CN104984537A - 一种运动员跨栏过程姿态检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种运动员跨栏过程姿态检测装置，该装置包括位姿识别单元、速度识别单元、步态识别单元、数据处理单元、无线通信装置和控制器，位姿识别单元包括腰部压力传感器、膝关节压力传感器、肘关节压力传感器、小腿肌肉压力触感器和大腿肌肉压力触感器，所述步态识别单元包括脚底压力传感器和脚底压力开关，所述速度识别单元用于采集跨栏速度。本发明的跨栏辅助训练装置对运动员在各个阶段的用力机制进行全程监测，可在运动员跨栏技术动作、足底压力动态分布特征、足底压力中心轨迹、脚底各个分区的压强峰值和腾空时相、足底分区冲量等方面作定量分析，作为训练、比赛及避免运动创伤等提供辅助训练依据。

Description

一种运动员跨栏过程姿态检测装置

技术领域

本发明属于体育运动技术领域，涉及到一种跨栏运动，具体涉及一种运动员跨栏过程姿态检测装置。

背景技术

跨栏是属于跑跨结合的一项运动，属于固定组合结构的非对称周期性运动项目，其技术关键在于跑跨的结合转变。在跨栏的一次全程中,完成十次不自然的大步,这个不自然的大步,在跨栏技术中称之“跨栏步”。完整的跨栏步,一般分为起跨攻栏、栏上动作、下栏动作等几个不可分割的部分。跨栏步技术是以动作的起跨角度、距离、速度和力量等四个因素决定,其中动作速度是核心。角度距离是保证,用力效果是根本。跨栏步技术的好坏直接影响运动成绩。

目前，在跨栏辅助训练这一领域，大多聚集在男子110米跨栏分析，采用录像统计和简单的三维摄像方式对运动过程进行分析，但是这对跟踪拍摄所的要求很高，而且只能分析运动过程中的动作等，对于运动过程中运动员各处用力，与地面间的作用力等都没有涉及，这对于辅助训练具有一定的局限性。

发明内容

为了克服以上现有技术的不足，本发明提出一种运动员跨栏过程姿态检测装置，对运动员跨栏过程中的各个部位用力情况进行监测，分析人与地面的相互作用力，用于辅助训练。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：本发明的运动员跨栏过程姿态检测装置，该装置包括位姿识别单元、速度识别单元、步态识别单元、数据处理单元、无线通信装置和控制器，所述位姿识别单元、速度识别单元、步态识别单元分别数据处理单元连接，所述数据处理单元、无线通信装置分别和控制器连接，所述无线通信装置与远程接收单元进行通信，所述位姿识别单元包括腰部压力传感器、膝关节压力传感器、肘关节压力传感器、小腿肌肉压力触感器和大腿肌肉压力触感器，所述步态识别单元包括脚底压力传感器和脚底压力开关，所述速度识别单元用于采集跨栏速度，所述腰部压力传感器、膝关节压力传感器、肘关节压力传感器、小腿肌肉压力触感器、大腿肌肉压力触感器、脚底压力传感器均采用薄膜三维力压力传感器。其中，脚底压力传感器每只脚设有五组，鞋夹层的前掌设置三组，鞋夹层的后掌设置二组，所述设置于鞋夹层的脚底压力开关根据左右鞋转换的频率确定装置是否启动。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，所述标准数据为跨栏训练各指标的最优数据。该装置还包括设置在跨栏上用于测量跨栏高度的跨栏姿态单元，所述跨栏姿态单元包括跨栏姿态采集单元和跨栏无线通信单元，所述跨栏无线通信单元和无线通信装置相互通信。

