（生物医学工程专业论文）基于无线传输的竞走训练智能裁判系统的研究.pdf

燕山大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ew a l k i n gr a c ei st h et r a d i t i o n a lo l y m p i c sg a m e ，i ti st h eo n l yg a m e w h i c hn e e dj u d g c st e c h n i c b e c a u s eo ft h ec h a r a c t e r i s t i co fw a l k i n gr a c e ，t h e j u d g m e n ti ss od i f f i c u l t a i m e da tt h i s ，i n t e l l i g e n tj u d g m e n ts y s t e mf o rw a l k i n g r a c et r a i n i n gb a s e do nw i r e l e s st r a n s m i t t i n gt e c h n i q u ei sd e s i g n e d f i r s t ，t h ep a p e ra n a l y z e st h es t a t i ca n dd y n a m i cp r e s s u r eb e t w e e nh u m a n f o o ta n dg r o u n da c c o r d i n gt ob i o m e c h a n i c s ，e s p e c i a l l yt h ed y n a m i cp r e s s u r e w h e nw a l k i n gr a c e ，a t t e m p t i n gt ob u i l dt h ew a l k i n gr a c em o d e l a n dd i s c u s s i n g t h eo u t p u tb i g g e s tp o w e r 、s t a t i cf r i c t i o n 、s p e e dw h e nt h ea t h l e t ei sw a l k i n g s e c o n d ，b a s e do nt h em o d e lo ft h ew a l k i n gr a c e ，t h i sp a p e rd e s i g n e d c a p t u r i n gt h ef o u li n f o r m a t i o nc i r c u i t 、w i r e l e s st r a n s m i t t i n gc i r c u i ta n du s b t r a n s m i t t i n gc i r c u i tw i t hm s p 4 3 0 f 1 3 3 ，a n dc o r r e s p o n d i n gs o f t w a r e a m o n g t h e s e ，t w oc a p t u r i n gt h ef o u li n f o r m a t i o nc i r c u i ta r eg i v e n , t h ep a p e rc h o s eo n e ， t h es p a r ei sr e f e r e n c ec i r c u i tf o rl a t e rd e s i g n i n g a tl a s t ，t h et h e o r e t i cw i r e l e s st r a n s m i t t i n gd i s t a n c ei sg i v e n a n dv i at h e e x p e r i m e n to fw i r e l e s st r a n s m i t t i n g 、u s bt r a n s m i t t i n ga n ds oo n , e x p e c t a n t e f f e c t sa n dv a l i d a t e df e a s i b i l i t yo ft h i ss y s t e ma r eo b t a i n e d t h ee x p e r i m e n t r e s u kg i v e st h ep r a c t i c a lw i r e l e s st r a n s m i t t i n gd i s t a n c e w i t ht h ec o m i n go ft h e2 0 0 8o l y m p i c s ，t h es c i e n t i f i cd e v e l o p m e n to f w a l k i n gr a c eh a sb e e na ni m p o r t a n c eg a m ea th o m ea n da b r o a