李 林,紀(jì)仲秋

(北京師范大學(xué)體育與運(yùn)動(dòng)學(xué)院，北京 100875)

便便攜式肌肉等張收縮關(guān)節(jié)功率曲線測(cè)試系統(tǒng)的研制及等速肌力測(cè)試驗(yàn)證

李 林1,紀(jì)仲秋2

(北京師范大學(xué)體育與運(yùn)動(dòng)學(xué)院，北京 100875)

采用慣性傳感技術(shù)和無(wú)線藍(lán)牙采集技術(shù)研制了便攜式肌肉等張收縮關(guān)節(jié)功率曲線測(cè)試系統(tǒng),詳細(xì)說(shuō)明了該測(cè)試系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)處理方法。該測(cè)試系統(tǒng)采用三次樣條插值法插值,能夠方便準(zhǔn)確的測(cè)試不同負(fù)重下肌肉等張收縮的最大峰值關(guān)節(jié)功率曲線,能方便攜帶到課堂和操場(chǎng)上進(jìn)行教學(xué)和測(cè)試,在運(yùn)動(dòng)員選材、日常力量訓(xùn)練等多個(gè)方面都有非常重要的應(yīng)用。采用BIODEX等速肌力測(cè)試系統(tǒng)對(duì)膝關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)功率進(jìn)行測(cè)試分析,測(cè)試結(jié)果和本測(cè)試系統(tǒng)獲得的結(jié)果通過(guò)配對(duì)樣本T檢驗(yàn)方法,雙側(cè)顯著性水平大于0.05,提示二者沒(méi)有顯著差異,驗(yàn)證了本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)有效性。

等張收縮;關(guān)節(jié)功率曲線;慣性傳感技術(shù);運(yùn)動(dòng)生物力學(xué);BIODEX isokinetic test

1 前言

在運(yùn)動(dòng)技術(shù)中,通常把關(guān)節(jié)功率(力和速度的乘積)稱為爆發(fā)力。在體育運(yùn)動(dòng)中,人體所能輸出的關(guān)節(jié)功率的大小是十分重要的,如短跑的起跑和疾跑,其加速度的大小取決于關(guān)節(jié)功率的大小。投擲、跳躍、舉重、拳擊和橄欖球等項(xiàng)目,運(yùn)動(dòng)員必須有較大的爆發(fā)力[1]。

問(wèn)題在于找到使速度和力量?jī)烧呓Y(jié)合能達(dá)到最佳運(yùn)動(dòng)能力的那一點(diǎn),即找出最大峰值關(guān)節(jié)功率的那一點(diǎn)。而這一點(diǎn)的找出,不僅可以用于教學(xué),而且在運(yùn)動(dòng)員選材、日常力量訓(xùn)練等多個(gè)方面都有非常重要的價(jià)值。關(guān)節(jié)功率可由肌肉收縮的張力-速度曲線計(jì)算出來(lái)。通常的方法是應(yīng)用等速測(cè)力裝置,通過(guò)設(shè)置不同運(yùn)動(dòng)速度,找出最大峰值關(guān)節(jié)功率及相對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)速度和肌力矩。但等速測(cè)力裝置價(jià)格昂貴,國(guó)內(nèi)高校少有配備,并且該裝置體積大且重,不易移動(dòng),不能方便攜帶到課堂和操場(chǎng)上進(jìn)行教學(xué)和測(cè)試。最主要是等速設(shè)備測(cè)試的是某一關(guān)節(jié)的等速運(yùn)動(dòng),而在現(xiàn)實(shí)生活和運(yùn)動(dòng)中,人體一般進(jìn)行的是對(duì)抗自由重量的等張運(yùn)動(dòng),運(yùn)動(dòng)模式的不同必然會(huì)對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生影響。為了能方便準(zhǔn)確的測(cè)試等張運(yùn)動(dòng)下的最大峰值關(guān)節(jié)功率,研發(fā)了便攜式肌肉等張收縮關(guān)節(jié)功率曲線測(cè)試系統(tǒng)。

2 測(cè)試原理與方法

以膝關(guān)節(jié)測(cè)試為例,該運(yùn)動(dòng)主要是股四頭肌等肌肉收縮牽拉小腿,以膝關(guān)節(jié)為轉(zhuǎn)軸進(jìn)行的定點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)。因?yàn)樨?fù)重在測(cè)試過(guò)程中始終固定在腳上,可將腳和負(fù)重看做一個(gè)整體進(jìn)行受力分析,如圖1所示。其中,O -小腿旋轉(zhuǎn)軸(膝關(guān)節(jié));F1-股四頭肌等肌肉收縮牽拉小腿力;F2-大腿對(duì)小腿關(guān)節(jié)力;G1-小腿所受重力;G2-腳所受重力;G3-負(fù)重所受重力;L1-小腿重心到轉(zhuǎn)動(dòng)軸距離;L2-腳、負(fù)重重心到轉(zhuǎn)動(dòng)軸距離;θ-小腿與水平面夾角;ω-小腿旋轉(zhuǎn)角速度。

