基于鞋垫传感器测量垂直地面反作用力的算法

目的提出一种实用、高精度的足底压力动态监测算法,通过电容式鞋垫传感器测量走路时垂直地面反作用力(vertical ground reaction force,vGRF),并验证预测精度的可靠性。方法4名健康男性受试者穿戴电容式鞋垫传感器,在Kistler三维测力台上采集快速和慢速行走数据。对电容式鞋垫传感器采集到的数据进行像素化处理,处理后的数据输入残差神经网络ResNet18,预测得到高精度vGRF。结果与Kister测力台收集的数据分析比较,快速和慢速行走的归一化均方根误差(normalized root mean square error,NRMSE)分别为8.40%和6.54%,皮尔森相关系数(Pearson correlation coefficient)均大于0.96。结论本研究为移动场景下GRF动态测量提供了一种新型算法,可以用于实验室外完整GRF估计,而不受测力台数量和位置的约束,潜在应用领域包括步态分析以及有效捕捉病理性步态。

不同健身跑速度对人体支撑阶段地面反作用力的影响研究

健身跑是增强体质、预防疾病的主要身体锻炼之一,研究不同健身跑速度对人体支撑阶段地面反作用力的影响将会对丰富跑步运动技术理论与实践具有广泛而深远的意义。重点通过实验进一步验证不同健身跑速度下支撑阶段地面反作用力的分布特征。选择7名中跑运动员(年龄:21.43±0.53岁;身高:172.8±3.79cm;体重:63.66±3.82kg,训练年限:4.57±0.98年),应用一台Kistler三维测力台测试运动员在健身跑的慢速(3.34m·s-1)、中速(3.87m·s-1)和快速(4.45m·s-1)等3个不同的速度下跑步过程中足底三维地面支撑反作用力。研究结论认为,随着跑步速度的增加,打击力峰值、垂直方向第二峰值、制动力峰值、加速力峰值以及三维方向力的波动范围也相应增大。

太极拳运动单脚支撑姿势持续时间与地面反作用力特征的分析

运用摄影测量法和Novel Pedar-X足底压力测试系统采集了16名太极拳练习者在太极拳运动和正常步行中足底压力和运动影像信息,并对两种运动方式的单脚支撑姿势持续时间指标进行对比分析。研究表明:与正常步行相比,在太极拳运动中单脚支撑姿势总的持续时间所占比例(标准化值)较少(P<0.05);单次单脚支撑姿势平均持续时间较长(P<0.01);认为太极拳运动可以提高人体单脚平衡能力。另外还发现太极拳运动和正常步行中地面反作用力都在不断变化;太极拳运动中地面反作用力小于其正常步行值。

溜冰机器人地面反作用力的建模研究

对两足溜冰机器人的地面反作用力进行了分析与计算,提出了应用凸优化方法进行地面反作用力的建模方法。在合理假设的基础上,将地面反作用力建模问题转换为在一定约束条件下使碰撞后的溜冰机器人动能达到最小的问题,并转化为凸优化的标准形式。应用凸优化程序CVX进行了地面反作用力的计算与仿真,结果证明了该方法的有效性。

基于一维统计参数映射分析跑者跑步地面反作用力差异

目的通过一维统计参数映射(statistical parametric mapping,SPM)对比分析男、女性跑者及左右侧地面反作用力(ground reaction force,GRF)差异。方法30名男、女性跑者在测力跑台上以12 km/h速度进行跑步测试,记录连续5个支撑期GRF,采用一维统计参数映射独立样本t检验与配对样本t检验分别对比男、女性跑者及左右侧GRF差异。结果男、女性跑者的垂直平均负荷加载率(vertical average loading rate,VALR)左右侧均存在不对称,且男性跑者左侧VALR显著高于女性,而右侧无显著差异;男女性跑者右侧垂直GRF在蹬离期及横向GRF在落地期存在差异,男、女性跑者左侧横向GRF在落地期及支撑中期存在差异;男性跑者左右侧前后GRF在蹬离期、垂直GRF在落地和蹬离期及横向GRF在落地期均在存在差异;女性跑者左右侧GRF仅在垂直方向的落地期和蹬离期存在差异。结论介绍SPM在GRF数据分析中的应用,阐释相关步骤及原理,对比SPM连续值检验与特征值检验的差异,并讨论参数性SPM与非参数性SPM的差异与特征,为该方法在运动生物力学研究中的应用提供参考。通过对男、女性跑者间及左右侧GRF对比分析发现在落地期、支撑中期及蹬离期等阶段的性别差异及左右侧对称性差异,相关结果为后续进一步探究跑步相关损伤原理及防治措施铺垫基础。

