CN104971482A - 短跑辅助训练装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种短跑辅助训练装置，包括三维测力起跑器、步态识别单元、传感系统信号处理器，三维测力起跑器的前踏板、后踏板上分别设有踏板间距采集单元、起跑角度采集单元，在前踏板、后踏板的受力斜面上均布置了接受足底压力信息的三维力压力传感器，压力传感器将采集的信号发送给传感系统信号处理器，与传感系统信号处理器无线连接的步态识别单元包括设置于鞋夹层的脚底压力传感器和无线通信单元。本发明的短跑辅助训练装置，实时测量运动员在起跑时起跑器的受力过程，综合考虑向前的水平推动力、达到最大力所用的时间和平衡力，以获得最佳的起跑姿势。

Description

短跑辅助训练装置

技术领域

本发明属于运动辅助训练技术领域，涉及到短跑运动，具体涉及一种短跑辅助训练装置。

背景技术

短距离赛跑如100m、200m和400m跑，由于比赛时间较短，对运动员来说，千分之一秒都显得尤为重要。因此，有效的起跑是取得比赛成功的关键因素之一。蹲踞式起跑是国际上先进主流的短距离起跑方式，它是完整短跑技术的起始技术，影响着后续技术的发挥以及比赛时的心理状态。蹲踞式起跑姿势可以使身体能够迅速摆脱静止状态，获得积极的蹬伸动力及向前最大蹬力，从而为起跑后的加速创造条件。在蹲踞式起跑过程中，当运动员蹬离起跑器时，脚底几乎与起跑器垂直，故蹬力最大，加速度也最大，运动员自然就可以迅速地摆脱静止状态，尽早地达到较高速度。

根据作用力与反作用力的原理，运动员获得的向前的推动力越大，其起跑加速度也越大，可以把是否有利于获得的向前的水平加速度，作为起跑方式好坏的依据，水平向前的加速度由离开踏板瞬间的水平冲量决定，也即力的大小、时间和力的方向，力的方向取决于踏板和地面的角度。最佳的起跑姿势要综合考虑向前的水平推动力、达到最大力所用的时间和平衡力。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种短跑辅助训练装置，在起跑踏板的受力斜面上布置采集足底压力信息的传感器，通过对压力数据的分析，根据动量守恒定律，可以找到使受训练者向前的水平推动力越大，保持平衡的切向力最小，同时用于达到最大力时间最短的起跑方式。

本发明的技术方案是：本发明的短跑辅助训练装置，包括三维测力起跑器、步态识别单元、传感系统信号处理器，三维测力起跑器的前踏板、后踏板上分别设有踏板间距采集单元、起跑角度采集单元，在前踏板、后踏板的受力斜面上均布置了接受足底压力信息的三维力压力传感器，压力传感器将采集的信号发送给传感系统信号处理器，与传感系统信号处理器无线连接的步态识别单元包括设置于鞋夹层的脚底压力传感器和无线通信单元。所述脚底压力传感器每只脚设有五组，鞋夹层的前掌设置三组用于测量踏板对脚的反作用力，鞋夹层的脚趾部分设置二组用于测量地面对脚的反作用力。所述传感系统信号处理器包括依次连接的信号转换放大单元、数据处理单元和控制器，所述控制器用于接收数据处理单元输出的数据进行分析计算确定短跑训练指标的最优数据，所述数据处理单元包括数据过滤单元、数据分类单元、数据融合处理单元和数据库单元，所述数据过滤单元用于过滤传感器采集的错误数据，所述数据分类单元对过滤后的数据进行分类，数据融合处理单元根据数据分类单元的数据进行融合处理输出二维数据表，数据库用于存储检测数据和标准数据。所述传感系统信号处理器还包括信息输入单元，所述信息输入单元包括短跑运动员信息，信息包括身高、体重、腿部指标和脚步指标。

