（运动人体科学专业论文）使用三维测力平台系统分析与评价足部力学指标的研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 大连理工大学体育科研所1 9 8 1 年开始研制“三维压电晶体生物力学测力平台”， 1 9 8 3 年研制成功，1 9 8 7 年荣获国家体委颁发的体育科技进步奖。该仪器是一个多功能 的综合性测力装置，测力平台的主要技术性能指标达到了世界测力平台技术水平，并是 我国第一台压电式测力平台。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。 本研究共完成两方面的研究： 一、以y - d t - 5 4 6 1 型三维压电晶体测力平台为系统前置部分，开发了y - d t - 5 4 6 2 型 双平台测试系统。该系统采用新型数据采集方法，解决了三维测力平台测试过程中，测 试数据丢失与采集同步问题，保证了三维测力平台的测试精度；通过系统专用软件较好 的解决了双平台与空间坐标系角度偏差和摆放位置调整的问题；留有通信接口，可与近 红外影像测量、生物学肌电测量同步测试。 二、研究了一种d v m c 近红外运动捕捉装置与三维测力平台组成的人体运动测试 系统y d t 5 4 6 3 。该系统实现了运动图像与三维测力都由一台计算机同步实时采集。结合 人体的基本参数，运用适当的人体模型，可计算出人体各环节及关节之间的力和力矩。 初步应用结果表明：系统对m a r k e r 点的自动捕捉效果较好，同步性能好，可对人体运 动状态和动力特征进行综合分析，并通过运动学与动力学数据实现了对人体下肢各关节 力与关节力矩计算，为较深入、全面地解析和评价运动，探讨运动原理和规律，从而为 体育运动研究和其它研究提供综合研究的应用方法与手段。 关键词：测力平台：运动学测量；同步测试；关节力与力矩 使用三维测力平台系统分析与评价足部力学指标的研究 r e s e a r c ho nd y n a m i ci n d e x e so f a n a l y s i sa n de v a l u a t i o n t of o o t sb ym u l t i p l ec o m p o n e n t sf o r c ep l a t e ss y s t e m a b s t r a c t p i e z o e l e c t r i cm u l t i c o m p o n e n tm e a s u r i n gf o r c ep l a t f o r i l ls y s t e mw a sm a d e b yi n s t i t u t e o fa t h l e t i c ss c i e n c ed l u tb e t w e e n19 81 19 8 3 a w a r d e dw i t hs p o r t ss c i e n c ea d v a n c i n g a w a r do fn a t i o n a ls p o r t sc o m m i t t e e i ti sam u l t i f u n c t i o n a l i n t e g r a t e df o r c em e a s u r i n g e q u i p m e n t ，c a r d i n a lt e c h n i c a lp a r a m e t e r sa c h i e v e dt h ew o r l dl e v e li nt h i sj e i e l d ，w h i c hi st h e 缸s tp i e z o e l e c t r i cm e a s u r i n gf o r c ep l a t f o r mi nh o m e i tc o m p o s e so fm e a s u r i n gf o r c e p l a t f o r l t l ，c h a r g ea m p l i f i e r , ，dd a t u mc o l l e c t i o na n da n a l y s i ss o f t w a r e ，c a l lc o l l e c tt h ef o r c e i n f o r m a t i o na b o u th u m a nm o t i o ni nr e a lt i m e t h e r ea r