om e a s u r eh 啪a nb o d vc e n t e ri n d e t a i l 锄di m p r 0 v e dn l ec u r r e n ti n s t m m e l l t s ，肌dt l l e nl a u n c h e dan e wf o l d a b l ea 1 1 d m u l t i 丘m c t i o n a lm o d e l 1 1 1 en e wi i l s t n u n 饥ti sc o n s i s t e d0 fm a i l lp 吼嬲s i s t a n tp a na i l d4 a m l i a t eb o a r d s nc 趾b ee a s i l yf o l d e dt oas m a l lv o l 啪ef o r 乜m s p o r t t h e r ea r ef o u r s e n s o r sm l d e rt h em a i l lp a r to fm ed e v i c e t h em a i l lp a r tc 觚u s ea l o n e nc a nm e a s u r et l l e h u m a l lb o d yc e i l t e ro fs t a i l d i n ga 1 1 ds i t t i n gp o s t u r e s i tc a i la l s oc o m p u t et h ep e r f b 姗a l l c eo f b o d yb a l 锄c eu s i n g l e p o s i t i o n - t i m e c u e o n es i d eo ft h e 勰s i s t a mp a r to fm e ( 1 e v i c e c a nb ec o 衄e c t e dt 0t h em a i np a r t 1 1 h eo t h e rs i d ei s s u p p o r t e db yac o r 啪o n 向l c n 瑚 w i t h o u ts e n s o r t h ep u 叩o s eo ft h ea s s i s t a l l t p a r ti st ol e n 舀h e nm es i z eo ft l l ef o r c e p l a t f o 肌w i t ht h ea u s s i s t a n tp a r t ，t h ei n s t l l l m e l l tc a nb eu s e dt 0m e 猫u r et h eh 啪锄b o d v c e n t e ro ft h el i ed o w r i lp o s t u r e t h ea 伍l i a t eb o a r dc 锄b ei n s e n e dt 0t h em a i l lp a r t 锄dm e a s s i s t a n tp a r t i tc a i lw i d e nt h es i z eo ft h ef o r c ep l a t f o m l ，锄dm a l ( ei tp r o b a b l et or e c o r dt h e d y n a m i ch u m a nb o d yc e n t e rw h e nh a n d sa 1 1 dl e g sm o v i n g t h i ss t u d yd e s i g n e das e to fs o f h a r ef o rt l l en e wd e v i c e r h i ss o f h v a r ec o n t a i na n i n t e r f a c e1 e v e lb e 觚e e nm el o wl e v e lh a r d w a r e 锄dm eh i g l ll e v e l 印p l i c a t i o n 、e i lt h e s e n s o ro rt h e dc a r dc h 锄g e s i tj u s tn e e d st oc h a i l g et h ec o n f i g u r a t i o