CN103892847A - 一种便携式肌肉等张收缩功率曲线测试系统 - Google Patents
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Abstract
一种便携式肌肉等张收缩功率曲线测试系统，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，以及完整地介绍了该测试系统在教学中的应用。该测试系统为运动生物力学实验教学提供了实际操作平台，能够方便的测试不同负重下肌肉等张收缩的最大峰值功率曲线，并能方便携带到课堂和操场上进行教学和测试。该测试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。
Description
技术领域
本发明涉及一种体育器械测试装置，具体涉及一种便携式肌肉等张收缩功率曲线测试系统。
背景技术
在运动技术中，通常把功率(力和速度的乘积)称为爆发力。在体育运动中，人体所能输出的功率或爆发力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。
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，即出现最大峰值功率的那一点。而这一点的找出，不仅可以用于教学，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。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，找出最大峰值功率值。但等速测力装置价格昂贵，国内很少有高校配备，并且该设备不易移动，不能方便携带到课堂和操场上进行教学和测试。最主要是等速设备进行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。为了能方便的测试等张运动下的最大峰值功率，研发了便携式肌肉等张收缩功率曲线测试系统。
发明内容
本发明要解决的问题是针对以上不足，提供了一种便携式肌肉等张收缩功率曲线测试系统，目的在于：通过此设备系统可以更准确测量运动下的最大峰值功率。
本发明技术解决方案：
一种便携式肌肉等张收缩功率曲线测试系统，主要包括惯性传感器、ARM处理器，其特征在于：所述惯性传感器部分包括正交配置的微陀螺仪、微加速度计和微磁力计，所述微陀螺仪、微加速度计和微磁力计均通过模数转换模块和ARM处理器连接，所述ARM处理器和蓝牙发送模块连接，蓝牙发送模块和安装在电脑上的蓝牙接收模块相互配合。
优选的，所述微陀螺仪、微加速度计和微磁力计均为三个，具体包括：X轴微陀螺仪、Y轴微陀螺、Z轴微陀螺、X轴微加速度计、Y轴微加速度计、Z轴微加速度计、X轴微磁力计、Y轴微磁力计和Z轴微磁力计。
优选的，所述ARM处理器为STM32F103单片机。
优选的，所述惯性传感器采集频率100Hz，角速度测量范围±1200°／s，线加速度测量范围±16g。
一种便携式肌肉等张收缩功率曲线测试系统，其特征在于：还包括和硬件配合的软件系统，所述软件系统包括：受试者数据库、测试界面和测试结果分析界面。
所述受试者数据库包括如下功能：新增受试者信息、修改受试者信息、删除受试者信息和查找受试者信息。
所述测试界面包括如下功能：信息录入、数值显示、柱状图显示和曲线显示。
所述测试结果分析界面包括如下功能：单人数据分析和多人数据分析。
所述单人数据分析包括如下功能：单次数值数据、多次数值数据和打印。
所述多人数据分析包括如下功能：2D图、3D图、统计和打印。
本发明的有益效果：
本发明研发了便携式肌肉等张收缩功率曲线测试系统，能够方便的测试等张运动不同负重下的最大峰值功率曲线；研发的便携式肌肉等张收缩功率曲线测试系统便于携带，能方便携带到课堂和操场上进行教学和测试；肌肉等张收缩功率曲线测试系统首先实现了肘关节功率曲线测试，在进一步的研究中将扩展到其他关节的功率曲线测试；研发的便携式肌肉等张收缩功率曲线测试系统不仅可以用于教学，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。
附图说明
图1是本发明硬件结构图示意图；
图2是本发明的软件界面示意图；
图3是本发明肱二头肌弯举受力分析结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
实施例：
