測力臺在體育測試中的應用研究

王爽

（西安體育學院 網(wǎng)絡管理中心，陜西 西安 710068）

體育受到世界各國越來越多的重視。一個國家的體育運動水平在某種程度上反映了該國的社會狀況、經(jīng)濟形勢和精神面貌，體現(xiàn)著該國的國力。為了在激烈的競爭中取得好成績，人們越來越重視現(xiàn)代科學技術手段在訓練和比賽中的指導作用，這極大的促進了體育科學的發(fā)展。運動生物力學作為體育科學的重要分支，其研究在國內外也是方興未艾。

運動生物力學主要研究人體結構的受力過程、影響以及運動技術力學規(guī)律。它的重要意義在于，如果了解了人體上力的大小、方向和變化規(guī)律，便可為運動員及其教練、人體工程學家、神經(jīng)?？漆t(yī)師等領域的研究者提供極為寶貴的訊息。不言而喻，研究力作用效應的一個基本出發(fā)點就是對力進行定量觀測和分析，這就要依賴于一系列的硬件設備。測力臺一直是運動生物力學研究領域的有力測試工具，由于其動態(tài)性能好，具有測試三維數(shù)據(jù)的功能，而受到研究人員的重視，當人體站在測力臺臺面并運動時，人與測力臺之間的相互作用可由4個對稱分布的三維力傳感器進行檢測，經(jīng)過放大器放大和A/D轉換數(shù)字化后，就可以得到豎直、前后、左右3個方向上力的大小。如果以一定頻率在時間軸上連續(xù)采集，就可以獲得人與測力臺作用時間內的一系列力值。有了力，就可以求加速度，對加速度一重積分，可以求得速度，對加速度二重積分，可以求得位移。在知道臺面尺寸后，還可以求得3個方向的力矩以及人體運動重心坐標等[1]。除此之外，如果測力臺與其他設備相結合，還可以得到更加豐富的各種其他數(shù)據(jù)。測試過程中通過安裝在測力平臺上的4個三維傳感器把各個方向的力整合為8個通道的數(shù)據(jù)，然后對各個通道的數(shù)據(jù)進行采集，濾波，通過USB接口與上位機進行通信，最后由上位機軟件系統(tǒng)對各通道的數(shù)據(jù)進行計算與分析，包括力、力矩、扭矩、力角、沖量和作用點等數(shù)據(jù)的計算，并給出各種結果數(shù)據(jù)的曲線圖，可非常直觀地分析人體運動中所受地面支撐反力的動態(tài)特征，從而給訓練指導和體育研究提供有力的科學依據(jù)。由此可見，測力臺確實是一種很重要的生物力學實驗設備，從它直接或間接得到的實驗數(shù)據(jù)，對體育科學的研究提供了有力的幫助[2]。

1 測力臺分類

依據(jù)傳感器的不同，測力臺可分為：以壓電晶體為傳感器的測力平臺，以電阻應變片為傳感器的測力平臺。

1.1 以壓電晶體為傳感器的測力臺

以壓電晶體為傳感器的測力臺每個傳感器是由3組環(huán)狀的石英壓電晶體疊加在一起形成圓柱形，這3組壓電晶體由于其分別從單晶硅上切割方向各不相同，即分別沿平行于X，Y，Z軸3個不同方向切割，所以3個方向的力對每一組壓電晶體產(chǎn)生壓電效應也各不相同。例如，最上方向的那個環(huán)，當受到X方向的作用力Fx時，會因為壓電效應在圓環(huán)的上、下表面產(chǎn)生電荷，而對Y，Z方向的力則無此效應。以此類推，中間的環(huán)和最下邊的環(huán)則只分別對Y，Z方向的力有壓電效應。由于電荷量和力的大小成比，通過對電荷量的測定，就可以得到相應方向力的數(shù)值。該數(shù)值不僅反應彈性力，還有慣性力，這就是壓電式測力平臺能更精確地測試動態(tài)力不需要速度或加速度補償?shù)幕驹怼?/p>

1.2 以電阻應變片為傳感器的測力臺

用電阻片制作的傳感器形式是多種多樣的，常用的有圓環(huán)式、雙環(huán)式、圓柱式以及輪輻式。它們均屬于“變形型”測力平臺，因為這些傳感器的變形與力大小成正比，所以它們是通過測傳感器的變形轉換成力的大小。電阻片貼在傳感器變形的部位，使其與傳感器變形一致，電阻片的變形通過電橋轉化為電壓的變化，最后與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連得到6個力的參量[3]。

