便便携式肌肉等张收缩关节功率曲线测试系统的研制及等速肌力测试验证

李 林,纪仲秋

(北京师范大学体育与运动学院，北京 100875)

便便携式肌肉等张收缩关节功率曲线测试系统的研制及等速肌力测试验证

李 林1,纪仲秋2

(北京师范大学体育与运动学院，北京 100875)

采用惯性传感技术和无线蓝牙采集技术研制了便携式肌肉等张收缩关节功率曲线测试系统,详细说明了该测试系统的内部结构和数据处理方法。该测试系统采用三次样条插值法插值,能够方便准确的测试不同负重下肌肉等张收缩的最大峰值关节功率曲线,能方便携带到课堂和操场上进行教学和测试,在运动员选材、日常力量训练等多个方面都有非常重要的应用。采用BIODEX等速肌力测试系统对膝关节关节功率进行测试分析,测试结果和本测试系统获得的结果通过配对样本T检验方法,双侧显著性水平大于0.05,提示二者没有显著差异,验证了本系统的数据有效性。

等张收缩;关节功率曲线;惯性传感技术;运动生物力学;BIODEX isokinetic test

1 前言

在运动技术中,通常把关节功率(力和速度的乘积)称为爆发力。在体育运动中,人体所能输出的关节功率的大小是十分重要的,如短跑的起跑和疾跑,其加速度的大小取决于关节功率的大小。投掷、跳跃、举重、拳击和橄榄球等项目,运动员必须有较大的爆发力[1]。

问题在于找到使速度和力量两者结合能达到最佳运动能力的那一点,即找出最大峰值关节功率的那一点。而这一点的找出,不仅可以用于教学,而且在运动员选材、日常力量训练等多个方面都有非常重要的价值。关节功率可由肌肉收缩的张力-速度曲线计算出来。通常的方法是应用等速测力装置,通过设置不同运动速度,找出最大峰值关节功率及相对应的运动速度和肌力矩。但等速测力装置价格昂贵,国内高校少有配备,并且该装置体积大且重,不易移动,不能方便携带到课堂和操场上进行教学和测试。最主要是等速设备测试的是某一关节的等速运动,而在现实生活和运动中,人体一般进行的是对抗自由重量的等张运动,运动模式的不同必然会对测试结果产生影响。为了能方便准确的测试等张运动下的最大峰值关节功率,研发了便携式肌肉等张收缩关节功率曲线测试系统。

2 测试原理与方法

以膝关节测试为例,该运动主要是股四头肌等肌肉收缩牵拉小腿,以膝关节为转轴进行的定点转动。因为负重在测试过程中始终固定在脚上,可将脚和负重看做一个整体进行受力分析,如图1所示。其中,O -小腿旋转轴(膝关节);F1-股四头肌等肌肉收缩牵拉小腿力;F2-大腿对小腿关节力;G1-小腿所受重力;G2-脚所受重力;G3-负重所受重力;L1-小腿重心到转动轴距离;L2-脚、负重重心到转动轴距离;θ-小腿与水平面夹角;ω-小腿旋转角速度。

图1 膝关节负重伸展受力分析

股四头肌等肌肉收缩关节功率计算公式:

其中:M肌-股四头肌等使膝关节伸展肌肉收缩的肌力矩;β-小腿和脚旋转加速度;I-小腿转动惯量; m1-小腿质量;m2-脚质量;m3-负重质量;g-重力加速度。

根据苏联扎齐奥尔斯基模型,由体重X1、身高X2计算小腿质量m1、质心位置L1、转动惯量I、脚的质量的多元回归方程:

其中,男子:B0=-1.592,B1=0.0362,B2= 0.0121;女子:B0=-0.436,B1=-0.011,B2=0.0238。

其中,男子:B0=-6.05,B1=-0.039,B2=0.142;女子:B0=41.94,B1=-0.102,B2=0.025。

其中,男子:B0=-1152,B1=4.594,B2=6.815;女子:B0=-943.3,B1=-2.51,B2=8.47。

其中,男子:B0=-0.829,B1=0.0077,B2= 0.0073;女子:B0=-1.207,B1=-0.0175,B2=0.0057。[2]

