一文詳解三維測力臺的原理與應(yīng)用

體育強則中國強，國運興則體育興。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。因此，為了在競技體育中取得好成績，人們越來越注重運用生物力學(xué)手段來指導(dǎo)訓(xùn)練和比賽。
 
運動生物力學(xué)主要研究人體結(jié)構(gòu)的受力過程、影響以及運動技術(shù)力學(xué)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(xué)家、神經(jīng)�？漆t(yī)師等領(lǐng)域的研究者提供極為寶貴的訊息。研究力作用效應(yīng)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(shè)備。  
測力臺一直是運動生物力學(xué)研究領(lǐng)域的有力測試工具，它可以用于分析運動員在步行、跑步或其他體育鍛煉（如跳躍）時所施加的推力。測力平臺可檢測和測量加速度、反應(yīng)時間和可能的推力缺陷，這意味著它可以在訓(xùn)練期間為比賽和康復(fù)運動員的表現(xiàn)評估提供極好的支持。本文將具體講解三維測力臺的原理、應(yīng)用及具體的研究案例。
 
測力臺的概念
測力臺是一種用于人體運動力學(xué)研究的設(shè)備，通常呈長方形，由踏板、高精度的傳感器和穩(wěn)固的底座三部分構(gòu)成。踏板與底座之間通過四角安裝的傳感器相連，這些傳感器能夠捕捉到受試者在踏板上施加的力。當(dāng)受試者的腳部接觸平臺時，傳感器能夠測量出垂直向下的力、水平方向的力和前后方向的力，從而為研究者提供全面的數(shù)據(jù)。
 
這類平臺在人體運動研究中扮演著重要角色，特別適用于分析跑步、跳躍、投擲、舉重等運動中下肢的動態(tài)用力情況。此外，它還能測量上肢的接觸力、力矩以及人體在靜止?fàn)顟B(tài)下的重心變化。  
當(dāng)人體站在臺面并運動時，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 AD 卡數(shù)字化后，我們就可以得到豎直、前后、左右三個方向上力的大小（如Fx、Fy、Fz）。如果我們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(nèi)的一系列力值。我們知道，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，還可以求得三個方向的力矩（如Mx、My、Mz）以及壓心坐標（如COP_X、COP_Y）等。
 
測力臺的分類
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臺，以電阻應(yīng)變片為傳感器的測力臺。

• 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(yīng)也各不相同。
 
例如,最上方向的那個環(huán)，當(dāng)受到X方向的作用力Fx時，會因為壓電效應(yīng)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(yīng)。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(yīng)。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(yīng)方向力的數(shù)值。該數(shù)值不僅反應(yīng)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�本原理�?br />  

• Kistler三維測力臺

Kislter出品的生物力學(xué)測試系統(tǒng)提供高精度動作分析，是提高運動技能、完善康復(fù)治療和改進產(chǎn)品和工藝人體工程學(xué)設(shè)計的基礎(chǔ)科研工具。對于步態(tài)和運動分析、體能訓(xùn)練、田徑比賽，或?qū)τ谔囟óa(chǎn)品的使用，Kistler動態(tài)測力系統(tǒng)可以提供準確的數(shù)據(jù)，并可以結(jié)合配套軟件對運動模式進行分析、評價和對比。Kistler三維測力臺特別注重易用性和操作便捷性，絕大多數(shù)型號已進行數(shù)字化改型，無需連接數(shù)采，直接連接PC端。  
除體育訓(xùn)練外，Kistler測力臺還可用于動作技術(shù)的地面反作用力的測試、下肢運動損傷、預(yù)防損傷、穩(wěn)定能力、平衡能力的測試、運動裝備（如運動鞋）的運動性能測試、運動場地材質(zhì)的緩沖性能測試等運動相關(guān)領(lǐng)域。  
功能特點

1. 高固有頻率、高阻尼、高精度
2. 優(yōu)異的線性和靈敏度
3. 在極寬的測量范圍內(nèi)保持長期穩(wěn)定
4. 能對每個快速動作進行精密測量
5. 支持與視頻分析/運動分析一起使用
6. 高分辨率和可靠性
7. 可記錄較小的力（例如兒童）
8. 抗過載能力強，使用壽命長且無老化
9. 產(chǎn)品類型全面，擅長檢測上肢力和地面反作用力

 

• 以電阻應(yīng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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。

