（生物医学工程专业论文）足底三维压力检测系统.pdf

上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h er e s e a r c ho ft r i d i m e n s i o np r e s s u r eb e t w e e np l a n t a rs u r f a c eo ft h eg r o u n da n d t h es h o ew a sa p p l i e dt oa n a l y z et h em o v e m e n to fp r o f e s s i o n a la t h l e t e s t 1 1 i sp a p e r e x p l o r e dt oc o n s t r u c tan o v e ls y s t e mf o rs i m u l t a n e o u s l yd e t e c t i n gt h ev e r t i c a l p l a n t a rp r e s s u r ea n da n t e r i o r - p o s t e r i o ra n dm e d i “- l a t e r a ls h e a rp l a n t a rp r e s s u r e s t h eo v e r a l lg o a lo ft h i ss y s t e mw a st oa s s i s ta t h l e t i ct r a i n i n ga n dg i v eag u i d a n c et o c o m p e t i t i v es p o r ts t u d y t h ef u n c t i o na c h i e v e db yt h i ss y s t e mi n c l u d e d ：t r a n s f o r n l t h et r i a x i a lp r e s s u r eo nf o o t - g r o u n di n t e r f a c et oa n a l o gs i g n a l ，c o n v e r tt h ea n a l o g s i g n a lt od i g i t a ls i g n a l ，r e c o r da n dt r a n s m i tt h ed i g i t a ld a t a , r e c e i v ea n ds t o r a g et h e r fd a t a ，r e a l t i m er fd a t ad i s p l a ya n do f f i i n ed a t ar e p l a y i nt h em e a n w h i l e ，t h i s s y s t e mw a sd i v i d e di n t ot h r e eu n i t s ：t r i d i m e n s i o np r e s s u r ed e t e c t i o nu n i t ，p r e s s u r e d a t ac o l l e c t i o nu n i ta n dw o r k s t a t i o nd a t ap r o c e s s i n gu n i t t h et r i d i m e n s i o np r e s s u r ed e t e c t i o nu n i tw a sd e s i g n e da n df a b r i c a t e dw i t ha n o v e lm e c h a n i c a ls t r u c t u r eu s i n gan e wp i e z o e l e c t r i cm a t e r i a l i tc o u l dd e c o m p o s e t h ep e d a l i n gs t r e n g t ho fh u m a nf o o ta n dt l l es u s t e n a n c eb e t w e e nt h ea t h l e t e s 仃e a d a n dt h eg r o u n di n t ot h r e eo r t h o g o n a lf o r c e s t h e nt h et h r e ef o r c e st r a n s f o r