运动生物力学参数测量

（松井秀治，15）
（汉纳范，15）
（扎齐奥尔斯基，16） （郑秀媛，16）
二、运动学参数测量
（一）运动学参数（指标）
质点位置矢量（位矢、矢径）：用来确定某时刻质点位 置（用矢端表示）的矢量。
运动函数机械运动是物体（质点）位置随时间的改变。 在坐标系中配上一套同步时钟，可以给出质点位置坐标和 时间的函数关系— 运动函数（function of motion） 。
回转半径（转动半径）
人体环节的划分方法
以人体的结构功能为依据：
以人体体表骨性标志为依据： 以关节上主要的骨性标志点 来确定环节的长度。易于测 量，但误差太大。
分割环节的切面通过关节 转动中心，以关节质心的 连线为环节长度。
人体惯性参数标准化的依据
（二）人体惯性参数的测量
尸体测量法：肢解-环节参数测定。采用称重法和悬挂法。
（a）鞋垫式
（b）平板式
（c）测量结果分析
脚底各个区域的压力、压强情况
压力中心及压力中心轨迹
美国Tekscan=F-scan 德国Novel=Pedar
4. 肌电测量
肌电测试通过对不同肌肉在运动过程中所表现出来的时域、频 域上的不同特征的分析，可以了解人体在完成运动动作时，不 同部位的肌肉参与活动的强度、时间顺序及相互协作关系，为 运动技术分析提供依据。现在应用较多有4通道、8通道肌电测 量分析系统。根据信号传输方式，可分为有线和无线两类系统； 根据数据接收和储存方式，可分为便携式大容量储存卡存储和 无线信号实时接收两种。
立定跳 远.。……
运动时的肌力大小和肌肉力矩一般用加速度大 小推算；偶见用肌电图推算
Isomed 2000（750NM）等速肌肉力量测试/训练系统
BIODEX
瑞士CON-TREX
CYBEX
What we get from strength measurement?
人体关节主要肌肉群 的等张力量大小 人体的绝对力量和相对力量、上下肢的爆发力、力量耐力、 等长收缩力量大小和耐力
2．旋转法
3．振动法等 4. 三线摆（郑秀媛《现代生物力学》）
（三）人体惯性参数模型
布拉温-菲舍尔模型（三具尸体，14环节）
松井秀治模型（一具尸体，15环节，头两部分 ） 昌特勒模型（六具尸体，14环节） 汉纳范模型（15个环节，将躯干分上下2个环节） 扎齐奥尔斯基模型（100名男性和15名女性，16环节，将躯 干分成上中下3个环节 ） 郑秀媛模型（男女青年各50人，16个环节，头、颈两部分， 躯干分成2个环节 ）
（a）实验测量
（b）数据处理
（c）结果分析
原地纵跳测量实验示意图
三维测力系统示意图
What we get from force platform?
FzFoot FxFoot MyPlat FyPlat
FyFoot
MxPlat FxPlat MzPlat FzPlat
瑞士奇石乐KISTLER
美国艾里尔AMTI
机械功：力的空间累积效应，功率是单位时间做功的多少。 机械能：物体做功的本领，有动能和势能
1. 地面反作用力测量
Force platform
How to measure force application?
Mount on the floor
Step on the platform
三维测力台外观及坐标系
2.肌肉力测量
实 验 室 肌 肉 力 量 测 量
简单测力计 握力计、背力计、 钢丝绳张力计 力量测量系统 Cybex6000 Biodex、Contrex Isomed 2000 AKM/BKM上下肢 肌力测量系统……
运 训练器械测量 动 现 举重 场 （1RM）…… 肌 肉 简单测力计 力 量 专项力量训练 手段，如纵跳、 测 量
（一）人体惯性参数
质量（mass）：物体含物质的多少。人体各环节的质量为 各环节的绝对质量，与人体质量之比为各环节相对质量。
重量（weight）：重力（gravity）的大小。
人体质心（center of mass，COM/CM）:人体质量中心。
人体重心（center of gravity ，COG/CG）:人体所受重 力的集中点。 环节质心（重心）位置 转动惯量（inertia）：转动物体的惯性量度。
电子测角仪
加速度计
常速和高速摄影、常速和高速摄像测量多种参数。
录像运动技术分析工作流程
（a）
（b）
（c）
（d）
(a) 确定拍摄范围 (b) 摄像机按要求选用合适参数并固定在三角架上；拍 摄比例尺和运动动作 (c)录像解析并数据处理 (dห้องสมุดไป่ตู้分析运动技术