d ，b e c a u s eo f t h i s ， t h ep a p e re x p l o r e san e wj u d g m e n ts y s t e mf o r t h ew a l k i n gr a c et r a i n i n g ， h e l p i n gc o a c ho f f e ra ni m p e r s o n a l & u n i f o r ms t a n d a r d a nf a v o r a b l et e c h n i q u e g u a r a n t e ei so f f e r e df o rt r a i n i n g ，w h i c he l i m i n a t i n gt h es u b j e c t i v em i s p l a yo f t h ec o a c ha n dm a k i n gt h ea c h i e v e m e n t m o r ee x a c t k e y w o r d sw a l k i n gr a c e ，f o u l ，w i r e l e s st r a n s m i t ，u s bi n t e r f a c e 第1 章绪论 第1 章绪论 竞走是田径运动中一个古老而有趣的项目。它不受年龄、季节的限制， 也不需要什么专门的场地器材设备，无论在河边、树林、公园里、马路上 都可以练习。走步本是人们日常生活中最基本的活动技能，所以在这个有 利的基础上，掌握竞走技术也是比较容易的。经常练习竞走能够发展腿部、 腰部和背部肌肉的力量。同时还能增强人体的循环系统和呼吸系统的机能， 促进健康。竞走距离较长，通过竞走的锻炼，不但可以提高我们的耐久力， 而且还能培养吃苦耐劳的精神，锻炼我们坚韧不拔的意志。因此，竞走是 一项既锻炼身体又具有实际意义的很好的运动 i ，2 。当然作为一个田径项目 比赛，它有自己严格的规则。 1 1 竞走运动的起源和发展 据记载，竞走起源于英国。在1 6 、1 7 世纪的英国，男仆们陪伴乘坐4 轮马车的主人长途旅行时，时而跑时而走，激发了竞走这一运动项目的诞 生。1 8 6 6 年英国业余体育俱乐部举行首次冠军赛，竞走的距离为7 英里。 到了1 8 8 0 年，德国、意大利、加拿大和瑞典等四国先后举办了竞走比赛。 特别是1 8 9 3 年，欧洲举行了从德国柏林到奥地利维也纳，长达5 7 8 公里的 竞走比赛。在旅行走路的基础上发展起来的田径运动项目1 9 0 8 年第四界奥 运会被列为比赛项目，当时奥运会比赛中只设有男子3 5 0 0 米和1 0 英里两 个比赛项目，英国选手乔治拉尔纳个人夺得两枚金牌。1 9 1 2 年第五届斯 德哥尔摩奥运会中，1 0 公里竞走比赛进入奥运会比赛项目，加拿大选手 乔古尔丁以4 6 分1 8 4 秒的成绩荣获冠军。t 9 3 2 年第十届洛杉矶奥运会首 次设立5 0 公里竞走比赛，英国选手托塔尔以4 小时5 0 分1 0 秒的成绩获得 金牌。此后一直举行到1 9 7 2 年德国慕尼黑奥运会结束，共举办了9 次比赛。 1 9 5 6 年第十六届墨尔本奥运会起，又将男子2 0 公里竞走列为奥运会正式 竞赛项目，冠军为苏联史匹林获得。1 9 8 0 年莫斯科奥运会又恢复5 0 公里 竞走项目，2 0 公里和5 0 公里两项竞走项目为奥运会正式男子竞赛项目。 燕山大学工学硕士学位论文 而女子竞走比赛时间不长，1 9 8 0 年，国际田径总会才正式将女子竞走列为 世界性比赛项目。现在，欧洲田径锦标赛、世界室内田径锦标赛、世界田 径锦标赛、世界大学生运动会等重大国际比赛中，都设有女子竞走比赛。 1 9 9 2 年奥运会女子1 0 公里竞走也列为正式比赛项目口“，2 0 0 0 年奥运会改 为2 0 公里。 目前，在世界各地，从室内的1 公里到室外的1 0 公里、1 5 公里、2 0 公里、3 0 公里、5 0 公里，共有数十种距离的竞走比赛。国际田联承认的有 2 0 公里、3 0 公里、5 0 公里、2 0 英里、3 0 英里、两小时竞走和女子5 公里、 1 0 公里的竞走世界纪录。竞走只有场地成绩才能被批准为世界纪录。公路 竞走，因为路面的倾斜度和转弯数等都不一样，取得的成绩得不到国际田 联的承认，而公路比赛的成绩往往都高于正式的世界纪录 6 l 。 1 2 竞走定义的变化 初期，竞走采取普通走步或任意走的形式，对竞走技术没有严格的要 求。1 9 8 1 年将原规定中限制屈腿部分的内容由“前脚着地时必须伸直”改 为“在着地过程中腿必须伸直”。其含义简明的讲，即把原来的前脚一着地 就必须伸直改为了“在着地过程中必须伸直”，这一变化与1 9 8 1 年前的技 术相比，允许落地时腿可存有微屈，使向前摆动腿的小腿着地时可以不再 强调需要伸直，从而使小腿在着地时后群肌肉得到适当地放松，由于上述 变化1 9 8 1 1 9 9 1 年竞走技术在世界范围内飞跃发展，这一时期被竞走界看 作为现代竞走技术产生与发展的阶段，此阶段表现出的技术特征高速 走，即高频快节奏、步幅适中的技术【7 1 。 