m e dt o e l e c t r i cc h a r g es i g n a lu t i l i z i n gt h ep i e z o e l e c t r i c i t ym a t e r i a l p v d f b a s e do nt h e s e c o n d o r d e l n o n l i n e a rm o d e lo ft h ei m p a c tm a c h i n es y s t e m ，at e s t - b e dt os i m u l a t e t h ei m p a c to nt h ef o o t g r o u n di n t e r f a c ew a sd e v e l o p e dt ov a l i d a t et h et r i - d i m e n s i o n p r e s s u r ed e t e c t i o nu n i t t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sw e l la g r e e dw i t ht h et h e o r e t i c a l c u r v eo b t a i n e dw i t ht h ei m p a c to ft h en o n l i n e a rm o d e ld u a ls y s t e m i np r e s s u r ed a t ac o l l e c t i o nu n i t ，t h eu l t r al o wp o w e rm c u ，l o wc u r r e n tc o s tr f m o d e l a n dt h el a r g ec a p a b i l i t ys dm e m o r yc a r dw a su s e d w i t ht h eh e l po fa d c o n v e r t e re m b e di nt h em c u ，t h ed a t ac o l l e c t i o nu n i tc o u l da c q u i r et h ee l e c t r i c c h a r g es i g n a lc o m i n g f r o mt h et r i d i m e n s i o np r e s s u r ed e t e c t i o nu n i t a n dt h ed i g i t a l s i g n a lc o u l db er e c o r d e di n t os dc a r do rt r a n s m i t t e dt ow o r k s t a t i o n t h ew o r k s t a t i o nd a t ap r o c e s s i n gu n i tc o u l dr e a l i z er fd a t ar e c e p t i o n ，s t o r a g ea n d r e a l t i m ed i s p l a y a tt h es 龇r n et i m e ，t h ed a t ar e c o r d e db yt h ec o l l e c t i o nu i n tc o u l d b er e p l a y e di nt h i su n i t t h e r ew e r et h r e ee x p e r i m e n t s ，w h i c hw e r eb a s e do ns dc a r d ，r fm o d e l ，a n dt h e w h o l es y s t e mr e s p e c t i v e l y , t oa s s e s st h et e c h n i c a lp e r f o r m a n c eo ft r i d i m e n s i o n p r e s s u r ed e t e c t i o nu n i t ，p r e s s u r er e l a t e dd a t ac o l l e c t i o nu n i t ，a n dw o r k s t a t i o nd a t a p r o c e s s i n gu n i t e x p e r i m e n td e m o n s t r a t e