no ft h en e r f a c e l e v e l ，a n dl e t st h ea p p l i c a t i o na l o n e t h ei n t e r f a c el e v e lm a l ( e st h e 印p l i c a t i o nl e v e lk e 印 i n d 印e n d e n tw i t ht h eh a r d w a r e h lt h ea s p e c to fm e a s u r i n gi n d i c a t o r s ，m i ss o 胁a r e o p t i m i z es e v e r a li n d i c a t o r s 弱w r 印p i n ga r e a ，d o m i n a i l tm o v i n gd i r e c t i o na i l dd e 孕e e ， e x p a n di n d i c a t o r sa so p t i m i z e de l l i p s e ，s w i n gp e r i o d h lt h ea s p e c to f s t o r a g e ，t h i ss o 胁a r e i i i 山东师范人学硕士学仪论文 n o to n l yp r 0 v i d eaf i l ef o m l a to fb i n a 搿b u ta l s op r o v i d ea 秭i ef o r m a to ft h ep o p u l a rx m l 弧ex m lf l l e 岛糯a 耄e 罐b e 怼勰b yb o 氇e o 嘲珏l 髅勰dp e 印l e w ea l s od e s i 鼙甜ah a 砖y g u iu s i n gv c + 十6 0 u s e r sc a ns e et h ec h a n g eo ft h eh u m a nb o d yc e n t e ri n s t a l l t l y a i l dg e t t h es t a t i s t i c se a s i l 弘 w e e s 酲m e 珏e wi 是s l 掇搬雌e 粼氩l l y 强e 粥鞭l l s 加w 甜攮鑫主搬es y s t e 燃i ss | 曲l e a n dr e l i a b l e t 1 l ei n a c c u r a c yo fw i d t hd i r e c t i o ni sl e s st h a n1m m t h ei i l a c c u r a c yo f1 e n g m d i r e c t i o ni sl e s st h a l l3m m i tc a ns a t i s 黟t h ed 锄a n d so fm e a s u 矗n gh l l m 稚b o d yc e n t 。fo f d i 炉s 衄。s nc a l lb ew 主d e l yu s e d 攮s p o r t s ，曲y s i c a le d u c a t i o n ，础l e t cs e l e c n n g ， b o d ys t a t u sm o l l i t o r i n ga n dh e a l mr e c o v e r i n gf i e l d s a tl a s tw el a u n c h e das e r i e so fs t l 埘i e su s i n gt h e 髓e wa l ，p a r a 撒s ，e x p l o l l e ds o m e p r o b l 锄so f 量l l e 舢瞰雒b o d yc 髓t e r 嬲d 斑eb o d yb a l a n c e ，黼dg e ts o m eu s e 允l n c l u s i o n s k e yw o r d s ：h u m 觚b o d yc e n t e r ；b o d yb a l a n c e ；f o l d a b l es t y l e ；m u l t i - 觚c t i o n c 1 a s s i f i e dn u m b e r ：t p 