兩種傳感器測力臺性能比較如表1所示。

表1 兩種傳感器測力臺比較Tab.1 Comparison of the two sensors force platform

2 測力臺在體育測試中的應用

測力臺多為長方形，由踏板、傳感器、和底座3部分組成，踏板和底座之間由安放在四角的傳感器支撐，當受試者的腳踏在平臺上時，通過每個傳感器3個方向的力值可以用于步態(tài)分析、運動分析、撞擊過程測試。例如：Kistler 9290AD型測力臺如圖1所示：

1）在步態(tài)測試中可以測試到：

垂直力：Z軸方向的力Fz；

橫向力：Y軸方向的力Fy；

圖1 Kistler 9290AD型測力臺Fig.1 Kistler 9290AD-type force platform

前后向力：X軸方向的力Fx；

由于一個完整的步態(tài)過程包括以下的過程：

①腳后跟對測力臺的沖擊力；②承受重力；③中間狀態(tài)；④離開（前后向力較大、Z向力比較?。?；⑤單只腳的COP軌跡分布圖（可以根據(jù)力與力矩的關系計算得到）。

則可以使用測力平臺測試到的數(shù)據(jù)、結合高速同步攝像機、肌力儀等設備對這一過程進行生物力學方面的分析[4]。

2）在縱跳的過程中：

垂直力：F實際測得（Fz力）

運動生物力學常常應用三維測力臺對高水平運動員的某一特定動作，或動作過程中某一特殊時期的動力學特征進行測試分析和研究。以跳高，跳遠起跳為例，通過測力臺檢測踏跳瞬間的力值大小和方向，及作用時間等各項指標，與運動成績高度相關。值得注意的是，這種情況下測力臺所記錄的各力學指標的特征和變化規(guī)律，反映的是運動過程中的某一瞬間，人體與臺面的總相互作用，在這種測試條件下，對測試結果有明顯影響的因素較多，如上臂擺動，軀體運動，相關肌群發(fā)力，慣性作用等。對測試結果的分析，注重考慮與動作完成效果的相關性，而難于將各影響因素對測試結果的“貢獻”量化區(qū)分[5]。如果考慮排除有關因素的影響量化研究特定肌肉或肌群的生物力學特性，采用三維測力臺上的SJ（半蹲跳）和 CMJ（下蹲跳）測試，是目前較為常用的方法，由于SJ和 CMJ測試條件控制相對比較嚴格，測試結果有可比性，因而被普遍采用并在肌肉力學性能研究方面取得了卓有成效的進展[6]。圖2和圖3分別為一次SJ測試和CMJ測試的范例。

圖2 SJ測試Fig.2 SJ test

圖3 CMJ測試Fig.3 CMJ test

測力臺依據(jù)縱跳能力，協(xié)調性和耐力有效地測試腿部作訓練條件。與等運動系統(tǒng)不同，運動員完全可以根據(jù)自身條件和協(xié)調性自然運動，可以做單次縱跳或多次連續(xù)縱跳分析。例如，標準化的KISTLER Quattro Jump測試可客觀測量跳躍力、跳躍高度和跳躍能量，及時反饋優(yōu)化訓練過程。為運動隊醫(yī)生，教練員和運動員快速，準確地提供必要的信息，使他們能夠科學地制定訓練方案。