dt h a tt h en o v e ls y s t e md e s i g n e di nt h i sp a p e rc o u l d v e r a c i o u s l yr e c o r da n dr e a l t i m ed i s p l a yt h et d d i m e n s i o np r e s s u r eb e t w e e nt h ep l a n t a rs u r f a c e o ft h eg r o u n da n dt h es h o e i na d d i t i o n ，t h ew o r ke s p e c i a l l yt h es h o r t c o m i n g si nt h i sp a p e rw a s s u m m a r i z e da n ds o m ei d e a sa n de n v i s a g e ai nt h en e x tp h a s eo fr e s e a r c hw e r ep u tf o r w a r d k e y w o r d s ：t r i d i m e n s i o np r e s s u r eb e t w e e np l a n t a rs u r f a c e ，d a t ac o l l e c t i o n 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 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发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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了谢意。 签名：毖幽塑固日期：2 望：兰：哆 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 日期：必 上海大学硕士学位论文 第一章足底三维测力研究进展 1 1 足底相互作用力的研究意义 鞋与地之间的相互作用力( 足底压力) 是改变人体运动状态的重要因素。也 是运动生物力学极其重要的研究方向。尤其是在现代国际竞技体育竞争日益激 烈，运动生物力学研究在竞技体育科研备受重视的今天，通过研究鞋地间相互作 用力来分析技术动作、建立正确动作模式、确定动作依据成为促进体育科研与科 学训练一体化的一个重要环节。 得益于2 l 世纪信息采集、检测技术的进步，特别是现代计算机技术、生物技 术、声、光、电、磁技术的发展，测量技术水平得到了极大提高。随之产生的先 进测试仪器应用于竞技体育研究领域，又极大丰富了竞技体育研究的理论基础和 研究方法，为改进运动技术提供理论依据，使体育科研的研究成果大大增加。从 而产生了一系列按照人体形态、机能等生物力学特征设计、改进的运动器械设施 和生产生活工具。同时，各级教练员将自己的经验与竞技体育理论研究成果相结 合，摆脱以往完全经验主义的做法，不断改进运动技术训练模式，及时纠正错误 技术动作，分析、诊断高水平运动员训练效果，从而达到提高训练技术含量、尽 快提高运动成绩的目的。目前，竞技体育训练的研究工作主要集中于运动学和动 力学两方面。 运动学的研究方法主要是通过摄影、录像及其解析装置获得连续动作图像、 采集运动学参数。国内对田径运动的运动学分析，多是使用高速摄影机从侧面或 后面进行拍摄，通过分析影片，做出各关节角度与时间关系的曲线或水平速度与 时间关系的曲线，从而获得各关节角度在不同时间段上的变化和水平速度的变化 情况来分析运动技术动作。 动力学的研究方法是通过跟踪测力系统采集动力学参数，然后应用力学知识 对田径运动技术进行分析并建立运动技术模型，以指导运动训练。动力学研究方 法，一般采用动态测力或三维动态测力的方法来获得动力参数。其依据是当人体 上海大学硕士学位论文 运动状态发生变化时，足底压力和压强分布都会发生相应的改变。通过对人体静 止或动态过程中的足底压力和压强分布的研究，可以揭示步态的运动特性和动力 学特征。结合不同状态下足底压力参数，可以揭示不同足底压力分布特征和模式 与人体运动状态的关系。本文研究的鞋与地间三维相互作用力，是指把作用于人 体足部( 鞋底) 的作用力( 方向未知的矢量) 在空间中分解为三个相互正交的作 用力( 三个方向已知的矢量) ，这三个力分别为与地面垂直的正压力、水平向前 的切向力以及与前两者正交的侧向力。 