CN112617836B - 一种人体下肢爆发力的评估方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种人体下肢爆发力的评估方法及装置，该方法包括：采集受试者在评估硬件装置上纵跳过程中对平板所施加力的时间序列数据；纵跳包括：静蹲跳、下蹲跳和跳深；根据所述时间序列数据，分析确认各个阶段压力与时间的映射关系；所述各个阶段包括：下蹲阶段、发力阶段、跳起阶段、腾空阶段和落地阶段；根据各个阶段压力与时间的映射关系，获得多个评估参数；基于多个评估参数，计算得受试者肌肉爆发力水平参数。应用该方法，可准确评估下肢爆发力的水平参数，可根据不同运动项目对弹跳能力要求的特点，结合运动员下肢肌肉爆发力水平的评估结果，可指导改进并选择科学的训练手段和方法，加强下肢弹跳能力的训练，进一步提高下肢的爆发力。

Description

一种人体下肢爆发力的评估方法及装置

技术领域

本发明涉及运动生物力学评估技术领域，具体地讲，本发明涉及一种人体下肢爆发力的评估方法及装置。

背景技术

下肢功能能力主要是指下肢肌肉的爆发力、下肢肌肉的耐力，以及通过下肢控制人体姿势稳定性的能力，在人们的日常工作、生活中，以及各类运动中都有着非常重要的作用，比如：走路、跑步、爬楼梯等；在运动员参与的竞技比赛中，对取到优异的比赛成绩也是至关重要的，特别是跑、跳类及相关比赛项目。

对于下肢功能不足，或损伤后的康复，都是可以通过针对性的运动训练方法来进行改善和提高的。那么通过对下肢功能的评估就能及早的发现下肢功能的问题，避免日常工作、生活中，乃至运动中，因功能不足造成的意外损伤，及早的进行改善性训练，从而提升生活的品质。通过对运动员训练前后的下肢功能评估结果的对比，也能够及时了解运动效果，适时调整训练方案，监控训练效果，提升竞技比赛的成绩。

目前针对下肢爆发力主要评估手段主要是通过纵跳、连续跳跃，或跳远等方法进行评估，目前评估手段主要采用开关式传感技术。

开关式传感技术是由两层导电层，中间用隔离点隔开，当受到压力时，两层导电层接触，即反映出断开/闭合两种状态。由于两层导电层间存在着一定的距离，灵敏性会受很大的影响，另外，在受到压力到闭合的过程中就会存在的一定的时间差，这类传感器因制作工艺的影响，这个时间差会有很大的差异，在对高水平运动员评估下肢爆发力时，这个差异的影响会直接影响到评估结果的准确性。

另外，开关式传感技术只有断开/闭合两种状态，即在起跳前(或落地后)的支撑阶段，传感器受到人体重力压力的作用，呈闭合状态；在起跳后的腾空阶段，人体已经离开传感器，传感器未受到任何压力的作用，呈断开状态。

如图1所示，根据传感器的断开/闭合来判断起跳前(或落地后)支持阶段、起跳后的腾空阶段，虽然可以通过滞空的时间，计算纵跳的高度

间接的反映下肢的爆发力水平，但无法获得起跳到着地过程中，下肢发力过程中力的变化(起跳是向心收缩，着地是离心收缩，该变化就是指离心收缩到向心收缩的变化速度和变化曲线)，以及着地时所受到的冲击力的变化。

因此，如何准确获取下肢在纵跳、连续跳跃，或跳远过程中力的变化，以及如何对受试者进行下肢爆发力的准确评估，以便指导调整训练方案；是同行从业人员亟待解决的问题。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提供一种人体下肢爆发力的评估方法及装置，可解决上述无法获取力的变化数据，以及无法准确评估受试者下肢爆发力的问题。