上述压力传感器包括X方向差动电容单元组合和Y方向差动电容单元组合，所述X方向差动电容单元组合和Y方向差动电容单元组合均包括两个以上相互形成差动的电容单元模块，所述电容单元模块采用由两个以上的条状电容单元组成的梳齿结构，每个条状电容单元包括上极板的驱动电极和下极板的感应电极，所述X方向差动电容单元组合和Y方向差动电容单元组合的电容值求和计算电容传感器的法向力且消除切向力影响。

短跑辅助训练装置的每个条状电容单元的驱动电极和感应电极宽度相同，驱动电极的长度大于感应电极长度，驱动电极长度两端分别预留左差位δ_左和右差位δ_右，b_0驱＝b_0感+δ_右+δ_左，其中，b_0驱为条状电容单元的驱动电极长度，b_0感为条状电容单元的感应电极长度。所述差位δ_左＝δ_右，且其中d₀为弹性介质厚度，G为弹性介质的抗剪模量，τ_max为最大应力值。所述两组相互形成差动的电容单元模块的条状电容单元的驱动电极和感应电极沿宽度方向设有初始错位偏移，错位偏移大小相同、方向相反。所述梳齿状结构包括20个以上条状电容单元、与条状电容单元一一对应连接的引线，相邻两条状电容单元之间设有电极间距a_δ。所述平行板面积S＝M(a₀+a_δ)b₀，其中，M为条状电容单元数量，b₀为条状电容单元的长度，a₀条状电容单元的宽度。所述电容单元模块的每个条状电容单元的引线通过并联或者独立连接到传感系统信号处理器。所述条状电容单元的宽度其中，d₀为弹性介质厚度，E为弹性介质的杨氏模量，G为弹性介质的抗剪模量。所述传感系统信号处理器和电容单元模块之间设有中间变换器，中间变换器用于设置电压对电容或频率对电容的传输系数。

本发明有如下积极效果：本发明的短跑辅助训练装置，实时测量运动员在起跑时起跑器的受力过程，综合考虑向前的水平推动力、达到最大力所用的时间和平衡力，以获得最佳的起跑姿势。本发明的电容压力传感器，有效使用平板面积，并且通过差动等方法有效解决三维力间耦合，并利用特殊的条状电容结构，使法向与切向转换都达到较高的线性、精度与灵敏度。

附图说明

图1是本发明的具体实施方式的条状电容单元及其坐标系。

图2是本发明的具体实施方式的条状电容单元示意图。

图3是本发明的具体实施方式的条状电容单元右向偏移示意图。

图4是本发明的具体实施方式的条状电容单元左向偏移示意图。

图5是本发明的具体实施方式的条状电容单元对的初始错位图。

图6是本发明的具体实施方式的条状电容单元对受力后偏移图。

图7是本发明的具体实施方式的平行板三维力压力传感器结构图。

图8是本发明的具体实施方式的平行板三维力压力传感器驱动电极结构图。

图9是本发明的具体实施方式的平行板三维力压力传感器感应电极结构图。

图10是本发明的具体实施方式的通过相同传递系数K实现输出响应求和。

图11是本发明的具体实施方式的单元电容对的信号差动示意图。

图12是本发明的具体实施方式的平行板电容器剖面结构。

图13是本发明的具体实施方式的起跑器结构图。

其中,1、上PCB基板，2、下PCB基板，3、驱动电极，4、感应电极，5、弹性介质。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，本发明的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。

本发明的主要思路是：蹲踞式起跑中，借助起跑器上的反作用力获得瞬间的冲量，冲量决定了起跑最大速度的大小，冲量也即起跑器上的最大受力和达到最大受力的时间，力和时间的乘积就是冲量，达到最大时间时，足底离开起跑器，这段时间也意味着反应时间。

一种短跑辅助训练装置，包括三维测力起跑器、步态识别单元、传感系统信号处理器，三维测力起跑器的前踏板、后踏板上分别设有踏板间距采集单元、起跑角度采集单元，在前踏板、后踏板的受力斜面上均布置了接受足底压力信息的三维力压力传感器，压力传感器将采集的信号发送给传感系统信号处理器，与传感系统信号处理器无线连接的步态识别单元包括设置于鞋夹层的脚底压力传感器和无线通信单元，脚底压力传感器采用三维力压力传感器。