圖1 膝關(guān)節(jié)負(fù)重伸展受力分析

股四頭肌等肌肉收縮關(guān)節(jié)功率計(jì)算公式:

其中:M肌-股四頭肌等使膝關(guān)節(jié)伸展肌肉收縮的肌力矩;β-小腿和腳旋轉(zhuǎn)加速度;I-小腿轉(zhuǎn)動(dòng)慣量; m1-小腿質(zhì)量;m2-腳質(zhì)量;m3-負(fù)重質(zhì)量;g-重力加速度。

根據(jù)蘇聯(lián)扎齊奧爾斯基模型,由體重X1、身高X2計(jì)算小腿質(zhì)量m1、質(zhì)心位置L1、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量I、腳的質(zhì)量的多元回歸方程:

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]

通過(guò)測(cè)量獲得L2。傳感器輸出小腿與水平面夾角θ和小腿旋轉(zhuǎn)角速度ω。

聯(lián)立方程(1)-(10),計(jì)算獲得膝關(guān)節(jié)伸展肌肉收縮關(guān)節(jié)功率P肌。

3 便攜式肌肉等張收縮關(guān)節(jié)功率曲線測(cè)試系統(tǒng)組成

便攜式肌肉等張收縮關(guān)節(jié)功率曲線測(cè)試系統(tǒng)主要由自制的慣性姿態(tài)測(cè)試儀器、方便調(diào)整重量的增片式負(fù)重和測(cè)試軟件組成。

3.1 系統(tǒng)硬件

圖2 自制的基于慣性傳感器的姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

便攜式肌肉等張收縮關(guān)節(jié)功率曲線測(cè)試系統(tǒng)的硬件主要包括一個(gè)自制的基于慣性傳感器的姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng),該系統(tǒng)可以輸出較高精度的姿態(tài)角、三維旋轉(zhuǎn)角速度、三軸線性加速度等數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示,主要包括慣性傳感器部分、ARM處理器部分及藍(lán)牙無(wú)線傳輸部分。

3.1.1 慣性傳感器

慣性傳感器部分包括正交配置的三個(gè)微陀螺儀、三個(gè)微加速度計(jì)和三個(gè)微磁力計(jì)。它們直接固聯(lián)于運(yùn)動(dòng)環(huán)節(jié)上,測(cè)得信號(hào)是沿運(yùn)動(dòng)環(huán)節(jié)坐標(biāo)系各軸相對(duì)于慣性空間的角速率、線加速度和磁力數(shù)值。采集頻率100Hz,角速度測(cè)量范圍±1200°/s,線加速度測(cè)量范圍±16g。[3-5]

3.1.2 ARM處理器

由于需要進(jìn)行大量數(shù)值計(jì)算,所用控制單元采用具有ARM Cortex-M3處理器的32位單片機(jī)STM32F103來(lái)完成控制、數(shù)據(jù)采集與處理、數(shù)據(jù)通訊等功能。

(1)對(duì)各慣性傳感器測(cè)量值進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

線性加速度數(shù)據(jù)通過(guò)歸一法減少由于各軸量度差異引起的誤差。調(diào)整傳感器位置,使各軸測(cè)試到最大值、最小值。X軸最大值XMAX,X軸最小值XMIN;Y軸最大值YMAX,Y軸最小值YMIN;Z軸最大值ZMAX,Z軸最小值ZMIN。歸一法公式如下:其中x測(cè)、y測(cè)、z測(cè)為X、Y、Z軸實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),x、y、z為歸一化后數(shù)據(jù)。

陀螺儀采用最小二乘直線擬合,來(lái)修正陀螺儀積分角度誤差,減小陀螺儀的漂移影響。

磁力計(jì)通過(guò)立體8字校準(zhǔn)方法,確定固定磁場(chǎng)干擾矢量的大小及方向。使需要校準(zhǔn)的傳感器在空中做8字晃動(dòng),盡量多的讓傳感器法線方向指向空間的所有8個(gè)象限,通過(guò)足夠的樣本點(diǎn)求出固定磁場(chǎng)干擾矢量的大小及方向。公式如下:

其中x、y、z為X、Y、Z軸實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),R為常量,γx、γy、γz分別為固定磁場(chǎng)干擾矢量在X、Y、Z軸上的分量。[6-9]

