【文章內(nèi)容簡介】 著決定性作用。例如在跳高、跳水、藝術體操等項目中，運動員在完成動作時的人體重心位置往往決定著動作的穩(wěn)定程度，從而最終決定運動員的比賽成績 [12]。因此，人體重心位置的檢測可以為運動員的科學訓練和設計新動作提供科學依據(jù)，為運動員取得好的比賽成績提供保障。同時，人體重心高度也是運動員選拔的重要指標。不同的體育項目對運動員身體素質的具體要求是不一樣的，例如在藝術體操等觀賞性體育項目中，要求人體重心要比較高，因為人體重心高，運動員動作就會比較舒展，從而容易能夠獲得好的成績；而在摔跤等力量型體育項目中就要求較低的人體重心，因為重心低，運動員的穩(wěn)定性就會比較好，從而不容易被對方摔倒。所以，人體重心位置的測量也可以為體育事業(yè)哈爾濱工程大學碩士學位論文2選拔出色人才提供依據(jù)。本課題應用LabVIEW軟件建立人體重心位置檢測平臺，能夠實時的測量人體重心位置的變化情況。通過測試平臺，不僅能夠完成人體重心位置的靜態(tài)測量，而且可以實現(xiàn)動態(tài)測量，完成人體在步態(tài)運動中的實時重心位置檢測，為其它領域的研究提供依據(jù)。 人體重心測試方法人體重心位置檢測的方法有很多，例如用分析法、平衡臺法、圖解法、放射性同位素掃描法、測量板測重心法和利用“乘系數(shù)法”公式計算人體重心位置等 [13]。分析法計算人體重心是以合力矩原理為依據(jù)，即把人體按照選定的人體模型看成是由多個環(huán)節(jié)組成的剛體系統(tǒng)，依據(jù)身體各環(huán)節(jié)重心半徑系數(shù)及各環(huán)節(jié)合成半徑系數(shù)，然后合成重心位置。常用的模型有日本松井秀治提出的15個環(huán)節(jié)的人體模型、美國的Hanavan提出的 15個環(huán)節(jié)人體模型和 Yeadow提出的40個環(huán)節(jié)組成的人體模型。而獲取人體環(huán)節(jié)重量參數(shù)的主要方法是尸解法，通過將死者的尸體進行解剖，然后做成數(shù)據(jù)庫，作為計算的參考依據(jù)。但是尸體和活體有明顯的差別，并且不同人的實際情況也不盡相同，所以這種分析方法計算人體重心存在著一定缺陷 [1415]。在活體檢測方法中，最為著名的就是前蘇聯(lián)莫斯科中央體育學院的Zatsiorsky和Seluyanov采用的放射性同位素法（又稱 射線掃描法）和中國清華大學鄭秀瑗教授等γ人采用的CT法。隨著科學技術的發(fā)展，測試內(nèi)容可以細化到脂肪組織、肌肉組織和骨組織。但是這種掃描方法卻難以應用于敏感體、少年兒童等特殊人群的環(huán)節(jié)參數(shù)研究上 [16]。對于這些特殊人群個體化的測量，也只能通過將原有參數(shù)庫回歸到計算公式上從而得到被測者的重心位置。“乘系數(shù)法”人體重心計算公式適用于底片測量和定量分析，其測試原理是在身體各關節(jié)中心坐標值的基礎上，乘以相應的系數(shù)，其乘積總和就是人體的總重心位置?！俺讼禂?shù)法”相對分析法來說計算簡單，精度更高?，F(xiàn)在常用的計算公式有吳廷禧推算的特殊姿勢下的重心高度位置公式和洪友廉推算的人體重心高度公式。平衡臺法和測量板測重心法又稱為二維重心板法和一維重心板法，它們是依據(jù)力矩平衡原理測量重心的方法。測量板測重心法，只能夠測量一個方向的重心位置；平衡臺法可以得到兩個方向的重心位置變化情況，完全可以滿足人們對重心位置的測量，其測試范圍廣、精度高的特性使得成為國際上較為流行的重心測試方法 [1719]。