王爽

（西安體育學(xué)院 網(wǎng)絡(luò)管理中心，陜西 西安 710068）

體育受到世界各國(guó)越來(lái)越多的重視。一個(gè)國(guó)家的體育運(yùn)動(dòng)水平在某種程度上反映了該國(guó)的社會(huì)狀況、經(jīng)濟(jì)形勢(shì)和精神面貌，體現(xiàn)著該國(guó)的國(guó)力。為了在激烈的競(jìng)爭(zhēng)中取得好成績(jī)，人們?cè)絹?lái)越重視現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)手段在訓(xùn)練和比賽中的指導(dǎo)作用，這極大的促進(jìn)了體育科學(xué)的發(fā)展。運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)作為體育科學(xué)的重要分支，其研究在國(guó)內(nèi)外也是方興未艾。

運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)主要研究人體結(jié)構(gòu)的受力過(guò)程、影響以及運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)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。不言而喻，研究力作用效應(yīng)的一個(gè)基本出發(fā)點(diǎn)就是對(duì)力進(jìn)行定量觀測(cè)和分析，這就要依賴于一系列的硬件設(shè)備。測(cè)力臺(tái)一直是運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究領(lǐng)域的有力測(cè)試工具，由于其動(dòng)態(tài)性能好，具有測(cè)試三維數(shù)據(jù)的功能，而受到研究人員的重視，當(dāng)人體站在測(cè)力臺(tái)臺(tái)面并運(yùn)動(dòng)時(shí)，人與測(cè)力臺(tái)之間的相互作用可由4個(gè)對(duì)稱分布的三維力傳感器進(jìn)行檢測(cè)，經(jīng)過(guò)放大器放大和A/D轉(zhuǎn)換數(shù)字化后，就可以得到豎直、前后、左右3個(gè)方向上力的大小。如果以一定頻率在時(shí)間軸上連續(xù)采集，就可以獲得人與測(cè)力臺(tái)作用時(shí)間內(nèi)的一系列力值。有了力，就可以求加速度，對(duì)加速度一重積分，可以求得速度，對(duì)加速度二重積分，可以求得位移。在知道臺(tái)面尺寸后，還可以求得3個(gè)方向的力矩以及人體運(yùn)動(dòng)重心坐標(biāo)等[1]。除此之外，如果測(cè)力臺(tái)與其他設(shè)備相結(jié)合，還可以得到更加豐富的各種其他數(shù)據(jù)。測(cè)試過(guò)程中通過(guò)安裝在測(cè)力平臺(tái)上的4個(gè)三維傳感器把各個(gè)方向的力整合為8個(gè)通道的數(shù)據(jù)，然后對(duì)各個(gè)通道的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，濾波，通過(guò)USB接口與上位機(jī)進(jìn)行通信，最后由上位機(jī)軟件系統(tǒng)對(duì)各通道的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算與分析，包括力、力矩、扭矩、力角、沖量和作用點(diǎn)等數(shù)據(jù)的計(jì)算，并給出各種結(jié)果數(shù)據(jù)的曲線圖，可非常直觀地分析人體運(yùn)動(dòng)中所受地面支撐反力的動(dòng)態(tài)特征，從而給訓(xùn)練指導(dǎo)和體育研究提供有力的科學(xué)依據(jù)。由此可見(jiàn)，測(cè)力臺(tái)確實(shí)是一種很重要的生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，從它直接或間接得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)體育科學(xué)的研究提供了有力的幫助[2]。

1 測(cè)力臺(tái)分類

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

1.1 以壓電晶體為傳感器的測(cè)力臺(tái)

以壓電晶體為傳感器的測(cè)力臺(tái)每個(gè)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(gè)不同方向切割，所以3個(gè)方向的力對(duì)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(gè)環(huán)，當(dāng)受到X方向的作用力Fx時(shí)，會(huì)因?yàn)閴弘娦?yīng)在圓環(huán)的上、下表面產(chǎn)生電荷，而對(duì)Y，Z方向的力則無(wú)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(duì)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(guò)對(duì)電荷量的測(cè)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(cè)力平臺(tái)能更精確地測(cè)試動(dòng)態(tài)力不需要速度或加速度補(bǔ)償?shù)幕驹怼?/p>

1.2 以電阻應(yīng)變片為傳感器的測(cè)力臺(tái)

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(cè)力平臺(tái)，因?yàn)檫@些傳感器的變形與力大小成正比，所以它們是通過(guò)測(cè)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(guò)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(gè)力的參量[3]。