216 + 1 l v 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得( 注：如没有其他需要特别声 明的，本栏可空) 或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 靴癜储警扭头鸯剔磁茕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解堂撞有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权主 楚可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 密真盛 签字日期：2 0 0 衫年，月明日 导师签字： 签字日期：2 0 0 毋年f 月刁日 山东师范火学硕t 学位论文 l引言 1 1选题的意义及依据 人体重心位置是人体的一个基本参数，它能在一定程度上反映出人体环节的质 量分布、体形特征，一直以来都是值得探索的人类奥秘之一。同时人体重心位置又 与人体的运动紧密相关，能在一定程度上反映运动能力，所以作为运动参数之一， 对它进行快速准确的检测，具有十分重要的意义。 人体重心位置在体育运动中具有极其重要的作用。在静力性动作中，人体重心 的高低决定着动作的稳定程度，对保证取得优异的成绩有着十分重要的作用；在动 力性动作中，人体重心的高低对完成诸如跳高、跳远、排球的起跳、艺术体操的翻 转等各种形式的动作，更起着极其重要的作用。 本研究来源于国家自然科学基金项目“便携式人体重心位置动态检测系统的研 究”。本研究不仅能在理论上丰富人体重心位置动态测试理论，而且能够设计一套简 易、快速、准确地实现对人体重心进行动态检测，并对测试数据进行自动分析、显 示和打印的多功能人体重心动态位置检测量仪。 1 1 1 运动员选材 人体重心高度在很多体育项目中是一项重要的指标。在跳高项目中，人体重心 需要高，因为人体所能越过横杆的高度由起跳重心高度和起跳垂直速度决定，在相 同的起跳速度情况下，重心越高，所能跨越的高度就越高。所以在选拔跳高运动员 的时候就应该选择身体重心较高的人。而在摔跤项网中，人体重心则要求较底，重 心越底，稳定性就越好，越不容易被摔倒。所以应该选择重心较低的入。如果能够 检测出人体重心位置，就能为选材提供一个量化的标准，增强了选材的科学化。 1 1 2 运动训练 人体重心位置作为身体形态的一个重要参数，在运动训练中对它的研究有利于 分析适合个人的动作技术方案、发现其个人的技术特点和存在问题、提出技术改进 措施。 山东师范大学硕t 学位论义 1 1 3 为新动作的创新提供理论依据 体育需要创新才能有活力。在体育项目中一个新动作在刚被设计出来的时候由 于它的难度和危险性较大，在用运动员来试验之前必须经过严格的理论论证，只有 符合人体运动规律的动作才能进一步用真人来试验。人体的重心位置就成了理论论 证的一个重要部分。理论上所需要的人体重心位置只有符合运动员的实际情况，这 个动作才有进一步用真入来试验的可毙。 1 1 4 体育科研 融于人体在活体状态下作为一个整体具有不可分割的特点，如何检测人体活动 环节的重量与重心一直是一个难题。而人体重心位置检测手段的落后，已严重地制 约了对这个难题探索的进程。所以体育科学工作者也需要有一套能够“蠢动检测人体 重心位置”的系统，作为体育科学研究的基础设备。 l 。l 。5 全民健身 作为人体形态指标之一，重心位嚣可以帮助国民了解自己的体型结构，监控体 型变化，预防人体畸形形态的发生等。 1 1 6 推断人体平衡能力 平衡能力是反映人体神经系统、运动系统功能盼一项重要指标，许多神经系统 疾病均表现出不同程度的平衡功能障碍。以往主要采用一些物理检查方法( 如 r o m b e r g s 征) ，缺乏准确的测量方法和判断标准，所以对平衡能力缺少足够的认识。 重心动摇检查o s t 涮a y ) 是近年来兴起的一种对前庭系统、视觉系统、本体感觉系统 所影响的平衡能力情况进行测量的新方法【8 】【1 0 】【3 2 】【3 5 1 。主要原理就是通过测量人体静态 各种姿势下的重心摇摆的变化来推断平衡能力。在医疗领域依据重心动摇的记录， 可以综合把握平衡障碍，评价平衡障碍的程度、疾病经过、治疗效果，还可以进一 步捕捉维持身体平衡机能的平，衡反射系统以及中枢神经系统的障碍，把握眩晕、平 衡障碍等病症，进行病因诊断。