测力台在体育测试中的应用研究

王爽

（西安体育学院 网络管理中心，陕西 西安 710068）

体育受到世界各国越来越多的重视。一个国家的体育运动水平在某种程度上反映了该国的社会状况、经济形势和精神面貌，体现着该国的国力。为了在激烈的竞争中取得好成绩，人们越来越重视现代科学技术手段在训练和比赛中的指导作用，这极大的促进了体育科学的发展。运动生物力学作为体育科学的重要分支，其研究在国内外也是方兴未艾。

运动生物力学主要研究人体结构的受力过程、影响以及运动技术力学规律。它的重要意义在于，如果了解了人体上力的大小、方向和变化规律，便可为运动员及其教练、人体工程学家、神经专科医师等领域的研究者提供极为宝贵的讯息。不言而喻，研究力作用效应的一个基本出发点就是对力进行定量观测和分析，这就要依赖于一系列的硬件设备。测力台一直是运动生物力学研究领域的有力测试工具，由于其动态性能好，具有测试三维数据的功能，而受到研究人员的重视，当人体站在测力台台面并运动时，人与测力台之间的相互作用可由4个对称分布的三维力传感器进行检测，经过放大器放大和A/D转换数字化后，就可以得到竖直、前后、左右3个方向上力的大小。如果以一定频率在时间轴上连续采集，就可以获得人与测力台作用时间内的一系列力值。有了力，就可以求加速度，对加速度一重积分，可以求得速度，对加速度二重积分，可以求得位移。在知道台面尺寸后，还可以求得3个方向的力矩以及人体运动重心坐标等[1]。除此之外，如果测力台与其他设备相结合，还可以得到更加丰富的各种其他数据。测试过程中通过安装在测力平台上的4个三维传感器把各个方向的力整合为8个通道的数据，然后对各个通道的数据进行采集，滤波，通过USB接口与上位机进行通信，最后由上位机软件系统对各通道的数据进行计算与分析，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运动中所受地面支撑反力的动态特征，从而给训练指导和体育研究提供有力的科学依据。由此可见，测力台确实是一种很重要的生物力学实验设备，从它直接或间接得到的实验数据，对体育科学的研究提供了有力的帮助[2]。

1 测力台分类

依据传感器的不同，测力台可分为：以压电晶体为传感器的测力平台，以电阻应变片为传感器的测力平台。

1.1 以压电晶体为传感器的测力台

以压电晶体为传感器的测力台每个传感器是由3组环状的石英压电晶体叠加在一起形成圆柱形，这3组压电晶体由于其分别从单晶硅上切割方向各不相同，即分别沿平行于X，Y，Z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Fx时，会因为压电效应在圆环的上、下表面产生电荷，而对Y，Z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Y，Z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。

1.2 以电阻应变片为传感器的测力台

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，因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[3]。

两种传感器测力台性能比较如表1所示。

表1 两种传感器测力台比较Tab.1 Comparison of the two sensors force platform

2 测力台在体育测试中的应用

测力台多为长方形，由踏板、传感器、和底座3部分组成，踏板和底座之间由安放在四角的传感器支撑，当受试者的脚踏在平台上时，通过每个传感器3个方向的力值可以用于步态分析、运动分析、撞击过程测试。例如：Kistler 9290AD型测力台如图1所示：

1）在步态测试中可以测试到：

垂直力：Z轴方向的力Fz；

横向力：Y轴方向的力Fy；

图1 Kistler 9290AD型测力台Fig.1 Kistler 9290AD-type force platform

前后向力：X轴方向的力Fx；

由于一个完整的步态过程包括以下的过程：

①脚后跟对测力台的冲击力；②承受重力；③中间状态；④离开（前后向力较大、Z向力比较小）；⑤单只脚的COP轨迹分布图（可以根据力与力矩的关系计算得到）。

则可以使用测力平台测试到的数据、结合高速同步摄像机、肌力仪等设备对这一过程进行生物力学方面的分析[4]。

2）在纵跳的过程中：

垂直力：F实际测得（Fz力）

运动生物力学常常应用三维测力台对高水平运动员的某一特定动作，或动作过程中某一特殊时期的动力学特征进行测试分析和研究。以跳高，跳远起跳为例，通过测力台检测踏跳瞬间的力值大小和方向，及作用时间等各项指标，与运动成绩高度相关。值得注意的是，这种情况下测力台所记录的各力学指标的特征和变化规律，反映的是运动过程中的某一瞬间，人体与台面的总相互作用，在这种测试条件下，对测试结果有明显影响的因素较多，如上臂摆动，躯体运动，相关肌群发力，惯性作用等。对测试结果的分析，注重考虑与动作完成效果的相关性，而难于将各影响因素对测试结果的“贡献”量化区分[5]。如果考虑排除有关因素的影响量化研究特定肌肉或肌群的生物力学特性，采用三维测力台上的SJ（半蹲跳）和 CMJ（下蹲跳）测试，是目前较为常用的方法，由于SJ和 CMJ测试条件控制相对比较严格，测试结果有可比性，因而被普遍采用并在肌肉力学性能研究方面取得了卓有成效的进展[6]。图2和图3分别为一次SJ测试和CMJ测试的范例。