 Bertec三維測力臺
 Bertec是國際公認的研究級生物力學(xué)設(shè)備及軟件的設(shè)計者、制造者和銷售者。耐克公司、美國奧林匹克游泳隊、豐田機器人公司、美國國立衛(wèi)生研究院、克利夫蘭診所、梅奧診所、哈佛大學(xué)等全球數(shù)百家機構(gòu)都曾使用Bertec的產(chǎn)品。  
Bertec測力臺是由其專利的應(yīng)變測量技術(shù)、先進的電子技術(shù)、創(chuàng)新的機械設(shè)計和高質(zhì)量的制造技術(shù)所創(chuàng)造的優(yōu)質(zhì)測力板，可應(yīng)用在步態(tài)、平衡、跳躍、奔跑等多種運動表現(xiàn)的研究中。Bertec擁有固定式與便攜式兩種測力臺，便攜式方便移動，允許在更自然的環(huán)境中收集數(shù)據(jù)。
   
功能特點

1. 測量精度高
2. 串?dāng)_小、無漂移
3. 模擬信號處理為數(shù)字數(shù)據(jù)，不受外界干擾
4. 多種尺寸和負載范圍的測力臺可供選擇，以滿足不同實驗需求
5. 可一次同步40+ 固定式測力臺
6. 可結(jié)合運動捕捉系統(tǒng)實現(xiàn)同步采集

 
測力臺的應(yīng)用方向
測力臺的兩個主要應(yīng)用方向是預(yù)防損傷和提高運動表現(xiàn)。在預(yù)防損傷方面，姿勢穩(wěn)定性、跳躍和著地是預(yù)防性研究的主要領(lǐng)域，目的是避免運動員因姿勢不當(dāng)問題而受傷。在提高運動表現(xiàn)方面，測力臺可以用來研究各種類型的跳躍和伸展運動，以測量跳躍的力和高度等，也可以研究更基本的運動動作，如短跑、步行或敏捷性測試等。
  
特別是在跳躍領(lǐng)域，測力臺可用于測量和分析橫向跳躍，訓(xùn)練員和教練通常使用便攜式三維測力板來記錄運動員的平衡性和穩(wěn)定性。在測力臺上進行的跳躍測試不僅具有極高的可重復(fù)性、可靠性和易操作性，而且測力臺所需的配置時間很短，可以快速連續(xù)地對大批運動員進行測試。每個運動員測試時所需要的配置時間很短，而且可以快速連續(xù)地對大批運動員進行測試。此外，在測力臺上進行任何類型的測試都很難作弊，無論是掩蓋受傷或疼痛，還是表現(xiàn)得比實際情況更強、更快或更有力，因為數(shù)據(jù)不會騙人。
 
三維測力系統(tǒng) 
如果測力臺結(jié)合其他設(shè)備收集圖像和生物肌電數(shù)據(jù)，還可以構(gòu)成三維測力系統(tǒng)對運動過程進行綜合的生物力學(xué)分析。三維測力系統(tǒng)通常由三維動作捕捉系統(tǒng)、三維測力臺和表面肌電測試系統(tǒng)組成。這三種設(shè)備分別用于采集人體在步行過程中各個關(guān)節(jié)點的精確三維坐標、足底與支撐面之間的壓力（包括垂直、左右和前后三個方向的力），以及EMG肌電信號。通過專業(yè)的步態(tài)分析軟件，可以進行三維重建和模型分析，從而得到人體運動時的步態(tài)參數(shù)。
 
光學(xué)運動捕捉系統(tǒng)
借助紅外高速攝像機捕捉人體在三維空間內(nèi)的運動軌跡變化，并通過空間坐標的形式輸出數(shù)據(jù)。瑞典Qualisys光學(xué)運動捕捉成立于1989年，是全球領(lǐng)先的光學(xué)運動捕捉產(chǎn)品和服務(wù)的供應(yīng)商。無論是室內(nèi)、室外、陸地或者水下，都有專業(yè)的解決方案。
   
Qualisys功能特點

1. 獨創(chuàng)的主動濾波功能，可在復(fù)雜光線環(huán)境下實驗；
2. 高采樣率、高分辨率；
3. 串聯(lián)連接，快速便攜；
4. 低延遲、高精度；
5. 對流散熱，使用壽命長，極低故障率；
6. 兼容主動和被動標記，更加寬廣捕捉范圍；
7. PAF自動報告功能(步態(tài)、跑步、自行車等)。

 
表面肌電測試系統(tǒng)
實時采集人體運動中肌電信號的變化，經(jīng)過放大、濾波及模/數(shù)轉(zhuǎn)換，形成量化的肌電波形及數(shù)據(jù)，因其安全、無創(chuàng)測量的有點在康復(fù)醫(yī)學(xué)工程界及生物力學(xué)研究中備受關(guān)注。由意大利Cometa公司開發(fā)的無線表面肌電測試系統(tǒng)是典型代表，系統(tǒng)可以與Qualisys動捕系統(tǒng)同步測量，可以更詳盡地描述步態(tài)特征。  
Cometa功能特點：