所述脚底压力传感器每只脚设有五组，鞋夹层的前掌设置三组用于测量踏板对脚的反作用力，鞋夹层的脚趾部分设置二组用于测量地面对脚的反作用力。

所述传感系统信号处理器包括依次连接的信号转换放大单元、数据处理单元和控制器，所述控制器用于接收数据处理单元输出的数据进行分析计算确定短跑训练指标的最优数据，所述数据处理单元包括数据过滤单元、数据分类单元、数据融合处理单元和数据库单元，所述数据过滤单元用于过滤传感器采集的错误数据，所述数据分类单元对过滤后的数据进行分类，数据融合处理单元根据数据分类单元的数据进行融合处理输出二维数据表，数据库用于存储检测数据和标准数据。

所述传感系统信号处理器还包括信息输入单元，所述信息输入单元包括短跑运动员信息，信息包括身高、体重、腿部指标和脚步指标。

具体运行流程如下，踏板间距采集单元采集前踏板和后踏板之间的距离、起跑角度采集单元的前踏板起跑角度和后踏板起跑角度、脚底压力传感器采集的前掌踏板反作用力和脚趾压力传感器采集的地面的反作用力，以上采集的数据经过信号转换放大单元传送至数据处理单元，数据处理单元处理后的数据发送至控制器，控制器结合信息输入单元输入身高、体重、腿部指标和脚步指标等各类详细的数据进行分析处理，得出不同参数的数据曲线图，推导出最优的踏板间距、前踏板起跑角度和后踏板起跑角度。

现有技术采集数据只采集前踏板起跑角度和后踏板起跑角度，本发明同时采集脚底压力传感器采集的前掌踏板反作用力和地面的反作用力，并对数据进行融合处理，进一步提升有意效果，同时不同运动员的参数信息分别得出不同的数据曲线图，并能根据不同运动员的参数预测其推荐的踏板间距、前踏板起跑角度和后踏板起跑角度，这样有效减少获得最优参数的训练次数和时间。

如图13所示，为本发明的起跑器结构图，在起跑器斜面上，建立三维力传感器的受力空间坐标系，沿斜面向下方向为X轴方向，垂直于斜面方向为Z轴方向，与斜面水平平行的方向为Y轴方向，取受力的方向为正方向。基于作用力与反作用力的原理，Z与X方向的合力是运动员借助起跑器而获得的向前主要推动力。运动员获得的向前的推动力越大，其起跑加速度也就越大，由此可知，F_x和F_z的合力是产生向前水平加速度的主动力，所以，可以把是否有利于获得向前的水平加速度，作为起跑方式好坏的参考依据，而Y轴方向力F_y是运动员借助起跑器获得的保持平衡的力，若切向损失的力越小，则运动员越容易保持平衡。

在实际的起跑过程中，虽然短跑追求的是水平速度的该变量，但是任何人在离开起跑器的过程中，身体都有一个斜向上的运动趋势或者是与水平面有一个角度。因个体的差异，角度会有所不同。由于与水平面夹角的存在，因此对力进行积分时都要分解成水平和竖直两个方向上同时积分。根据动量守恒定律，可以找到使受训练者向前的水平推动力越大，保持平衡的切向力最小，同时用于达到最大力时间最短的起跑方式。