对田径运动项目来说，运动员的技术动作与地面对鞋的三维相互作用力及其 分布有着密切的关系。鞋地间的三维相互作用力，决定了运动员的步频、支撑时 间、腾空时间及蹬地力、支承力等技术参数。通过分析运动员鞋与地面间的三维 相互作用力，可以得出运动员落地时技术动作是否正确；起跳、发力动作是否高 效。准确获得运动员运动过程中鞋与地面间三维相互作用力的运动学数据和动力 学数据，研究运动员发力状态与运动成绩的关系，还可以精确指导目标科目的训 练，成倍提高训练效果和运动成绩。精确采集、科学分析运动员在运动中鞋与地 面间的三维相互作用力的数据，也可以为运动员的选才、制定训练计划提供科学 的依据，同时相关研究成果也会促进步态研究、运动鞋设计等领域的发展。 1 2 足底相互作用力检测技术概况与发展 鞋地间三维相互作用力产生于人体的运动过程，是鞋在承受人体自身重力作 用下，受到的地面反作用力t 2 l 。鞋与地间( 以及鞋与足底间) 的作用力采集、测 量技术是运用压力测量仪器对静止或者运动状态下人体足底作用力以及其它相 关参数进行采集、测量，以分析不同状态下鞋地间( 以及鞋与足底间) 的压力参 数，从而实现揭示步态运动学特性和动力学特征的目的日1 。 足底作用力采集、测量技术早在1 9 世纪末2 0 世纪初就曾经有研究人员尝试， 但他们的研究由于缺乏测量鞋地间作用力的传递装置而受到限制。2 0 世纪5 0 年代 以后，作用力测量技术得到了较快发展，所采用的技术手段根据测量原理分为： 直接复印测量技术、足底压力扫描技术、测力板及测力台技术、压力鞋及压力鞋 垫技术4 1 t 5 l 。 2 上海大学硕士学位论文 直接复印测量技术，也称为脚印测量技术，是人踩在易变形物质制成的垫子 上表面使垫子发生形变，足部各部位的压力大小即可根据垫子上痕迹的形态作出 大致判断，但是该技术不能得到瞬时压力的变化规律。 足底压力扫描技术是在一块刚性透明玻璃的两端安置光源，依靠人自身体重 使足底与透明玻璃间的薄片变形，破坏玻璃板内部的全反射光路，再通过摄像机 采集玻璃与薄片接触的影像，获得正比于压力的数字化影像；该方法空间分辨率 较高，随着计算机及图像处理技术的发展，基于足底压力扫描技术的动态压力测 量和分析也成为可能1 6 1 。 测力板、测力台，压力鞋和鞋垫则是在传感器基础上发展起来的测试系统。 传感器主要应用电阻应变片，导电橡胶咖，压变电容钉，压变电阻1 0 1 等技术。 同时，足底压力测量技术又分为只测量足底正压力的二维测力系统和能够同时测 量足底正压力、切向力的三维测力系统。 部分测力板( 台) 可以测量整个足部的三维受力受力情况，如瑞士k i s t l e r 公 司生产的三维测力平台1 及三维测力系统 1 1 1 爱捷三维测力子系统 1 2 1以及 e j h e y w o o d 等人研制的结合小型压力传感器、弹性体支架分布电容变化的混合 式三维测力系统1 1 3 1 ；国内清华大学邓晓楠、王人成等研制的人体动态、静态反 力检测系统1 1 4 1 。 但是测力板( 台) 测试结果难以反映足底( 鞋底间) 的压力分布，所以出现 了将力板分割为若干较小测量单元钉的载荷单元测试技术。j e f f r e yr ，m a c k e y ， b l d a v i s 等研制的采用光纤阵列传感器的足底三维压力平台n 6 1 即属于此类，其 获得足底压力分布的空间分辨率可以达至w j 8 m m 。 三维测力板( 台) 测试技术能测量足底的三维合力及三个分量，载荷单元测 试技术能测量足底压力分布，但是两者的共同缺点是测量面积有限，只能测量站 立，或步行一步、几步的参数。为了使测试者足底与测力台的有效接触面积最大， 测试者在踏上测力板( 台) 前需要调整步伐，也就影响了步态的趋势与稳定性， 限制了该类测试系统的应用1 1 7 1 , 另外，由于测力台( 板) 的结构，测试人员一 般是赤足或者仅着柔软性织物作测试，限制了该类采集、测试系统在研究穿着田 径鞋的运动员完成技术动作时足底三维作用力测量工作的研究。 为了克服测力台( 板) 有限测量面积的限制，研究人员进行了可穿戴式测力 3 上海大学硕士学位论文 鞋的研究工作。其中针对垂直压力数据的采集工作国外进行了二十多年1 1 5 1 开 发出的传感器阵列柔软、可裁减，且传感器密度大，能够在不影响被测对象的情 况下实现对日常生活中整个足底压力分布的测量，而且测量密度比较高，借助配 套的分析软件，可以得到人体站立或步行时足底与支撑面之间的压力分布状态。 压力鞋和鞋垫是将传感器安置在鞋和鞋垫中，可以连续测定足压、时间等参数， 并可以进行实时反馈。 