作为本发明的第一方面，涉及一种人体下肢爆发力的评估方法，包括：

采集受试者在评估硬件装置上纵跳过程中对平板所施加力的时间序列数据；所述纵跳包括：静蹲跳、下蹲跳和跳深；

根据所述时间序列数据，分析确认各个阶段压力与时间的映射关系；所述各个阶段包括：下蹲阶段、发力阶段、跳起阶段、腾空阶段和落地阶段；

根据各个阶段压力与时间的映射关系，获得多个评估参数；

基于多个评估参数，计算得受试者肌肉爆发力水平参数。

在一个实施例中，还包括：

将所述肌肉爆发力水平参数与预设阈值进行比较，根据比较结果确认所述受试者所属评估等级。

在一个实施例中，根据各个阶段压力与时间的映射关系，获得多个评估参数，包括：

根据各个阶段压力与时间的映射关系，获得触地时间和腾空时间；所述触地时间为落地阶段、下蹲阶段和发力阶段的时间总和；所述腾空时间为腾空阶段的时间；

根据所述腾空时间，计算得跳跃高度和起跳速度；

根据所述发力阶段的最大压力值获得峰值压力；

根据所述起跳速度、峰值压力，计算得峰值功率；

根据所述腾空时间、体重、跳跃高度计算得平均功率。

在一个实施例中，基于多个评估参数，计算得受试者肌肉爆发力水平参数，包括：

根据所述跳跃高度和触地时间，计算得反应力量指数；

根据所述下蹲跳跃高度和静蹲跳跃高度，计算得离心使用率；

将所述反应力量指数、离心使用率、平均功率和峰值功率，进行加权平均获得受试者肌肉爆发力水平参数。

第二方面，本发明实施例还提供一种人体下肢爆发力的评估装置，包括：

采集模块，用于采集受试者在评估硬件装置上纵跳过程中对平板所施加力的时间序列数据；所述纵跳包括：静蹲跳、下蹲跳和跳深；

分析模块，用于根据所述时间序列数据，分析确认各个阶段压力与时间的映射关系；所述各个阶段包括：下蹲阶段、发力阶段、跳起阶段、腾空阶段和落地阶段；

第一计算模块，用于根据各个阶段压力与时间的映射关系，获得多个评估参数；

第二计算模块，用于基于多个评估参数，计算得受试者肌肉爆发力水平参数。

在一个实施例中，还包括：

确认模块，用于将所述肌肉爆发力水平参数与预设阈值进行比较，根据比较结果确认所述受试者所属评估等级。

在一个实施例中，第一计算模块，具体用于：

根据各个阶段压力与时间的映射关系，获得触地时间和腾空时间；所述触地时间为落地阶段、下蹲阶段和发力阶段的时间总和；所述腾空时间为腾空阶段的时间；

根据所述腾空时间，计算得跳跃高度和起跳速度；

根据所述发力阶段的最大压力值获得峰值压力；

根据所述起跳速度、峰值压力，计算得峰值功率；

根据所述腾空时间、体重、跳跃高度计算得平均功率。

在一个实施例中，第二计算模块，具体用于：

根据所述跳跃高度和触地时间，计算得反应力量指数；

根据所述下蹲跳跃高度和静蹲跳跃高度，计算得离心使用率；

将所述反应力量指数、离心使用率、平均功率和峰值功率，进行加权平均获得受试者肌肉爆发力水平参数。

本发明实施例提供的上述技术方案的有益效果至少包括：

本发明实施例提供的一种人体下肢爆发力的评估方法及装置，该方法包括：采集受试者在评估硬件装置上纵跳过程中力的时间序列数据，进行多个阶段的分析和处理，最终可计算出比如着地缓冲结束时力值、起跳离地蹬伸力峰值等指标，其作为影响纵跳起跳效果非常重要的动力学指标；获得受试者肌肉爆发力水平参数。应用该方法，可准确评估下肢爆发力的水平参数，可根据不同运动项目对弹跳能力要求的特点，结合运动员下肢肌肉爆发力水平的评估结果，可指导改进并选择科学的训练手段和方法，加强下肢弹跳能力的训练，进一步提高下肢的爆发力。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为现有技术中开关式传感器的受力曲线图；

图2a为本发明实施例提供的评估装置的硬件结构图；

图2b为本发明实施例提供的评估装置中传感器安装位置正面示意图；

图2c为本发明实施例提供的评估装置中传感器安装位置反面示意图；

图3为本发明实施例提供的人体下肢爆发力的评估方法的流程图；

图4为本发明实施例提供的受试者站立在平板中心位置的示意图；

图5为纵跳中压力数据变化的曲线图；

图6a为起跳准备-下蹲阶段中压力数据变化的曲线图；

图6b为起跳准备-发力阶段中压力数据变化的曲线图；

图6c为跳起阶段中压力数据变化的曲线图；

图6d为腾空阶段中压力数据变化的曲线图；

图6e为纵跳中压力数据变化的曲线图；

图6f为腾空阶段和触地阶段的分析示意图；

图7为本发明实施例提供的人体下肢爆发力的评估装置的框图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

本发明实施例提供了一种人体下肢爆发力的评估方法，在实施过程中需要借助于评估硬件装置，因此，首先对该评估硬件装置进行介绍和描述。如图2a所示，由4个压力传感器、下位机、PC相互连接，其中①②③④分别为4个压力传感器。如图2b-2c所示，圆圈的位置即为压力传感器的安装位置。