为了测得运动员作用在踏板上的三维力，将踏板斜面设计成一个测力平台，踏板斜面与踏板本体之间设置三维测力传感器。三维测力传感器包括X方向差动电容单元组合和Y方向差动电容单元组合，所述X方向差动电容单元组合通过电容值相减计算X方向的切向力且消除Y方向切向力影响，所述Y方向差动电容单元组合通过电容值相减计算Y方向的切向力且消除X方向切向力影响，所述X方向差动电容单元组合和Y方向差动电容单元组合的电容值求和计算电容传感器的法向力且消除切向力影响。所述X方向差动电容单元组合和Y方向差动电容单元组合均包括两个以上相互形成差动的电容单元模块，所述电容单元模块采用由两个以上的条状电容单元组成的梳齿状结构，每个条状电容单元包括上极板的驱动电极和下极板的感应电极。所述每个条状电容单元的驱动电极和感应电极宽度相同，驱动电极的长度大于感应电极长度，驱动电极长度两端分别预留左差位δ_左和右差位δ_右，b_0驱＝b_0感+δ_右+δ_左，其中，b_0驱为条状电容单元的驱动电极长度，b_0感为条状电容单元的感应电极长度。所述差位δ_左＝δ_右，且其中d₀为弹性介质厚度，G为弹性介质的抗剪模量，τ_max为最大应力值。所述两组相互形成差动的电容单元模块的条状电容单元的驱动电极和感应电极沿宽度方向设有初始错位偏移，错位偏移大小相同、方向相反。所述梳齿状结构包括20个以上条状电容单元、与条状电容单元一一对应连接的引线，相邻两条状电容单元之间设有电极间距a_δ。所述平行板面积S＝M(a₀+a_δ)b₀，其中，条M为条状电容单元数量，b₀为条状电容单元的长度，a₀条状电容单元的宽度。所述电容单元模块的每个条状电容单元的引线通过并联或者独立连接到传感系统信号处理器。所述条状电容单元的宽度其中，d₀为介质厚度，E为弹性介质的杨氏模量，G为弹性介质的抗剪模量。所述传感系统信号处理器和电容单元模块之间设有中间变换器，中间变换器用于设置电压对电容或频率对电容的传输系数。

1、条状电容单元的转换特性

(1)激励信号和坐标系

将条状电容单元置于图1所示的直角坐标系中，极板平面长度b₀、宽度a₀、弹性介质厚度d₀。三维激励施加于电容极板的外表面，产生的接触式作用力具有Fx、Fy和Fz三个方向分量，Fx和Fy的作用方向沿X轴和Y轴，Fz的作用方向沿OZ轴，即方向，法向和切向应力均为一种应力张量，从电极的引线间即可输出电容的响应；法向应力σ_n＝Fn/A，其中A＝a₀·b₀为极板法向受力面，Fn＝Fz为法向分量；两侧表面上产生成对的切向应力τ_x＝Fx/A，τ_y＝Fy/A。

根据弹性力学中的虎克定律，σ_n和τ_x，τ_y都将使弹性体产生相应的变形。其中，

${\mathrm{\σ}}_n=E\·{\mathrm{\ϵ}}_n=E\·{\mathrm{\δ}}_n/d_0=\frac{F_n}{A}---\left(1\right)$

$\±{\mathrm{\τ}}_x=\±{\mathrm{\γ}}_x\·G=\±G\·{\mathrm{\δ}}_x/d_0=\±\frac{F_x}{A}---\left(2\right)$

$\±{\mathrm{\τ}}_y=\±{\mathrm{\γ}}_y\·G=\±G\·{\mathrm{\δ}}_y/d_0=\±\frac{F_y}{A}---\left(3\right)$

式中，E为弹性介质的杨氏模量(单位：GN/m²)，G为弹性介质的抗剪模量(单位：GN/m²)，δn为弹性介质的法向位移(单位：μm)，而δx和δy为条状电容单元上下两极板的相对错位(单位：μm)，其正负号由坐标轴指向决定。

(2)电容公式及其输入输出特性

矩形平行板电容器的初始电容为：

$C_0=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0\·{\mathrm{\ϵ}}_r\·a_0\·b_0}{d_0}---\left(4\right)$

式中，ε₀真空介质电常数为8.85PF/m，ε_r＝2.5为电介质的相对介电常数。d₀受σ_n的激励产生相对变形ε_n＝δ_n/d₀＝σ_n/E，代入(4)得到输入输出特性

$C_n={\mathrm{\ϵ}}_0\·{\mathrm{\ϵ}}_r\frac{a_0\·b_0}{d_0(1-{\mathrm{\ϵ}}_n)}={\mathrm{\ϵ}}_0\·{\mathrm{\ϵ}}_r\frac{a_0\·b_0}{d_0(1-\frac{F_n}{AE})}---\left(5\right)$