(2)數(shù)據(jù)融合。

通過(guò)卡爾曼濾波的方法,對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合,使采集的數(shù)據(jù)更接近真實(shí)的值。[10,11]

(3)數(shù)據(jù)格式。

最后將導(dǎo)航參數(shù)處理成所需的數(shù)據(jù)格式。為數(shù)據(jù)添加數(shù)據(jù)頭和校驗(yàn)位,以減少藍(lán)牙無(wú)線傳輸時(shí)可能出現(xiàn)的誤讀操作。

3.1.3 藍(lán)牙無(wú)線傳輸

通過(guò)藍(lán)牙發(fā)射端發(fā)射,無(wú)線傳輸給連接在PC電腦的藍(lán)牙接收端。最后數(shù)據(jù)進(jìn)入運(yùn)行于電腦上的軟件,進(jìn)行測(cè)試。

3.2 系統(tǒng)軟件

圖3 肌肉等張收縮關(guān)節(jié)功率曲線測(cè)試系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

肌肉等張收縮關(guān)節(jié)功率曲線測(cè)試系統(tǒng)軟件可在windows操作系統(tǒng)平臺(tái)上運(yùn)行,利用VC++6.0語(yǔ)言編寫而成,包括受試者數(shù)據(jù)庫(kù)、測(cè)試界面和測(cè)試結(jié)果分析界面三個(gè)模塊(如圖3所示)。

3.2.1 受試者數(shù)據(jù)庫(kù)

受試者數(shù)據(jù)庫(kù)管理受試者信息,包括姓名、性別、年齡、身高、體重等?？杀憬莸膶?duì)受試者信息進(jìn)行新增、修改、刪除、查找等操作。

3.2.2 測(cè)試界面

測(cè)試界面包括負(fù)重?cái)?shù)值和L2的輸入,不同負(fù)重出現(xiàn)最大關(guān)節(jié)功率輸出的數(shù)值及出現(xiàn)最大關(guān)節(jié)功率輸出時(shí)的關(guān)節(jié)角度、角速度等數(shù)據(jù)。并可以打印測(cè)試結(jié)果。

3.2.3 測(cè)試結(jié)果分析界面

測(cè)試結(jié)果分析界面包括單人縱向數(shù)據(jù)分析和多人橫向數(shù)據(jù)分析,數(shù)據(jù)顯示包括數(shù)值顯示、二維和三維柱狀圖、曲線圖、餅圖等形式,以及盒子圖、疊加圖和散點(diǎn)圖等統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示。并可以打印分析結(jié)果。

4 實(shí)驗(yàn)教學(xué)測(cè)試

制作完成肌肉等張收縮關(guān)節(jié)功率曲線測(cè)試系統(tǒng)后,在北京師范大學(xué)本科生生物力學(xué)課上進(jìn)行了如下實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用。

實(shí)驗(yàn)時(shí),將班級(jí)分成3人一組。每組一人操作電腦,一人做受試者,一人協(xié)助。測(cè)完一人后輪換,每人都測(cè)一次。協(xié)助的同學(xué)調(diào)整負(fù)重重量和測(cè)量負(fù)重重心到膝關(guān)節(jié)距離L2。操作電腦的同學(xué)操作系統(tǒng)軟件,進(jìn)入受試者數(shù)據(jù)庫(kù),錄入受試者的信息;進(jìn)入測(cè)試界面,錄入負(fù)重?cái)?shù)值和L2,并單擊開始按鈕,準(zhǔn)備測(cè)試。受試者在做適當(dāng)?shù)臒嵘砘顒?dòng)后,坐在高度可調(diào)的座椅上,將裝有姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的綁帶綁在小腿上,初次右腳持20KG負(fù)重。在聽到開始指令后,進(jìn)行最大用力的膝關(guān)節(jié)伸展三次。操作電腦的同學(xué)如對(duì)測(cè)試結(jié)果滿意,即保存測(cè)試結(jié)果。否則,重新進(jìn)行該測(cè)試。每測(cè)試一次,休息300秒,以每次2.5KG的梯度間隔逐漸增加腳持負(fù)重的重量。重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)過(guò)程,最終在測(cè)試界面上繪制出該受試者不同負(fù)重下等張收縮的關(guān)節(jié)功率曲線。由于負(fù)重變化不連續(xù),需要在數(shù)據(jù)間進(jìn)行差值,為了數(shù)據(jù)變化的連續(xù)性,采用三次樣條插值法插值。軟件測(cè)試界面如圖4所示,插值曲線的峰值作為最大關(guān)節(jié)功率輸出值,此值以及對(duì)應(yīng)的負(fù)重值、速度等數(shù)據(jù)在訓(xùn)練和選材等多個(gè)方面都有重要意義。