在体育领域可以用来判断疲劳程度，训练水平等。 1 1 7 医疗康复 2 l 世纪，入翻老龄纯问题邑成为全球 生社会问题。当今，巍于医学水平的飞速 发展，各系统性疾病在诊断、防治和康复水平上不断进步，因此人的平均寿命增加， 2 山东0 巾范大学颀1 ：学位论文 导致人口老龄化问题普遍存在。人体平衡能力是老年人体质状况的一个藿要检测指 标，许多老年疾病如眩晕等都能引起老年人失衡。平衡功能低下是老年人特别是慢 性病患者跌倒及由此弓l 发的一系列严重问题的主要原斟3 奠。因此，精确评定老年人 平衡功能对预测危险因素、制定康复措施、评价康复和治疗效果、病情病程鉴别诊 断具有重要价值【瑚。 另外对伤残入假肢的配重、手术盾的康复程度评价以及人体莱些疾病的诊断等 有着潜在的应用前景。 l 。2人体重心检测的研究现状 入体是一个由多环节组成的体系，人体每一部分的变纯都会引起人体重心的变 化。当前人体重心主要的测量方法有“估算法”、“一维重心板”、“二维重心板”、“录 像解析”等方法。 1 2 1 估算法 本方法采用人体模型，利用身高体重等容易测量的指标，透过人体模型的重心 回归方程来估算重心位置【3 j 。该方法简单方便，但是缺乏准确性和个性化。 1 2 2“一维重心板”法 一维重心板法采用一个磅秤、一块木板，通过磅秤读数，然后通过计算得到重 心位置啕。此方法的优点是设备篱单，价格低濂，容易推广。僵是萁检测精度低， 需要人工计算费时费力。 一维重心板法的缺点也是显而易见的，它只能检测人体一维方向的重心，应用 的局限性较大。 1 2 3 “二维重心板”法 二维重心板法熊在纵囱和横向两个方向反映人体重心位置的变化，特别适合专 业运动员的重心测试及体育运动动作的描述，国内对此有不少的介绍与研究【5 】【2 引，它 主要有三支点二维重心板和四支点二维重心板。 三支点二维重心板一般采用长方形木板加三个测力支点构成。该类重心板的优 点是支点个数少，理论推导相对箱单，但缺点是稳定性差，动作 枣展的幅度受到限 3 山东师_ 范大学顾t 学位论文 制。由于稳定性差的缺点是比较致命的，所以虽然国内有些理论介绍，但是很少 有人采用此方法做人体活体实测研究。 豳支点二维重心板是霉前孱际上较为流行的测试人体重心位置的方法，该方法 解决了三支点二维重心板“稳定性差”的问题。但这种重心板的缺点是体积大、不便 于携带和现场测试等，这都严重影响了它的推广与使用。 1 2 4 “录像解析 法 录像解析系统由图像采集器、大容量存储设备和图像分析软件组成，通过计算 机、录像机及监视器的连接，实时地将整个运动过程中采集的图像存储到大容量存 储设备中。再通过图像分析软件对原始图像进行分析，可计算出入体在运动过程中 各个环节的位置、速度、加速度等信息。分析软件会根据存储在计算机里的人体模 型自动计算出入体重心位置的动态轨迹。 这类系统是当前运动生物力学，特别是运动学方面研究的主要方法之一，比较 著名的有美国的剐) a s 动态图像分析系统，国产的爱捷运动图像处理系统。该方法 的优点是畿够在运动现场采集信息，并以较高的频率采集重心位置的动态数据。 但这种方法是也存在明显的缺点：目前多数录像解析系统都是采用人工识别关 键点的方式，极大的耗费人力，而且检测周期长，不能现场分析出数据；由于视频 图像的分辨率较底，造成人体环节的识别准确度较差，随机误差就会骥显增加；由 于采闳人体模型计算重心，对嗣一个动作，采用不同人体模型所测出的重心位置会 有较大偏差【3 l ；缺少个性化，对相同身高而不同体形的个体，重心位置的差别很难进 行区分。 4 山东9 巾范人学硕l ：学位论文 2 研究内容和研究方法 2 1 研究内容 2 1 1 重心检测理论研究 本部分详细介绍了各种人体重心测试设备的模型，对它们的原理，优缺点进行 分析。在分析这些模型基础上，提出了多功能人体重心动态位置测量仪的结构模型 和力学模型，并对它的可行性，优势及不足进行了详细的分析。 2 1 2 测量仪的硬件设计 测试平台的结构设计是本课题研究的主要内容之一，测试平台设计的主要要求 有： 1 功能齐全：能够测量站姿、坐姿和卧姿等各种姿态下的人体重心位置。不仅 能够测量人体的静态重心位置，也可以对人体重心动态位置进行测量。 2 携带方便：测试平台设计成可扩展式，各个部分可以拆装折叠，克服传统二 维重心板体积大，不易携带的缺点。 