该评估硬件装置的工作原理如下：

压力传感器在通电状态下，输出电压会随着压力变化而变化，这个变化呈线性关系y＝kx。通过对多个不同大小的固定压力，测量传感器的输出电压，即可获取线性变化的系数k。在应用中，通过采集压力变化的电压信号和传感器的线性变化系数k，即可转换成压力数据。

其中，比如采用的压力传感器量程为300kg，灵敏度为2.0mV/V，准确度为±0.01％FS，材质为优质合金钢，测量的精度能达到1克力(或0.00098N)，因此，微弱的压力都能够被准确的感应到。

下位机处理传感器模拟信号，并转换成将数字信号(压力数据)发送给PC。设计中充分考虑到了传感器微小信号容易受外界电磁干扰的影响的问题，即使信号电路中有外来信号也不会影响微小信号的处理能力，不会产生干扰。并且设计采用USB接口，接口可直接连接PC上位机，WindowsXP,Windows7,Windows10,linux等操作系统都可即插即用。

上位机可执行本发明实施例提供的人体下肢爆发力的评估方法，对数据进行处理及评估，参照图3所示该方法包括：

S11、采集受试者在评估硬件装置上纵跳过程中对平板所施加力的时间序列数据；所述纵跳包括：静蹲跳、下蹲跳和跳深；

S12、根据所述时间序列数据，分析确认各个阶段压力与时间的映射关系；所述各个阶段包括：下蹲阶段、发力阶段、跳起阶段、腾空阶段和落地阶段；

S13、根据各个阶段压力与时间的映射关系，获得多个评估参数；

S14、基于多个评估参数，计算得受试者肌肉爆发力水平参数。

本实施例中，采集受试者在评估硬件装置上纵跳过程中力的时间序列数据，进行多个阶段的分析和处理，最终可计算出比如着地缓冲结束时力值、起跳离地蹬伸力峰值等指标，其作为影响纵跳起跳效果非常重要的动力学指标；获得受试者肌肉爆发力水平参数。在实际应用中，可根据不同运动项目对弹跳能力要求的特点，结合运动员下肢肌肉爆发力水平的评估结果，可指导改进并选择科学的训练手段和方法，加强下肢弹跳能力的训练，进一步提高下肢的爆发力。

进一步地，如图3所示，还包括：

S15、将所述肌肉爆发力水平参数与预设阈值进行比较，根据比较结果确认所述受试者所属评估等级。其中，预设阈值，比如是基于大样本数据计算出所有评估指标的平均值；当对受试者进行评估后，得出其肌肉爆发力水平的参数，可与平均值进行比较，确认其属于正常水平、还是低于正常水平、或高于正常水平。另外也可以用标准差来设定多个等级；可进一步明确受试者与其他大部分人或其他运动员的差别；便于制定新的运动目标或调整运动策略等。

下面分别对上述人体下肢爆发力的评估方法各步骤进行详细说明。

步骤S11中，可如图4所示，受试者站立在平板中心位置，此时4个压力传感器的压力数据之和，是人体的重量对平板施加的压力(即体重)，在纵跳的过程中，随着下肢在起跳过程和落地过程中，对平板所施加的力，也通过这4个传感器输出的压力数据之和表现出来。

通过对各种纵跳中压力数据变化的过程，如图5所示，Y轴表示压力、X轴表示时间，来进行分析和评估，纵跳方法至少要有静蹲跳、下蹲跳和跳深。

步骤S12中，根据时间序列数据，分析确认各个阶段压力与时间的映射关系；其中，各个阶段包括：下蹲阶段、发力阶段、跳起阶段、腾空阶段和落地阶段；

具体地，如图6a所示，为起跳准备-下蹲阶段：快速下蹲时，处于失重状态，因此压力小于体重，并且大于0.

