[发明专利]短跑运动员加速与途中跑节奏综合诊断系统

说明书

  所属技术领域

本发明产品是一种整合了压力传感器、加速度传感器、激光测速、运动摄像和数据采集等多设备的同步测试和诊断系统，可应用在体育科研、短跑训练、跨栏训练、远度跳跃训练等领域。

 技术背景

目前，在国外非常注重短跑全程跑的节奏特征，例如，德国国家体育科学研究所2009年世界田径锦标赛后就公布了博尔特在创造9.58秒的世界纪录时，他的每10米分段用时和速度分别为1.89s/5.29m/s、0.99s/10.10m/s、0.91s/10.99m/s、0.85s/11.76m/s、0.83s/12.05m/s、0.82s/12.20m/s、0.81s/12.35m/s、0.82s/12.20m/s、0.83s/12.05m/s、0.83s/12.05m/s，最高速度为12.27m/s，出现在65.03米处^[1]。这一速度分布结果就是使用激光测速跟踪仪追踪了博尔特全程中的跑速而获得的。在国内，上海体科所研究员许以诚也采用德国进口的同种设备对刘翔的跨栏跑全程速度进行过研究，为科学、客观认识途中跑的技术和节奏分布提供了可靠依据。但是，目前在国内同类设备较缺乏，尤其是将测试起跑蹬伸力的压力传感器、测试环节运动的加速度计等设备（元件）同步运用到该系统中，多角度、多系统融合的视角揭示深层次机理的设备尚未查到，文献中也没有发现相关报道。

目前，国内竞赛中使用的起跑器是通过安装一个压力传感器来监测运动员在鸣枪到发力的时间间隔，规则规定“在鸣枪后蹬伸力超过30Kg的时间小于100ms，则报警”，判抢跑犯规。而在训练中使用的起跑器则没有安装传感器。本发明设计的是为每个脚踏板独立安装、设置压力传感器，独立测试每只脚在蹬伸过程中产生的压力（蹬伸力）、作用时间、爆发力指数、左右时间差（平衡用力）等，为科学判断运动员起跑蹬伸时左右双腿的发力特征提供客观依据。 

国内，加速度传感器技术在机器人设计、飞机模型飞行控制等领域广泛应用，通过设定的程序控制实现对动作速度测量、姿态控制等。而使用加速度传感器应用在运动员动作特征的记录和反馈中，尚未发现相关报道。本发明采用加速度传感器和无线通信技术，实现对下肢各环节的摆动速度和角度姿态以及奔跑速度实时测量，为揭示人体环节运动对人体整体移动速度的影响提供理论依据。 

国内，雷达测速、激光测速等已被广泛运用到测量测速（电子警察测速）等领域。但是由于其测量的速度较快、测试物体面积较大；然而，该技术不适用于对人体的速度测试，因为人体运动速度较慢，快速奔跑的速度一般为30m/s，况且是从静止开始加速；另外，人体面积较小，因此对测速设备的测试精度提出较高要求，以及对采集技术提出更高要求。本发明采用低速激光测速设备，采用C#语言编程，解决了这一难题，实现测试精度较高的要求。 

运动摄像已经非常普及，被广泛运用到生活和训练反馈中，但是，将运动摄像和压力测试、加速度测式、激光测速等设备整合在一起的系统尚未发现。通过整合，解决了单个系统片面的缺陷，以及非同步带来的视觉误差。本发明通过将这些设备的同步技术处理，实现了从多系统、多角度判断技术合理与否的客观依据。 

  

发明内容

为了克服在目前训练中，单独使用这些设备的不足，本发明提供一套整合系统，该系统不仅能测试全程的速度节奏，而且能将运动学特征和动力学特征有效地结合在一起，既能够直观的反映运动员的速度特征，又能够反映产生这一速度的动力特征（摆动腿的摆动特征）。 

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是： 

1）起跑系统

在传统起跑器的设计中，针对每一个足底蹬踏板安装两个三维压力传感器。传感器可以实时记录运动员在起跑时左右两只脚的蹬踏力——时间曲线，从中找到蹬踏力峰值、峰值时刻、力的方向及变化、左右双脚的比较等参数。

2）加速度计与数据采集系统 

本系统采用10个3D加速度计（量程为10~24G），分别置于运动员的双侧腕关节、肘关节、髋关节、膝关节、踝关节；2个3D加速度计（量程为10~24G），分别置于运动员的第七颈椎和第三腰椎，进而可以获得人体以及各环节的运动速度、加速度、位置变化以及各关节点的相互协调关系。

3）激光测速系统 

目前较成熟的技术是低速激光测速技术，精度较高0.1m/s。本系统采用了进口的低速激光测速设备，运用设备的接口和C#语言编程技术实现信号的实时采集。

4）图像采集系统