短跑運動員加速與途中跑節奏綜合診斷系統的制作方法
【專利摘要】本綜合診斷系統借助于計算機技術和多種設備的特點，整合了壓力傳感器、加速度傳感器、激光測速、運動攝像和數據采集等多種設備，實現了多設備同步測試和快速診斷反饋，是一套綜合性應用系統。該系統主要運用在直線性體育運動項目（短跑、跨欄、遠度跳躍）的體育科研和運動訓練指導中。目前主要以短跑為例，形成了完整的測試、診斷、反饋系統，結合系統拍攝的視頻錄像使教練員、運動員可以直觀、快速地掌握運動員起跑瞬間雙腳蹬踏動作的力學特征、肢體環節的運動學特征、身體姿態的運動學特征以及在加速跑、途中跑的過程中身體動作的運動學特征、人體位移速度節奏特征等。同時又為分析各階段的速度分布及其產生原因奠定理論基礎，提供了大量的數據支撐，建立了優秀運動員的測試結果數據庫。
【專利說明】短跑運動員加速與途中跑節奏綜合診斷系統
[0001]所屬【技術領域】
本發明產品是一種整合了壓力傳感器、加速度傳感器、激光測速、運動攝像和數據采集等多設備的同步測試和診斷系統，可應用在體育科研、短跑訓練、跨欄訓練、遠度跳躍訓練等領域。
[0002]技術背景
目前，在國外非常注重短跑全程跑的節奏特征，例如，德國國家體育科學研究所2009年世界田徑錦標賽后就公布了博爾特在創造9.58秒的世界紀錄時，他的每10米分段用時和速度分別為 1.89s/5.29m/s、0.99s/10.10m/s、0.91s/10.99m/s、0.85s/ll.76m/s、
0.83s/12.05m/s、0.82s/12.20m/s、0.81s/12.35m/s、0.82s/12.20m/s、0.83s/12.05m/s、
0.83s/12.05m/s，最高速度為12.27m/s，出現在65.03米處[1]。這一速度分布結果就是使用激光測速跟蹤儀追蹤了博爾特全程中的跑速而獲得的。在國內，上海體科所研究員許以誠也采用德國進口的同種設備對劉翔的跨欄跑全程速度進行過研究，為科學、客觀認識途中跑的技術和節奏分布提供了可靠依據。但是，目前在國內同類設備較缺乏，尤其是將測試起跑蹬伸力的壓力傳感器、測試環節運動的加速度計等設備(元件)同步運用到該系統中，多角度、多系統融合的視角揭示深層次機理的設備尚未查到，文獻中也沒有發現相關報道。
[0003]目前，國內競賽中使用的起跑器是通過安裝一個壓力傳感器來監測運動員在鳴槍到發力的時間間隔，規則規定“在鳴槍后蹬伸力超過30Kg的時間小于100ms，則報警”，判搶跑犯規。而在訓練中使用的起跑器則沒有安裝傳感器。本發明設計的是為每個腳踏板獨立安裝、設置壓力傳感器，獨立測試每只腳在蹬伸過程中產生的壓力(蹬伸力)、作用時間、爆發力指數、左右時間差(平衡用力)等，為科學判斷運動員起跑蹬伸時左右雙腿的發力特征提供客觀依據。
[0004]國內，加速度傳感器技術在機器人設計、飛機模型飛行控制等領域廣泛應用，通過設定的程序控制實現對動作速度測量、姿態控制等。而使用加速度傳感器應用在運動員動作特征的記錄和反饋中，尚未發現相關報道。本發明采用加速度傳感器和無線通信技術，實現對下肢各環節的擺動速度和角度姿態以及奔跑速度實時測量，為揭示人體環節運動對人體整體移動速度的影響提供理論依據。
[0005]國內，雷達測速、激光測速等已被廣泛運用到測量測速(電子警察測速)等領域。但是由于其測量的速度較快、測試物體面積較大；然而，該技術不適用于對人體的速度測試，因為人體運動速度較慢，快速奔跑的速度一般為30m/s，況且是從靜止開始加速；另外，人體面積較小，因此對測速設備的測試精度提出較高要求，以及對采集技術提出更高要求。本發明采用低速激光測速設備，采用C#語言編程，解決了這一難題，實現測試精度較高的要求。
[0006]運動攝像已經非常普及，被廣泛運用到生活和訓練反饋中，但是，將運動攝像和壓力測試、加速度測式、激光測速等設備整合在一起的系統尚未發現。通過整合，解決了單個系統片面的缺陷，以及非同步帶來的視覺誤差。本發明通過將這些設備的同步技術處理，實現了從多系統、多角度判斷技術合理與否的客觀依據。[0007]
【發明內容】
[0008]為了克服在目前訓練中，單獨使用這些設備的不足，本發明提供一套整合系統，該系統不僅能測試全程的速度節奏，而且能將運動學特征和動力學特征有效地結合在一起，既能夠直觀的反映運動員的速度特征，又能夠反映產生這一速度的動力特征(擺動腿的擺動特征)。
[0009]本發明解決其技術問題所采用的技術方案是:
I)起跑系統
在傳統起跑器的設計中，針對每一個足底蹬踏板安裝兩個三維壓力傳感器。傳感器可以實時記錄運動員在起跑時左右兩只腳的蹬踏力一時間曲線，從中找到蹬踏力峰值、峰值時刻、力的方向及變化、左右雙腳的比較等參數。
[0010]2)加速度計與數據采集系統
本系統采用10個3D加速度計(量程為1(T24G)，分別置于運動員的雙側腕關節、肘關節、髖關節、膝關節、踝關節；2個3D加速度計(量程為1(T24G)，分別置于運動員的第七頸椎和第三腰椎，進而可以獲得人體以及各環節的運動速度、加速度、位置變化以及各關節點的相互協調關系。
[0011]3)激光測速系統
目前較成熟的技術是低速激光測速技術，精度較高0.lm/s。本系統采用了進口的低速激光測速設備，運用設備的接口和C#語言編程技術實現信號的實時采集。
[0012]4)圖像采集系統
主要采用帶有1394端口 PWM-280E高清攝像機和1394接口的圖像采集卡實現對錄像的實時采集和存儲。其同步時刻點，主要是通過外置同步裝置實現。
[0013]5)同步控制裝置系統
采用有線和無線通訊技術，開發專用線路板和接口卡，將壓力傳感器、加速度計、錄像、激光測速等設備的多機信號進行數字化后同步采集數據。
[0014]6)計算機軟件控制系統
采用C#、NET編程語言和SQL數據庫，編寫專用計算機軟件。
【權利要求】
1.起跑器雙壓力傳感器安裝技術。
2.人體多環節加速度計應用技術。
3.加速度傳感器的校正技術以及數據處理、整合技術。
4.多機冋步控制技術。
5.多設備的接口技術以及同步技術。
6.編寫的專用計算機軟件。
【文檔編號】A63B71/06GK103638670SQ201310384271
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2013年8月29日 優先權日:2013年8月29日
【發明者】李玉章, 馬婷婷, 葛運建, 張貴敏, 吳瑛 申請人:李玉章, 馬婷婷, 葛運建, 張貴敏, 吳瑛