图2 SJ测试Fig.2 SJ test

图3 CMJ测试Fig.3 CMJ test

测力台依据纵跳能力，协调性和耐力有效地测试腿部作训练条件。与等运动系统不同，运动员完全可以根据自身条件和协调性自然运动，可以做单次纵跳或多次连续纵跳分析。例如，标准化的KISTLER Quattro Jump测试可客观测量跳跃力、跳跃高度和跳跃能量，及时反馈优化训练过程。为运动队医生，教练员和运动员快速，准确地提供必要的信息，使他们能够科学地制定训练方案。

应用Quattro Jump系统，可以：

比赛前优化训练；为受伤的运动员选择合适的训练强度；挑选新队员；评价队员实力。

将QUATTRO JUMP测力台放在地面上就可以测量腿部的的垂直起跳力量。内置在测力台内的压电传感器，连续测量起跳力量，并以每秒采样500次的速度进行数据采集并将数据传送到计算机。起跳高度、起跳功率及其他参数可以根据起跳时的力量自动进行计算并存储。特别需要指出的，根据肌肉工作的特点起跳动作可以分为离心和向心两个动作阶段进行详细分析。如果起跳动作正确完成，则起跳的高度曲线就显示出来。QUATTRO JUMP测力台与其他系统的区别在于，它不是间接地根据腾空时间来计算高度的。统计评定功能可以对一个运动员几次测试的结果，也可以对同一运动队中不同运动员的测试结果进行比较（例如：可比较一个训练周期前后或一次比赛前后的测试结果）。KISLTER公司通过与测量起跳力量领域的知名专家CARMELO BOSCO博士的合作，总结出一套适合常规运动技术诊断的方法。在QUATTRO JUMP BOSCO测试中，运动员连续起跳，各种类型的起跳都适合使用此方法。每次起跳都可进行评价，并可以详细描述以及记录在报告中。在运动员连续起跳之后，最佳的起跳可自动标识出来，并进行进一步的参数计算。借助于图形的显示功能，不正确的起跳可立即识别出来，并可以在任何时候删除。Quattro Jump配有计算机软件，如BioWare生物力学数采分析软件，这是一个操作简便，功能丰富，可进行各种生物力学测量分析的软件包。适用于：基础研究，步态分析，运动测量（跳跃力、冲撞、训练），神经学，人类工程学研究和工业应用（鞋的研制、材料、安全性、负荷分析）等。生物力学数采分析软件能够同时控制多至8个测力台，内置或外接电荷放大器的两种类型测力台均可。可直接采集测力台信号，并进行数据分析，操作简单，摆脱了以往测力台大多局限于专业人员使用的局面，特别适合于日常技术诊断。软件根据纵跳力自动计算和记录纵跳高度，纵跳动作评价以及其它70个重要参数如：力——曲线；速度——时间曲线；纵跳高度；纵跳功率；反向移动深度；快收缩纤维比例；从偏心运动转至同心运动一刻的力；Bosco指数；双腿平衡指数；速度/耐力指数；预先拉伸之功用；疲劳参数。

系统还提供综合协定，包含大部份测试的重要参数，可用作比较队员间或训练前后的测试结果[7]。

这些测试结果丰富了肌肉生物力学基础理论，有很高的学术价值，对进一步探索肌肉收缩的内在机理提供了一定的实验依据，而且是竞技运动领域进行肌肉力量检测与评定的方法学基础和理论基础[8]。

3 结 论

体育竞技中要取得好成绩只有通过严谨的科学训练、科学分析才能实现。通过分析运动员在不同时刻的运动力，不但能够确定运动员在不同时期的成绩，而且还能记录不同技术的效果，从而相应地修正训练计划。运动生物力学运用三维测力台研究人体肌肉的力学性能和人体运动的动力学特征，对体育竞技成绩的提高有十分重要的推动作用。

[1]陈祥运.测力台数据的采集分析与系统实现[D].南京:南京理工大学，2003:1-2.

[2]王普刚.基于DSP的测力台数据采集系统设计与实现[D].大连:大连理工大学，2009:1-2.

[3]王苏佳.动态力测量系统的研究[D].大连:大连交通大学，2008:9-10.

[4]李爱萍，胡军，刘合荣.基于三维测力台系统的人体步态分析[J].微计算机信息：测控自动化，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.运动生物力学高级教程[M].北京:北京体育大学出版社，2007.

[6]张跃.测力台上SJ和CMJ测试用于肌肉生物力学性能研究[J].体育与科学， 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]中国体育科学学会运动生物力学分会.[EB/OL].（2011-04-20）http://www.cssb2001.net/kistler/kistler4.htm.

[8]雷建和，马静华，宋全军，等.运动生物力学信息的获取与处理[J].微计算机信息， 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.