通过测量获得L2。传感器输出小腿与水平面夹角θ和小腿旋转角速度ω。

联立方程(1)-(10),计算获得膝关节伸展肌肉收缩关节功率P肌。

3 便携式肌肉等张收缩关节功率曲线测试系统组成

便携式肌肉等张收缩关节功率曲线测试系统主要由自制的惯性姿态测试仪器、方便调整重量的增片式负重和测试软件组成。

3.1 系统硬件

图2 自制的基于惯性传感器的姿态测量系统内部结构

便携式肌肉等张收缩关节功率曲线测试系统的硬件主要包括一个自制的基于惯性传感器的姿态测量系统,该系统可以输出较高精度的姿态角、三维旋转角速度、三轴线性加速度等数据。该系统内部结构如图2所示,主要包括惯性传感器部分、ARM处理器部分及蓝牙无线传输部分。

3.1.1 惯性传感器

惯性传感器部分包括正交配置的三个微陀螺仪、三个微加速度计和三个微磁力计。它们直接固联于运动环节上,测得信号是沿运动环节坐标系各轴相对于惯性空间的角速率、线加速度和磁力数值。采集频率100Hz,角速度测量范围±1200°/s,线加速度测量范围±16g。[3-5]

3.1.2 ARM处理器

由于需要进行大量数值计算,所用控制单元采用具有ARM Cortex-M3处理器的32位单片机STM32F103来完成控制、数据采集与处理、数据通讯等功能。

(1)对各惯性传感器测量值进行数据处理。

线性加速度数据通过归一法减少由于各轴量度差异引起的误差。调整传感器位置,使各轴测试到最大值、最小值。X轴最大值XMAX,X轴最小值XMIN;Y轴最大值YMAX,Y轴最小值YMIN;Z轴最大值ZMAX,Z轴最小值ZMIN。归一法公式如下:其中x测、y测、z测为X、Y、Z轴实测数据,x、y、z为归一化后数据。

陀螺仪采用最小二乘直线拟合,来修正陀螺仪积分角度误差,减小陀螺仪的漂移影响。

磁力计通过立体8字校准方法,确定固定磁场干扰矢量的大小及方向。使需要校准的传感器在空中做8字晃动,尽量多的让传感器法线方向指向空间的所有8个象限,通过足够的样本点求出固定磁场干扰矢量的大小及方向。公式如下:

其中x、y、z为X、Y、Z轴实测数据,R为常量,γx、γy、γz分别为固定磁场干扰矢量在X、Y、Z轴上的分量。[6-9]

(2)数据融合。

通过卡尔曼滤波的方法,对采集的数据进行数据融合,使采集的数据更接近真实的值。[10,11]

(3)数据格式。

最后将导航参数处理成所需的数据格式。为数据添加数据头和校验位,以减少蓝牙无线传输时可能出现的误读操作。

3.1.3 蓝牙无线传输

通过蓝牙发射端发射,无线传输给连接在PC电脑的蓝牙接收端。最后数据进入运行于电脑上的软件,进行测试。

3.2 系统软件

图3 肌肉等张收缩关节功率曲线测试系统软件结构图

肌肉等张收缩关节功率曲线测试系统软件可在windows操作系统平台上运行,利用VC++6.0语言编写而成,包括受试者数据库、测试界面和测试结果分析界面三个模块(如图3所示)。

3.2.1 受试者数据库

受试者数据库管理受试者信息,包括姓名、性别、年龄、身高、体重等。可便捷的对受试者信息进行新增、修改、删除、查找等操作。

3.2.2 测试界面

测试界面包括负重数值和L2的输入,不同负重出现最大关节功率输出的数值及出现最大关节功率输出时的关节角度、角速度等数据。并可以打印测试结果。

3.2.3 测试结果分析界面

测试结果分析界面包括单人纵向数据分析和多人横向数据分析,数据显示包括数值显示、二维和三维柱状图、曲线图、饼图等形式,以及盒子图、叠加图和散点图等统计数据显示。并可以打印分析结果。

4 实验教学测试

制作完成肌肉等张收缩关节功率曲线测试系统后,在北京师范大学本科生生物力学课上进行了如下实验教学应用。

实验时,将班级分成3人一组。每组一人操作电脑,一人做受试者,一人协助。测完一人后轮换,每人都测一次。协助的同学调整负重重量和测量负重重心到膝关节距离L2。操作电脑的同学操作系统软件,进入受试者数据库,录入受试者的信息;进入测试界面,录入负重数值和L2,并单击开始按钮,准备测试。受试者在做适当的热身活动后,坐在高度可调的座椅上,将装有姿态测量系统的绑带绑在小腿上,初次右脚持20KG负重。在听到开始指令后,进行最大用力的膝关节伸展三次。操作电脑的同学如对测试结果满意,即保存测试结果。否则,重新进行该测试。每测试一次,休息300秒,以每次2.5KG的梯度间隔逐渐增加脚持负重的重量。重复上述实验过程,最终在测试界面上绘制出该受试者不同负重下等张收缩的关节功率曲线。由于负重变化不连续,需要在数据间进行差值,为了数据变化的连续性,采用三次样条插值法插值。软件测试界面如图4所示,插值曲线的峰值作为最大关节功率输出值,此值以及对应的负重值、速度等数据在训练和选材等多个方面都有重要意义。