目前，运用最多的是鞋垫式足底压力测量技术，它可以根据研究需要，调整 压力鞋垫的大小，并可以在不同种类的鞋子上进行测量。该技术已经在临床足疾 诊断、运动鞋设计、步态分析等领域得到广泛应用。国内韦启航，陆文莲，傅祖 芸等设计的采用硅压阻敏感元件作为足底压力传感器的压力鞋，可用于对足底关 键解剖区域的压力测量1 1 9 i , 成熟的产品有德i 虱n o v dp e d a r 鞋垫式足底压力分布 测量系统1 2 0 1 以及t e k s c a n 压力分布测量系统2 等。 但是上述可穿戴式测力鞋及鞋垫产品只限于垂直于地面的正向压力测量，还 不能完成包含足底切向力的三维压力测量工作。造成足底( 鞋地间) 三维相互作 用力研究不足的另一个重要历史原因是，足底( 鞋地间) 正压力的意义在生物力 学和临床医学中的要大于切向力。目前，研究人员陆续开展了有关可穿戴式足底 三维压力数据采集系统的研制，台湾l u p i n gc h a o ，c h i n g - y a ny m 研制的足部 多维力测量系统；英国k e n t 大学的ea k h l a g h i ，m gp e p p e r q ! e 1 9 9 6 年采用新型压 电材料p v d f t r f e 设计的鞋底水平切向力测量系统：k e n ts h e a rs y s t e mt 2 2 1 以及 m a r a z i a n ，m gp e p p e r 在2 0 0 3 年再次采用p v d f t r f e 设计制作的足底三维压力 测量系统1 2 3 1 。国外两系统均采用新型压电材料p v d f t r f e 作为力电荷转换的核 心材料，所制作的传感器尺寸小巧、轻便。台湾研究人员设计制作的系统则可以 获得被试者行走过程中前脚掌与足根部的三维力与三组力矩值的信息1 2 4 1 0 此外，c h r i s t i a nl i e d t k e ，s t e v e n a w 等设计了采用a t i 力传感器的三维测力 鞋系统，该测力鞋系统将两只a t i 力传感器安置于足根与前脚掌，并在传感器周 围安置了光学定位系统以标定足部重要的解剖学部位1 1 7 1 0 还有s j m o r r i s ，j a p a r a d i s o 等人研制的集成了四只力敏电阻传感器、两只p v d f 压电传感器、两对电 阻应变片传感器以及具有无线发送功能的足部运动信息实时反馈系统，该系统所 采用的传感器分别放置于脚踝、跖骨、脚趾位置，通过相互之间数据的配合以获 4 上海大学硕士学位论文 得足部整体的运动、受力信息1 2 5 1 。 可以看出与现有足底二维压力( 正压力) 测量系统相比，三维测力鞋的相应 仪器和相关技术还不完善，国内状况尤其明显。而对于已经实际应用的三维测力 系统，如临床检查和治疗的接触力传感器1 2 6 1 鞍马鞍环三维测力传感器1 2 7 | 铅 球三维测力传感器1 2 8 1 双杠三维测力传感器2 9 1 等等，都能够获得比二维测力器 件更加细腻、丰富的反应人体活动的信息，能够更加真实的反应人体运动状态的 特征，更加真实的反映人体运动的动力学特性。 但是目前三维测力装置、传感器以及足底三维测力鞋系统所采用的传感器体 积庞大( 仅仅能够在前脚掌和足跟分别安置一只传感器) ；虽然采用p v d f t r f e 压电材料制作的传感器小巧、轻便，能够获得足底多点的压力数据，但其量程为 1 0 0 0 n ，还只是应用于行走步态的测量，并且这类材料在运动竞技训练这种高强 度检测系统中的应用还处于尝试阶段。 1 3 本文的主要工作与创新 本课题是由上海大学通信与信息工程学院、上海大学生物医学工程研究所与 上海体育科学研究所、上海大学体育学院经过长时间研讨共同提出的，研究一种 可用于同时采集鞋地间三维相互作用力的检测系统，实现鞋地间三维相互作用力 的采集和测量，分析足底( 鞋地间) 三维相互作用力与体育运动状态的关系。 本论文是该课题中的一部分，主要工作集中在实现鞋地间三维相互作用力的 采集和显示，通过设计、研究一种针对田径运动，可用于同时采集鞋地间三维相 互作用力的新型检测系统来获取鞋地间三维作用力。系统包括一种能够同时获得 鞋地间三维相互作用力的新型测力器件、采集作用力的数据采集卡以及相应的上 位机处理部分。系统需具备的功能包括足底鞋地间三维作用力与电信号的转换， 电信号的采集、存储、无线传输以及所采集数据的显示。本文的研究内容主要集 中于三维测力器件原型设计，三维测力器件信号的采集、存储、无线传输，以及 鞋地间三维相互作用力原始数据的显示工作。