et h em a i nw or ! k sa b o u tt h i ss t u d y ： 1 y d t - 5 4 6 2d o u b l ef o r c ep l a t f o r mm e a s u r i n gs y s t e mw a sm a d ei nt h i ss t u d yo nt h eb a s i so f y d t 一5 4 61s i n g l ef o r c ep l a t f o r mm e a s u r i n gs y s t e m t 1 1 i ss y s t e ma d o p t sn e wm e t h o d so f d a t u mc o l l e c t i o n ，s e t t l e st h ep r o b l e m so fd a t u ml o s t a n dc o l l e c t i o ns y n c h r o n i z a t i o n ；t h i ss t u d y s o l v e sh o wt oa n g l ew a r pb e t w e e nd o u b l ef o r c ep l a t f o r ma n dg l o b a lc o o r d i n a t e s ，a d j u s t m e n t o fp l a t f o r m sp o s i t i o nw i t hs o t b c v a r ep r o v i d e db ys y s t e m ；t h a n k st oi t sc o m m u n i c a t i o nd e s i g n ， t h i ss y s t e mc a nh a v es y n c h r o n i z e dt e s t i n gw i t hm o t i o nc a p t u r e ，m u s c l ee l e c t r i c s 2 t h eh u m a nm o t i o nt e s t i n gs y s t e my d t - 5 4 6 3h a v eb e e nd e s i g n e d ，w h i c hi sc o m p o s e do f d v m cm o t i o nc a p t u r ea p p a r a m sa n dt h r e ed i m e n s i o n a lf o r c ep l a t es y s t e m t l l i ss y s t e mc a n u s eo n ec o m p u t e rt o c a p t u r et h em o t i o ni m a g e sa n df o r c et e s t i n gi nr e a lt i m ea n d s y n c h r o n i z a t i o n w i mt h eb o d ys e g m e n tp a r a m e t e r sa n db o d ym o d e l ，t h es y s t e mc a nc a l c u l a t e t h e s e g m e n tp o s i t i o n ，j o i n tf o r c ea n dj o i n tm o m e n tb e t w e e nt h ej o i n t s r e s u l t ss h o w ： a u t o m a t i cc 印t u r ef u n c t i o nf o rm a r k e r si s p e r f e c t ，s y n c h r o n i z a t i o ni se x c e l l e n t ，h a v ea i n t e g r a t i n ga n a l y s i s o nh u m a nm o t i o na n dd y n a m i c s ，c a l c u l a t et h ej o i n tf o r c ea n dj o i n t m o m e n to fe x t r e m i t yw i t ht h eh e l po fk i n e m a t i c sa n dd y n a m i c sd a t a , i ns p o r t sr e s