兩種傳感器測(cè)力臺(tái)性能比較如表1所示。

表1 兩種傳感器測(cè)力臺(tái)比較Tab.1 Comparison of the two sensors force platform

2 測(cè)力臺(tái)在體育測(cè)試中的應(yīng)用

測(cè)力臺(tái)多為長(zhǎng)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(dāng)受試者的腳踏在平臺(tái)上時(shí)，通過(guò)每個(gè)傳感器3個(gè)方向的力值可以用于步態(tài)分析、運(yùn)動(dòng)分析、撞擊過(guò)程測(cè)試。例如：Kistler 9290AD型測(cè)力臺(tái)如圖1所示：

1）在步態(tài)測(cè)試中可以測(cè)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(cè)力臺(tái)Fig.1 Kistler 9290AD-type force platform

前后向力：X軸方向的力Fx；

由于一個(gè)完整的步態(tài)過(guò)程包括以下的過(guò)程：

①腳后跟對(duì)測(cè)力臺(tái)的沖擊力；②承受重力；③中間狀態(tài)；④離開(kāi)（前后向力較大、Z向力比較小）；⑤單只腳的COP軌跡分布圖（可以根據(jù)力與力矩的關(guān)系計(jì)算得到）。

則可以使用測(cè)力平臺(tái)測(cè)試到的數(shù)據(jù)、結(jié)合高速同步攝像機(jī)、肌力儀等設(shè)備對(duì)這一過(guò)程進(jìn)行生物力學(xué)方面的分析[4]。

2）在縱跳的過(guò)程中：

垂直力：F實(shí)際測(cè)得（Fz力）

運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)常常應(yīng)用三維測(cè)力臺(tái)對(duì)高水平運(yùn)動(dòng)員的某一特定動(dòng)作，或動(dòng)作過(guò)程中某一特殊時(shí)期的動(dòng)力學(xué)特征進(jìn)行測(cè)試分析和研究。以跳高，跳遠(yuǎn)起跳為例，通過(guò)測(cè)力臺(tái)檢測(cè)踏跳瞬間的力值大小和方向，及作用時(shí)間等各項(xiàng)指標(biāo)，與運(yùn)動(dòng)成績(jī)高度相關(guān)。值得注意的是，這種情況下測(cè)力臺(tái)所記錄的各力學(xué)指標(biāo)的特征和變化規(guī)律，反映的是運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的某一瞬間，人體與臺(tái)面的總相互作用，在這種測(cè)試條件下，對(duì)測(cè)試結(jié)果有明顯影響的因素較多，如上臂擺動(dòng)，軀體運(yùn)動(dòng)，相關(guān)肌群發(fā)力，慣性作用等。對(duì)測(cè)試結(jié)果的分析，注重考慮與動(dòng)作完成效果的相關(guān)性，而難于將各影響因素對(duì)測(cè)試結(jié)果的“貢獻(xiàn)”量化區(qū)分[5]。如果考慮排除有關(guān)因素的影響量化研究特定肌肉或肌群的生物力學(xué)特性，采用三維測(cè)力臺(tái)上的SJ（半蹲跳）和 CMJ（下蹲跳）測(cè)試，是目前較為常用的方法，由于SJ和 CMJ測(cè)試條件控制相對(duì)比較嚴(yán)格，測(cè)試結(jié)果有可比性，因而被普遍采用并在肌肉力學(xué)性能研究方面取得了卓有成效的進(jìn)展[6]。圖2和圖3分別為一次SJ測(cè)試和CMJ測(cè)試的范例。

圖2 SJ測(cè)試Fig.2 SJ test

圖3 CMJ測(cè)試Fig.3 CMJ test

測(cè)力臺(tái)依據(jù)縱跳能力，協(xié)調(diào)性和耐力有效地測(cè)試腿部作訓(xùn)練條件。與等運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)不同，運(yùn)動(dòng)員完全可以根據(jù)自身?xiàng)l件和協(xié)調(diào)性自然運(yùn)動(dòng)，可以做單次縱跳或多次連續(xù)縱跳分析。例如，標(biāo)準(zhǔn)化的KISTLER Quattro Jump測(cè)試可客觀測(cè)量跳躍力、跳躍高度和跳躍能量，及時(shí)反饋優(yōu)化訓(xùn)練過(guò)程。為運(yùn)動(dòng)隊(duì)醫(yī)生，教練員和運(yùn)動(dòng)員快速，準(zhǔn)確地提供必要的信息，使他們能夠科學(xué)地制定訓(xùn)練方案。

應(yīng)用Quattro Jump系統(tǒng)，可以：

比賽前優(yōu)化訓(xùn)練；為受傷的運(yùn)動(dòng)員選擇合適的訓(xùn)練強(qiáng)度；挑選新隊(duì)員；評(píng)價(jià)隊(duì)員實(shí)力。