上述薄膜三维力压力传感器包括控制单元、与控制单元分别连接的X方向电容单元组和Y方向电容单元组，所述X方向电容单元组和Y方向电容单元组均包括电容单元模块，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。所述电容单元模块包括由两个以上宽度a₀长度b₀条状电容单元组成的第一条状电容单元组和两个以上宽度ka₀长度b₀条状电容单元组成的第二条状电容单元组。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宽度。所述差位δ_左＝δ_右，且其中d₀为介质厚度，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+2a_δ+ka₀)b₀/2，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。所述第一条状电容单元组和第二条状电容单元组的条状电容单元引线通过并联方式或者独立连接到控制单元。所述条状电容单元的宽度其中，d₀为条状电容单元介质厚度，E为弹性介质的杨氏模量，G为弹性介质的抗剪模量。所述控制单元和电容单元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。

本发明有益效果是:本发明的跨栏辅助训练装置对运动员在各个阶段的用力机制进行全程监测，可在运动员跨栏技术动作、足底压力动态分布特征、足底压力中心轨迹、脚底各个分区的压强峰值和腾空时相、足底分区冲量等方面作定量分析，作为训练、比赛及避免运动创伤等提供辅助训练依据。另外，本发明在电容测量三维力的基础上，有效使用平板单用的使用面积，并且通过设置预留差位、设置两组宽度为a₀和Ka₀的条状电容单元等方法有效解决三维力间相互影响，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

下面对本说明书附图所表达的内容及图中的标记作简要说明：

图1是本发明的具体实施方式的检测装置的系统结构图。

图2是本发明的具体实施方式的条状电容单元及其坐标系。

图3是本发明的具体实施方式的条状电容单元示意图。

图4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5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6是本发明的具体实施方式的宽度为a₀和ka₀的电容对受力偏移图。

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单元电容对的信号示意图。

图9是本发明的具体实施方式的平行板电容器剖面结构。

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。

如图1所示，一种运动员跨栏过程姿态检测装置，该装置包括位姿识别单元、速度识别单元、步态识别单元、数据处理单元、无线通信装置和控制器，所述位姿识别单元、速度识别单元、步态识别单元分别与数据处理单元连接，所述数据处理单元、无线通信装置分别和控制器连接，所述无线通信装置与远程接收单元进行通信，所述位姿识别单元包括腰部压力传感器、膝关节压力传感器、肘关节压力传感器、小腿肌肉压力触感器和大腿肌肉压力触感器，所述步态识别单元包括脚底压力传感器和脚底压力开关，所述速度识别单元用于采集跨栏速度，所述腰部压力传感器、膝关节压力传感器、肘关节压力传感器、小腿肌肉压力触感器、大腿肌肉压力触感器、脚底压力传感器均采用薄膜三维力压力传感器。远程接收单元可以为手机、服务器等。

所述脚底压力传感器每只脚设有五组，由于短跑主要用脚前掌，鞋夹层的前掌设置三组，鞋夹层的后掌设置二组，脚底压力传感器一直开启，所述设置于鞋夹层的脚底压力开关根据左右鞋转换的频率确定整个装置是否启动。

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，所述标准数据为跨栏训练各指标的最优数据。所述控制器用于接收数据处理单元输出的二维数据表和标准数据进行对比计算确定训练方案，

该装置还包括无线通信装置和设置在跨栏上用于测量跨栏高度的跨栏姿态单元，所述跨栏姿态单元包括跨栏姿态采集单元和跨栏无线通信单元，所述跨栏无线通信单元和无线通信装置相互通信。

脚底压力根据控制器设置的阀值确定训练员是处于静止起步状态、跨栏状态和跑步状态，以便控制器能更准确的调整训练方案，同时能够再非运动状态关闭跨栏辅助训练装置节省功耗。该装置还设有延时单元，所述的延迟单元用于静止起步状态、跨栏状态和跑步状态进行转换时的系统延时。所述速度识别单元包括背部加速度传感器和速度测量传感器，两者配合进行测量训练者加速度和速度，这样能更准确的判断训练者的速度状态。