(3)法向应力作用下的线性度和灵敏度

a、法向线性度

在(5)式中F_n在分母中，故C_n＝f(F_n)的关系是非线性的，因转换量程中的最大值σ_nmax与介质弹性常数E相比，ε_n是个很小的量，即分母中ε_n<<1，将(5)按级数展开并略去二次方以上的高阶无穷小，(5)式可简化为：

$C_n=C_0(1+\mathrm{\&epsiv;})=C_0(1+\frac{F_n}{A\&CenterDot;E})---\left(6\right)$

可见在C_n与F_n的转换特性中的法向线性度的最大相对误差接近于零。

b、灵敏度

按法向灵敏度的定义

按(6)式可得线性灵敏度，

S_n1＝C₀/AE＝ε₀ε_r/d₀E  (7)

而按(5)式则

$S_{n2}=\frac{{\mathrm{dC}}_n}{{\mathrm{dF}}_n}=C_0\&CenterDot;\frac{1}{1-2\mathrm{\&epsiv;}}=C_0\&CenterDot;\frac{1}{1-2\frac{F_n}{A\&CenterDot;E}}---\left(8\right)$

S_n2随F_n而变，F_n愈大，S_n2愈大，在整个转换特性上呈轻微非线性。

(4)切向应力τ_x和τ_y激励下的电容变化

切向应力τ_x和τ_y并不改变极板的几何尺寸参数b₀和a₀，对介质厚度d₀也不产生影响。然而τ_x和τ_y改变了平行板电容器的空间结构，正向面对的上下极板之间发生了错位偏移。现以OX方向为例，极板在τ_x作用下的错位偏移δ_x。

在图2中当τ_x为零时，a_0上＝a_0下是正对的，基板之间有效截面A_τ＝a₀·b₀；在图3中，在τ_x右向的作用下，上极板相对于下极板产生了向右的错位偏移δ_x，从而使上下极板之间在计算电容时的有效面积A_τ＝(a₀-δ_x)·b₀；图4中，当τ_x为左向时，错位偏移δ_x则向左，而A_τ＝(a₀-δ_x)·b₀，有效面积的减少量相同，由此产生的电容为：

$C_{\mathrm{\&tau;}x}=\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_0.{\mathrm{\&epsiv;}}_r\&CenterDot;(a_0-{\mathrm{\&delta;}}_x)\&CenterDot;b_0}{d_0}---\left(9\right)$

根据剪切虎克定律

${\mathrm{\&tau;}}_x={\mathrm{\&gamma;}}_x\&CenterDot;G=G\&CenterDot;{\mathrm{\&delta;}}_x/d_0---\left(10\right)$

将(10)代入(9)可得

$C_{\mathrm{\&tau;}x}=C_0-\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_0\&CenterDot;{\mathrm{\&epsiv;}}_r\&CenterDot;{\mathrm{\&delta;}}_x\&CenterDot;b_0}{d_0}=C_0-\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_0\&CenterDot;{\mathrm{\&epsiv;}}_r\&CenterDot;b_0{\mathrm{\&tau;}}_x}{G}=C_0-\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_0\&CenterDot;{\mathrm{\&epsiv;}}_r{F}_x}{{\mathrm{Ga}}_0}---\left(11\right)$

(11)式即为切应力下的输入——输出特性，C_τ与τ_x呈线性关系。

而其灵敏度

$S_{\mathrm{\&tau;}x}=\frac{{\mathrm{dC}}_{\mathrm{\&tau;}x}}{{\mathrm{dF}}_x}=\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_0\&CenterDot;{\mathrm{\&epsiv;}}_r}{{\mathrm{Ga}}_0}---\left(12\right)$

公式(9)-(12)类似的分析同样适用与τ_y与C_τy的特性与技术指标，只不过式中条状电容单元的长边b₀应设置于OX轴方向，而其短边a₀则在OY方向。

(5)差动电容单元的引进

图3和图4所示的电容器结构性变化，只说明电容输出与切向应力±τ_x输入的关系，电容增量都是负的，因此这种初始电容结构不适宜作为对±τ_x得到增减电容的响应。为此本发明对电容器上下极板的初始结构进行调整，构成一对差动电容对(C_L与C_R)，具体如图5所示。