国际田联1 9 8 8 1 9 8 9 年手册中将竞走定义主要部分改为“支撑腿必须 至少在垂直部位的一瞬间是伸直的”这次变动，对技术没有原则上的影响。 国际田联1 9 9 6 - 1 9 9 7 年对竞走定义做出较大变动，对于保持单双脚交 替支撑防止腾空的规定明确改为“没有人眼可见的腾空( 以眼睛观察) ”对 于防止屈膝的限制改为“前腿从触地的瞬间至垂直部位应该伸直( 即膝关节 不得弯曲) ”。这次变动对竞走技术来讲又是一场革命，无论对于判定腾空 与屈腿都做了具体、易于操作的规划8 9 】。 2 第1 章绪论 1 3 我国竞走的发展与现状 我国在1 9 5 9 年第l 届全运会把男子1 0 公里竞走列为正式比赛项目， 1 9 6 0 年正式设立了男子5 公里、1 0 公里竞走的全国纪录。1 9 6 5 年第2 届 全运会时又把男了2 0 公里竞走列为正式比赛项目。从5 0 年代至7 0 年代， 是我国竞走发展的第阶段。此阶段的训练、技术、裁判主要是学习和延 续苏联体系与模式。这个阶段没有世界水平的成绩，处于一般的发展阶段。 8 0 年代初期，我国竞走项目进入新的发展阶段。1 9 8 3 年我国女子竞走 项目正式设5 0 0 0 米和1 0 公里全国纪录。1 9 8 4 年国际田联首次公布女子 5 0 0 0 米和1 0 0 0 0 米世界纪录，我国运动员阎红成为第一个女子1 0 0 0 0 米4 5 分3 9 5 秒的世界纪录创造者，这标志着我国女子竞走项目进入世界水平。 1 9 8 7 年阎红又创造了女子5 0 0 0 米2 1 分2 0 2 秒的世界纪录、陈跃玲创造 了女子1 0 0 0 0 米4 3 分5 2 1 秒的世界纪录，成为我国女子竞走成绩辉煌的 时期。1 9 8 7 年第5 届竞走世界杯赛中，我国三名运动员技术犯规，失去了 夺冠资格。由于受技术犯规的困扰，我国女子竞走项目发展走向低谷。 1 9 8 9 年为了夺取第1 l 届亚运会竞走项目的金牌，重点研究和解决技 术犯规问题，在教练员、运动员、科研人员相结合的技术攻关组的努力奋 斗下，竞走技术获得新的发展。在1 9 9 0 年第1 1 届亚运会上，一举获得竞 走项目的全部金牌。为了准备第2 5 届奥运会，竞走项目被国家体委列为科 研攻关与服务的重点项目。在1 9 9 2 年第2 5 届奥运会上取得了辉煌的成绩： 女子1 0 公里竞走陈跃玲获金牌；男子2 0 公里竞走陈绍果获第五名。这是 我国田径史上首次获得奥运会竞走金牌。它表明我国竞走项目尤其是女子 竞走项目处在世界领先地位。 1 9 9 3 年第7 届全运会竞走项目与奥运会竞走项目接轨，设立了女子1 0 公里、男子2 0 公里、男子5 0 公里比赛项目。1 9 9 5 年北京世界杯竞走赛上 中国男子获得个人团体三项世界冠军，标志着男子竞走也进入世界先进行 列。我国竞走运动全面走向世界，并逐渐发展成为我国田径运动运动的优 势项目i r l o - t 2 】。 在成绩提高的同时，与之相伴的另一现象是中国女子竞走名将在世界 3 燕山大学工学硕士学位论文 大赛上受罚的镜头经常可见。2 0 0 0 年悉尼奥运会刘宏宇被罚；2 0 0 3 年巴黎 世锦赛几乎全军覆没；2 0 0 4 年埃德蒙顿世锦赛刘宏宇又三次犯规被罚。这 些都曾在国内引起过较大震动。目前中国竞走水平能算得上是世界前列， 陈跃玲等多名运动员曾先后夺得过奥运冠军；黎则文在1 9 9 5 年4 月第1 7 届世界杯竞走比赛中夺冠，也因此成为中国第一位在世界级比赛中夺得冠 军的男子田径运动员。但是不可否认的是，中国选手频频在国际重大比赛 中被罚。 究其原因，问题主要集中在1 9 9 6 年以来国际田联对田径规则关于竞走 部分进行一系列重大的修改，对我国运动员多年形成的技术特点带来冲击。 外国运动员人高马大，竞走步幅大；而中国运动员个子小，步幅也小。长 期形成适合我国运动员的小步幅、高频率、胯部动作不明显的技术优点是 单腿支持时间短、身体重心向前过渡快，动作的经济性好、效率高，可以 弥补身体矮小、腿短的不足。但由于身体重心在位移过程中相对处于较高 位置，腾空时间较长，很容易形成犯规现象。尤其在激烈的国际大赛中， 我国运动员通过步频来弥补步长的劣势，所以其步频需明显加快，结果就 会出现躯干前俯角大、重心上下起伏明显、腾空时间长的技术不合理现象。 另外，腾空时间6 5 5i l l s 虽被称为模糊腾空时间( 人肉眼识别时限为4 2i l l s ， 4 2 - 7 0i l l s 为腾空模糊时限) ，但如果超过“合理腾空”时限太长，很容易 在走动中被判罚，特别在比赛后程疲劳的情况下更容易出现犯规现象。容 易给外国裁判员造成犯规的错觉，也容易挨罚d 3 1 5 。 1 4 竞走监测仪器开发的必然性 竞走运动是田径诸多项目中唯一具有特殊规则要求的比赛项目，它的 独到之处在于对走的技术结构有着严格要求和限定。但由于客观和主观的 双重原因，比赛中裁判对判罚尺度的掌握难免有所差异，为了使裁判的判 罚更加公平、合理，国际田联对竞走的定义修改为“竞走是运动员与地面 保持接触，连续向前迈进的过程，没有人眼可见的腾空。前腿从触地瞬间 至垂直部位应该伸直( 即膝关节不得弯曲) ”。也就是说，竞走裁判进行技 术判罚不借助任何仪器、设备。