所述腰部压力传感器、膝关节压力传感器、肘关节压力传感器、小腿肌肉压力触感器、大腿肌肉压力触感器、脚底压力传感器均经过A/D转换和放大器后于数据处理单元连接。

如图5-7为本发明压力传感器的极板结构图，传感器包括控制单元、与控制单元分别连接的X方向电容单元组和Y方向电容单元组，所述X方向电容单元组和Y方向电容单元组均包括电容单元模块，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。所述电容单元模块包括由两个以上宽度a₀长度b₀条状电容单元组成的第一条状电容单元组和两个以上宽度ka₀长度b₀条状电容单元组成的第二条状电容单元组。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+2a_δ+ka₀)b₀/2，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。所述第一条状电容单元组和第二条状电容单元组的条状电容单元引线通过并联或者独立连接到控制单元。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。所述第一条状电容单元组和第二条状电容单元组与控制单元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2所示的直角坐标系中，极板平面长度b₀、宽度a₀、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为电容器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，

$S_{n1}=C_0/AE={\mathrm{\&epsiv;}}_0{\mathrm{\&epsiv;}}_r/d_{0}E---\left(7\right)$

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改变了条状电容单元的空间结构，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3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，τ_x在左向和右向时，有效面积的减少量相同，由此产生的电容为：

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

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。

2、接触式平行板电容设计

(1)平行板电容的平面设计

设定的原始指标法向最大接触应力σ_nmax为200Kpa，如果法向受力A为正方形10×10mm²，则最大法向力F_Zmax为σ_nmax·A＝20N。切向最大接触应力τ_max为70Kp，切向应力的受力分布面均为10×10mm²，则最大切向力分量F_xmax＝F_ymax＝τ_max·A＝7N。

图4和图5所示的条状电容单元结构性变化，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。为此本发明对条状电容单元上下极板的初始结构进行调整，宽度为a₀和ka₀的条状电容单元构成一对电容单元对(C_L与C_R)，具体如图6所示。

图7中，电容单元C_L和C_R电极尺寸b₀、d₀均相同，宽度一个为a₀，一个为ka₀，其中k为常数，优选大于1的整数。当τ_x＝0时，C_L＝C₀，C_R＝kC₀，在此基础上如在F_x激励下产生δ_x的错误偏移，将会形成如图3或4所示的偏移效果。

$C_L=\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_0\&CenterDot;{\mathrm{\&epsiv;}}_r\&CenterDot;b_0\&CenterDot;(a_0-{\mathrm{\&delta;}}_x)}{d_0}=C_0-\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_0\&CenterDot;{\mathrm{\&epsiv;}}_r\&CenterDot;b_0{\mathrm{\&tau;}}_x}{G}=C_0-\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_0\&CenterDot;{\mathrm{\&epsiv;}}_r{F}_x}{{\mathrm{Ga}}_0}---\left(13\right)$

$C_R=\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_0\&CenterDot;{\mathrm{\&epsiv;}}_r\&CenterDot;b_0\&CenterDot;({\mathrm{Ka}}_0-{\mathrm{\&delta;}}_x)}{d_0}={\mathrm{kC}}_0-\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_0\&CenterDot;{\mathrm{\&epsiv;}}_r\&CenterDot;b_0{\mathrm{\&tau;}}_x}{G}={\mathrm{kC}}_0-\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_0\&CenterDot;{\mathrm{\&epsiv;}}_r{F}_x}{{\mathrm{Ga}}_0}---\left(14\right)$

C_L和C_R电容单元对在同一个τ_x将产生δ_x和ΔC_τ的响应。

由此，公式(11)可修改为

$C_{\mathrm{\&tau;}x}=C_{\mathrm{\&tau;}0}-\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_0\&CenterDot;{\mathrm{\&epsiv;}}_r}{{\mathrm{Ga}}_0}{F}_x$