平面跟踪摄像方法：把摄像机架在三角架上后，采用非固 定连接方法，摄像机可在三角架上左右、上下转动。拍摄 时，摄像机的主光轴始终对准受测体，跟踪受测体的运动 而转动。该方法可以测量运动范围大、动作周期距离长的 运动项目，例如三级跳远、撑竿跳高运动的全程、赛艇的 一个划桨周期等。 立体摄像测量方法：采用两台或多台摄像机，从不同角度 对同一研究对象进行同步拍摄，然后把两台或多台摄像机 所拍摄的平面录像进行数字化并把二维像坐标转换成实际 空间的三维坐标，计算有关的运动学参数。目前三维运动 捕获系统（立体测量）在体育运动技术分析中的应用日益 广泛，其中红外光点摄像系统由于其自动化程度、速度及 精度方面的优势成为目前实验室研究的主流测量系统。
红外光点摄像系统（左为反射标志点配置示例，右为摄像头）
Vicon多机同步运动数据收集系统结构
录像解析获得的参数举例（跳高倒一步及起跳技术运动 学分析）： 1.时间参数：缓冲时间、起跳时间；肢体摆动时相 2.空间参数：步长，H1/H2/H3；身体倾角、缓冲过程和 起跳过程的各关节角度；起跳角、腾起角等 3.时空参数：助跑重心速度（水平、垂直、合）；各环节 的转动速度；等等。
（a）表面肌电极 （b）便携式信号接收 器（存储卡） （c）台式信号接收器
肌电测量系统
肌电应用非常广泛，如射击、射箭、举重、步态、自行 车、乒乓球、高尔夫球…等均有较好的应用。下图是肌 电测量与分析应用于高尔夫击球动作的案例。
肌电测量在高尔夫击球动作分析中的应用
时域分析：积分肌电（IEMG）、均方根振幅（RMS）、均 方差、最大值、对称性。
第二章 运动生物力学
参数测量
一、人体惯性参数测量
人体惯性参数是指人体整体及环节质量、质心位置、
转动惯量及转动半径。人体环节惯性参数是建立人体模 型、进行人体运动技术影像解析的基础数据，其准确程
度直接影响着影像解析结果的精度，因而对人体环节惯
性参数的测量研究一直是运动生物力学学科中的一个重 大的基础性课题，同时也是工效学、人类学及人体科学 研究的重要组成部分，具有重要的学术价值和应用背景。
主要关节肌肉收缩力矩、峰值力矩；各关节伸肌、屈肌力 矩比值；总功、功率、加速能；
3.压力分布测量
测力台测量压力中心
鞋底压力分布动态测量
COP
压力分布测量系统：是测量单位面积上（典型的为 0.5cm2）压力（主要应用于足底压力）的测量系统，可 输出整个接触面上的压力分布。分布式足底压力测量系 统常见的有：平板式和鞋垫式足底压力测量系统。
角加速度(angular acceleration)：角速度的变化率。
（二） 运动学参数测量手段简介
部分参数的简单测量： 秒表测量时间、皮尺测 量位移和距离等、量角 仪测量角度、和角位移 等。
照片记录：红外、频闪摄影记录轨迹、角度等。
专用仪器测量：雷达测速、激光测距、关节角度 仪测量关节角位移、加速度仪测量环节加速度。卫 星定位系统测量大范围项目位置和位移等。
r (t ) x(t )i y(t ) j z(t )k
x x (t )
或
y y(t )
z z (t )
是对运动进行定量描述的基础，也是获 得各种运动规律的基本方法。
时间（time）：终末时刻与起始时刻之差。
位移(displacement）: 质点在一段时间内位置的改变。
活体研究法： 水浸法（分为浸入法和注入法） 称重法（又称平衡板法） 放射性同位素法（γ射线扫描法，1978扎齐奥尔斯基）
CT法（计算机X射线断层扫描照相术，1992郑秀媛）
MRI法（核磁共振成像法） 数字模型计算法：Hanavan
称重法用于一维、二维重心的测定示意图
人体转动惯量的测定 1．摆动法（双悬点悬吊法）
频域分析（频谱分析）：平均功率频率（MPF）、中心频率 （CF或FC）
芬兰Mage –sEMG
美国Noraxon-sEMG
德国Biovision-sEMG
多种测量仪器同步已经称为运动生物力学参数测量得 以发展的重要途径；
测量数据的实时反馈是运动生物力学测量用于实践的 基础和发展的动力；
新型的测量手段正在不断被创造出来，但一些基本测 量的改进仍然可行；
路程（path）：质点实际运动轨迹的长度。也用距离。 速度（velocity）：质点位矢对时间的变化率。包括平均 速度(average velocity) 和（瞬时）速度（instantaneous velocity）。与速率之差别。 加速度（acceleration）：质点速度对时间的变化率。 角位移：(angular displacement)：转动的角度。 角速度(angular velocity)：单位时间的角位移。
三、动力学参数测量
（一）动力学参数 力（force）：物体间的相互作用。 力矩（moment，toque）：力和力臂的乘积。 冲量（impulse）：力在时间上的累积效应。 动量（momentum）：运动物体所具有的“运动量”。 冲量矩：外力矩对物体转动的累积效应
动量矩：转动惯量和角速度的乘积。