而在现代竞技体育高度发展的今天，越来 4 第1 章绪论 越多的运动项目开始在自己的领域开发电子设备。电子设备的应用不仅为 竞技体育成绩的提高提供了帮助，而且也为竞技体育的公平竞争提供了良 好的技术保证。如田径运动中采用全自动计时系统和终点摄像技术后，短 跑运动员的名次和成绩争议问题也随之解决。竞走裁判判罚中运用先进科 学技术手段( 科学仪器、设备的帮助) 已成为竞走运动发展的必然1 6 ，1 7 1 。 1 4 1 竞走运动报警鞋的市场开发 从竞走的技术定义来看，竞走是两脚与地面不问断接触迈步前进的过 程，任何时候都不能两脚同时离地。每一步行进，前脚落地后脚才能离开 地面，支撑腿必须伸直( 不得屈膝) ，特别是在支撑的垂直部位必须伸直。 从1 9 2 4 年的“巴黎事件”、1 9 7 8 年的“5 0k g 事件”、1 9 9 4 年的“马交事件” 和2 0 0 0 年的“2 0 公里悉尼事件”来看，落后的传统竞走鞋和简单主观的肉 眼裁判方法是引起争议的主要因素。因此，就市场开发而言，竞走运动报 警鞋是竞走运动器材、装备首要的开发市场【l 8 1 。 1 4 2 竞走运动过程摄像与计算机系统监控装备的开发 裁判员肉眼与摄像计算机系统的综合判罚，已成为竞走运动裁判科技 化发展的必然趋势。根据竞走运动距离长、技术单一的特点，肉眼判罚较 为困难，而且竞走运动多在公路进行，每圈的距离在1 5 2 0 公里之间，所 以，如果进行该项目裁判判罚设备系统的开发，则不能完全按照田径运动 场地的有关摄像与计算机终点系统的方法进行，应考虑竞走运动的特点， 将重点放在无线感应系统的研究上，这样不仅能减少裁判的工作量，而且 能较大程度地提高裁判工作手段的科技含金量，增加判罚的准确性。因此， 从竞走运动发展的现状与竞技体育的发展趋势而言，竞走裁判判罚器材装 备的开发已势在必行。 1 4 3 竞走运动技术与训练辅助设备的市场开发 竞走作为我国田径运动的强项之一，不仅可以进行高水平的运动竞技， 也是较易开展的群众体育运动之一。特别是随着2 0 0 8 年北京奥运会的逐日 5 燕山大学工学硕士学位论文 临近，竞走运动的科学发展己成为我国乃至世界竞走界需要重视的项目之 一。鉴于此，我国应多方面科学地在竞走技术与训练方面进行辅助装备开 发，使我国成为竞走运动成绩与设备应用的先进国家，走我国竞走运动可 持续发展的科技强兵之路。 尽管目前国际田联对竞走运动的有关规则仍未修改，仍以人的肉眼判 罚为依据，但就竞走运动出现的事件与现代体育科技化发展以及现代体育 产业的发展前景来看，竞走运动器材与装备的科技化己成必然，传统单纯 的肉眼判罚手段必须由先进科学的手段所辅助【1 ”。 竞走项目器材、装备开发的潜在市场是巨大的，其器材设备的研究和 潜在市场的开发，应该引起有关方面的高度关注。 1 5 本论文的结构安排 第1 章是论文绪论。主要介绍竞走的起源、发展、现状以及开发竞走监 测系统的必要性。 第2 章论述了静态和竞走两种状态下足底对支撑面的压力变化，并对竞 走过程中支撑面的受力进行分析，尝试建立了其受力模型，计算竞走运动 员输出功率和最大速度等。 第3 章阐述了监测仪器的整体设计思想，介绍了系统地整体设计，并详 细介绍了硬件和软件设计。硬件设计主要指组成系统的c p u 、无线传输电 路、u s b 通信电路、时钟电路；软件设计介绍了设计时采用的方法和所遵 循的原则，并给出了部分主要程序的软件流程图 第4 章是系统电路的测试，给出了无线传输距离的理论值和实际测量 值。 结论对整个系统作了一个概括性的总结，指出了系统存在的不足和需 要改进的地方。 6 第2 章竞走运动的力学分析 第2 章竞走运动的力学分析 竞走是在普通走步的基础上发展起来的田径项目，但在一些技术动作 上，与普通走步存在着明显的差别。具体表现在：支撑腿不弯曲，骨盆的 旋转动作幅度大，增加了步幅；髋关节活动幅大，便于竞走时直腿发力； 双脚落地区域位于一条直线的两侧，两臂屈肘摆动，肩部转动范围较大， 以此维持平衡并协调两腿动作；后脚离地后放松肌肉低空向前摆动，前脚 迅速以滚动的方式转为脚掌着地并向后扒地，进而转为向后蹬地。竞走速 度较快，大约相当于普通走速的两倍。优秀运动员的步长为1 1 0 1 2 0c m ， 步频为每分钟2 1 0 2 2 0 步，国外有材料介绍，竞走的步长与运动员的身高 有密切关系。身高与步长的比值一般在o 6 0 7 0 之间，平均为o 6 5 。 本章从静态和动态两种状态分析足底对支持面的压力，并尝试建立竞 走过程中运动员对支撑面的压力模型。 2 1静态时足底对支撑面的压力 人体在不同状态下足底对支承面的压力分布不同，为了充分分析竞走 过程中足底对支撑面的压力，我们首先来分析人体非运动状态即静态时足 底对支撑面的压力。 2 1 1脚的形态 脚的外形可分为脚趾、脚背、脚心、脚腕、踝骨、后跟、腿肚几部分。 脚主要是由脚骨、肌肉和韧带组成。脚骨是脚的构架。人在行走移动 时，人的体重和负荷通过小腿骨落于脚的距骨，小腿骨好像力杠杆的重点。 当小腿韧带收缩时，产生使跟骨上提的作用力，好像力杠杆的力点， 这时以踱趾关节为支点开始移动。在这种情况下，作用力产生在跟骨，负 荷落于距骨，而支点则是踱关节。这样，作用力臂较重力臂长，用小的筋 肉收缩力即可使人脚上提。