e a r c ha n d o t h e rs t u d i e sp r o v i d eu sn e wa p p l i c a t i o nm e t h o d sa n dm e a s u r e st or e s o l v ea n da p p r a i s e h u m a nm o t i o n ，p r o b ei n t om o t i o nt h e o r i e sa n dr u l e s k e yw o r d s ：f o r c ep l a t f o r m ；k i n e m a t i c sm e a s u r i n g ；s y n c h r o n i z a t i o n ；j o i n tf o r c ea n d m o m e n t i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：堡望三竺丝垄i 垒垒竺垒塑童堡鱼墨宣垄查童鱼：塑亟碹 作者签名：鱼塑鱼日期：丝! 年竺月旦日 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本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和汇编本学位论文。 作者签名： 导师签名： 鱼鱼重 日期：竺! 年堡月竺日 砂扎孑 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题背景 步态分析对人体运动系统和神经系统疾病的病因分析和诊断，功能、疗效与残废评 定，骨、关节假体与义肢设计，截瘫病人的行走功能重建等均有重要意义，已成为基础 和临床研究中不可缺少的手段之一，在人类学、体育学和宇航学等领域也具有特殊的价 值。步态生物力学研究的应用极其广泛，其中包括功能评定、指导治疗、疗效评定、行 走辅助装置的设计等。步态生物力学研究的主要方法包括：步态的影像测量、身体平衡 测量、肌电测量、支撵反力测量及压力分布测量。 目前运动生物力学研究与医疗应用最为广泛的就是三维测力系统与足部压力测量 系统。测试原理主要有二种：一种是力一电转换原理，另一种是力一光转换原理。力一 电转换原理，是将足部压力转换成电信号，以利于后期处理，力一光转换原理是将足部 压力转换成光学图像信号。其中支撑反力测量与压力分布测量是通过对人体下肢反用力 情况分析与评价的两个主要方法。 围11y d t 5 4 6 1 三维压电晶体测力平台 ( 我校体育科研所自行研制：) 12 使用y d t 5 4 6 1 测试现场 测试地点：我校运动生物力学实验) 使用三维测力平台系统分析与评价足部力学指标的研究 运动生物力学使用的三维测力平台根据其传感元件的不同大致可分为两类：一类是 应变式测力台。此类测力台测静态力和准静态力效果较好；另一类是压电式测力台。这 类测力台测试各类动态力、冲击力效果良好。以压电晶体为传感器的压电式测力台具 有测力范围广、刚性好、灵敏度高、线性好、固有频率高、寿命长等特点。三维压电晶 体测力平台工作原理：通过安装在测力平台上的四个三维力传感器把各个方向的力整合 为8 个通道的数据，由数据采集卡进行采集。然后由测力平台软件分析系统对通道数据 进行力学计算与分析，包括力、力矩、扭矩、力角、冲量和作用点等数据的计算，并给 出各种结果数据的曲线图，可非常直观地分析人体下肢的运动过程。目前，世界上有能 力生产三维测力平的单位有美国的b e r t e c 公司和a m t i 公司，瑞士的k i s t l e r 公司；清 华大学、大连理工大学、中科院成都分院、中科院合肥智能机械研究所等单位，等均有 三维测力台产品。但目前只有大连理工大学体育科研所和安徽省合肥智能机械研究所还 在生产，其中我校体育科研所的产品y i ) t 5 4 6 1 为压电晶体传感器后者为应变片传感器。 多年来大连理工大学体育科研所一直侧重开展生物力信号采集、处理方向上的研究 工作，1 9 8 2 年研制成功y l 一8 2 a 、8 2 b 型压电式拉力仪，该仪器对测试体育运动中静、动 态拉力值是国内首创，它成功地将压电效应应用于体育领域，为我国生物力学提供了新 的测试手段。9 0 年代研制成功多分量压电式测力平台，是一个多功能的综合性测力装置， 测力平台的主要技术性能指标达到了居世界测力平台技术领先地位，并是我国第一台压 电式测力平台。目前在国际上仍然处于领先地位。曾经荣获国家体委颁发的体育科技进 步奖。