如图6b所示，为起跳准备-发力阶段：腿部开始向下发力，此时处于超重状态，因此压力大于体重，发力到最大阶段，即将起跳时，压力到最大值。

如图6c所示，跳起阶段：跳起过程中，身体克服重力向上运动，但脚还没有完全离开平板，因此，压力从最大值迅速减小，直至脚完全离开平板，此时压力为0。

如图6d所示，离地(腾空)阶段：纵跳过程中，已跳起并离开平板，因此压力等于0。

如图6e所示，落地阶段：分为2个部分，第1部分——落地时脚接触到平板，并受到下落冲量的影响，压力从0开始迅速增大，并超过体重，达到最大值；第2部分——压力达到最大值后，冲量的影响消失，压力迅速降低，直至压力等于体重。

步骤S13中，通过上述图6a-6e5个阶段的分析，可得出触地时间CT、腾空时间FT，如图6f所示：其中，触地时间CT为落地阶段、下蹲阶段和发力阶段的时间总和；腾空时间FT为腾空阶段的时间。

进一步地，可计算出跳跃高度JH：根据竖直上抛原理

以及腾空时间FT计算跳跃高度/>

可计算出起跳速度

可计算出峰值压力F_Peak＝起跳准备-发力阶段时压力的最大值。

进一步可计算出峰值功率p_peak＝Fv＝(F_peak-体重×9.8)×V；

进而根据腾空时间FT、体重mg、跳跃高度JH计算得平均功率：

步骤S14中，根据上述计算得出的跳跃高度JH、触地时间CT，可得出反应力量指数RSI(Reactive Strength Index)：跳跃高度JH/触地时间CT；用于评估连续纵跳(即连续下蹲跳)中离心收缩快速切换到向心式收缩能力，可以衡量运动员反应性跳跃能力，同时也被用来确定运动员们身体对于增强式训练压力的反应。数值越大，反应能力越强。

离心使用率EUR(Eccentric Utilization Ratio)：(下蹲跳JH－静蹲跳JH)/静蹲跳JH×100％；离心使用率EUR可反应下肢肌肉离心-向心收缩周期SSC(Stretch-Shortening Cycle)与下肢爆发力的关系，可用于位移速度类运动的训练改善依据，例如短跑。数值越大，运动的初速度越大，加速度越大，最大速度越大。

然后基于上述反应力量指数RSI、离心使用率EUR、平均功率P_avg、峰值功率P_peak分别除以各自的平均值；其中该平均值为对应类型，根据大数据测量计算所得的平均值，本公开实施例对此不作具体限定。

最后，将上述除以各自平均值的结果，进行加权平均，得到一个量化的数值。其中加权系数，可根据实际情况，比如运动项目自行调整，本公开实施例也不作限定。

然后S15中，基于上述量化的数值，可作为肌肉爆发力水平参数，并将其与预设阈值进行比较，根据比较结果确认受试者所属的评估等级。

其中，上述预设阈值也是基于大样本数据为基础，计算出的所有评估指标平均值的加权值。

比如，以标准差SD为参照，当比较结果在-3SD～-2SD时，则评估结果为差；当比较结果在-2SD～-1SD时，则评估结果为稍差；当比较结果在-1SD～1SD时，则评估结果为中等；当比较结果在1SD～2SD时，则评估结果为良好；当比较结果在2SD～3SD时，则评估结果为优秀。

下述为本公开装置实施例，可以用于执行上述方法的实施例。

图7是根据上述人体下肢爆发力的评估方法实施例示出的一种人体下肢爆发力的评估装置的框图，该装置可用于上位机，可以通过软件、硬件或者两者的结合实现成为电子设备的部分或者全部。