另外传感器的选择，安装位置，a ，d 转换卡的选择都要根据具体的要求合理的 选配，以达到成本和性能的最优组合。 2 1 3 测量仪的软件设计 软件设计也是本课题的重要部分，主要包括： 1 信号采集接口的设计。把信号采集接口设计成独立一个的模块，为上层的应 用提供统一接口，使不同的传感器、采集卡等底层硬件对上层应用透明。增强软件 的适用性，降低上层应用设计的复杂度。 2 数据存储方式，以及数据存储格式的设计。 3 人机交互图形界面的设计。为用户设计一个友好的，操作便捷的界面。 4 原始数据的处理和统计分析。分析统计的指标包括： x 轴重心的平均位置一e ( x ) ：人体重心轨迹在x 轴方向坐标的平均值 y 轴重心的平均位置一e ( y ) ：人体重心轨迹在y 轴方向坐标的平均值 气 山东师范大学硕j ：学位论文 x 轴方向的动摇标准差一盯( x ) ：人体重心在x 轴方向动摇的标准差 y 轴方向的动摇标准差一( 】，) ：人体重心在y 轴方向动摇的标准差 x 轴的摆幅一d ( x ) ：人体重心轨迹在x 轴方向摆动的最大幅度 y 轴的摆幅一d ( 的：人体重心轨迹在y 轴方向摆动的最大幅度 x 轴方向动摇轨迹总长一“x ) ：人体重心轨迹在x 轴方向投影的总长度 x 轴方向动摇速度一v ( x ) ：人体重心在) ( 轴方向动摇的平均速度 y 轴动摇轨迹长一l ( d ：人体重心轨迹在y 轴方向投影的总长度 y 轴动摇速度一v ( y ) ：人体重心在y 轴方向动摇的平均速度 动摇总轨迹长一l ：人体重心轨迹的总长度 动摇总速度一v ：人体重心动摇的平均速度 包络面积s ：人体重心轨迹所包绕的面积 动摇优势方向么y ：人体重心动摇相对最剧烈的方向 动摇主频f 人体重心动摇豹频率范围 2 。l 。4 设备测试 软件测试：根据软件测试理论，对软件的准确性、稳定性等方面进行详细的测 试。 测量仪的精度校验：利用坐标纸，以毫米( m 礅) 必单位把整个测试平台台恧上的 每一个点的实际坐标位置精确定位。然后在螽面上均匀的选择2 1 个点，对其进行点 接触式的压力测试。对比测量仪给出的数据和坐标纸上对应的数据，以此来校验设 备的精度。 2 1 5 应用实践 实验l ：人体卧姿动态重心轨迹研究。 实验对象：山东师范大学体育学院男性同学1 0 人。 实验方法：让受试者平躺在测试平台上，分别做展臂、收臂、展腿、收腿、曲 腿等简单动作，测量仪会自动记录动作过程中重心的变化轨迹。初步探索这些动作 6 山东师范人学颀二卜学位论文 过程中，人体重心变化的幅度、范围、方向等信息。 实验2 ：站高时的人体平衡特征研究。 实验对象：山东师范大学体育学院学生，男女各1 5 名。 实验方法：利用自己研制的动态重心测量仪，分别在地面上和距离地面1 4 米 高的平台上对3 0 名同学不同姿势的重心动态位置进行检验。对数据进行统计分析， 观察高度对人体平衡能力的影响。 2 1 6 研究目标 在理论上丰富人体重心动态位置测试理论，改进一些指标的算法。 制作出一套能够方便、快速、准确地检测入体重心动态位置，并对数据进行分 析、显示和打印的人体重心动态位置检测系统。 做一些实验，探索人体重心和平衡能力的研究方法，统计一些数据，为人体重 心位置和平衡能力的评价提供参考。 2 2 研究方法 2 2 1 专家访谈法 以座谈会和拜访的形式向山东大学机械学院林明星教授、济南铁路职业技术学 院单洪标副教授、山大电力软件部技术总监姜维等专家请教。就测量仪模型、硬件 的设计、软件的设计等问题进行了探讨，获取了大量珍贵的意见与建议。 2 2 2 文献资料法 根据本课题的研究需要，分别在由东师范大学图书馆、出东师范大学电子阅览 室、山东师范大学体院学院图书室和山东大学图书馆收集整理了大量的课题相关资 料。同时阅读了运动生物力学类、计算机语言类、软件设计类、电子类、图形学类、 数理统计类、信号处理类的凡十本与课题研究相关的著作。所需图书部分由课题组 经费购买，部分从山东师范大学图书馆获取。 2 2 3 数理统计法 在软件设计中，利用统计学原理，对原始数据进行了各项统计分析，给出了大 量的统计指标。在设备测试和应焉研究中，对采集的数据利用踞s s 迸一步统计处 7 山东师范人学硕士学位论文 理，对比研究，得到了大量有实用价值的结论。 2 2 4 实验法 在设备的开发阶段，为了验证软件算法的正确性，做了大量模拟实验。