如图1和图2所示，一种便携式肌肉等张收缩功率曲线测试系统，主要包括惯性传感器、ARM处理器，惯性传感器部分包括正交配置的微陀螺仪、微加速度计和微磁力计，微陀螺仪、微加速度计和微磁力计均通过模数转换模块和ARM处理器连接，ARM处理器和蓝牙发送模块连接，蓝牙发送模块和安装在电脑上的蓝牙接收模块相互配合。微陀螺仪、微加速度计和微磁力计均为三个，具体包括：X轴微陀螺仪、Y轴微陀螺、Z轴微陀螺、X轴微加速度 计、Y轴微加速度计、Z轴微加速度计、X轴微磁力计、Y轴微磁力计和Z轴微磁力计。ARM处理器为STM32F103单片机。惯性传感器采集频率100Hz，角速度测量范围±1200°／s，线加速度测量范围±16g。
一种便携式肌肉等张收缩功率曲线测试系统，还包括和硬件配合的软件系统，软件系统包括：受试者数据库、测试界面和测试结果分析界面。受试者数据库包括如下功能：新增受试者信息、修改受试者信息、删除受试者信息和查找受试者信息。测试界面包括如下功能：信息录入、数值显示、柱状图显示和曲线显示。测试结果分析界面包括如下功能：单人数据分析和多人数据分析。单人数据分析包括如下功能：单次数值数据、多次数值数据和打印。多人数据分析包括如下功能：2D图、3D图、统计和打印。
实施例2：
制作完成肌肉等张收缩功率曲线测试系统后，在XX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。协助的同学调整哑铃重量和测量哑铃重心到肘关节距离L2。操作电脑的同学操作系统软件，进入受试者是数据库，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，靠墙壁站立，将装有姿态测量系统的绑带绑在前臂上，初次右手持10KG哑铃(女子5KG哑铃)。在听到开始指令后，进行最大用力的弯举三次。操作电脑的同学如对测试结果满意，即保存测试结果。否则，从新进行该测试。每测试一次，休息2分钟，以每次2.5KG的梯度间隔逐渐增加手持哑铃的重量，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功率曲线。
具体原理：
如图3所示，以肱二头肌弯举为例，该运动是肱二头肌和肱肌等肌肉收缩牵拉前臂，以肘关节为转轴，进行的定点转动。因为手在测试过程中始终握住哑铃，可将手和哑铃看做一个整体。进行受力分析，如图1所示。其中，0-前臂旋转轴(肘关节)；F1-肱二头肌和肱肌等收缩牵拉前臂力；F2-上臂对前臂关节力；G1-前臂所受重力；G2-手所受重力；G3-哑铃所受重力；L1-前臂重心到转动轴距离；L2-手、哑铃重心到转动轴距离；θ-前臂与水平面夹角；ω-前臂旋转角速度。肱二头肌和肱肌等肌肉收缩功率计算公式：
P肌=M肌·ω (1)
前臂所受总力矩：
M总=I·β=I·dω／dt (2)
它还可以表示为：
M总=M肌-M1-M2-M3 (3)
前臂重力产生阻力矩：
M1=G1·cosθ·L1=ml·g·cosθ·L1 (4)
手重力产生阻力矩：
M2=G2·cosθ·L2=m2·g·cosθ·L2 (5)
哑铃重力产生阻力矩：
M3=G3·cosθ·L2=m3·g·cosθ·L2 (6)
其中：M肌-肱二头肌和肱肌等使肘关节屈曲肌肉收缩的肌力矩；β-前臂和手旋转加速度；I-前臂转动惯量；ml-前臂质量；m2-手质量；m3-哑铃质量；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计算前臂质量ml、质心位置L1、转动惯量I、手的质量m2的多元回归方程：
ml=B0+B1X1+B2X2 (7)
其中，男子：B0＝0.3185，B1=0.01445，B2=-0.00114；女子：B0=-0.295，B1＝0.009，B2=0.0003。
L1=B0+B1X1+B2X2 (8)
其中，男子：B0=0.192，B1=-0.028，B2=0.093；女子：B0=61.4，B1=0.096，B2=-0.062。
I=B0+B1X1+B2X2 (9)
其中，男子：B0=-64，B1=-0.95，B2=0.34；女子：B0＝-132.1，B1=0.62，B2=0.825。
m2=B0+B1X1+B2X2 (10)
其中，男子：B0=4.11，B1=0.026，B2=-0.033；女子：B0=41.74，B1=-0.12，B2=0.172。通过测量获得L2。传感器输出前臂与水平面夹角θ和前臂旋转角速度ω。联立方程(1)-(10)，计算获得肘关节屈曲肌肉收缩功率P肌。
如图1所示，便携式肌肉等张收缩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。
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。
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。
2.1、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：
x=(x测-XMIN)／(XMAX—XMIN)·2-1