第 1 章 緒論3 測力平臺的國內(nèi)外發(fā)展狀況1976年Terekhov 首次報道了利用測力平臺檢測人體站立時重心的變化情況，自此這種利用測力平臺角上安裝的傳感器（一般是3個或4個）檢測人體重力計算人體重心變化軌跡的方法，逐步被推廣應用 [20]。早期的平臺測試系統(tǒng)采用單片機等來處理數(shù)據(jù)，分析功能比較單一。近年來隨著計算機的普及，并且軟件的功能越來越強大，大多測試系統(tǒng)采用計算機來進行數(shù)據(jù)采集和處理，使其系統(tǒng)具有更大的靈活性和可擴展性。 測力平臺的國外發(fā)展狀況國外測力平臺的生產(chǎn)廠家主要有瑞士Kistler公司、美國AMTI公司等，其中以瑞士Kistler公司的產(chǎn)品為代表，它幾乎壟斷了全世界的測力平臺市場 [21]。瑞士Kistler公司生產(chǎn)的測力平臺主要采用壓電晶體式傳感器。該類傳感器基于壓電效應原理，壓電效應是指一些晶體當它受擠壓或拉伸時，它的兩端就會產(chǎn)生不同的電荷，并且電荷的數(shù)量和力的大小成正比；當外力撤掉后，晶體又恢復到不帶電的狀態(tài)。獨特的壓電式測力系統(tǒng)使其生產(chǎn)的測力平臺具有更多的優(yōu)點：高精度和靈敏度，良好的線性度；高固有頻率和阻尼；極寬的測量范圍和優(yōu)異的分辨率。Kistler公司生產(chǎn)的測力平臺的測試內(nèi)容可分為體育運動、技術診斷和步態(tài)分析 [2228]。壓電式傳感器的高預載和完美線性，使得Kistler測力板在很高的初始載荷下也能夠非常精確地測量力的大小，因此測力板可以安裝在任意位置，可以在測力板上面安裝儀器或蓋板使用，不會影響其精度和零點。并且測力板具有高固有頻率、寬測量范圍和大量程能夠確保捕捉高動態(tài)過程。例如9281E型測力板在舉重或其他田徑項目中的應用，運動員在通過此處跑道時，測力板就能夠測得運動員對跑道的作用力情況。運動員可以根據(jù)其測量結果規(guī)范運動姿勢，提高體育競技水平。哈爾濱工程大學碩士學位論文4 9281E型測力板Kistler測力板同時是技術診斷的一個理想工具，其能夠完成生物力學中起始力的客觀測量。9290AD型縱跳測力板是一個完整的便攜式分析系統(tǒng)，被測者可以在測力平臺上完全自如地運動，測試人員就可以通過測試軟件獲得客觀、可靠、可重復的測量結果。，殘疾人運動員佩戴假肢后在測力板上自如運動，完成對測力板作用力的測量，其測試結果對于殘疾人佩戴的假肢質量分布測定以及佩戴后跳躍能力的檢測都有很大的幫助。 9290AD 型縱跳測力板同時，測力板的高精度性使得其能夠測出步態(tài)中測量力的微小變化和非對稱性，從而能夠完成步態(tài)分析和平衡功能的檢測。 型測力板是專為步態(tài)和平衡分析而開發(fā)的測力臺，其能夠在大載荷下測得測量力和振動的微小變化，提高了測量結果的準確性。 9286BA型測力板醫(yī)療跑臺測力儀gaitway II完全是基于奇石樂公司的測量技術和分析軟件開發(fā)的新第 1 章 緒論5一代測力儀，它將壓電晶體測力臺裝入跑步機中，能夠連續(xù)的測量跑步和行走過程中的地面垂直反力、壓力中心、雙腳足底沖擊力等參數(shù)。通過調節(jié)跑步機的速度和傾角，可以給測試者提供不同的測試條件，完成多種環(huán)境下的步態(tài)分析和醫(yī)療康復評估，同時還能夠連接其它設備完成對心臟功能、肺功能、血壓系統(tǒng)的檢測。其全面的功能，使得其能夠為醫(yī)療、康復、運動設備的設計和制造提供可靠的參考依據(jù)。 gaitway II測力儀美國AMTI 公司生產(chǎn)的測力平臺大多采用金屬應變片式傳感器，該類傳感器基于金屬材料應變效應原理。應變效應是指當試件受力變形時，應變片的敏感柵也隨同形變，引起應變片電阻值的變化，通過測量電路將其轉換為電壓或電流信號輸出。