在行走移动时，身体时而以这一脚支撑，时而 以另一脚支撑，轮流前进，并在运动中产生摆动。脚在行走时，脚骨与肌 7 燕山大学工学硕士学位论文 肉韧带组成一具有弹性的构架，掌与跟之间，因跗骨与踱骨不在一平面上， 而构成弓型( 脚弓) ，以便产生弹力，增加行走时的灵活性。如果脚不是弓 型，而是扁平的( 即平脚) ，则脚在行走或奔跑时，必因脚缺少弹性而很快 感到疲劳。 2 1 2 人脚正常的平衡位置 根据m n 库斯利克( k y c j i n k ) 的资料，人在后跟在不垫高站立时，小 腿轴线与第一踱骨轴线的夹角为1 1 7 。，而相应于正常平衡位置的夹角为 1 2 7 。因此，正常情况下后跟部位应垫高1 0 0 。同时，人在行走时，当后跟 抬高而用脚的踱趾关节和脚趾接触地面时，通常的跷角约为2 5 0 左右，这样 的跷角被称为合适的跷角，人在行走时，有时跷角可达5 0 0 左右。 当脚由整个脚掌面支持转为主要靠踱趾关节支持时，脚趾伸长，人体 重量在这一瞬间完全压在脚掌着地面上。脚在踱趾关节部位发生弯曲时， 趾骨基节以踱骨头的突起为摆动轴心。在此说明一点，每踱骨头摆动中 心离后跟的距离是不样的。成年男女的第一踱骨头位于脚长的7 2 5 处 ( 从后跟算起) ，而第五踱骨头则位于脚长的6 3 5 处e 2 0 , 2 1 。 2 1 3 脚底掌面压力的变化 人站立时的支持面积与支持面所接触的脚的掌面的大小有关，虽然从 骨骼上说来，起主要支持作用的是跟骨和第一、五蹄骨头下方的突起。但 由于脚掌面有肌肉和大量的皮下脂肪组织，这些很柔软的结构起着软垫的 作用，并把施与脚的负荷压力分散和缓冲，使脚在支持时不会感到疼痛。 如果没有这些软组织，人在站立或行走时，就将感到脚疼，因为这时，压 力只有经过骨骼的个别突出来传递，负荷集中在很有限的支持面上。 图2 1 是人非负重站立时，脚底压力的变化图。其中2 1 ( a ) 是站立于 平面上支撑面的压力变化，2 1 ( b ) 站立于与脚掌面凹凸相应的支持面上时 脚底压力变化图。从图中可以看出在骨突的下面集中较大的压力，如图 2 - l ( a ) 压力在跟部中一t l , 最大，向边缘压力逐渐下降到零，第五踱骨突下面的 压力有些人较小，但绝大多数人有较大的值。图2 - 1 ( b ) 与图2 - 1 ( a ) 对比，作 8 第2 章竞走运动的力学分析 ( 印( b ) 图2 - 1 人站立时脚掌面压力分布图 f i g 2 - 1 p r e s s u r ed i s t r i b u t i n go f s o l ew h e ns t a n d 用于脚底的压力明显的减弱，除了脚印边缘部分外，整个脚掌表面受到相 差不大的负荷，压力在脚掌面上的分布情况，显然也发生在人站立于其他 柔软的支持物上( 如海绵、微孔塑料、棉被等) 。这是由于软的支持物在脚 掌的压力下，获得了与脚掌地面相似的形状，而使负荷较均匀分散，由此 可见，合理的鞋楦地面不应该是平的，而是应具有与脚掌面相对应的凹凸 形状。 当脚后跟抬高时，人站立时的压力分布发生了变化，考察这个过程的 力学，可以看出，当脚跟抬高时，压力移向前部。 a b c h 1 图2 - 2 脚抬高时负荷重新分配的模型图 f i g 2 2 t h em o d e lo f f o o tb u r t h e nr e d i s t r i b u t i o n 9 壅当奎兰三主堡主茎篁丝苎 如果不考虑第五踪骨粗隆处的压力，用k = 只只来表示前部和后部的 压力比。如图2 - 2 ，其中a 点是脚前部的压力中心；b 点是脚跟部的压力 中心；h 指后跟高。由力矩平衡得： b c - c o s q l + a 2 ) = 最口c o s ( a 3 一a 2 ) ( 2 1 ) 移项得： 鲁=剖c c o s = 置 陋z ，h = f ，1 只 k 1 + a 2j 、7 展开此项，并除以c o s a 2 得： 小篙c 。c o s 嚣s 盖l nt 裂g a ， a 1 一a l1j 又由于t a n a ：= 拿和，= 撕丽，得： t a n 妒万h i2 丽1 ( 2 _ 4 ) 因此： k = 口 1 雨： c v1 雨一 ( 2 - 5 ) 已知： c 。s a 。= 等， 可求得a 。值， 同样s i n a ，可由式 s i n a 3 = 三s i n a l 求得。 a 在跟部抬高时，口、6 和c 值得变化不大，对于该计算式可以取常数。经 计算取口= 8 2i n i n ，b = 1 4 1m m ，c = 1 3 4m m ( 脚长= 2 4 0m m 时) ，不同的 后跟高可计算不同的赠，得到一组曲线如图2 3 ( b ) 所示。图2 3 ( a ) 是实测 的曲线，比较试验结果与理论分析计算的结果可看出它们是相同的，即抬 高脚跟后的压力重新分配完全服从于力学规律k = 厂0 ) 的关系。 苎! 童童查至型竺垄兰坌堑 值得注意的是，当后跟抬得很高时( 如6 0 7 0m l t l 时) ，踱骨头部位的压 力增加极大( 增加了3 4 倍) ；而当后跟高为3 0m m 时，压力变化很少。 