1. WIFI無線傳輸距離30m
2. 連續(xù)工作10小時
3. 內(nèi)置三軸加速度計
4. 共模抑制比≥120dB
5. 采樣率2000Hz
6. 通道之間無漂移
7. 支持視頻同步
8. 支持離線采集存儲

Qualisys運動捕捉系統(tǒng)配套的QTM（Qualisys Track Manager)軟件具有較高的可拓展性，通過預(yù)留的數(shù)據(jù)接口可以快速將Kistler測力臺和Cometa表面肌電等設(shè)備集成進來，同步記錄數(shù)據(jù)。  
測力臺的應(yīng)用領(lǐng)域
測力臺在體育運動領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。如田徑、滑冰、足球、射擊、排球、籃球以及其他與姿勢、跳躍和杠桿有關(guān)的壓力運動，正確地將所有的力量放在地面上實際上對于運動表現(xiàn)和預(yù)防傷害都至關(guān)重要。
 
應(yīng)用案例
1.  落地高度對高水平短跑運動員跳深動作下肢生物力學(xué)和反應(yīng)性力量的影響
南京大學(xué)、江蘇省體育科學(xué)研究所、南京理工大學(xué)的臧宇、許貽林等人進行了一項研究，檢查落地高度對高水平短跑運動員跳深動作下肢生物力學(xué)和反應(yīng)性力量的影響并進一步確定下肢生物力學(xué)指標與反應(yīng)性力量指標之間的關(guān)聯(lián)性以及跳深動作的最佳負荷高度。研究者邀請14名男子高水平短跑運動員參與四種落地高度下（0.15m 、0.30m、0.45m和0.60m）的跳深動作測試，使用6臺紅外高速攝像機和2塊三維測力臺同步采集跳深動作的運動學(xué)和地面反作用力信號。研究表明，落地高度顯著影響跳深動作的下肢生物力學(xué)和反應(yīng)性力量指標，蹬伸階段垂直地面反作用力和平均功率輸出與反應(yīng)性力量指標均存在非常顯著的相關(guān)性，在0.15m-0.60m的落地高度范圍內(nèi)存在實現(xiàn)跳深動作最大平均力學(xué)功率輸出的最佳負荷高度。建議針對高水平短跑運動員跳深訓(xùn)練時應(yīng)該根據(jù)個體運動員的最大平均功率輸出、反應(yīng)力量指數(shù)和反應(yīng)力量比等指標確定最佳負荷高度，以實現(xiàn)最佳訓(xùn)練效果并預(yù)防運動損傷。
2.  乒乓球運動員膝關(guān)節(jié)損傷機制研究
為了解不同性別乒乓球運動員完成并步、跳步、跨步3種常用步法時膝關(guān)節(jié)的負荷特征，并探析乒乓球運動員膝關(guān)節(jié)的損傷機制。寧波大學(xué)、國家體育總局育科學(xué)研究所、北京體育大學(xué)、華北電力大學(xué)的周星棟、張曉棟等人對乒乓球男、女各10名運動員完成3種常用步法動作時的下肢運動學(xué)、動力學(xué)數(shù)據(jù)進行采集和處理，并運用方差分析法比較不同性別、不同技術(shù)之間的差異。研究表明，膝關(guān)節(jié)屈曲狀態(tài)下，較大的地面反作用力和膝關(guān)節(jié)外展角易導(dǎo)致乒乓球運動員前交叉韌帶損傷，女運動員的損傷風(fēng)險小于男運動員，跳步的損傷風(fēng)險小于并步和跨步；水平向后和向左的力易造成乒乓球運動員軟骨和半月板損傷；過大的伸膝力矩易導(dǎo)致乒乓球運動員髕腱末端病和髕骨軟化。
3.  對撐竿跳高助跑和起跳的生物力學(xué)參數(shù)進行因子分析
上海體育大學(xué)、新疆財經(jīng)大學(xué)信息管理學(xué)院的李夏媛、夏正亮 、謝武等人探索了一種參數(shù)系統(tǒng)并建立線性預(yù)測模型，以有效、全面地評估撐桿跳高成績。研究者使用Qualisys動作捕捉系統(tǒng)（200Hz）和三個Kistler測力平臺（2000Hz）收集運動員起跑和騰空的運動學(xué)和地面反作用力數(shù)據(jù)。最后，對8名運動員30 次成功跳馬的 26 個生物力學(xué)參數(shù)進行了因子分析，并對提取的因子進行了線性回歸分析。因子分析提取了三個因子：F1、F2和F3。30個跳馬的平均最大COM高度為4.974米。F1 的得分增加了 1，最大COM高度分別增加了0.131米和0.112米。F3 沒有參與成績預(yù)測。對于教練員和運動員的訓(xùn)練而言，身材高大的運動員需要付出更多的努力才能達到更高的訓(xùn)練水平。此外，提高起跑和騰空的速度、機械能和水平推進GRF，以及優(yōu)化騰空支撐階段三個下肢關(guān)節(jié)的發(fā)力策略，都有助于取得良好的撐桿跳成績。  
4.  隨機生物力學(xué)模擬比較不同落地形式對籃球運動員ACL損傷危險性和危險因素的影響
太原理工大學(xué)體育學(xué)院、北京體育大學(xué)的張美珍、劉德林、劉卉等人運用隨機生物力學(xué)模型比較籃球運動員水平急停落地和垂直起跳落地動作對ACL損傷危險性和危險因素的影響。研究者采集了51名籃球?qū)ｍ棿髮W(xué)生在完成急停起跳動作時的運動學(xué)、動力學(xué)和表面肌電學(xué)數(shù)據(jù)，并進一步研究受試者ACL損傷率以及引起損傷的下肢生物力學(xué)危險特征。運用混合設(shè)計的雙因素方差分析比較不同落地形式和性別對下肢生物力學(xué)特征的影響。結(jié)論顯示，基于隨機生物力學(xué)模擬方法得到籃球運動員在完成急停起跳落地動作時，水平急停比垂直落地更容易引起ACL損傷，男性垂直落地形式下ACL損傷危險性最小。女籃運動員ACL損傷危險性大于男性，在水平急停時更為明顯�；@球運動員急停起跳時的2種不同落地形式其ACL損傷危險因素因性別而有差異。
 