式中，为切应力为零时的初始电容，上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

参见图7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，右上第一象限Ⅰ、左上第二象限Ⅱ、左下第三象限Ⅲ、右下第四象限Ⅳ，其中Ⅰ、Ⅲ象限为对τ_x做出响应的电容单元组合，而Ⅱ、Ⅳ象限为对τ_y做出响应的电容单元组合。外围线为10×10mm²的PCB板四根边缘线，影线部分表示失蜡铸造工艺的外模截面。将感应电极在下层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，置他们与几何基准线差距均为δ₀(0.1mm)。

电容单元模块采用梳齿结构，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，故单个电容单元均为长条状。设每根条状电容单元宽为a₀，两条状电容之间的槽宽为a_δ，则每根条状电容单元的节距为ka₀+a₀+2a_δ。为了充分利用方形基板的平面空间，M(ka₀+a₀+2a_δ)b₀/2≈1方形基板面积，M为条状电容数量，则有M(ka₀+a₀+2a_δ)＝20mm，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相等，按公式(7)和(12)，令a₀·G＝d₀·E，当d₀＝0.1mm，k＝1.5时，从而可以求出M。

为了实现τ_x和τ_y切向响应之间不相互产生影响，条状电容单元的驱动电极长度两端预留差位δ₀，因此b_0驱＝b_0底+2·δ₀，其中在b_0驱两端长度预留差位理论上应保证 ${\mathrm{\&delta;}}_0\&GreaterEqual;d_0\&CenterDot;\frac{\mathrm{\&tau;}max}{G},$ 其计算值为 ${10}^{-5}\&times;\frac{70\&times;{10}^3}{2.4\&times;{10}^6}=2.9\&times;{10}^{-8}m={10}^{-2}um<<1um,$ 故在工艺上应保证b_0驱－b_0底≥0.01mm。这样在计算法向电容输出响应时，保证τ_x和τ_y不对法向电容响应产生任何影响。

为了实现τ_x和τ_y不对法向电容响应产生任何影响，宽度为a₀和ka₀的条状电容单元构成一对电容单元对(C_L与C_R)进行公示推算消除相互之间的影响。保证τ_x在Ⅰ、Ⅲ象限电容单元产生对τ_x的电容响应，而在Ⅱ、Ⅳ象限电容单元则产生对τ_y的电容响应，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。

(2)法向应力和切向力的计算

设图6中宽度为a₀的条状电容单元在受到切向力τ_x,产生一个切向位移d_x后的输出电容值为C₁，宽度为ka₀的条状电容单元在受到切向力τ_x,产生一个切向位移d_x后的输出电容值为C₂，则有：

$C_1=\frac{\mathrm{\&epsiv;}(a_0-d_x)b_0}{d_n}=\frac{{\mathrm{\&epsiv;a}}_0{b}_0}{d_n}-\frac{{\mathrm{\&epsiv;b}}_0{d}_x}{d_n}---\left(15\right)$

$C_2=\frac{\mathrm{\&epsiv;}({\mathrm{ka}}_0-d_x)b_0}{d_n}=\frac{{\mathrm{\&epsiv;ka}}_0{b}_0}{d_n}-\frac{{\mathrm{\&epsiv;b}}_0{d}_x}{d_n}---\left(16\right)$

由(15)-(16)得到：

$C_1-C_2=\frac{{\mathrm{\&epsiv;a}}_0{b}_0}{d_n}-\frac{{\mathrm{\&epsiv;ka}}_0{b}_0}{d_n}$ 计算得到：

$d_n=\frac{{\mathrm{\&epsiv;a}}_0{b}_0(1-k)}{C_1-C_2}---\left(17\right)$

由(15)*k-(16)得到：

${\mathrm{kC}}_1-C_2=\frac{{\mathrm{\&epsiv;d}}_x{b}_0}{d_n}-\frac{{\mathrm{\&epsiv;kd}}_x{b}_0}{d_n}=\frac{{\mathrm{\&epsiv;d}}_x{b}_0(1-k)}{d_n},$ 将(17)代入上式，可以得到：