14 1 2 1 , 0 k 0 8 0 6 04 02 图2 - 3k = 0 忍和后跟高h 之间的关系 f i g 2 3 t h ef u n c t i o nb e t w e e nka n dt h eh i 【曲o f h e e l 经测算，体重的3 6 在跟骨结节支撑点，2 6 在第一跖骨头支撑点，1 6 在第五跖骨头支撑点。这种模式的依据之一是负荷沿足弓传递，它大大简 化了足底压力的计算程序，是当今足底生物力学中足底静态受力的基本模 式。当然这个体重的分配是根据脚后跟的高度而变化的，在移动时，竞走 的脚跟高度为1 5 1 8r l l r n 。整个鞋的重量在2 5 0g 左右。因此定要选择最 适合自己的鞋 2 2 2 4 】。 2 2 现代竞走的特点 现代竞走技术的动作结构体现了简单和实效性强的特点。同过去的技 术相比，减少了过大的髋部扭动等多余动作，提高了动作速率和效率。其 突出表现为：( 1 ) 髋关节的转动适宜，摆动腿的髋关节主要绕支撑腿的骨盆 ( 接近垂直轴) 做旋转运动，绕矢状轴和额状轴的补偿动作都很小；( 2 ) 臂的 摆动幅度、方向和肘关节角度均有不同程度的变化。摆臂时更加强调前后 摆动，臂的摆动幅度与下肢和腰髋部协调配合，从而加快了摆动速率，提 高了步速。在摆臂过程中，肘关节角度有不同变化，分别为前摆6 5 7 0 0 ， 后摆7 0 7 5 0 ，垂直为9 0 。；( 3 ) 两脚的落地点在一直线的两侧，摒弃了过去技 术中强调两脚重叠在一直线上的观点，以利于减少髋关节的过分转动，使 摆动腿沿最短路线向前移动。 1 1 燕山大学工学硕士学位论文 现代竞走技术的又一特点是着地点距身体重心投影点的距离适宜。从 技术录像资料测得的数据表明，适宜的着地角为7 0 。，与以前的着地角7 3 0 相比有减小的趋势。通过运动生物力学分析，我们认为这种技术的微妙变 化主要是竞走规则修改后，运动员必须直腿着地形成的。这不仅对迅速着 地形成低摆动和保持高步频提供了良好的先决条件，而且有利于减少腾空 时间，减少了能量消耗，更加符合运动学和动力学特征。当然，在一定范 围内，适当增大着地角和减小后蹬角，对提高水平速度是有利的。应根据 运动员的个人技术特点，特别是身高、腿长和专项力量等参数来确定。如 身材较高，前支撑角可稍大些，身材较矮，前支撑角可小些，便于获得较 理想的步长和步频口5 吨7 】。 2 3 竞走动作的周期 竞走的一个动作周期，可分为支撑和摆动两个时期。支撑时期包括着 地缓冲阶段( 脚着地到身体重心垂直的瞬间) 和后蹬阶段( 垂直瞬间到脚趾 离地) ；摆动时期包括后蹬阶段( 脚趾离地到垂直瞬间) 和前摆阶段( 垂直瞬间 到着地1 。 2 3 1 后蹬阶段 此阶段是竞走周期中最重要的动作阶段。蹬地动作是依靠支撑腿异侧 骨盆积极向前转动和踝关节、趾关节的屈及摆动腿的前摆实现的，两臂的 有力摆动对促进支撑腿与摆动腿的蹬摆配合可以起到良好作用。竞走中躯 干应保持2 3 0 的前倾，可减少身体垂直方向的波动，在支撑腿的脚趾蹬伸 并尚未离地时，另一腿的脚跟已接触地面，保证了双脚支撑，此时，骨盆 沿垂直轴的旋转达到最大限度。 2 3 2 后摆阶段 当后支撑的腿蹬离地面后，参与后蹬的肌群放松，摆动腿以骨盆带动 大腿，大腿带动小腿屈膝前摆，骨盆绕支撑腿侧的懿关节向前转动，整个 摆动腿的摆动是屈膝的，大小腿夹角约9 0 0 。摆动腿同侧骨盆向下倾斜， 1 2 第2 章竞走运动的力学分析 膝部略低于另一支撑腿的膝关节高度，摆动腿同侧的肩略高于异侧肩，摆 臂的肘关节约为9 0 0 。 2 3 3 前摆阶段 当摆动腿摆过垂直面后，摆动腿大腿以膝领先带动同侧髋前摆，此时 小腿顺惯性向前摆出，牵动大腿与同侧骨盆前送。向前摆动过程中，脚应 始终接近地面，在向前摆动即将接触地面的瞬间，脚尖勾起，以足跟领先 着地。在前摆阶段，摆动腿同侧骨盆转动幅度加大，摆动腿同侧髋关节又 从较低部位回升到两髋平衡状态，摆动腿同侧手臂向前上方有力摆动，肘 关节屈肘角度呈最小。 2 3 4 着地缓冲阶段 当摆动腿小腿前伸至最大程度，从脚着地时起，便进入着地缓冲阶段。 脚着地时膝关节自然伸直，随着地脚的滚动和重心前移，膝关节应完全伸 直，在此阶段，着地脚柔和、迅速地“滚动式”着地是关键环节，做到既 减少着地时的制动，又保持身体重心平稳前移，便于很快过渡到缓冲，当 身体处于垂直支撑时，脚以全脚掌撑地，躯干呈直立姿势。 在完整的竞走动作周期中，头保持平直姿势，颈部自然，两眼平视， 大臂带动小臂，屈肘前后有力地摆动。前摆时手不要超过下颌高度，后摆 时，肘关节稍向外，大臂高度接近肩部水平。 2 4 身体重心轨迹的变化 由竞走周期可知，运动员在行走过程中，是按着脚跟、小趾跟、拇趾 跟、拇趾尖依次着地。也就是说，支撑体重的力点是从脚底外侧颠次移向 内侧，正确的步行方式是以拇趾为主轴，充分使用足尖行走，实际行走过 程中，脚后跟部先着地，且圆滑的把重心移向脚尖，然后以拇趾为主的各 趾趾尖蹬着地面向前运动。行走中，人体的重心保持在足跟地面中心线的 延长线上前后移动。这种运动方式的重要因素，是拇趾着地时的位置和稳 定性。 1 3 燕山大学工学硕士学位论文 通过对国内外重大比赛的技术录像资料的数据分析表明，竞走运动员 的身体重心位置发生了重大变化：( 与过去教科书上的描述相反) 即由过去 的身体重心在垂直瞬间最高，变为现在的垂直瞬间最低；过去的双支撑瞬 间最低，变为现在的双支撑瞬间最高。