在设备 的测试阶段，做了大量的实验来验证设备的可靠性和准确性。在应用研究阶段，进 行了些人体重心动态位置和平衡能力方面的实验，探索了人体重心及平衡能力方 面的规律。 8 山东师范人学颂 ：学位论义 3 研究结果 3 1 人体重心测试理论研究 本节对各种测力式的入体重心测量设备的模型进行了分析。在总结它们的优点 及不足的基础上，提出了多功能人体重心动态位置测量仪的模型，对其结构模型、 受力模型和可行性进行了详细分析。 3 1 1 一维重心板测试原理 固定支撑点 阉定支撑点 测力点 图1 一维重心板模型图 如图l 所示，一维重心板由一块能供入平躺的长木板、两个固定支撑点、一个 由磅秤构成的测力点组成。 图2 一维重心板空载时的受力模型 重心板空载时的受力模型如图2 所示，重心板的长度为k ，此时测力端的读数 是m l 。长木板的重量是m o ，重心高度为h o ( m o 和1 1 0 未知) 。根据力学平衡原理，得 出下列方程式： m 枣厶= 坂宰公式l 9 山东帅范人学硬卜学位论文 图3 维重心板测量时受力模型 测试前首先用体重秤秤出人体的重量m 。然后人平躺在重心板上，两脚荑鑫紧重 心板的后缘。此时受力模型如图3 所示，测力端读出当前的读数m 2 。以固定支撑端 为零点，假设人体重心高度为h 。由于人体保持静止，根据力学平衡原理得公式2 ： m 2 宰厶= m + m 。木 公式2 亩公式l 、2 可得人体重心高度： 矗：丝掣 公式3 m 一 由公式3 可以看出，人体重心高度的计算与木板的重量、木板的重心位麓没有 直接关系，只与m 2 一m l 有关。也就是说只与测力端的受力变化有关。所以测力前 测力端不需要调零。只要测力端读数变化能够正确反映受力变化即可。 一维重心板结构比较简单，所需器材也比较廉价，容易普及开展。当然它的缺 点也是显而易觅的。它只能测量一个方向的重心，测试步骤也比较繁琐，需要多次 读数，而且只能测量静态的重心。同时由于长木板的长度必须大于人体的高度，造 成一维重心板体积较大( 长度一般在2 m 左右) ，移动携带非常不便。 3 1 2 二维重心板测试原理 随着电子技术的发展，基予压力传感器和电子计算机的称重设备以其快速、准 确的特点给称重带来了极大的方便。在此基础上产生了二维重心板。二维重心板主 要有三支点二维重心板和四支点二维重心板两种。 3 1 2 1 三支点二维重心板 l e 测力点3 图4 三支点二维重心板模型图 如图4 所示，三支点二维重心扳嘲一块能供人平躺的长本板和三个测力点组成， 山东师范大学顺七学位论文 三个测力点分别安置在木板一端的两个顶点和另一端的中间位置。三个测力点由压 力传感器构成，所测量的数据直接送给单片机或上位高性能计算机进行计算。 测量前，由于木板的压力，三个测力点的测量值分别为m i 、m 2 、m 3 。测量时， 人平躺在长木板上，这时三个测力点测量值为m 1 1 、m 2 、飓。则人体重量m 为： m = ( m l + m ：+ m ；一m l m 2 一m 3 )公式4 以图4 中测力点l 所在的点为坐标轴原点，以木板长度方向为横轴方向，以木 板宽度方向纵轴方向建立坐标系。假设当前受试者的重心坐标为( x ，y ) ，则测试平台 空载时的受力模型和测试时的受力模型如图5 和图6 所示： x 轴空载时的受力 m 1 + m 2m 3 x 轴测试时受力 蓬sx 轴方向空载和测试时的受力模型 m 1 km 3 m 2m m 3m 2 y 轴空载时受力模y 轴测试时受力 图6y 轴方向空载和测试时的受力模型 由于人平躺在测试平台上，整个系统中没有垂直于地面的加速度。根据力学平 衡原理，可得出下列公式： m 串x = ( m ：一m 3 ) 幸l l m 事y = ( 醚：一m 3 ) 搴l 2 趁+ ( 醚：一m 2 ) 枣l 2 由公式4 、5 、6 可得出人体重心位置为： x 絮_ 二_ _ 二_ 一 ( m 3 一m ，) 事l l ( m l + m 2 + m 3 一m l m 2 一m 3 ) 公式5 公式6 公式7 l l 山东师范大学硕十学位论义 y = 等等等等卷等 公式8 。 f m ，+ m ，专m ，一m ，一m ，一m ，) 一一。 在公式7 、8 中l l 、l 2 是固定的，其余的所有数据均出传感器测量得出。只要 把公式固化到软件中，结果无需人的干预就可以马上计算出来。