y=(y测-YMIN)／(YMAX—YMIN)·2-1
z=(z测-ZMIN)／(ZMAX—ZMIN)·2-1
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：
(x-γx)2+(y-γy)2+(z-γz)2=R2
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。
2.2、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。
2.3、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、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。
如图2所示，肌肉等张收缩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。
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。可方便的对受试者信息进行新增、修改、删除、查找等操作。
2、测试界面
测试界面包括负重数值和L2的输入，不同负重出现最大功率输出的数值及出现最大功率输出时的关节角度、角速度等数据。并可以直接打印测试结果。
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，盒子图、叠加图和散点图等统计数据显示。并可以直接打印分析结果。
综上，本发明达到预期目的。
Claims (10)
1.一种便携式肌肉等张收缩功率曲线测试系统，主要包括惯性传感器、ARM处理器，其特征在于：所述惯性传感器包括正交配置的微陀螺仪、微加速度计和微磁力计，所述微陀螺仪、微加速度计和微磁力计均通过模数转换模块和ARM处理器连接，所述ARM处理器和蓝牙发送模块连接，蓝牙发送模块和安装在电脑上的蓝牙接收模块相互配合。
2.根据权利要求1所述的一种便携式肌肉等张收缩功率曲线测试系统，其特征在于：所述微陀螺仪、微加速度计和微磁力计均为三个，具体包括：X轴微陀螺仪、Y轴微陀螺、Z轴微陀螺、X轴微加速度计、Y轴微加速度计、Z轴微加速度计、X轴微磁力计、Y轴微磁力计和Z轴微磁力计。
3.根据权利要求1所述的一种便携式肌肉等张收缩功率曲线测试系统，其特征在于：所述ARM处理器为STM32F103单片机。
4.根据权利要求1所述的一种便携式肌肉等张收缩功率曲线测试系统，其特征在于：所述惯性传感器采集频率100Hz，角速度测量范围±1200°／s，线加速度测量范围±16g。
5.一种便携式肌肉等张收缩功率曲线测试系统，其特征在于：还包括和硬件配合的软件系统，所述软件系统包括：受试者数据库、测试界面和测试结果分析界面。
6.根据权利要求5所述的一种便携式肌肉等张收缩功率曲线测试系统，其特征在于：所述受试者数据库包括如下功能：新增受试者信息、修改受试者信息、删除受试者信息和查找受试者信息。
7.根据权利要求5所述的一种便携式肌肉等张收缩功率曲线测试系统，其特征在于：所述测试界面包括如下功能：信息录入、数值显示、柱状图显示和曲线显示。
8.根据权利要求5所述的一种便携式肌肉等张收缩功率曲线测试系统，其特征在于：所述测试结果分析界面包括如下功能：单人数据分析和多人数据分析。
9.根据权利要求8所述的一种便携式肌肉等张收缩功率曲线测试系统，其特征在于：所述单人数据分析包括如下功能：单次数值数据、多次数值数据和打印。
10.根据权利要求8所述的一种便携式肌肉等张收缩功率曲线测试系统，其特征在于：所述多人数据分析包括如下功能：2D图、3D图、统计和打印。
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Legal Events
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Addressee: Li Lin Document name: Notification of Acceptance of Patent Application |
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| DD01 | Delivery of document by public notice |
Addressee: Li Lin Document name: Notification to Make Rectification |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20160608 Termination date: 20161225 |