該類傳感器具有以下幾個優(yōu)點：精度高，測量范圍廣；頻率響應特性比較好；結構簡單，尺寸??；價格低廉，品種多樣。AMTI公司主要有OR和BP兩種系列產(chǎn)品，每種系列分別包括標準型、內(nèi)置放大器型、防水型、玻璃型等，而每種型號測力臺又有1000、2022和4000磅三種負載類型。其測試內(nèi)容主要包括：步態(tài)分析、運動技術分析和矯形康復等。 AccuSway 平衡測試臺AccuSway平衡測試臺是AMTI公司生產(chǎn)的便攜式測力臺。哈爾濱工程大學碩士學位論文6所示，AccuSway平衡測試臺上畫有參考坐標系，為靜態(tài)測試提供了參考依據(jù)。測力臺通過測量三維的受力與三維的力矩，從而計算出壓力重心的運動軌跡，并且可以直接通過RS232連接到電腦上。 AccuSway平衡測試臺使用SwayWin95 分析軟件，該軟件適用于多種計算機操作系統(tǒng)，具有超強的數(shù)據(jù)編輯能力和分析能力，可以計算出重心位移的相關系數(shù)，并可以描繪出重心軌跡。 測力平臺的國內(nèi)發(fā)展狀況我國的康復工程產(chǎn)業(yè)，近十年來有較快的發(fā)展，產(chǎn)品的質量有了很大提升，產(chǎn)品也不斷翻新?？梢哉f國內(nèi)已具有生產(chǎn)人工智能化產(chǎn)品的基本技術和研究實力。一些高等院校和研究單位已多年從事康復工程方面的研究，大連理工大學、清華大學、中科院成都分院、中科院合肥智能機械研究所等單位均有三維測力臺的研究成果。，是大連理工大學體育科研所于1983年研制成功的我國第一臺壓電式測力平臺 [22]。該測力平臺是一個多功能的測力裝置，測力平臺的主要技術性能指標達到了當時測力平臺的世界技術水平，它由測力平臺、電荷放大器、A/D數(shù)據(jù)采集卡及分析軟件組成，可實時采集人體運動時力的變化情況。 YDT5461三維壓電晶體測力平臺 DLUT40601 型測力平臺第 1 章 緒論7DLUT40601型測力平臺及分析系統(tǒng)是由大連理工大學體育科研所應用先進測力、傳感技術研制而成的動態(tài)力測試系統(tǒng)，由測力平臺及分析軟件兩部分組成。示，系統(tǒng)應用三維壓電晶體傳感器，實時采集人體運動時的力的變化情況，經(jīng)專用電荷放大器處理后輸入計算機，應用系統(tǒng)專用分析軟件，輸出各種數(shù)據(jù)及圖表，為體育科學研究、生物力學研究、康復及一般工程中的多維動、靜態(tài)力的測量提供了一種可靠的測試手段。從而為科學的訓練提供準確的定量依據(jù)和量化指標，服務于運動訓練和科學研究。DLUT40601型測力平臺主要技術指標：一、測力平臺傳感器：壓電晶體；靈敏度：Z向35pc/kgf，X、Y向80pc/kgf；量程范圍：X向1000kgf，X、Y向177。500kgf；非線性、重復性誤差：1％；二、電荷放大器輸入輸出通道數(shù)：8；頻率范圍：2μHz～100kHz（可調） ；精度：1％；三、A/D轉換卡分辨率：12bit；精度：1‰；輸入通道數(shù)：單端16路；輸入電壓范圍：177。5V；采樣頻率：最高l00kHz；YDT5462雙平臺測力系統(tǒng)由兩個測力平臺構成，該系統(tǒng)主要完成對人體運動過程中壓力的測量以及運動軌跡的分析。在進行分析時要在同一空間坐標系下計算兩個平臺的各項力學指標，然后根據(jù)數(shù)據(jù)分析結果得出曲線圖，可以直觀的分析人體的運動過程，為其他生物研究提供依據(jù)。哈爾濱工程大學碩士學位論文8 YDT5462 雙平臺測力系統(tǒng)中國科學院合肥智能機械研究所研制了一種五維力測力平臺，可以測量空間三個方向的力 、 、 和二維力矩 、 的測力裝置 [29]。