由于计算机的计算 速度快，测力点可以每隔很小的一段时闻采集一次数据并计算出一个结果。这些计 算的值汇集起来就实现了人体重心的动态测照。 可以看出三支点二维重心板不仅可以测量两个方向上的人体重心位置。而且操 作简单、测量速度快、实现了人体重心的动态测量。 三支点= 维重心板也存在缺点，出于只有三个点支撑，人体在重心板上移动时 容易造成侧翻。和一维重心板一样，三支点二维重心板也存在携带不方便的缺点。 3 。1 2 2 四支点二维重心板 图7 四支点二维重心板模型图 四支点二维重心板测力原理和三支点二维重心板原理一样，只是多加了个测 力点，解决了三支点二维重心板容易侧翻的问题。但依然存在着体积庞大，不易携 带的缺点。 3 1 3 折叠式多功畿人体重心测量仪测试原理 缩小测试平台的体积可以解决重心板携带不便的闯题，但是测试平台的不能小 于人体的长度这个条件测试平台体积的缩小。所以就需要把测试平台设计成可折叠 式。 1 2 山东师范大学硕+ l ：学位论文 3 1 3 1 基本构成 固定支撑点 图8 折叠式多功能人体重心测量仪测试平台模型图 如图8 所示，折叠式多功能人体重心测量仪的测试平台主要由“主体部分”和“辅 助部分 两个部分组成，主体部分和四支点二维重心板一样，分别在四个顶点上各 放置一个压力传感器，形成四个测力点。辅助部分和主体部分是可拆装的。安装上 以后，辅助部分一端紧紧的与主体部分扣在一起，另一端依靠一个固定的支撑点支 撑。 3 1 3 2 测量原理 3 1 3 2 1 主体部分测量原理 当测量站姿、坐姿等非卧姿的重心时，只使用主体部分就足够了。这时受试者 身体在主体部分，只要身体不移动到辅助部分一侧，辅助部分就不会对主体部分造 成任何影响。当然也可以把辅助部分直接拆掉。 x 轴受力模型 + m 4 y 轴受力模型 + m 4 图9 折叠式多功能人体重心测量仪的主体部分受力模型图 测量前，用软件的方法把四个测力点所受的压力归零。测量时，受试者站着或 坐在测试平台的主体部分，以图8 中测力点l 所在的点为坐标轴原点，以木板长度 山东师范大学硕i ：学位论文 方向为横轴方向，以木板宽度方向纵轴方向建立坐标系。假设当前重心坐标为( x ，y ) ， 受力模型如图9 所示，这时蹬个测力点的测量值为m l 、m 2 、m 3 、。这时人体的 重量m 为： m = m l + m 2 + m 3 + m 4 公式9 根据力学平衡原理可以得出下列公式： m 章x = ( m 3 + m 4 ) 幸b 公式l o m 毒y = ( m 2 + m 4 ) 幸k 公式l l 由公式9 、1 0 、l l 得出人体重心健置为： x ： ! 坚坚g 芷兰l 公式1 2 m l + m 2 + m 3 + m l 。 y = 嚣瀚 公和 v = - 二主蕊二二_ 一0 霹，l 。 m + m ，+ m ，+ m 。 和其他二维重心板一样，只要把公式固化到软件中，结果无需人的干预就可以 马上计算出来。如果测力点每隔很小的一段时间就采集一次数据并计算也一个结果。 这些计算的值汇集起来就实现了人体重心的动态测量。进一步根据重心的轨迹推算 出平衡能力特点。 3 1 3 2 2 使用辅助部分时的测量原理 当测量平躺或卧姿的时候就需要把辅助部分用上。测量前，用软件的方法把四 个测力点所受的压力归零。并假定固定支撑点承重也是零。 ， 测量时先让受试者站在主体部分测量体重。这时四个测力点的测量值分别是 m l 、鹏、陇。由于这时受试者站在主体部分，没有对辅助部分造成影响，所 以人体体重m 就是四个测力点受力总和： m = m 1 + m 2 十m 3 + m 4 公式1 4 然后让受试者平躺在由主体部分和辅助部分构成的整个测试平台上。这时四个 测力点的测量值分别是m ，、醚2 、m 3 、m 。，假设现在霾定支撑点承重m ，。受力 模型如图l o 所示： 1 4 山东师范人学硕：t 学位论文 m l + m 2 m 3 + m 4 m 5 x 轴受力模型 m l + m 3 m 5m 2 + m 4 m y 轴受力模型 图1 0 使用辅助部分时测量仪的受力模型图 由于受试者从站立到躺下整个测试平台的总承重没有变，只是重量分布改变了， m 1 + m 2 + m 3 + m 4 = m l + m ；+ m ：+ m j + m 5公式1 5 移项得： m 5 = m l + m 2 + m 3 + m 4 一m ：一m ：一m ：一m ： 公式1 6 以图8 中测力点l 所在的点为坐标轴原点，以木板长度方向为横轴方向，以木 板宽度方向纵轴方向建立坐标系。