圖4 肌肉等張收縮關(guān)節(jié)功率曲線測(cè)試系統(tǒng)軟件測(cè)試界面

5 BIODEX等速肌力測(cè)試驗(yàn)證

所有的測(cè)試均在北京師范大學(xué)體育與運(yùn)動(dòng)學(xué)院生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)室完成,受試者統(tǒng)一選用右腿進(jìn)行測(cè)試。肌肉力矩測(cè)試通過(guò)BIODEX等速肌力測(cè)試系統(tǒng)(BIODEX SYSTEM4)完成。圖5左側(cè)所示的是實(shí)驗(yàn)過(guò)程,受試者坐在測(cè)試椅上,軀干與右腿用綁帶固定,膝關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)軸與動(dòng)力頭旋轉(zhuǎn)軸對(duì)齊。

BIODEX等速肌力測(cè)試系統(tǒng)設(shè)置為等速模式下收集數(shù)據(jù),依次進(jìn)行角速度為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次測(cè)試,每次循環(huán)6次,次間休息300秒。方差系數(shù)不允許高于15%。[12-15]由BIODEX等速測(cè)試系統(tǒng)計(jì)算獲得關(guān)節(jié)功率Pbiodex,計(jì)算公式如下所示:

其中:M-BIODEX等速肌力測(cè)試系統(tǒng)動(dòng)力頭輸出力矩值,ω-動(dòng)力頭旋轉(zhuǎn)角速度,M和ω可由BIODEX等速肌力測(cè)試系統(tǒng)軟件直接獲得。

圖5 BIODEX等速肌力測(cè)試(左圖)和佩戴本系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試(右圖)

由本系統(tǒng)計(jì)算和BIODEX等速肌力測(cè)試系統(tǒng)分析獲得關(guān)節(jié)功率曲線峰值數(shù)據(jù)如表1所示,其中受試者用姓名首字母表示,是在北京師范大學(xué)本科生生物力學(xué)課上隨機(jī)抽取的12名男性。[16-21]

表1 本系統(tǒng)計(jì)算和BIODEX等速肌力測(cè)試獲得關(guān)節(jié)功率曲線峰值對(duì)比表(瓦)

在spss軟件環(huán)境中對(duì)兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行了正態(tài)性檢驗(yàn)分析,最后運(yùn)用配對(duì)樣本T檢驗(yàn)方法對(duì)兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn),檢驗(yàn)結(jié)果如表2所示。其中,PowerBIODEX是BIODEX等速肌力測(cè)試分析獲得關(guān)節(jié)功率曲線峰值數(shù)據(jù);PowerSys是本系統(tǒng)獲得關(guān)節(jié)功率曲線峰值數(shù)據(jù)。由表2的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知,經(jīng)配對(duì)數(shù)據(jù)T檢驗(yàn),雙側(cè)顯著性水平(Sig)大于0.05,可以認(rèn)為這兩組結(jié)果沒(méi)有顯著差異。

表2 成對(duì)樣本檢驗(yàn)

6 結(jié)論

(1)本研究研發(fā)了便攜式肌肉等張收縮關(guān)節(jié)功率曲線測(cè)試系統(tǒng),能夠方便準(zhǔn)確的測(cè)試等張運(yùn)動(dòng)不同負(fù)重下的最大峰值關(guān)節(jié)功率曲線。并且便于攜帶,能方便攜帶到課堂和操場(chǎng)上進(jìn)行教學(xué)和測(cè)試。該系統(tǒng)不僅可以用于教學(xué),而且在運(yùn)動(dòng)員選材、日常力量訓(xùn)練等多個(gè)方面都有非常重要的應(yīng)用。

(2)肌肉等張收縮關(guān)節(jié)功率曲線測(cè)試系統(tǒng)首先實(shí)現(xiàn)了膝關(guān)節(jié)功率曲線測(cè)試,在進(jìn)一步的研究中將擴(kuò)展到其他關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)功率曲線測(cè)試。

(3)通過(guò)對(duì)便攜式肌肉等張收縮關(guān)節(jié)功率曲線測(cè)試系統(tǒng)和BIODEX等速肌力測(cè)試系統(tǒng)獲得數(shù)據(jù)的對(duì)比分析,驗(yàn)證了本系統(tǒng)數(shù)據(jù)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

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

教育部人文社科課題(11YJA88003);北京師范大學(xué)教學(xué)建設(shè)與改革項(xiàng)目(12-01-13)。

李林(1981-),男,河北正定人,博士,研究方向:運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)。

:紀(jì)仲秋。

2014-05-13