$d_x=\frac{a_0({\mathrm{kC}}_1-C_2)}{C_1-C_2}---\left(18\right)$

根据 $d_n=d_0-\mathrm{\&Delta;}d=d_0(1-\frac{F_n}{E\&CenterDot;S_0})$

可知： $F_n=\frac{(d_n-d_0)E\&CenterDot;S_0}{d_0}$

由 $\frac{d_x}{d_0}=\mathrm{\&gamma;}=\frac{\mathrm{\&tau;}}{G}=\frac{F_{\mathrm{\&tau;}}}{G\&CenterDot;S_0},$ 所以 $F_{\mathrm{\&tau;}x}=\frac{{\mathrm{GS}}_0{d}_x}{d_0}.$

上式中，无论是法向激励F_n或切向激励F_y均不对O_τ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，等量和同符号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。同理可以求出F_τy。

(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9所示的三明治结构,图8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。而四个第一条状电容单元组和第二条状电容单元组的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，四个感应电极是指X方向宽度为a₀的感应电极和宽度为ka₀的感应电极，以及Y方向宽度为a₀的感应电极和宽度为ka₀的感应电极，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，整个电极板都对求Fn做出贡献，同时将两对电容组合组成系统，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)

1.一种运动员跨栏过程姿态检测装置，其特征在于,该装置包括位姿识别单元、速度识别单元、步态识别单元、数据处理单元、无线通信装置和控制器，所述位姿识别单元、速度识别单元、步态识别单元分别数据处理单元连接，所述数据处理单元、无线通信装置分别和控制器连接，所述无线通信装置与远程接收单元进行通信，所述位姿识别单元包括腰部压力传感器、膝关节压力传感器、肘关节压力传感器、小腿肌肉压力触感器和大腿肌肉压力触感器，所述步态识别单元包括脚底压力传感器和脚底压力开关，所述速度识别单元用于采集跨栏速度，所述腰部压力传感器、膝关节压力传感器、肘关节压力传感器、小腿肌肉压力触感器、大腿肌肉压力触感器、脚底压力传感器均采用薄膜三维力压力传感器。

2.根据权利要求1所述的运动员跨栏过程姿态检测装置，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，鞋夹层的后掌设置二组，所述设置于鞋夹层的脚底压力开关根据左右鞋转换的频率确定装置是否启动。

3.根据权利要求1所述的运动员跨栏过程姿态检测装置，其特征在于，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，数据库单元用于存储检测数据和标准数据，所述标准数据为跨栏训练各指标的最优数据。

4.根据权利要求1所述的运动员跨栏过程姿态检测装置，其特征在于，该装置还包括设置在跨栏上用于测量跨栏高度的跨栏姿态单元，所述跨栏姿态单元包括跨栏姿态采集单元和跨栏无线通信单元，所述跨栏无线通信单元和无线通信装置相互通信。

5.根据权利要求1所述的运动员跨栏过程姿态检测装置，其特征在于，所述薄膜三维力压力传感器包括控制单元、与控制单元分别连接的X方向电容单元组和Y方向电容单元组，所述X方向电容单元组和Y方向电容单元组均包括电容单元模块，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，所述电容单元模块包括由两个以上宽度a₀长度b₀的条状电容单元组成的第一条状电容单元组和两个以上宽度ka₀长度b₀的条状电容单元组成的第二条状电容单元组。

6.根据权利要求5所述运动员跨栏过程姿态检测装置，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，δ_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为条状电容单元介质厚度，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所述运动员跨栏过程姿态检测装置，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+2a_δ+ka₀)b₀/2，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。

8.根据权利要求5所述运动员跨栏过程姿态检测装置，其特征在于,所述第一条状电容单元组和第二条状电容单元组的条状电容单元引线通过并联或者独立方式连接到控制单元。

9.根据权利要求5所述运动员跨栏过程姿态检测装置，其特征在于,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。

10.根据权利要求5所述运动员跨栏过程姿态检测装置，其特征在于,所述第一条状电容单元组和第二条状电容单元组与控制单元之间分别设有中间变换器，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。