具体工作和创新包括： ( 1 ) 设计一种可用于同时检测田径运动中鞋地间三维作用力的新型测力器 件，该器件采用新型压电材料和一种新颖的机械机构； 5 上海大学硕士学位论文 ( 2 ) 设计一种专门的实验平台对三维测力器件输出特性做测试； ( 3 ) 设计穿戴式数据采集卡，完成三维测力器件信号采集、数据文件的s d 卡存储以及无线传输功能； ( 4 ) 设计上位机处理单元，完成三维测力器件信号数据的无线接收、存储 及实时显示； ( 5 ) 设计相关实验检验数据采集卡、上位机处理单元以及足底压力检测系 统的工作状态。 1 4 论文结构 以下为本论文各个章节的结构： 第一章：介绍本课题的研究意义和国内外相关研究的进展； 第二章：针对本课题研究对象的特点，阐述本文的研究、探索思路以及系统 的总体设计方案； 第三章：设计、研究一种新型，可用于同时检测田径运动中鞋地间三维相互 作用力的测力器件模型，并在自制试验台上对该原型器件的输出特性进行测试； 第四章：介绍数据采集卡的设计以及上位机接收、显示、存储等功能的具体 实现； 第五章：对三维测力器件、数据采集卡的组装、检验测试，以及包括上位机 处理单元的检验测试； 第六章：对本课题研究工作的总结和存在问题的展望。 6 海大学卿i 学位论文 第二章足底三维压力检测系统的整体设计 2 1 足底三维压力检测系统的系统结构 本文提出的足底二维雎力检测系统所要实现的主要功能包括：足底( 鞋地问) 三维相互作用力信号一电荷信号的转换；作用力信号的采集：数据文件的s d 卡存 储；数据文件的无线发射；数据文件的无线接收：接收数摒文件的保存以及显示。 其中，显示包括接收无线数据的实时显示和s d 卡数扼：文件的离线显示。 包含上述七个功能的足底压力检测系统功能模型如幽2i 所示： 图2i足底三维乐力检测系统功能楔碰削 系统的 述功能根据实现载体的差异，分别由三个单元柬实现，玑 二维测力器件单元( 以下简称三维测力器件) ：完成足底( 鞋地间) 三维相 互作用力电荷信号转换： 作用力数据采集膏单元( 以下简称数据采集 ) ：先成作用力信号的采集、 数据文件的随机存储和无线发射； 作用j 上位机处理单元( 以f 简称上位机处理单元) ：完成作用力数据的上 位机接收、存储和显示。足底三维相瓦作用力检测系统的功能结构如 图22 所示： 上海大学硕士学位论文 足底三维压力检测系统 三维测力器件单元li 作用力数据采集卡单元 压力电荷 信号转换 功能 信号 采集 功能 数据 无线 传输 功能 数据 随机 存储 功能 作用力数据上位机处理单元 无线 数据 接收 功能 接收 数据 存储 功能 数据 显示 功能 图2 2 足底三维压力检测系统功能结构图 三维测力器件单元完成鞋地间三维相互作用力信号电荷信号的转换。该器 件由自己设计制作，采用了新型材料p v d f 压电薄膜和一种新颖的机械结构。借 助该器件将鞋地间三维相互作用力转化为可测量的电荷信号；电荷信号经过“电 荷电压转换”电路处理，得到可测量的电压信号；模拟电压信号被a d 转换器采 集为数字化数据，通过无线传输方式发射至上位机作实时处理，或者输入存储卡 随机保存再通过计算机做离线处理。其中数据的随机保存作为采集数据无线传输 功能的补充，可以在无线信道受干扰时备份数据，保证记录数据的完整性。考虑 系统的功率消耗，数据的随机保存功能与数据的无线传输功能并不同时使用。上 位机的无线接收功能负责实现数据采集卡发射数据的接收，并在上位机上保存和 实时显示原始采集数据。 三维测力器件、数据采集卡、上位机处理三个单元是足底三维压力检测系统 的核心，也是本文的主要工作内容和研究重点。下面将分别介绍三个单元的总体 实现方案。 2 2 三维测力器件设计方案 2 2 1 三维测力器件整体设计 为了实现田径运动员实际训练过程中穿着钉鞋时鞋地问三维相互作用力的 采集，首先要实现的是三维测力器件的小型化设计，以保证在测量鞋地间三维相 互作用力时不干扰运动员正常运动状态。这就要求三维测力器件除了满足测量量 上海大学硕士学位论文 程、灵敏度、测量精度、分辨率等指标外，还应满足结构坚固、性能稳定、轻便 小巧、不妨碍运动员行动，不改变鞋地间相互作用力在运动过程中的自然分布状 态等要求。 在实际运动过程中，运动员足跟部位基本不触地，前脚掌部位的鞋钉与塑胶 跑道的作用力成为改变运动员运动状态的主要因素，因此，可将足底三维压力数 据的采集工作转化为对跑鞋前脚掌鞋钉的三维力采集。 本文设计的三维测力器件采用一种特别的机械结构，把作用于测力器件的力 分解为立体空间中相互正交的三个力，这三个力分别作用在三组p v d f 测力薄膜 上，利用p v d f 材料的压电特性，完成“作用力电荷”信号的转换。