應用Quattro Jump系統(tǒng)，可以：

比賽前優(yōu)化訓練；為受傷的運動員選擇合適的訓練強度；挑選新隊員；評價隊員實力。

將QUATTRO JUMP測力臺放在地面上就可以測量腿部的的垂直起跳力量。內置在測力臺內的壓電傳感器，連續(xù)測量起跳力量，并以每秒采樣500次的速度進行數(shù)據(jù)采集并將數(shù)據(jù)傳送到計算機。起跳高度、起跳功率及其他參數(shù)可以根據(jù)起跳時的力量自動進行計算并存儲。特別需要指出的，根據(jù)肌肉工作的特點起跳動作可以分為離心和向心兩個動作階段進行詳細分析。如果起跳動作正確完成，則起跳的高度曲線就顯示出來。QUATTRO JUMP測力臺與其他系統(tǒng)的區(qū)別在于，它不是間接地根據(jù)騰空時間來計算高度的。統(tǒng)計評定功能可以對一個運動員幾次測試的結果，也可以對同一運動隊中不同運動員的測試結果進行比較（例如：可比較一個訓練周期前后或一次比賽前后的測試結果）。KISLTER公司通過與測量起跳力量領域的知名專家CARMELO BOSCO博士的合作，總結出一套適合常規(guī)運動技術診斷的方法。在QUATTRO JUMP BOSCO測試中，運動員連續(xù)起跳，各種類型的起跳都適合使用此方法。每次起跳都可進行評價，并可以詳細描述以及記錄在報告中。在運動員連續(xù)起跳之后，最佳的起跳可自動標識出來，并進行進一步的參數(shù)計算。借助于圖形的顯示功能，不正確的起跳可立即識別出來，并可以在任何時候刪除。Quattro Jump配有計算機軟件，如BioWare生物力學數(shù)采分析軟件，這是一個操作簡便，功能豐富，可進行各種生物力學測量分析的軟件包。適用于：基礎研究，步態(tài)分析，運動測量（跳躍力、沖撞、訓練），神經(jīng)學，人類工程學研究和工業(yè)應用（鞋的研制、材料、安全性、負荷分析）等。生物力學數(shù)采分析軟件能夠同時控制多至8個測力臺，內置或外接電荷放大器的兩種類型測力臺均可?？芍苯硬杉瘻y力臺信號，并進行數(shù)據(jù)分析，操作簡單，擺脫了以往測力臺大多局限于專業(yè)人員使用的局面，特別適合于日常技術診斷。軟件根據(jù)縱跳力自動計算和記錄縱跳高度，縱跳動作評價以及其它70個重要參數(shù)如：力——曲線；速度——時間曲線；縱跳高度；縱跳功率；反向移動深度；快收縮纖維比例；從偏心運動轉至同心運動一刻的力；Bosco指數(shù)；雙腿平衡指數(shù)；速度/耐力指數(shù)；預先拉伸之功用；疲勞參數(shù)。

系統(tǒng)還提供綜合協(xié)定，包含大部份測試的重要參數(shù)，可用作比較隊員間或訓練前后的測試結果[7]。

這些測試結果豐富了肌肉生物力學基礎理論，有很高的學術價值，對進一步探索肌肉收縮的內在機理提供了一定的實驗依據(jù)，而且是競技運動領域進行肌肉力量檢測與評定的方法學基礎和理論基礎[8]。

3 結 論

體育競技中要取得好成績只有通過嚴謹?shù)目茖W訓練、科學分析才能實現(xiàn)。通過分析運動員在不同時刻的運動力，不但能夠確定運動員在不同時期的成績，而且還能記錄不同技術的效果，從而相應地修正訓練計劃。運動生物力學運用三維測力臺研究人體肌肉的力學性能和人體運動的動力學特征，對體育競技成績的提高有十分重要的推動作用。

[1]陳祥運.測力臺數(shù)據(jù)的采集分析與系統(tǒng)實現(xiàn)[D].南京:南京理工大學，2003:1-2.

[2]王普剛.基于DSP的測力臺數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[D].大連:大連理工大學，2009:1-2.

[3]王蘇佳.動態(tài)力測量系統(tǒng)的研究[D].大連:大連交通大學，2008:9-10.

[4]李愛萍，胡軍，劉合榮.基于三維測力臺系統(tǒng)的人體步態(tài)分析[J].微計算機信息：測控自動化，2010，26（5-1）:226-228.

LI Ai-ping， HU Jun， LIU Rong.The gait analysis system Based on three-dimensional force platform[J].Computer：Control Automation，2010，26（5-1）:226-228.

[5]金季春.運動生物力學高級教程[M].北京:北京體育大學出版社，2007.

[6]張躍.測力臺上SJ和CMJ測試用于肌肉生物力學性能研究[J].體育與科學， 1998，19（5）:102-106.

ZHANG Yue. Study of muscle’s biomechanical characteristics with SJ＆CMJ tests oil force platform[J].Sports and Science， 1998，19（5）:102-106.

[7]中國體育科學學會運動生物力學分會.[EB/OL].（2011-04-20）http://www.cssb2001.net/kistler/kistler4.htm.

[8]雷建和，馬靜華，宋全軍，等.運動生物力學信息的獲取與處理[J].微計算機信息， 2006（26）:94-97.

LEI Jian-he，Ma Jing-hua， SONG Quan-jun，et al.Sports biomechanicalinformation acquisition & processing[J].Microcomputer Information， 2006（26）:94-97.