这一现象充分反映了当代竞走技术 特色。出现这种现象的主要原因是新的规则允许有瞬间短暂的腾空造成的， 以往的技术分析多从静力学角度着眼与观察，似乎由于双支撑时两腿形成 较大的分力角后，身体重心肯定会比单腿垂直支撑时低，所以强调垂直支 撑时摆动腿的同侧髋关节和异侧肩关节下沉放松，以降低身体重心的垂赢 高度，使身体重心平稳移动。从运动学、动力学角度分析，当今的竞走技 术特点是人眼不可见的腾空代替了双支撑阶段，其腾空位移的垂直距离约 4 6c m 。水平位移的距离约1 0 2 5c m 。因此，身体重心在双支撑瞬间非但 没有降低，反而升高了。从某种意义讲，这一现象可减少水平速度损耗， 提高身体重心轨迹的直线性。因为随着后蹬的结束和前支撑的开始，此时 身体重心主要靠惯性前移，根据牛顿定律，体重正好向前方移动，从而增 大了水平位移的速度 2 8 , 2 9 。 由此，在竞走技术洲练中，为使身体重心趋于直线性移动，尽量减少 垂直位移和左右位移，以减少能量的损耗。应在以下环节动作中加以改进 和调控： ( 1 ) 着地脚的柔和滚动( 车轮式) 为身体重心的平行前移创造了必要条 件，脚着地前做出踝关节足踱屈( 勾脚动作) ，不仅为积极着地，预先拉长 蹬伸肌群做好准备，而且能适当增加步长，减少腾空的危险性，提高身体 重心的平滑性。要说明一点，脚应随着身体重心移到垂直瞬间，脚掌才完 全着地，否则，过早全脚着地会失去链体运动的( 滚动) 效果，产生制动。 ( 2 ) 由于现代竞走技术的重大改革，在支撑腿移至垂直瞬间时应尽量减 少各环节重心的下降( 同过去技术) 相反，尤其是摆动腿同侧髋的降低，以 利于身体总重心的水平位移。 ( 3 ) 在后蹬过程中，踝关节伸展用力应稍晚于髋和大腿，即身体重心前 移到一定程度时踝关节及屈趾屈拇肌群做最后用力，以获得最佳的后蹬角 度与效果，同时也减少身体总重心的平稳位移。 1 4 第2 章竞走运动的力学分析 2 5 竞走时足底对支撑面压力分析 由上面的分析可知，瞬间腾空阶段代替了传统竞走中的双支撑阶段， 现代竞走技术主要有单支撑一瞬间腾空一单支撑的循环阶段组成，当然这 个瞬间腾空允许的时间是人眼不可见，根据 1 9 9 2 年奥运会我国竞走项目 科研攻关的研究成果：竞走比赛中小于4 2m s 为合理腾空时限：4 2 - - 4 7m s 为模糊时限：大于7 0i l l s 为犯规腾空时限。也就是说这个腾空时间要控制 在合理腾空时限之内。我们在假定瞬间腾空为合理腾空的前提条件下分析 在竞走过程中运动员脚底面对地的压力。 竞走过程中，运动员主要依靠着地的脚( 静脚) 向后扒地、蹬地的过程 做功，使另一只脚( 动脚) 获得加速度而向前迈的。静脚则有三个过程：着 地缓冲、扒地、蹬地。下面就三个过程对地面的压力进行分析。 2 5 1缓冲阶段支撑面受力 脚跟着地到脚掌滚动着地为着地缓冲过程，这个过程中脚受到的静摩 擦力与运动方向相反，使动脚变成静脚。 图2 - 4 表示前脚跟着地瞬间，我们分析它的受力。由前面分析知着地 角大约是7 0 。，此时运动员着地的脚具有向前的速度v 和向下的速度v ，。向 燕山大学工学硕士学位论文 一是对地面的压力，大小等于运动员的重力g ，方向垂直地面向下；另一 个是对地面的静摩擦力s ，方向与运动员前进的方向一致。合力 f ：g + 5 = 啷+ 5 ，其中m 是运动员的质量，g 是重力加速度，合力，方 向如图2 - 4 。分析运动员着地脚的受力可知，此时着地脚由于受到地面的 作用力- f ( 地面受力f 的反作用力) ，速度v 和v 都将减小，也就是说此时 着地脚水平方向和竖直方向上都将减速运动。 随着运动员以着地点为轴心前移，着地角越来越大，合力的方向与重 力方向的夹角越来越小，当二者重合时，即过渡到瞬间单腿支撑( 此过程膝 盖不得弯曲) ，此时运动员的重心达到最低点，着地脚向下的速度v 和向前 的速度v 都为0 ，摆动腿的速度比较大。静摩擦力s = 0 。地面只受运动员 的压力作用( 大小等于运动员重力) ，如图2 5 所示。 图2 - 5 单支撑瞬间地面受力 f i g 2 - 5 p r e s s u r ew h e no n ef o o to ng r o u n d 2 5 2 扒地时支撑面受力 单支撑完成后，运动员身体前倾微小角度，一般2 3 0 ，角度过大容易 使重心不稳，造成腾空。同时静脚全脚掌给地面一个向后的静摩擦力为扒 地。静脚扒地时受到与运动方向同向的静摩擦力作用，该力使运动员的摆 动腿水平方向速度加速。此时地面除受到运动员压力作用外还受到静摩擦 力j ，s 的方向运动员运动的方向相反，如图2 - 6 。二者合力的反作用力f 使运动员摆动腿迅速加速。 丁 羔 第2 章竞走运动的力学分析 图2 - 6 扒地阶段地面受力 f i g 2 - 6 p r e s s u r ew h e nf o o th o l do ng r o u n d 2 5 3 蹬地阶段受力 脚跟开始离地到脚尖刚离地为蹬地扭髋过程，这个过程里脚受的静摩 擦力指向运动方向。此时地面受到的运动员重力g 和静摩擦力j 的方向如 图2 7 ，合力为f 。