如图7所示，该装置包括：

采集模块71，用于采集受试者在评估硬件装置上纵跳过程中对平板所施加力的时间序列数据；所述纵跳包括：静蹲跳、下蹲跳和跳深；

分析模块72，用于根据所述时间序列数据，分析确认各个阶段压力与时间的映射关系；所述各个阶段包括：下蹲阶段、发力阶段、跳起阶段、腾空阶段和落地阶段；

第一计算模块73，用于根据各个阶段压力与时间的映射关系，获得多个评估参数；

第二计算模块74，用于基于多个评估参数，计算得受试者肌肉爆发力水平参数。

在一个实施例中，还包括：

确认模块75，用于将所述肌肉爆发力水平参数与预设阈值进行比较，根据比较结果确认所述受试者所属评估等级。

其中，上述第一计算模块73，具体用于：

根据各个阶段压力与时间的映射关系，获得触地时间和腾空时间；所述触地时间为落地阶段、下蹲阶段和发力阶段的时间总和；所述腾空时间为腾空阶段的时间；

根据所述腾空时间，计算得跳跃高度和起跳速度；

根据所述发力阶段的最大压力值获得峰值压力；

根据所述起跳速度、峰值压力，计算得峰值功率；

根据所述腾空时间、体重、跳跃高度计算得平均功率。

上述第二计算模块74，具体用于：

根据所述跳跃高度和触地时间，计算得反应力量指数；

根据所述下蹲跳跃高度和静蹲跳跃高度，计算得离心使用率；

将所述反应力量指数、离心使用率、平均功率和峰值功率，进行加权平均获得受试者肌肉爆发力水平参数。

本发明提供的人体下肢爆发力的评估装置，通过采集受试者在评估硬件装置上纵跳过程中力的时间序列数据，进行多个阶段的分析和处理，最终可计算出比如着地缓冲结束时力值、起跳离地蹬伸力峰值等指标，其作为影响纵跳起跳效果非常重要的动力学指标；获得受试者肌肉爆发力水平参数。在实际应用中，可根据不同运动项目对弹跳能力要求的特点，结合运动员下肢肌肉爆发力水平的评估结果，可指导改进并选择科学的训练手段和方法，加强下肢弹跳能力的训练，进一步提高下肢的爆发力。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

本说明书中所涉及的实施例，其含义是结合该实施例描述的特地特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。说明书中出现于各处的这些术语不一定都涉及同一实施例。此外，当结合任一实施例描述特定特征、结构或特性时，都认为其落入本领域普通技术人员结合其他实施例就可以实现的这些特定特征、结构或特性的范围内。

Claims (4)

1.一种人体下肢爆发力的评估方法，其特征在于，包括：

采集受试者在评估硬件装置上纵跳过程中对平板所施加力的时间序列数据；所述纵跳包括：静蹲跳、下蹲跳和跳深；

根据所述时间序列数据，分析确认各个阶段压力与时间的映射关系；所述各个阶段包括：下蹲阶段、发力阶段、跳起阶段、腾空阶段和落地阶段；

根据各个阶段压力与时间的映射关系，获得多个评估参数；具体包括：根据各个阶段压力与时间的映射关系，获得触地时间和腾空时间；所述触地时间为落地阶段、下蹲阶段和发力阶段的时间总和；所述腾空时间为腾空阶段的时间；根据所述腾空时间，计算得跳跃高度和起跳速度；根据所述发力阶段的最大压力值获得峰值压力；根据所述起跳速度、峰值压力，计算得峰值功率；根据所述腾空时间、体重、跳跃高度计算得平均功率；

基于多个评估参数，计算得受试者肌肉爆发力水平参数；具体包括：根据所述跳跃高度和触地时间，计算得反应力量指数；根据所述下蹲跳高度和静蹲跳高度，计算得离心使用率；将所述反应力量指数、离心使用率、平均功率和峰值功率，进行加权平均获得受试者肌肉爆发力水平参数。

2.如权利要求1所述的一种人体下肢爆发力的评估方法，其特征在于，还包括：

将所述肌肉爆发力水平参数与预设阈值进行比较，根据比较结果确认所述受试者所属评估等级。

3.一种人体下肢爆发力的评估装置，其特征在于，包括：

采集模块，用于采集受试者在评估硬件装置上纵跳过程中对平板所施加力的时间序列数据；所述纵跳包括：静蹲跳、下蹲跳和跳深；

分析模块，用于根据所述时间序列数据，分析确认各个阶段压力与时间的映射关系；所述各个阶段包括：下蹲阶段、发力阶段、跳起阶段、腾空阶段和落地阶段；

第一计算模块，用于根据各个阶段压力与时间的映射关系，获得多个评估参数；第一计算模块具体包括：根据各个阶段压力与时间的映射关系，获得触地时间和腾空时间；所述触地时间为落地阶段、下蹲阶段和发力阶段的时间总和；所述腾空时间为腾空阶段的时间；根据所述腾空时间，计算得跳跃高度和起跳速度；根据所述发力阶段的最大压力值获得峰值压力；根据所述起跳速度、峰值压力，计算得峰值功率；根据所述腾空时间、体重、跳跃高度计算得平均功率；

第二计算模块，用于基于多个评估参数，计算得受试者肌肉爆发力水平参数；第二计算模块具体包括：根据所述跳跃高度和触地时间，计算得反应力量指数；根据所述下蹲跳高度和静蹲跳高度，计算得离心使用率；将所述反应力量指数、离心使用率、平均功率和峰值功率，进行加权平均获得受试者肌肉爆发力水平参数。

4.如权利要求3所述的一种人体下肢爆发力的评估装置，其特征在于，还包括：

确认模块，用于将所述肌肉爆发力水平参数与预设阈值进行比较，根据比较结果确认所述受试者所属评估等级。

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