配合自制 电极、电荷放大器以及低噪声屏蔽线获取转换得到的电荷信号，从而完成“鞋地 间三维相互作用力电荷信号的转换，为进一步记录鞋地间三维相互作用力 信号做准备。 2 2 2 三维测力器件动态响应指标 运动员在短跑运动中每一步的运动状态可以看作一个伴随水平摆动的抛体 运动，即每一步都以支撑脚与地面的斜向上的力为初始作用力，运动员身体作斜 向上的运动，当到达最高点时再作水平速度不为零的落体运动；于此同时运动员 身体还伴随着水平方向的摆动。本文中规定使运动员作上升运动的力为垂直力( z 向力) ，使运动员前进的力为水平切向的前向力( x 向力) ，使运动员身体水平摆 动的力为水平切向的侧向力( y 向力) 。e p z 向力与鞋地间平面垂直，x 向力与人 体额面垂直，y 向力与x 向、z 向力垂直。 本文设计三维测力器件的动态响应范围必须大于运动过程中支撑脚承受的 x 、y 、z 三方向受力的最大值。为确定运动过程中三方向受力的最大值，以短跑、 跨栏运动为例，对运动员运动状态作如下受力分析。 l 、假设运动过程中运动员重心在垂直地面方沿抛物线运动，即水平方向为 匀速直线运动，垂直地面方向为初速度为零的抛体运动，对运动员整体做受力分 析，如图2 3 所示。 9 上海大学硕士学位论文 图2 3 运动员受力分析l f v 为地面给运动员的反作用力，g 为运动员自身的重力，h 为运动员重心垂 直方向的位移，f 为垂直方向受的合力，有：f = f v g 。 根据牛顿运动定律，运动员垂直地面方向的运动方程为： b 壹a v t ( 2 1 ) f = i t l a 。 取腾空时间t 0 2 s ，腾空高度h = 0 s i n ，运动员体重r n - 8 0 k g 3 0 1 3 1 1 计算 得到： f a v ，：= 2 5 + m ：s 2 fgm ( a + g ) ：2 8 0 0 n ( 2 2 )f v = += m ( a + g ) = 。 即运动中需提供的z 向受力需大于2 8 0 0 n 。 2 、将运动员水平方向的运动分为两阶段：第一阶段视为匀加速运动，第二 阶段视为匀速运动。认为运动员运动速度改变的力主要来自第一阶段的加速过 程。对运动员水平方向的受力运动状况作分析，如图2 4 所示。 v hv a o = o 图2 4 运动员受力分析2 以运动员前进方向为为正方向，假设运动员在9 秒内完成l o o m 的运动，并假 设运动员在前两秒完成加速过程后进入匀速直线运动阶段，则根据运动学定律 有： l o 上海大学硕士学位论文 s = v o 卅圭a h t 2 ( 2 3 ) i i l = i l a h 1 玟m = 8 0 k g ，t 0 2 s ，s 詈1 0 0 m 2 2 2 2 m ，计算得到： f b a n ：= 8 1 8 1 8 1 8 l n m s 2 9 0 0 n ( 2 4 ) r = 8 8 8 8 n 。 即运动中需提供的x 向受力需大于9 0 0 n 。 3 、此外足底还受另一个切向( y 向) 力，该力与水平力f h ( x 方向) 同处于 一个平面且互相垂直，该力使运动员重心左右晃动( 即这个力使运动员重心在垂 直于跑道与运动方向的平面内左右摆动) 。 从起跑阶段考虑该力，运动员起跑初速度v 0 = 0 ，假设运动员起跑用右脚 发力蹬地。规定运动员从左脚离地至第一次触地之间的运动为状态1 ，同一个状 态内运动员的横向摆动简化为匀加速直线运动，其运动参量分别表示为f l 、s 、 t l 、a l 、v l ，其中f 为脚掌在该阶段的一个切向力k ，s l 为该状态运动员重心摆 动的位移，t - 为该状态持续时间，a t 为该状态运动员在切向力k 作用下所具有的 加速度，v l 为该状态末时刻的瞬时速度。 规定运动员从左脚第一次触地到右脚第一次触底之间的运动状态为状态2 ， 同一个状态内运动员的横向摆动简化为匀加速直线运动，其运动参量分别表示为 f 2 、s 2 、t 2 、a 2 ，状态2 末时刻速度为v 2 。 类似的，规定运动员从右脚第一次触地到左脚第二次触地之间的运动状态为 状态3 ，同一个状态内运动员的横向摆动简化为匀加速直线运动，其运动参量分 别表示为f 3 、s 3 、t 3 、a 3 ，状态3 末时刻速度为v 3 。 规定状态1 中加速度的方向为正方向，对三个状态中运动员重心左右摆动作 计算，假设重心摆动位移3 0 c m ，运动员质量8 0 k g ，通过录像记录状态持续时间t ， 根据运动学定律 s b l i - - v h i l o + 妻a b l i t i i h 2 v 矗= v o + a 址t 址 ( 2 5 ) r h2 m h b a 址 上海大学硕士学位论文 计算结果如表2 1 ，其中状态n 的初速度为状态n 1 的末速度。 