图5中，一对电容C_L和C_R电极尺寸a₀、b₀、d₀均相同，初始错位偏移δ₀也相同，区别在于左边电容器C_L上层δ₀尖角的指向为+OX，而右边电容器C_R上层δ₀尖角指向-OX。

当τ_x＝0时，即图中阴影部分所对应的电容，在此基础上如在-F_x激励下产生±δ_x的错误偏移，形成如图6所示的电容增减效果。

$C_L=\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_0\&CenterDot;{\mathrm{\&epsiv;}}_r\&CenterDot;b_0\&CenterDot;(a_0-{\mathrm{\&delta;}}_0\&PlusMinus;{\mathrm{\&delta;}}_x)}{d_0}---\left(13\right)$

图6中C_L和C_R差动电容对同一个τ_x将产生±δ_x和±ΔC_τ的响应。

δ₀的大小应满足可取δ₀＝10μm，由此，公式(11)可修改为

$C_{\mathrm{\&tau;}x}=C_{\mathrm{\&tau;}0}\&PlusMinus;\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_0\&CenterDot;{\mathrm{\&epsiv;}}_r}{{\mathrm{Ga}}_0}{F}_x---\left(14\right)$

式中，为切应力为零时的初始电容，(14)式即为切应力输入输出特性，C_τx与F_x是线性关系，而其灵敏度

2、接触式平行板电容设计

(1)平行板电容的平面设计

参见图7、图8和图9中的电极平面布置，在一个10×10mm²的基板中心作十字分隔，形成四个象限Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，其中Ⅰ、Ⅱ象限为对τ_x做出响应的差动电容单元组合，而Ⅲ、Ⅳ象限为对τ_y做出响应的差动电容单元组合。外围线为10×10mm²的PCB板四根边缘线，对PCB基板应精确切割以保证形状和尺寸上的精准。影线部分表示失蜡铸造工艺的外模截面，其几何形状和尺寸也应在机械成型时保持精准，为脱模方便并可拼拆，更应维持尺寸精度，最终以保证消除三维力对电容响应的相互干扰。

电容单元模块采用由两个以上的条状电容单元组成的梳齿状结构，每个条状电容单元包括上极板的驱动电极和下极板的感应电极。由公式(12)a₀愈小，切向应力响应的灵敏度越大，故单个电容均为长条状。设每根条状电容单元宽为a₀，两条状电容单元之间的槽宽为a_δ，则每根条状电容单元的节距为a₀+a_δ。为了充分利用方形基板的平面空间，使M(a₀+a_δ)b₀≈1方形基板表面积，M为4个象限内的条状电容单元数，则有M(a₀+a_δ)＝2*10mm，式中，槽宽a_δ不宜过大，否则不利于使用基板上的有效平面空间，也不宜过小，要受到失蜡铸造工艺的约束。为使法向灵敏度S_n和切向灵敏度S_τ相同，按公式(7)和(12)，令a₀·G＝d₀·E，当d₀＝0.1mm时，则a₀＝0.15mm，若令a_δ＝0.05mm，则M＝100，每个象限有25个条状电容单元。

为了实现τ_x和τ_y之间切向响应不相互产生影响，驱动电极长度两端预留δ₀，因此b_0驱＝b_0底+2·δ₀，其中在b_0驱两端长度预留理论上应保证其计算值为 故在工艺上应保证b_0驱－b_0底≥0.01mm。