該五維力測力平臺結構如xFyzxMy，其頂層板可以是圓形、正方形、長方形等任意形狀。它包括三個單維力傳感器和一個二維力傳感器，三個單維力傳感器處于第一層，形成一個等腰三角形，二維力傳感器位于三個單維力傳感器的上方，處于第二層。五維力測力平臺能夠實時采集被測試者的空間三維力和二維力矩的變化情況，然后可通過計算機及配套軟件進行數(shù)據(jù)分析。 五維力測力平臺合肥榮事達科源傳感系統(tǒng)工程有限責任公司是中科院合肥物質科學研究所與合肥榮事達三洋電器股份有限責任公司合資組建的高新技術企業(yè)。其主要產(chǎn)品KY1112型人，可以在人體睜眼和閉眼的情況下，雙腳直立和單腳直立時對人體的重心變化進行實時檢測、顯示并分析，能對機體平衡能力進行定量的描述與評價。測試平臺的主要參數(shù)如下：500mm500mm的測試面積；適用于臺式電腦和筆記本電腦，可以適用于多種使用環(huán)境Win9Win202WinME、WinXP；可以直接連接USB 接口，~；30公斤的自身重量，使用方便；外觀500mm（長）500mm （寬）80mm （高） 。其主要應用于以下幾個方面：機體平衡能力的定量描述與評價；運動員的選材：主要用于體能和運動素質測試；運動損傷康復第 1 章 緒論9效果測試與分析；訓練效果的測試與分析；運動生物力學教學與科研。 圖 KY1112 型人體平衡功能測試儀 圖 KY1012 型一維重心測試儀KY1012型一維重心測試儀也是該公司的產(chǎn)品，其主要應用于人體重心高度的測量。測試者平躺于測試板上，旁邊的數(shù)字顯示屏上就會顯示出被測者的重心高度，使用方便。該儀器主要采用傳感器和單片機技術，通過高精度傳感器采集人體對測試板的壓力，并將其轉換成電壓信號，同時通過微型計算機監(jiān)控傳感器信號。該測量儀器將數(shù)據(jù)采集、運算處理和數(shù)字顯示集為一體，其主要參數(shù)如下：測量精度：%；分辨率：177。；量程：300kg；測試長度：2m ；外型面積：2006035cm。由清華大學研制的一種應變式三維測力平臺，該測力平臺包括腳踏板、位于腳踏板正下方的箱體，以及設置在箱體中的四個三維應變式傳感器、調理電路和USB 接口數(shù)據(jù)轉換與采集電路 [30]。三維應變式力傳感器包括由一整塊金屬加工而成的彈性體結構和多個應變片，彈性體結構包裹分層疊加在一起的兩個正交的用于檢測前后和左右方向力的懸臂梁和一個用于檢測豎直方向力的剪切梁，各梁上均分別貼有四個應變片，每個梁上的四個應變片組成一個全橋電路，從而每個力傳感器設有三個全橋電路。三維測力平臺對四個力傳感器的一致性要求低，從而降低了加工、安裝和調試的難度和成本，使用方便。 應變式三維測力平臺哈爾濱工程大學碩士學位論文10 論文的主要工作內(nèi)容（1）系統(tǒng)方案確定、重心測試平臺結構設計綜合各種人體重心測試方法，最終采用平衡臺法測量人體重心。介紹了人體重心測試系統(tǒng)的總體方案，為了使測量結果更加準確，設計了新的測試平臺結構，并對主要部分進行了校核分析。（2）數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)設計數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的主要流程是將傳感器輸出的模擬信號經(jīng)濾波、放大后輸入到采集卡上，通過信號采集卡將其轉化為數(shù)字信號。選擇傳感器型號并完成模擬信號處理電路的設計，通過數(shù)據(jù)采集卡將采集到的模擬信號進行 A/D 轉換并傳輸?shù)接嬎銠C中，為以后的重心位置計算提供依據(jù)。（3）軟件系統(tǒng)設計