表2 1 运动员水平切向力受力分析 位移 初速度 状态持续时间加速度切向力 状态末 状态 v o ( m s ) t h h ( s ) a 2 ( m s 2 )k ( n ) ( m s ) s ( m ) 瞬时速度 ( m s ) 状态1 o 300 52 41 9 21 2 状态2 0 31 2 0 2 2 72 1 6 04 2 状态30 3_ 4 20 25 74 5 6 07 2 从表2 1 可以看出，状态2 的末速度在0 2 秒内可以位移0 8 m ，已经与实际情况 不符合，所以估算短跑、跨栏正常运动过程中y 向力k 的值d , 于2 1 6 0 n 。根据前 述估算得到的运动员足底，即鞋地间三维相互作用力三个方向的最大值分别为： f v = 2 8 0 0 n 瓦= 9 0 0 n k = 2 1 6 0 n 结合已经投入商业化应用的二维足底测力台( 鞋垫) ，其三维测力器件标称 最大测力值为6 5 n c m 2 ，正常成年人步行时足底前脚掌压力大约为4 2 4 9 n e r a 2 ， 据此推算现有足底压力测量系统所采用的三维测力器件“测量冗余量 大概为 3 5 0 o - , , 2 5 ，考虑3 5 的测量冗余，本课题所涉及的足底三维测力器件测力指标为 e = 4 3 0 7 n f h = 1 3 8 5 n k = 3 3 2 3 n 确定三维测力器件作用力响应范围： 沿x 方向为0 _ 一1 5 0 0 n ； 沿y 方向为0 _ 一3 5 0 0 n ； 沿z 方向为。一一5 0 0 n 。 2 2 3 三维测力器件其他指标 三维测力器件外形尺寸确定标准为能够代替跑鞋鞋钉，按照这个要求本文研 究的三维测力器件外形尺寸以及基本结构确定为： 正圆形底座，直径2 0 m m ( 不包括电极引线) ； 具有圆柱形的三维测力器件机械传力结构，能够嵌入正圆形底座，能够将作 1 2 上海大学硕士学位论文 用力在立体空间中分解为三个相互正交的力。 相关的具体细节以及三维测力器件的输出特性将在第三章详细介绍。 三维测力器件电极( 荷) 引线采用低噪声的双芯屏蔽线，电缆直径( 包括外 部绝缘层) ) 完成。 具体的输入输出操作分别是由i s t r e a m ( 输入流) 和o s t r e a m ( 输出流) 这两个类提 供的，为了允许双向的输入输出，由i s t r e a m 和o s t r e a m 派生出了i o s t r e a m 类。由 于i o s t r e a m 类不光支持对象的输入输出，同时也支持文件流缓冲的输入输出。和 文件有关系的输入输出类主要在f s t r e a m h 这个头类库文件中被定义，在这个头文 件中主要被定义了三个类，由这三个类控制对文件的各种输入输出操作，他们分 别是i f s t r e a m 、o f s t r e a m 、f s t r e a m ，其中f s t r e a m 类是由i o s t r e a m 类派生而来。o f s t r e a m 上海大学硕士学位论文 类是从内存到硬盘，i f s h - e a m 类则是从硬盘到内存，实现内存空间与硬盘的联系。 1 、文件的读取。以文件作为设备从文件读取信息，应该使用i f s t r e a m 类。应 用i f s t r e a m 类的实例读取文件，步骤包括：定义对象、指定文件到对象、定位文 件指针、读取文件内容、完成格式转换、关闭文件。由于文件设备并不像显示器 屏幕与键盘那样是标准默认设备，所以它在f s t r e a m h 头文件中是没有像c o u t 那样 预先定义的全局对象，所以我们必须自己定义一个该类的实例。在定义i f s t r e a m ( 或o f s t r e a m ) 类实例的时候，可以直接指定文件。也可以通过成员函数o p e n 0 把一个文件引用到一个类实例上。本文程序中通过如下代码实现： i f s t r e a mo r s ( f i l e p a t h n a m e ，i o s ：b i n a r y i o s ：i n ) ； 其中o f s 是定义的i f s t r e a m 类的实例，f i l e p a t h n a m e 是为该对象所指定文件的 文件名，f i l e p a t h n a m e f l j c f i l e d i a l o g 定义对象的