为了实现τ_x和τ_y不对法向电容响应不产生任何影响，每个条状电容单元的驱动电极与感应电极在各象限中的平面布置应保证一定的错位偏移，通过差动消除影响，取感应电极在下层PCB基板上的位置作为参照，则驱动电极在上层PCB基板上的布置应以PCB基板边缘线为基准。图中四个虚线方框为感应电极在下极板上的基准。而置他们与几何基准线差距均为δ₀(0.1mm)，以保证τ_x在Ⅰ、Ⅱ象限电容单元产生差动电容输出响应，而在Ⅲ、Ⅳ象限电容单元则产生对τ_y的差动电容响应，设置一个初始错位偏移δ_xo，其取值应保证其计算值与δ₀类似，其初始错位偏移均设置δ_xo＝δ_yo＝0.01mm，以保证四个象限中的电容单元在τ_x和τ_y切向激励下能产生两组差动电容对。这样在计算法向电容输出响应时已能保证τ_x和τ_y不对法向电容响应产生任何影响。在图6中C_τxI＝C_R和C_τxII＝C_L为转换τ_x的差动电容对，而C_τxIII＝C_L和C_τxIV＝C_R则为转换τ_y的差动电容对。

(2)法向应力计算

由公式(6)可改写单个电容器的法向响应电容

$C_{ni}=N(C_0+\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_0\&CenterDot;{\mathrm{\&epsiv;}}_{r\&CenterDot;Fn}}{d_{0}E})---\left(15\right)$

其中，i＝Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，因每个象限中，N指一个象限内的条状电容单元的数量，N个条状电容单元是并联。

如再将其求和，可得

上式即为σ_n的电容总响应。

尽管单个电容的求和可通过电极引线的并联连接实现。但一旦并接好，就不再能实现求差组合，故实际的求和组合要通过中间变换器的输出再求和，见图10，求和的信号流程框图中，中间变换器K可以是电压对电容或频率对电容的传输系数，从而完成对法向响应的合成。

$O_n=4KN(C_0+\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_0\&CenterDot;{\mathrm{\&epsiv;}}_r\&CenterDot;Fn}{d_{0}E})---\left(16\right)$

(3)切向应力计算

C_Ⅰ对C_Ⅱ和C_Ⅲ对C_Ⅳ可以实现两对差动组合，见图11，经差动技术处理，差动输出的总响应

$O_{\mathrm{\&tau;}x}=\frac{2{\mathrm{NK\&epsiv;}}_0\&CenterDot;{\mathrm{\&epsiv;}}_r}{a_{0}G}{F}_x---\left(17\right)$

上式中，无论是法向激励F_n或切向激励F_y均不对O_τx产生影响。即自动消除了σ_n和τ_y对τ_x的总输出的耦合或干扰，因为凡是在信号包含相减的运算中，等量和同符合的电容变化都自动消除。而F_y和F_x对σ_n的干扰可通过上层电极在b₀方向增加几何长度2δ₀消除，O_τy同理可求。

(4)主要材料选择及其特性参数

梳齿状平行板电容器的结构剖面图类似于图12所示的三明治结构。图12中,1为上PCB基板，2为下PCB基板，3为驱动电极，4为感应电极，5为弹性介质。

极板距d₀＝0.1mm，上下基板内侧空间除铜箔电极外，均为用失蜡铸造法充填的PDMS(聚二甲基硅氧烷)超弹绝缘介质。其机械和物理特性参数为杨氏模量E＝6.2MPa，而其抗剪弹性模量为G＝4.1MPa，介质极化时相对介电常数ε_γ＝2.5。由于介质的E和G远小于铜的弹性模量E_铜＝103GPa。故电容器内部介质在应力状态下的变形远大于极板的变形。

(5)电极引线设计

无论是驱动电极或感应电极都需备有引出线，考虑各个驱动电极在信号电平上都是接地的，故四组驱动电极只需共用同一个引出线。而四个电容单元模块感应电极则需用各自独立的引出线，于是整个电容组件共有至少5个管脚从平面封装的侧面引出，以便整个组件顶部与底部外表面能方便地与测量对象接触。