假设当前重心坐标为( x ，y ) ，根据力学平衡原理可 以得出下列公式： m 乖x = ( m ：+ m j ) 幸l l + m 5 木( l l + l 2 )公式1 7 m y = ( m 2 + m j ) 宰l 3 + m 5 幸l 3 2公式1 8 由公式1 4 、1 5 、1 6 计算得： x21 坚立坚；2 ：兰! ! 坚! 丝t 坚：塑! 二塑二坚；二坚；二坚；2 1 坐! 兰2 1 m l + m 2 + m 3 + m 4 公式1 9 亿 l y y 山东师范火学硕： ：学位论文 v ：坚；坚；! ：兰丛塑! 竖立塑坚t 塑二塑二塑塑；2 ：兰2 堡公式2 0 。 m l + m 2 + m m 4 幽公式1 9 、2 0 可见，固定支撑点的受力值m 5 弗没有出现在最后的计算公式中， 也就是说这个支撑点是否可以测量数据并不重要。这样就可以把它设计成一个不带 传感器的固定安装点，诖辅助部分不包含任何的电子设备。这样就使主体部分和辅 助部分在拆装过程中不需要改变任何的电子装置，增强了系统的易用性和稳定性。 公式里面所包含的数据l l 、l 2 、l 3 是闯定的，其余的所有数据均由传感器测量得出。 所以可以把公式固化到软件中，结果就会自动的计算出来。如果测力点每隔缀小的 一段时间就采集一次数据并计算出一个结果。这些计算的值汇集起来就实现了人体 重心的动态测量。 在使用辅助部分测试人体仰姿或卧姿重心的时候，要求受试者身体不能有与地 面垂童方向的运动。因为一旦受试者身体有垂直的运动，就难免产生垂直方惫的加 速度，这样五个支点所受到的压力总和就会大于或者小于人体的重量。就无法利用 公式1 9 和公式2 0 来计算人体重心。 测量仪的五个受力点组成一个五边形，虽然其稳定性上比三支点的三角形要提 高很多，但是毕竟存在悬空的位置，还是有一定翻倒的可能性。需要测试人员和受 试者稍加注意。 3 1 4 六支点人体重心测量仪测试原理 固定支撑点 固定支撑点 图1 1 六支点人体重心测量仪模型图 如图1 l 所示，六支点体重心测量仪是在设计过程中螬经考虑过的个模型，通 过在辅助部分的支撑端放置两个固定支撑点。使它能够在保持孤支点折叠式多功能 入体重心测量仪优点的基础上，还能有效地克服五支点折叠式多功能入体重心测量 1 6 山东师范人学硕1 ：学位论文 仪在防翻方面的不足。 它的测试步骤和五支点折叠式多功能人体重心测量仪的测试步骤一样。在正式 测量前，用软件的方法把四个测力点所受的压力归零。并假定两个固定支撑点承重 为零。 测量时先让受试者站在主体部分测量体重。这时四个测力点的测量值分别是 m l 、m 2 、m 3 、m 4 ，由于这时受试者站在主体部分，没有对辅助部分造成影响，所 以人体体重m 就是四个测力点受力总和： m = m 1 + m 2 + m 3 + m 4 公式2 1 然后让受试者平躺在由主体部分和辅助部分构成的整个测试平台上。这时四个 m 。、m ：。、m ，、m 。，假设现在两个固定支撑点承重m ，、m 。( m ，、m 。未知) 。由 于受试者从站立到躺下整个测试平台的总承重没有变，只是重量分布改变了，即： m i + m 2 + m 3 + m 4 = m ：+ m ：+ m ：+ m ：+ m 5 + m 6 公式2 2 移项得： m 5 + m 6 = m l + m 2 + m 3 + m 4 一( m ：+ m ：+ m j + m ：) 公式2 3 以图1 1 中测力点1 所在的点为坐标轴原点，以木板长度方向为横轴方向，以木 板宽度方向纵轴方向建立坐标系。假设当前重心坐标为( x ，y ) ，根据力学平衡原理可 以得出下列公式： m 木x = ( m ：+ m ：) 幸l l + ( m 5 + m i ) 宰( l l + l 2 ) 公式2 4 m 木y = ( m ：+ m j + m 6 ) 宰l 3 公式2 5 计算得： x ：! 坚；坚12 ：兰! ；塑! ：塑2 ：竺i ：兰4 二坠坚 坚3 二塑；! ：坐! 兰1 2 公式2 6 m l + m 2 + m j + m ：一m l m 2 一m 3 一m 4 y = 丽d 等糕筹高河 馘2 7v = - 二= 二= 二_ ：l 一