在損傷和康復(fù)領(lǐng)域，測力臺的主要應(yīng)用之一是步態(tài)分析，測力臺與其他設(shè)備結(jié)合則可以獲取有關(guān)支撐和振蕩階段的一系列準確數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)由兩只腳在力平臺上的壓力、步態(tài)和空間中的腳步方向產(chǎn)生，可以提供每只腳上負荷分布以及由于受傷或姿勢缺陷而導(dǎo)致的身體對稱性的完整視圖。
 

步態(tài)分析是研究人類行走運動的科學(xué)，其涉及到多個學(xué)科領(lǐng)域，主要內(nèi)容包括以下方面：

• 步態(tài)周期分析：步態(tài)周期是指一次完整的步行過程，包括左右腿的邁步和落腳。步態(tài)周期分析可以測量步行的節(jié)奏和步幅等參數(shù)。
• 步態(tài)動力學(xué)分析：步態(tài)動力學(xué)分析可以測量人體運動的力量和能量，包括行走時的步態(tài)穩(wěn)定性、肌肉活動和關(guān)節(jié)運動的角度、速度和力量等參數(shù)。
• 步態(tài)生物力學(xué)分析：步態(tài)生物力學(xué)分析研究人體行走運動對人體組織和結(jié)構(gòu)的影響，包括足底壓力分布、骨骼負荷和肌肉力量等方面的測量。
• 步態(tài)模式識別：步態(tài)模式識別可以根據(jù)人體行走運動的特征，區(qū)分不同的步態(tài)模式。這種分析可以應(yīng)用于診斷和監(jiān)測一些步態(tài)相關(guān)的疾病，如帕金森病和腦卒中等。
• 步態(tài)控制機制研究：步態(tài)控制機制研究人體如何協(xié)調(diào)不同的身體部位，以保持平衡和穩(wěn)定的行走狀態(tài)。

 
應(yīng)用案例
1.老年女性不同步行增速策略的下肢關(guān)節(jié)角度和角速度變化
杭州師范大學(xué)的李旭鴻，范年春，喻美鑫等人探討不同增速策略的健康老年女性在步態(tài)周期內(nèi)其下肢關(guān)節(jié)角度和角速度的變化規(guī)律。他們利用紅外高速運動捕捉系統(tǒng)QTM和兩塊KISTLER三維測力臺對27名老年女性在自然行走和快速行走過程中的步態(tài)參數(shù)和下肢關(guān)節(jié)運動參數(shù)進行采集，根據(jù)受試者從自然行走到快速行走的速度增加方式分成3組：增加步頻組（G1，n=10），增加步幅組（G2，n=8），同時增加步頻和步幅組（G3，n=9）。對上述3組老年女性矢狀面內(nèi)下肢踝、膝和髖關(guān)節(jié)角度和角速度峰值進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計和結(jié)果分析。實驗結(jié)論顯示，無論何種增速策略的健康老年女性，其步態(tài)周期內(nèi)的下肢關(guān)節(jié)角度和角速度變化輪廓較為一致，一些重要時相的峰值大小與自身的下肢肌肉力量和步行策略有關(guān)。  
參考文獻
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