图1 为我校体育科研所自主研发的y d t 5 4 6 1 三维压电晶体测力平台，此系统共分 为三个部分：三维压电晶体测力平台( 图1 1 正中的金属平台) ，电荷放大器( 图1 - 1 右侧) ，测力平台软件系统( 图1 1 左侧，可采用台式机或是笔记本均可) 。图1 2 为使用y d t 5 4 1 三维压电晶体测力平台对辽宁省竞走运动员进行测试的现场。 目前，无论国内外的三维测力平台系统都没有在足部分析与评价方面进行更深一步 的研究，在生物力学研究方面还属于一个空白地带。如果能够利用我的三维测力平台系 统，设计一套分析与评价足部力学指标的软件、硬件系统，不但可以增a n - 维测力平台 的功能，而且可以使我国的三维测力平台系统产品性能强于国外其它同类产品。 单平台测试系统的技术已趋于完善，但双平台同步测试的实现还需要克服一系列的 技术难题。9 0 年代前我国多数测力平台系统均以进口国外平台硬件，自主编写采集与分 析软件或是完全进口为主，在双平台测试系统的开发与应用方面，还没有实现真正意义 上的国产化。本研究以y d t 一5 4 6 1 型三维压电晶体测力平台为系统前置部分，开发了 y d t 一5 4 6 2 型双平台测试系统。 大连理工大学硕士学位论文 在双平台测试系统的基础上，又研究了一种d v m c 近红外运动捕捉装置与三维测力 平台组成的人体运动测试系统。该系统实现了运动图像与三维测力都由一台计算机同步 实时采集。通过一系列的算法，并结合人体的基本参数，运用适当的人体模型，可计算 出人体各环节及关节之间的力和力矩。 1 2 国内外研究现状 国外步态分析研究于6 0 年代开始兴起，国内则于8 0 年代开始起步。步态生物力学 研究的主要方法包括：步态的影像测量、身体平衡测量、肌电测量、支撑反力测量及压 力分布测量。步态分析发展到今天，已得到越来越广泛的应用。目前美国一些设备精良 的大医院，医学研究中心，体育或康复中心均装备有此类检查室，如测力台系统，足底 压力分布测量系统，运动系统，或测力台+ 运动系统，测力台+ 运动系统+ 足底压力分布 测量系统+ e m 测量系等。 1 2 1 以压电晶体为传感器的测力平台 国外以瑞士k i s t l e r 公司的产品为代表，它几乎垄断全世界的测力平台市场。国内 以大连理工大学为代表，它们的结构与性能大同小异。每个传感器是由三组环状的石英 压电晶体叠加在一起形成圆柱形，这三组压电晶体由于其分别从单晶硅上切割方向各不 相同，即分别沿平行子五，j ，么轴3 个不同方向切割，所以3 个方向的力对每一组压电晶 体产生压电效应也各不相同。例如，最上方向的那个环，当受到x 方向的作用力，x 时， trr - n 会因为压电效应在圆环的上、下表面产生电荷，而对上，么方向的力则无此效应。以此类 推，中间的环和最下边的环则只分别对j ，么方向的力有压电效应。由于电荷量和力的大 小成比，通过对电荷量的测定，就可以得到相应方向力的数值。该数值不仅反应弹性力， 还有惯性力，这就是压电式测力平台能更精确地测试动态力不需要速度或加速度补偿的 基本原理；所以说压电式测力平台是一种很好的测动态力的装置。 压电晶体式测力平台具有稳定性好，固有频率高，并能测大载荷的优点。但只能测 5 h z 以上的信号，而且价格高。 k i s t l e r 目前共有8 中型号的测力平台如表1 1 ，按照测试内容可分为步态分析 ( g a i t ) ，平衡分析( b a l a n c e ) ，体育运动( s p o r t ) ；按照放大器的安装可以分为放大 器外置( c h a r g eo u tc h a r g ea m p l i f i e r ) 和放大器内置( b u i l t i nc h a r g ea m p l i f i e r ) ； 按照尺寸大小可以分为标准型与放大型；按照组成材料由可分为钢型和玻璃型。软件大 致分为两种：b i o w a r e ，q u a t t r o 。 使用三维截0 力平台系统分析与评价足部力学指标的研究 表1ik i s t l e r 测力平台型号一览 m 嘶二一 多分量测力平台( 电荷放大嚣外置)9 2 8 1 c 4 多分量测力平台( 电荷放大器内置) 麓i 譬筘 玻璃顶多分量测力平台电荷放大器外置) 一一如可移动多分量测力平台( 电荷放大器外置) 焉- 一葡爵污袭氟矛话可鬲丽磊丽f 面赢f i 乏= 巧趸药疆i 而弄彳瓦丽反丽匿广一嚣矛 忑_ i 亘动浯藏萍虿逼磊面磊面西百西i 一 万一百忑面酝面诵砑福蓊一i 磊。 ( 1 ) g a i ta n a l y s i s 步态分析 k i s t l e r 测试平台可应用于生物力学测试，可以记录步态与跑步过程中比较细微的 变化与力的非对称性。例如，它可以测量蹬伸的冲击力，受伤关节手术后的恢复进展。 k i s t l e r 测试系统支持各种各样的步态分析以支持整形外科，弥补术和康复方面的诊 断。 大连理工大学硕士学位论文 k i s t l e r 在临床步态分析方面提供了一个适合一切日常生物力学测量系统。这些都 受益于简易的测力平台安装过程与对数字信号，记录与分析相关的软件。这样就使得用 户只关注于病人的诊断，而不用去为复杂的安装过程与操作而烦恼了。 图l3 实验室条件下步态分析 k i s t l e r 适合步态分析的测力平台t t y p e9 2 8 1 c ：通用多分量测力平台，标准台 t y p e9 2 8 7 b ：通用多分量测力平台，大号台 t y p e9 2 8 5 ：玻璃顶多分量测力平台 t y p e9 2 8 6 a ：可移动多分量测力平台 ( 2 ) b a l a n c e 平衡分析 平衡分析需要测力平台能够精准的记录身体重心、压力中心( c o p ) 和地面反作用力 的微小变化。 k i s t l e r 测力平台与b i o w a r e 软件的结合快速的获得这些信息，为神经学，心理学 和整形外科学提供有效的支持。 k i s t l e r 测力平台是以压电晶体作为传感器，它同时可以对大重量与很小的重量进 行测量，因此它是测量c o p 最佳的测试工具。使用b i o w a r e 权软件可以测量c o p 并对 它进行数字化处理。因此，系统会快而准的进行有效平衡分析。 使用三维测力平台系统分析与评价足部力学指标的研究 图14 玻璃顶结构测力平台 k i s t l e r 测量平衡的测力平台： t y p e9 2 8 1 c ：多分量测量平台，标准台 t y p e9 2 8 6 a ：可移动多分量测力平台 t y p e9 2 8 5 ：玻璃顶多分量测力平台 ( 3 ) s p o r t s 体育运动分析 在生物力学测试中，k i s t l e r 测力平台可以使运动员提高动作次序，专业运动员达 到他们的生理极限，业余运动员的动作最佳化，可以避免对身体不利的冲击。系统测定 对动作时序的测量与分析可以识别肌肉与关节的过度载荷与损伤。 由于测力平台采用的是压电晶体传感器，它测量的范围比较广，与b i o w a r e 软件一 起成为专业与业余运动员运动测试的最佳选择。 大连理工大学硕士学位论文 图15 测力平台对体育运动起跑进行测试 k i s t l e r 测力平台还可以用来制作体育运动装各，特别是运动鞋与地的表面。例如， 运动鞋厂家可将k i s t l e r 测力平台安装于防滑地面，对运动鞋支撑与缓冲的关键因素 进行测量。无论是何种性质的测试，k i s t l e r 测力平台与b i o w a r e 软件都是降低安装 要求，让使用者专心于测量任务的理想方案。 ( 4 ) q l l a t t r oj u m p 纵跳实验 图1 5 测力平台可对运动员纵跳能力进行测试与评价 k i s t l e r sq u a t t r oj u m p 系统是专门为测量纵跳而设计的。t h eq u a t t r oj u m p 可 以容易的测试速度，协调性和耐力。测试对象在钡0 力平台作动作，通过b i o w a r e 软件进 使用三维擐4 力平台系统分析与评价足部力学指标的研究 行分析。积极的纵跳评价可以使训练者知道什么是好的，什么是坏的。它可以对不同的 运动员进行比较，并给出一个团体性运动目的的基准。 k i s t l e r 测量系统用于体育运动： q u a _ 七t r o3 u p ，可移动测力平台与软件可以测量纵跳力 t y p e9 2 8 1 c ：多分量删力平台，标准台 t y p e9 2 8 7 b ：多分量测力平台，大台 t y p e9 2 8 5 ：玻璃顶多分量测力平台 ( 5 ) g a i t w a yi i 步态分析跑台 g a i t w a yi i 是德国h p c o s m o s 公司与瑞士k i s t l e r 公司合作研制的新一代步态分 析系统。它是通过在跑台的前后内置的两块k i s t l t e r 高精度三维测力台，对受试者在 跑台上的走或跑进行分析的新一代步态分析系统。它可以做体格检查、损伤后步态重新 学习、步态对称测试和练习等方面，广泛应用于骨科、外科、康复、体育教学与科研中。 