运动员受到地面给他的反作用力f ，方向右上。这个力 的作用：一是启动，使静脚变动脚，使脚尖离地时脚具有一定的初速度； 二是使动脚加速运动并向前方蹬直；三是扭髋增加步长。运动员具有向上 和向前的加速度，重新具有向上的速度v ，重心上移，同时向前的速度v 增加。 图2 7 蹬地阶段地面受力 f i g 2 - 7 p r e s s u r ew h e ns t e po ng r o u n d 1 7 燕山大学工学硕士学位论文 2 5 4 瞬间腾空阶段 瞬间腾空阶段时运动员双脚离地，此时运动员在惯性作用下水平方向 匀速前进，竖直方向做自由落体运动，对地面没有压力。这个阶段的时间 要小于合理腾空时限，否则就是犯规o o 3 2 】。 上面分析得是半个周期运动员对地面的压力的变化，另半个周期受力 与此相同，只是交换着地的脚。由此可见，虽然从速度上说竞走运动员是 匀速前进，实际上运动员行走的脚的速度在时刻发生变化【3 3 q6 1 。 2 6 与竞走有关的估算 2 6 1竞走的必要条件及其物理模型 由上面的支撑面受力分析可知在平地上竞走需要一定的条件：鞋与地 面间要有足够大的静摩擦力，要保证运动过程中鞋与地面接触时相对静止。 在建立竞走的物理模型时，不能把人的整体看成一个质点，必须把人 体分成几部分：躯干、双腿、双臂。双腿和双臂又必须化作与转轴( 如髋、 臂) 有一定距离并具有一定质量的小物块，才便于用初等物理学规律计算。 竞走时人的腿基本上都是以髋关节为轴运动的，多数情况下腿都是伸直的， 经过初步估算，伸直的腿对髋关节的转动相当于质量m = 2 5k g 的小物块 以轻杆与髋关节连接时的转动。双臂则化作各为m = 1 5 埏以0 2m 长的 轻杆与肩轴连接的物块。人对肢体做功是不可逆的，人只能对肢体做功。 为便于估算，设竞走中后脚离地的同时前脚着地。设某运动员质量 m = 4 5k g ，以v = 3m s 的速度沿平直道路竞走，步长为lm ，本文尝试 给出人竞走的物理模型，并据此例具体估算与竞走有关的几个物理量。 2 6 2 估算竞走时人输出的功和功率 2 6 2 1 竞走时对躯干输出的功和功率运动员以恒定速度沿平直道路竞 走时，由于腿、髋、脚等部位复合运动的调节，人的躯干上下颠簸很小( 约 4 6c m ) ，所以人对躯干基本不做功，竞走时人对躯干做的功和输出的功率 近似为0 。 1 8 第2 章竞走运动的力学分析 2 6 2 2 竞走时对双腿输出的功和功率 竞走主要依靠着地的脚向后扒 地、蹬地过程中做功，使另一只脚获得加速度而向前迈的。每迈一步前进 1m ，用时0 3 3s ，这是常规说法。实际上每条脚都是一半时间静止一半时 间运动。运动的脚每次运动的距离是2m ，用时，= o 3 3s ，平均速度是2 v 。 估计运动的脚部物块最大速度是v = 3 v ，使脚部物块的速度从0 增加到3 v 做功： 啊= m # 2 = 2 5 ( 3 3 ) 2 2 = 1 0 1 2 5 j ( 2 6 ) 人对腿的输出功率为： e = t = 1 0 1 2 5 0 3 3 = 3 0 4w ( 2 7 ) 如果取脚部物块的最大速度为4 v ，则人对脚输出功率为5 4 5w 。 2 6 2 3 竞走时对双臂输出的功和功率人手臂的运动情况与腿的运动是 不一样的。竞走时手臂上没有与地面相对静止的部分，两臂摆动到极限位 置时与躯干的速度相同。设摆臂的幅度为0 2m ，摆动的有效质量为 m 7 = 1 5 蚝。当右臂在前面的极限位置左臂在后部的极限位置，右腿前进 2 m 时，右臂的折算质量对地面前进0 61 1 3 ，左臂则前进1 41 t i ，所以后摆 臂的水平方向平均速度为o 6 0 3 3 = 1 8m s ；向前摆动的臂水平方向平均 速度为1 4 o 3 3 = 4 2m s 。如果把臂的摆动看成类似谐振动，臂对躯干的 水平平均速度是1 2m s ，最小速度是0 ，臂对躯干的最大速度为 1 2 4 2 = 1 7m s ，则向前摆动的臂对地面的最大水平速度是是 n = 3 m h + 1 7 m h = 4 7m s ，手臂从最后向前摆时，速度由3m s 增加到 4 7m s 过程中人对手臂作的功： = 去m k v 2 ) = i 1 1 5 ( 4 7 2 3 2 ) = 9 8 j ( 2 8 ) 使手臂摆动输出功率为： 昱= t = 9 8 0 3 3 = 2 9 7w( 2 - 9 ) 手臂摆动时其有效质量在竖直方向上约升高0 1m ，这个过程中人的输 出功率为： 只= 2 x m 劬t = 2 x 1 5 x 9 8 x o 1 o 3 3 = 9 1w( 2 - 1 0 ) 所以人对手臂的输出的总功率约为4 0w 。 1 9 燕山大学工学硕士学位论文 上述计算表明，人竞走时输出的功率主要是人体对腿做得功，从式2 7 可以看出人竞走时输出的功率与速度的3 2 次方或平方成正比。一个体重 4 5k g 的人以3m s 的速度在水平道路上竞走时输出的机械功率大约为3 6 0 w 到6 0 0 w 。 2 6 3 估算脚与地面间的静摩擦力 竞走时足底与支撑面间作用力的大小、方向时刻在发生变化，难以定 量描述。竖直方向上的作用力在m