电子式人体重心测量仪的设计及应用

电子式人体重心测量仪的设计及应用

于岱峰

(山东体育学院,山东济南260063)

摘要:根据运动生物力学关于人体重心测试原理,设计出一种高精度的人体重心测量仪器。该仪器采用传感器和单片机技术,采集、处理、显示数据,使测试人体重心的方法更简便,结果更精确。关键词:人体重心;测试仪;传感器;单片机

中图分类号:G 804.2-39　文献标识码:B 文章编号:1006-2076(2000)02-0092-03

收稿日期:2000-01-04 修回日期:2000-06-02

作者简介:于岱峰,男,1955年生,实验师。 人体重心是运动生物力学分析和研究人体环节参数的一个重要数据。由于人体是一个组合物体,它是由头、躯干、上臂、前臂、手、大腿、小腿和足等系列环节组成,而这些环节的每一部分,由于受到地心吸引力的作用,使人体的各个环节都有重心。我们把全部环节(

即整个人体)所受重力的合力作用点称做人体重心或人体总重心。

由于每个人体的结构不同,人体的重心不像物体那样恒定在一个点上。目前,国内运动生物力学在测量活体静态一维人体重心位置时,主要使用平衡板、体重称测力的方法。此种方法主要存在以下不足:

1)测量速度慢

在测量人体重心的过程中,需要反复拨动体重称的砝码,直至体重称砝码完全稳定后,才能读出数据。对大量运动员和学生进行测试时,获取数据慢,测试时间长。

2)测量误差大,精度低

目前国内使用的体重称最小分辨率仅为0.1kg 。再加上体重称内部机械磨损,弹簧疲劳以及气温等因素的影响,大大降低了体重称的灵敏度。因此,使用体重称测力的方法不能满足体育学院的本科生、专业研究生对实验精度的要求。

3)测试功能单一,仅能测得一项测力数据。

4)测试过程繁琐,受试者要在不同的仪器上测试体重、身高、重力等数据后,通过手工计算才能求出重心结果。

为了解决以上问题,我们根据普通物理学的力学原理,设计了一种电子式重心测量仪,即采用传感器转换人体的压力,使用微型计算机监控传感器信号,将数据采集、运算处理、数字显示合为一体的测量仪器。

1　利用平衡板测量静态人体重心原理及方法

1.1　一维静态人体重心测试原理利用平衡板测量人体重心,是根据普通物理学中的物体平衡原理,即当物体处于静止平衡状态时,作用于物体上的合力为零,合力矩也均为零。由力矩平衡方程可知:

∑M ϖ

=0 (1.1)

我们特制一定长度的均质木版,两端分别安装刀刃槽并在下方放置高精度的压力传感器。见图1・

29・第16卷总第46期 山东体育学院学报 V ol.16T otal N o.46

2000年第2期 Journal of Shandong Physical Education Institute N o.22000

所示。

当人体以静止姿势仰躺在均质木版上

时,人体的重力由每个传感器转变成电压信

号输出,经高精度、低漂移的放大电路放大,

送至A/D 转换成数字量,再由微机进行运

算、处理、显示。使用人员可以通过键盘操作

控制仪器,并可测试出人体总重心的位置。

图1　一维静态人体重心测试原理图

1.2　测试方法

1.2.1　受试者体重的测试

令受试者脱去鞋子,少穿衣服,站立平衡板标定位置,两手下垂,置于身体两侧,则可由传感器N 1,N 2得出体重的读数。

即:W =N 1+N 2-F 1 (1.2),

1.2.2　一维人体重心位置的测定

令受试者仰躺在平衡板上,两脚跟紧贴于垂直板上,两臂放置身体两侧。由力矩平衡原理即可得出:当人与板处于平衡状态时,对图1中以B 点为零点,其力矩方程为:

F 2×L -m ×X c -12F 1×L =0 (1.3)

由此得出计算人体重心位置公式为:

X c =l/m (F 2-12F 1) (1.4)

上式中m —受试者体重;l —一维重心板的长度;X c —受试者重心距零点的位置;F 1—重心板的重量;F 2—A 点的支撑力。

2　电子式一维重心测量仪的组成电子式重心测量仪主要有以下部分组成:均质平衡测量板、水平支架、信号放大电路、单片机电路等。其框图见图2所示。

测试人体

ψ

　传感器ϖ调零电路ϖ模拟信号放大电路ϖA/D ϖCPU ϖ显示

ξ ξ ξ

供桥电压 增益调整 键盘

图2　电子式重心测量仪组成框图

3　电子式人体重心测量仪器的主要功能

3.1　仪器可自动检测受试者的体重。测量范围0～300kg ,并可动态或定格显示数据。

3.2　可测试人体重心位置和改变姿势时重心移动变化的数据。

3.3　用户可通过键盘设置命令,显示不同时刻的测试数据结果。

4　仪器的硬件部分

仪器的硬件是由Intel 8051为核心的主机,配有调零电路、放大电路、A/D 转换电路以及数字显示

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电路等组成。

4.1　输入调零电路

仪器采用高精度的CZ 1-Y B 型传感器,测试范围0～300K g ,精度0.02%,灵敏度2mv/v 。为了降低传感器零点输出的漂移和平衡板自重引起传感器信号的变化,在电路中采用了性能稳定的调零电路,从而控制了重心测量仪的零点输出误差。

4.2　信号放大与模/数转换部分

传感器的信号放大环节是保证重心测量仪精度的关键。为此采用了低漂移、高增益、自动稳零运放模块,从而保证了仪器信号的稳定性。

数字信号的转换,我们采用了高速12位A/D 芯片,转换速度为100us ,转换精度=0.05%。为了减少转换过程中的误差,在电路中加入了采样/保持电路,因而大大减少了转换误差的产生。

4.3　电源部分

仪器的电源采用多路供电放式,放大部分和模/数转换以及传感器部分,采用相互独立变压器,以消除电源串扰。

4.4　软件部分

仪器软件包括:主程序、自检、数字采集、数字滤波、浮点运算、存储、显示等部分。全部软件采用汇编语言编写而成。

5　电子式人体重心测量仪的主要优越性

5.1　测试精度高

由于仪器采用了高精度的传感器和性能稳定、超低漂移、高增益的放大电路以及12位的A/D 芯片,并在软件中加入了误差补偿处理、浮点计算,使得仪器测试数据精确。

5.2　测试数据显示灵活

仪器采用双组动态显示方式,一组显示实时测试数据,另一组显示存储数据。两组数据显示相互独立,用户可自行调出显示结果。

5.3　仪器操作简便,抗干扰性强。可适用于体育院校、实验室、学生上课,也可满足科研单位测试的需求。

6　电子式重心测量仪的主要技术指标

体重测试范围:0～300K g ;平衡板测量人体重心范围:0～2m ;重心测量范围:0～1.8m ;仪器测量精度:0.08%;使用电压:AC220V 。

7　结语

电子式一维人体重心测量仪是一种高精度、智能型的测试仪器。该仪器具有性能可靠、操作简便、测试速度快、精度高等优点,为运动生物力学精确测试一维人体重心位置提供了一种先进的测试仪器。参考文献:

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