图i6g a i t w a yi i 新型步态分析系统 大连理工大学硕士学位论文 l _ 2 2 以电阻片为传感器的测力平台 用电阻片制作的传感器形式是多种多样的，常用的有圆环式、双环式、圆柱式以及 轮辐式。它们均属于“变形型”测力平台，国为这些传感器的变形与力大小成正比，所 以它们是通过测传感器的变形转换成力的大小。电阻片贴在传感器变形的部位，使其与 传感器变形一致，电阻片的变形通过电桥转化为电压的变化，最后与数据采集系统相连 得到6 个力的参量。国外以美国a m i ( a d v a n c e dm e c h a n i c a lt e c h n o l o g y ，i n c ) 公司 生产的l g 6 4 系列为代表，他们采用的是筒式。国内合肥科源传感系统工程有限公司和 沈阳体育学院联合开发的e y 一1 1 6 l 型测力平台是由六维力力矩传感器、数字信号处理 器，软件包等组成。清华大学力学系生产的产品曾采用过轮辐式，现主要采用双环式。 a g t i 公司目前共有1 1 种型号的测力平台如表12 ，按照测试内容可分为步态分析 ( g a i t ) ，平衡分析( b a l a n c e ) ，体育运动( s p o r t ) ；按照放大器的安装可以分为放大 嚣外置( c h a r g eo u tc h a r g ea m p i i f i e r ) 和放丈器内置( b u i l t i nc h a r g ea m p j i f i e r ) ； 力台的尺寸各不相同几乎每一种型号的测力平台尺寸都不同；按照材料由可分为合金 型、玻璃型和防水型。软件大致分为两种：b i o v e c “s y s t e m s ，b i o a n a l y s i sw i t h n e t f o r c e ， 表12a t t i 测力平台型号一览 类型描述型号 测力平台：4 0 0 * 6 0 0 m m b p 4 0 0 6 0 0 i i f 测力平台：9 0 0 * 9 0 0 ， 使用三维目0 力平台系统分析与评价足部力学指标的研究 测力平台r4 0 0 * 8 0 0i 【】n b p 4 0 0 8 0 0 a m t i 测力平台测试的用途：生物力学、工程学、医学研究、正形学、功能恢复评 估学、弥补术，普通工业，还包括步态分析、“r o m b e r g ”测试与稳定性分析、神经学 分析、弥补术装置，体育运动，运动鞋设计力，功和能的研究。 另外，a m t i 最近又研发了世界上最先进的动态测力平台，由两块测力平台组合而成， 共有六个自由度，可以前后、左右、足部的向上或是向下。可在动态状态下对人体运动 如步态，平衡等动作进行测量。 图17a 耵i 动静态步态平衡分析 大连理工大学硕士学位论文 1 3y d t 5 4 6 1 三维压电晶体测力平台 y d t 5 4 6 1 三维压电晶体测力平台由大连理工大学体育科研所于1 9 8 1 年开始研制， 1 9 8 3 年研制成功，1 9 8 7 年荣获国家体委颁发的体育科技进步奖。该仪器是一个多功能 的综合性测力装置，测力平台的主要技术性能指标达到了世界测力平台技术水平，并是 我国第一台压电式测力平台。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。该系统软件全部在d o s 操作系统下工作， 并且只能输出人体运动过程中的三维力，即殿，毋，乃和f x y z 。2 0 0 5 年体育科研所针对 w i n d o w s 操作系统作用c + + 语言重新编写了系统软件。系统软件对通道数据进行力学计 算与分析，包括力、力矩、扭矩、力角、冲量和力作用点等数据，并给出各种结果数据 的曲线图，可非常直观地分析人体的运动过程中力的变化特征。 经过2 0 多年的实际运用与改进，该系统已经相当成熟，为我国生物力学测试研究 多向动态力又开辟了一条新途径，经多分量静、动态力的检测，提供了较理想和稳定可 靠的测量手段，对运动技术的动作变化过程给予了真实的力值和曲线，将对科学的训练、 选材提供客观依据。也适用于工业、劳动卫生、医学、肢体康复、机能检查、人体工作 力学等测试之用。 1 3 1 测力平台的力传感元件 压电式测力平以用的传感元件是大连理工大学研制成功通过技术鉴定的压电石英 晶体三向力传感器。