CN204815611U - 自行车骑行运动辅助训练装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种自行车骑行运动辅助训练装置,包括脚蹬传感器、编码器和传感器系统信号处理器，编码器安装在脚蹬轴的外端，脚蹬传感器布置在测试车的左右脚蹬上，脚蹬传感器包括X方向差动电容单元组合和Y方向差动电容单元组合，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，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。本实用新型的自行车骑行运动辅助训练装置为寻找适合于训练者人体结构特性的坐姿定位以及为所测的每个自行车运动员获得各自最优的车架结构尺寸提供理论依据。

Description

自行车骑行运动辅助训练装置

技术领域

本发明属于体育训练技术领域，涉及到自行车训练项目，具体涉及一种自行车骑行运动辅助训练装置。

背景技术

自行车骑行中，蹬踏是人与车前进的唯一动力，良好的踏蹬技术可使运动员以最小的能量消耗得到最大的功率，而落后的、错误的踏蹬技术会过分消耗运动员的体能，却得不到相应的功效。从自行车的几何结构看，骑行时车手与自行车接触部位只有三处：即车把、车坐和脚蹬。因此足、臀部及手臂在自行车上的相对位置决定了骑行的舒适度和作用力的传递。例如，踏脚板与曲柄轴之间的夹角，会影响训练者脚作用在踏板上的法向力和切向力沿有效力和无效力方向的分力大小，影响有效力的作用效率。因此，有必要对运动过程中足、臀部及手臂的作用力进行监测，帮助训练者调整骑行姿势，并训练最佳踏蹬技术。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种自行车骑行运动辅助训练装置，通过监测受试者上体姿位、改变坐角、坐高所引起的脚蹬、车坐、手把上的动力学参数的变化，从而为适合于训练者人体结构特性的坐姿定位以及为所测的每个自行车运动员获得各自最优的车架结构尺寸提供理论依据和有效的原始数据。

本发明的技术方案是：一种自行车骑行运动辅助训练装置，包括脚蹬传感器、编码器和传感器系统信号处理器，编码器安装在脚蹬轴的外端，用于获取任意时刻曲柄与脚蹬间的夹角β，求解沿曲柄轴方向的无效力及垂直方向的有效力，脚蹬传感器布置在测试车的左右脚蹬上，获取作用在脚蹬上的三维力，所述脚蹬传感器包括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传感器的法向力且消除切向力影响。

自行车测试车辅助训练装装置还包括车把传感器和车座传感器，用于监测车座和车把上的三维作用力，获取上体的重量分配以及躯干-手臂系统的用力特征。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：本发明的自行车测试车辅助训练装置，通过监测受试者上体姿位、改变坐角、坐高所引起的脚蹬、车坐、手把上的动力学参数的变化，寻找适合于训练者人体结构特性的坐姿定位以及为所测的每个自行车运动员获得各自最优的车架结构尺寸提供理论依据。本发明在电容测量三维力的基础上，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，从而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车脚踏上受力情况分析图。

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。

如图13所示，为自行车测试车脚踏上受力情况分析图，左边为曲柄坐标系，右边为作用于踏板上的受力分析，脚蹬三维力测试出来后，针对地球坐标系，将作用于脚蹬上的法向力(F_pn)和切向力(F_pt)沿曲柄轴平行和与曲柄轴垂直的方向分解时，在根据编码器测得的相应瞬间踏脚板与曲柄轴之间的夹角β，这样就可以求得沿曲柄轴平行方向的分力，也即无效力，和与曲柄轴垂直的方向的分力，也即有效力，有效力与合力之比就是作用效率,作用效率是蹋蹬技术的评价指标，而蹋蹬技术是控制姿势、负荷和蹋蹬频率的直观体现。因此，在测试车左右踏板上安装三维力传感器，监测脚作用在踏板上的切向力和法向力，通过改变座角、座高及蹋蹬频率，作用于踏板上的切向力和法向力作用模式会发生变化，在脚蹬轴的外端安装编码器，获取任意时刻曲柄与脚蹬间的夹角。

在车座下和车把下也装上三维力传感器，用于监测车座和车把上的作用力，从而探求改变骑行量时上体的重量分配以及躯干-手臂系统的稳定性特征。综合三处的作用力特点确保最佳骑姿定位的合理性和科学性。车把、车座、左、右脚蹬三维力传感器及左、右脚蹬编码器及采样时间序列等15路信号在信号调理器中进行调理,经过ADC变换后进入微处理器。微处理器同时控制同步发光点(以实现运动学、动力学测量的同步),并通过USB接口与PC相连。软件可实现从数据采集、数据处理、数据存储及数据回放等功能。

有效力、无效力及相应的合力可按照如下的公式求得：F_有效力＝-F_ptcosβ+F_pnsinβ；F_无效力＝-F_ptsinβ+F_pncosβ；

以下说明本发明三维力传感器的测量原理：本发明传感器包括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：

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

根据剪切虎克定律

τ_x＝γ_x·G＝G·δ_x/d₀(10)

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切向响应之间不相互产生影响，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。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。

为了实现τ_x和τ_y不对法向电容响应产生任何影响，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。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是指每个象限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

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。

通过改变座角、座高,可直接测出人-车系统接触处(脚蹬、车把及车座)受力，脚蹬轴上的编码器能跟踪曲柄与脚蹬间的夹角并与三维力测量同步,这样就可通过计算求得作用于脚蹬上有效力。通过微处理器控制同步发光点,实现动力学测量与运动学测试的同步,其测试所得的运动学与动力学参数一同并入自行车踏蹬技术诊断反馈系统软件中,从而实现数据采集、处理、存贮和回放一体化。

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。

Claims (10)

1.一种自行车骑行运动辅助训练装置，其特征在于，包括脚蹬传感器、编码器和传感器系统信号处理器，编码器安装在脚蹬轴的外端，用于获取任意时刻曲柄与脚蹬间的夹角β，求解沿曲柄轴方向的无效力及垂直方向的有效力，脚蹬传感器布置在测试车的左右脚蹬上，获取作用在脚蹬上的三维力并发送给传感系统信号处理器，所述脚蹬传感器包括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传感器的法向力且消除切向力影响。

2.根据权利要求1所述的自行车骑行运动辅助训练装置，其特征在于，所述装置还包括车把传感器和车座传感器，用于监测车座和车把上的三维作用力，获取上体的重量分配以及躯干-手臂系统的用力特征。

3.根据权利要求2所述的自行车骑行运动辅助训练装置，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。

4.根据权利要求3所述的自行车骑行运动辅助训练装置，其特征在于,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。

5.根据权利要求2所述的自行车骑行运动辅助训练装置，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。

6.根据权利要求2所述的自行车骑行运动辅助训练装置，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。

7.根据权利要求6所述的自行车骑行运动辅助训练装置，其特征在于，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。

8.根据权利要求6所述的自行车骑行运动辅助训练装置，其特征在于,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2所述的自行车骑行运动辅助训练装置，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2所述的自行车骑行运动辅助训练装置，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。