图4 肌肉等张收缩关节功率曲线测试系统软件测试界面

5 BIODEX等速肌力测试验证

所有的测试均在北京师范大学体育与运动学院生物力学实验室完成,受试者统一选用右腿进行测试。肌肉力矩测试通过BIODEX等速肌力测试系统(BIODEX SYSTEM4)完成。图5左侧所示的是实验过程,受试者坐在测试椅上,躯干与右腿用绑带固定,膝关节旋转轴与动力头旋转轴对齐。

BIODEX等速肌力测试系统设置为等速模式下收集数据,依次进行角速度为30度每秒、60度每秒、90度每秒、120度每秒、150度每秒、180度每秒、210度每秒、240度每秒、270度每秒、300度每秒、330度每秒、360度每秒的12次测试,每次循环6次,次间休息300秒。方差系数不允许高于15%。[12-15]由BIODEX等速测试系统计算获得关节功率Pbiodex,计算公式如下所示:

其中:M-BIODEX等速肌力测试系统动力头输出力矩值,ω-动力头旋转角速度,M和ω可由BIODEX等速肌力测试系统软件直接获得。

图5 BIODEX等速肌力测试(左图)和佩戴本系统进行测试(右图)

由本系统计算和BIODEX等速肌力测试系统分析获得关节功率曲线峰值数据如表1所示,其中受试者用姓名首字母表示,是在北京师范大学本科生生物力学课上随机抽取的12名男性。[16-21]

表1 本系统计算和BIODEX等速肌力测试获得关节功率曲线峰值对比表(瓦)

在spss软件环境中对两组数据进行了正态性检验分析,最后运用配对样本T检验方法对两组数据进行检验,检验结果如表2所示。其中,PowerBIODEX是BIODEX等速肌力测试分析获得关节功率曲线峰值数据;PowerSys是本系统获得关节功率曲线峰值数据。由表2的统计数据可知,经配对数据T检验,双侧显著性水平(Sig)大于0.05,可以认为这两组结果没有显著差异。

表2 成对样本检验

6 结论

(1)本研究研发了便携式肌肉等张收缩关节功率曲线测试系统,能够方便准确的测试等张运动不同负重下的最大峰值关节功率曲线。并且便于携带,能方便携带到课堂和操场上进行教学和测试。该系统不仅可以用于教学,而且在运动员选材、日常力量训练等多个方面都有非常重要的应用。

(2)肌肉等张收缩关节功率曲线测试系统首先实现了膝关节功率曲线测试,在进一步的研究中将扩展到其他关节的关节功率曲线测试。

(3)通过对便携式肌肉等张收缩关节功率曲线测试系统和BIODEX等速肌力测试系统获得数据的对比分析,验证了本系统数据的有效性。

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Joint Power Curve M easurement System of Portable M uscle Isotonic Contraction and Isokinetic M uscle Test

LILin,JIZhong-Qiu
(Beijing Normal University,Beijing,100875)

Inertial sensor technology and wireless bluetooth capture technology are adopted to develop the portable test system of isotonic muscle contraction joint power curve.The paper elaborates the internal structure and data processingmethod of the test system.The test system uses a cubic spline interpolation to interpolate,which make it possible to easily test the peak power curve of isotonicmuscle contraction joints under different loads and to be taken into classrooms and training places.It can be widely applied to athletes'selection and training.

Isotonic contraction;power curve;inertial sensing technology;sports biomechanics;BIODEX isokinetic test

G804.2

:A

:1001-9154(2014)09-0072-05

G804.2

:A

:1001-9154(2014)09-0072-05

教育部人文社科课题(11YJA88003);北京师范大学教学建设与改革项目(12-01-13)。

李林(1981-),男,河北正定人,博士,研究方向:运动生物力学。

:纪仲秋。

2014-05-13