其结构如图所示，技术性能指标见表1 3 表1 3 三向力传感器主要技术性能指标 技术性能名称 技术性能指标 测力范围乃 1 0 0 0 k g f f x ，毋 i 2 5 0 k g f 分辨率 0 0 1k g 过载能力 2 0 灵敏度 z 4 5 p c k g f x 、y 8 2 p e k g f 固有频率 1 4 - 2 8l d t z 线性误差 f s 1 重复性误差f s 1 - 4 - 1 滞后性 使用三维铆4 力平台系统分析与评价足部力学指标的研究 向间干扰 i 0 1 3 o 温度系数 f xm 【m ( x 销 f y 神坶啪y 营y ( 2 3 ) f z c ： f z 陇z 锐 在实际应用中，把数据从作用力方向的坐标转换成反作用力方向的坐标数据时要注 意必须把反作用力的】，和力矩的】，符号为相反。并且把x 和】，位置符号为相反，例如， 真实原心点位置d 和压力中心位置c o p 。 z ( 1 ) ( 1 ) 务t 扇力方角的坐标系统 ( 4 ) 测力平台表面衬垫设置 y z x ( 笱 ( 2 为度捧用力万向的垒拓系绞 图2 6 坐标系统原理图 有时为了测量的需要，会对测力平台表面加上一层衬垫，有的目的是增加摩擦力， 而有的是出于对测力平台表面的保护。当测力平台上面覆盖衬垫时，相对应的c o p 就需 大连理工大学硕士学位论文 要校正。图4 显示了测力平台坐标系统( x t z 系统) 与衬垫坐标系统( 凇系统) 之间 的关系。f 是地面反作用力矢量。需要注意的是本图用的是反作用力坐标系统而不是作 用力方向坐标系统。+ 】，所指的是运动的方向。 图中的点p 是g r f 作用于测力平台的作用点。换句话说，测力平台软件所报告的 c o p 位置只是点，在x t z 坐标系内的位置。但是，如果测试者想知道衬垫坐标系内的 c o p 位置就必须先知道它在x t z 坐标系内的位置。既然衬垫平面位于人体与测力平台 之间，人们想用的自然是衬垫上的坐标系统，而不是测力平台坐标系统。 z 图2 7 力台表面衬垫示意图 y y 点尸是矢量f 与衬垫表面的相交点。因为点p 和尸都在矢量f 的作用线上，作用 点尸而不是点尸，作为c o p 就不会影响由f 产生的力矩。 设衬垫的厚度为7 与矢量 k 矿： 为f 单位矢量，那么： ” f f 尼= 一 ，2 x = x p + 帆 y = y l + l c n p ( 2 4 ) 使用三维测力平台系统分析与评价足部力学指标的研究 式中，尼= 一个常量， x ，y = 点p 在删一系统中的坐标， r = 点p 在x f 一系 统中的坐标。 x ，y 就是新坐标系中数据分析所使用的c o p 。 实际应用中我们需要注意，当衬垫比较柔软时，就会产生一个问题。衬垫的变形就 会产生人与环境接触面的变化。对于这样的c o p 基本上没有解决方法；当我仃丁在反动力 学中使用地面反作用力时，可以使用两种完全不同坐标系统位置c o p ： x ，y ，o o r x 。，y ，一z 。这是因为p 与p 都在矢量，的作用线上。这也意味着，即使衬垫很柔软， 仍然可以把 ，y ，一f 作为c o p 。同时也不要忘记反向坐标系统里的自由扭矩( 地面反作 _ 用力的：) 。 ( 5 ) 采样频率的设置 由于三维压电晶体测力平台采用的是石英晶体作为力传感器，采样频率至少2 0 - 3 0 k h z ，将其安装于测力平台内采样频率也可以达到1 0 0 0 h z 。1 0 0 0 h z 的采样频率对于人体 运动测量来说已经足够用了，比如对于步态测量来说采样频率在1 0 0 - 2 0 0 h z 为最佳，快 速奔跑测量的采样频率4 0 0 8 0 0 h z 为最佳。采样频率的设置一直都是困扰生物力学研究 人员的问题，过高或是过低对实验数据的真实性都会产生影响。表3 是笔者查阅相关资 料并结合多次实验得出的采样范围。 表2 2 几项运动最佳采样范围设置 测试项目采样范围测力范围 小型动物如老鼠，猫，鸟类5 0 1 0 0 h zo l l 【n 的步态分析与研究 人体步态分析1 0 0 - 一2 0 0 h z0 一一1 0k n 运动奔跑 2 0 0 4 0 0 h z 0 一一1 0i 【n 跳远、跳高的起跳 4 0 0 6 0 0 h z0 1 8i 【n 举重、短跑的起跑3 0 0 5 0 0 h z o 一一1 8l ( n 牲畜的奔跑如马6 0 0 8 0 0 h z o 一一- 2 0k n 拳击的瞬间击打7 0 0 一一9 0 0 h z o 1 5k n 在实际应用中我们要注意选择适当的采样频率与测力范围，根据不同项目的特点选 择适当的采样频率，以保证实验的准确无误。 