將QUATTRO JUMP測(cè)力臺(tái)放在地面上就可以測(cè)量腿部的的垂直起跳力量。內(nèi)置在測(cè)力臺(tái)內(nèi)的壓電傳感器，連續(xù)測(cè)量起跳力量，并以每秒采樣500次的速度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并將數(shù)據(jù)傳送到計(jì)算機(jī)。起跳高度、起跳功率及其他參數(shù)可以根據(jù)起跳時(shí)的力量自動(dòng)進(jìn)行計(jì)算并存儲(chǔ)。特別需要指出的，根據(jù)肌肉工作的特點(diǎn)起跳動(dòng)作可以分為離心和向心兩個(gè)動(dòng)作階段進(jìn)行詳細(xì)分析。如果起跳動(dòng)作正確完成，則起跳的高度曲線就顯示出來(lái)。QUATTRO JUMP測(cè)力臺(tái)與其他系統(tǒng)的區(qū)別在于，它不是間接地根據(jù)騰空時(shí)間來(lái)計(jì)算高度的。統(tǒng)計(jì)評(píng)定功能可以對(duì)一個(gè)運(yùn)動(dòng)員幾次測(cè)試的結(jié)果，也可以對(duì)同一運(yùn)動(dòng)隊(duì)中不同運(yùn)動(dòng)員的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較（例如：可比較一個(gè)訓(xùn)練周期前后或一次比賽前后的測(cè)試結(jié)果）。KISLTER公司通過(guò)與測(cè)量起跳力量領(lǐng)域的知名專家CARMELO BOSCO博士的合作，總結(jié)出一套適合常規(guī)運(yùn)動(dòng)技術(shù)診斷的方法。在QUATTRO JUMP BOSCO測(cè)試中，運(yùn)動(dòng)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(jìn)行評(píng)價(jià)，并可以詳細(xì)描述以及記錄在報(bào)告中。在運(yùn)動(dòng)員連續(xù)起跳之后，最佳的起跳可自動(dòng)標(biāo)識(shí)出來(lái)，并進(jìn)行進(jìn)一步的參數(shù)計(jì)算。借助于圖形的顯示功能，不正確的起跳可立即識(shí)別出來(lái)，并可以在任何時(shí)候刪除。Quattro Jump配有計(jì)算機(jī)軟件，如BioWare生物力學(xué)數(shù)采分析軟件，這是一個(gè)操作簡(jiǎn)便，功能豐富，可進(jìn)行各種生物力學(xué)測(cè)量分析的軟件包。適用于：基礎(chǔ)研究，步態(tài)分析，運(yùn)動(dòng)測(cè)量（跳躍力、沖撞、訓(xùn)練），神經(jīng)學(xué)，人類工程學(xué)研究和工業(yè)應(yīng)用（鞋的研制、材料、安全性、負(fù)荷分析）等。生物力學(xué)數(shù)采分析軟件能夠同時(shí)控制多至8個(gè)測(cè)力臺(tái)，內(nèi)置或外接電荷放大器的兩種類型測(cè)力臺(tái)均可。可直接采集測(cè)力臺(tái)信號(hào)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，操作簡(jiǎn)單，擺脫了以往測(cè)力臺(tái)大多局限于專業(yè)人員使用的局面，特別適合于日常技術(shù)診斷。軟件根據(jù)縱跳力自動(dòng)計(jì)算和記錄縱跳高度，縱跳動(dòng)作評(píng)價(jià)以及其它70個(gè)重要參數(shù)如：力——曲線；速度——時(shí)間曲線；縱跳高度；縱跳功率；反向移動(dòng)深度；快收縮纖維比例；從偏心運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)至同心運(yùn)動(dòng)一刻的力；Bosco指數(shù)；雙腿平衡指數(shù)；速度/耐力指數(shù)；預(yù)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(cè)試的重要參數(shù)，可用作比較隊(duì)員間或訓(xùn)練前后的測(cè)試結(jié)果[7]。

這些測(cè)試結(jié)果豐富了肌肉生物力學(xué)基礎(chǔ)理論，有很高的學(xué)術(shù)價(jià)值，對(duì)進(jìn)一步探索肌肉收縮的內(nèi)在機(jī)理提供了一定的實(shí)驗(yàn)依據(jù)，而且是競(jìng)技運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域進(jìn)行肌肉力量檢測(cè)與評(píng)定的方法學(xué)基礎(chǔ)和理論基礎(chǔ)[8]。

3 結(jié) 論

體育競(jìng)技中要取得好成績(jī)只有通過(guò)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)訓(xùn)練、科學(xué)分析才能實(shí)現(xiàn)。通過(guò)分析運(yùn)動(dòng)員在不同時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)力，不但能夠確定運(yùn)動(dòng)員在不同時(shí)期的成績(jī)，而且還能記錄不同技術(shù)的效果，從而相應(yīng)地修正訓(xùn)練計(jì)劃。運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)運(yùn)用三維測(cè)力臺(tái)研究人體肌肉的力學(xué)性能和人體運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)特征，對(duì)體育競(jìng)技成績(jī)的提高有十分重要的推動(dòng)作用。

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