本发明在新材料和新工艺的支撑下，完成了一种新型三维力敏感电容组合的设计，在10×10mm²的受力面上，无论是法向或切向，都可向介质较均匀的传递应力。文中四个单元电容呈两对组合分布。在空间力与传感器表面的接触中外力只有1个，电容响应却有4个，对4个电容求和可得到法向F_n的信息，即整个电极板都对求F_n做出贡献，同时将两对电容组合组成差动系统，又可获得F_x和F_y的信息，从而完整描述一个三维力。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种短跑辅助训练装置，其特征在于，包括三维测力起跑器、步态识别单元、传感系统信号处理器，三维测力起跑器的前踏板、后踏板上分别设有踏板间距采集单元、起跑角度采集单元，在前踏板、后踏板的受力斜面上均布置了接受足底压力信息的三维力压力传感器，压力传感器将采集的信号发送给传感系统信号处理器，与传感系统信号处理器无线连接的步态识别单元包括设置于鞋夹层的脚底压力传感器和无线通信单元。

2.根据权利要求1所述的短跑辅助训练装置，其特征在于，所述脚底压力传感器每只脚设有五组，鞋夹层的前掌设置三组用于测量踏板对脚的反作用力，鞋夹层的脚趾部分设置二组用于测量地面对脚的反作用力。

3.根据权利要求1所述的短跑辅助训练装置，其特征在于,所述传感系统信号处理器包括依次连接的信号转换放大单元、数据处理单元和控制器，所述控制器用于接收数据处理单元输出的数据进行分析计算确定短跑训练指标的最优数据，所述数据处理单元包括数据过滤单元、数据分类单元、数据融合处理单元和数据库单元，所述数据过滤单元用于过滤传感器采集的错误数据，所述数据分类单元对过滤后的数据进行分类，数据融合处理单元根据数据分类单元的数据进行融合处理输出二维数据表，数据库用于存储检测数据和标准数据。

4.根据权利要求1所述的短跑辅助训练装置，其特征在于,所述传感系统信号处理器还包括信息输入单元，所述信息输入单元包括短跑运动员信息，信息包括身高、体重、腿部指标和脚步指标。

5.根据权利要求1所述的短跑辅助训练装置，其特征在于,所述三维力压力传感器包括X方向差动电容单元组合和Y方向差动电容单元组合，所述X方向差动电容单元组合和Y方向差动电容单元组合均包括两个以上相互形成差动的电容单元模块，所述电容单元模块采用由两个以上的条状电容单元组成的梳齿结构，每个条状电容单元包括上极板的驱动电极和下极板的感应电极，所述X方向差动电容单元组合和Y方向差动电容单元组合的电容值求和计算电容传感器的法向力且消除切向力影响。

6.根据权利要求5所述的短跑辅助训练装置，其特征在于,所述每个条状电容单元的驱动电极和感应电极宽度相同，驱动电极的长度大于感应电极长度，驱动电极长度两端分别预留左差位δ_左和右差位δ_右，b_0驱=b_0感+δ_右+δ_左，其中，b_0驱为条状电容单元的驱动电极长度，b_0感为条状电容单元的感应电极长度，所述差位δ_左=δ_右，且其中d₀为弹性介质厚度，G为弹性介质的抗剪模量，τ_max为最大应力值。

7.根据权利要求5所述的短跑辅助训练装置，其特征在于,所述两组相互形成差动的电容单元模块的条状电容单元的驱动电极和感应电极沿宽度方向设有初始错位偏移，错位偏移大小相同、方向相反。

8.根据权利要求5所述的短跑辅助训练装置，其特征在于,所述梳齿状结构包括20个以上条状电容单元、与条状电容单元一一对应连接的引线，相邻两条状电容单元之间设有电极间距a_δ，所述平行板面积S=M(a₀+a_δ）b₀，其中，M为条状电容单元数量，b₀为条状电容单元的长度，a₀条状电容单元的宽度，所述电容单元模块的每个条状电容单元的引线通过并联或者独立连接到传感系统信号处理器。

9.根据权利要求5所述的短跑辅助训练装置，其特征在于,所述条状电容单元的宽度其中，d₀为弹性介质厚度，E为弹性介质的杨氏模量，G为弹性介质的抗剪模量。

10.根据权利要求5所述的短跑辅助训练装置，其特征在于,所述传感系统信号处理器和电容单元模块之间设有中间变换器，中间变换器用于设置电压对电容或频率对电容的传输系数。