大连理工大学硕士学位论文 2 4 系统软件部分 软件系统采用模块化编程思想，这样可以为系统维护、升级与功能的扩展提供方便。 窗口界面和下拉菜单的设计，使软件更灵活、更简便，用户界面更加友好。软件语言有 中文与日文可以选择。在v c 60 编程环境中，使用m f c 完成应用程序框架的构建，完成 与用户的交互功能，并调用w i n d o w s a p l 函数完成数据采集、计算和分析功能。主要功 能有： 数据采集：平台信息，采集信息，数据采样，数据保存等。 图形显示：使用图形方式显示测试数据和分析结果，可实时图形和历史图形，并可 对图进行设置与编辑等。 数据处理：零点漂移，滤波处理，数据恢复等。 标定设置：可完成体重测量与测力平台现场标定功能。 外部接口：测力平台与远红外运动捕捉系统数据接口。 图28 双平台钡0 试系统对铅球后滑步技术最后用力过程数据采集 使用三维测力平台系统分析与评价足部力学指标的研究 241 测试指标 y i ) t 一5 4 6 2 型专用测试软件中的采集模块可以对单取平台测试进行设置。在双平台测 试模式下可以选择职平台分别测试或双平台整体测试。其中双平台分别测试方式是在两 个平台同步情况下对测试指标分别进行计算：双平台整体测试方式是把双平台当作一个 平台来看，在同一个空间坐标系下计算总体的各项力学指标，在这种方式下需要把两个 平台的空间坐标位置与每个力台相对空间坐标系的夹角输入到计算模块内。 图29 选择图表显示 力f n r ；f y t ；f z t ；f x y r ；y y z t ；f a t ；f x y z r ；r 脚一r 力矩m m x r ；m y - t ；m z t 扭矩弛 乃r 力角一 a x t ；a y t ；a z t ia t ； 力冲量仃 i x - t ；t ；l z r ；1 w z ；l y z t ；l z x t ；i x y z t 力作用点妤 工一r ：r 一丁：j y 力向量 三维向量图； 大连理工大学硕士学位论文 2 4 2 计算方法 压电测力平台是由四个压电石英三向力传感器组成的一个测力系统，当有一 个任意外力f 作用在测力平台上时，每个力传感器按系统三个坐标x ，y ，z 方向分解 为相应的分力，分析与合成我们可以得到： ( 1 ) 力f a ，毋，尼 由于测力平台共有4 个传感器，每个传感器有3 个输出导线分别输出f x ，毋，f z 向 力，力台共有十二个通道的电荷输出电路。 e = c 1 + 只2 + 巳+ c 4 = b 2 + e = 毛+ e ：+ + = 弓t + b 趋 e2 c l + e 2 + e 3 + 只4 ( 2 5 ) 从公式中可以看出作用力f 被分解成r ，毋，f z 向力，其中各向力都为四个传感器 的总和。经过计算与实际运用可以把十二个通道数据拟合成八个通道数据输出即f x l 2 、 f x 3 4 ，fy 1 4 ，f y 2 3 ，f z l ，f z 2 ，f z 3 ，f z 4 。 f x y z ，f x y ，f x z ，f y z 如z = 眶瓦西 f x y z ：扛瓦丽 ( 2 6 ) 从式中可以看出，以上各向力都是由f x ，y y ，f z 三向力经过合成计算所得。其中 f x f y f z = f x l f y l f z ，不是各向合力，而是系统把a ，f y ，尼三向力在同一个界面内同 时显示 使用三维测力平台系统分析与评价足部力学指标的研究 ( 2 ) 力矩m 一般惰况下外力f 作用点不通过坐标系统原点0 ( 即四个传感器的几何中一心) ，因此 要产生对坐标原点0 的力矩m ，按系统坐标可以得到相对测力平台x 、y 、z 坐标轴的力 矩值： 鸩= b - ( 只，+ 2 一e 3 一c ) 坞2 俨( 只，一疋：一e ，+ e ) 鸩= b - ( 一只- 一e 2 + e ，+ 厶) + 伊( _ 一一一) ( 2 7 ) 式中力矩的值都是，式中含有参数a 和b ，其中a 、b 是平台四个传感器与坐标轴之 距，分别为1 2 c m 和2 0 c m ( 详细内容请见第二部分第二节采集设置部分) 。要想等到相 对力台上表面的力矩还需要经过下面的计算获得： m x = - ? 泺+ 毋拳a z 0 m y2 坳一f x 书a z 0 ( 2 8 ) ( 3 ) 扭矩t z 通常在外力f 作用的同时，还有转矩t z 也作用在平台表面上，这时整个系统力矩 是由外加t z 与力矩m 简单地叠加，都是通过四个力传感器测出来的，可以得到： t z = 勉一毋事a x + f x