基于主成分分析和小波神经网络预测跑步中垂直地面反作用力

目的建立基于主成分分析(principal component analysis,PCA)和小波神经网络模型(wavelet neural network,WNN)预测跑台上人体所受垂直地面反作用力(vertical ground reaction force,vGRF)的方法。方法选取9名后足跑者在跑台上以12、14与16 km/h速度跑步,通过红外运动捕捉系统和测力跑台同步采集运动学数据与vGRF。以Morlet函数作为激活函数并构建3层神经网络,将大腿、小腿与足的环节质心速度与髋、膝与踝关节的关节角度输入到模型。使用重相关系数(coefficient of multiple correlation,CMC)以及误差值评价预测模型的准确性,使用Bland-Altman方法分析vGRF预测峰值与测量峰值间一致性。结果不同速度下vGRF预测曲线与测量曲线间CMC>0.99,预测值与测量值间均方根误差(root mean squared error,RMSE)为0.18~0.28 BW,标准均方根误差(normalized root mean squared error,NRMSE)为6.20%~8.42%。不同速度下冲击力与推进力峰值NRMSE<15%。Bland-Altman结果显示,12 km/h推进力峰值的预测误差以及14 km/h冲击力和推进力峰值的预测误差在95%一致性区间。结论构建的PCA-WNN模型可准确预测出跑台跑步时人体所受vGRF。研究结果为在跑台上获得动力学数据和实时监测提供新途径,对研究跑步损伤及康复治疗有较大意义。

电针对膝骨性关节炎患者登梯垂直地面反作用力及冲量对称性的影响

目的观察电针治疗对膝骨性关节炎患者登梯时下肢关节负荷的影响,探索电针的生物力学效应。方法膝骨性关节炎患者40例,随机分配至电针观察组及浅刺对照组各20例,最终各18例完成研究。观察组选取7个膝周穴位,连接电针仪;对照组取膝周非经非穴点浅刺后,连接电针仪但不通电。分别于治疗前后采用三维步态分析系统进行登梯生物力学测试,计算垂直地面反作用力峰值、冲量及其对称性。结果 3周治疗后,观察组垂直地反力上梯右足峰值、下梯左足峰值较治疗前增加(P <0.05);上梯左右足冲量、下梯右足冲量较治疗前降低(P<0.05);峰值及冲量对称指数治疗前后比较差异无统计学意义(P>0.05)。浅刺组仅上梯冲量对称指数较治疗前增加(P<0.05)。两组各项指标治疗前后差值的组间比较均无统计学意义(P>0.05)。结论电针能有效改善膝骨性关节炎患者登梯过程中的关节负荷能力,降低动态累积负荷,可能对减缓病程有帮助。

机器学习在预测人体运动地面反作用力中的应用综述

三维地面反作用力(Ground reaction force,GRF)是人体运动分析的重要测量参数,但其测量受到一定限制。本文系统归纳了机器学习在预测GRF中的应用现状。以“ground reaction force”与“machine learning”“neural network”组合为关键词检索,筛选利用机器学习模型预测GRF的研究。共纳入14篇研究,研究的动作包括步行、跑步及个别专项动作,利用不同的学习算法来预测GRF,输入参数包括足底压力参数、运动捕捉获取的人体运动学参数等,均采用相关系数及均一化均方根误差作为评价指标。结果显示,利用机器学习预测GRF可获得极好的预测精度。利用机器学习模型预测GRF在人体运动中的应用还有待更多的研究,如增加用于机器学习的数据集大小可进一步提高学习模型的预测性能等。

不同运动年限跳绳运动员正向双摇跳绳支撑期地面反作用力特征分析

目的测试不同运动年限跳绳运动员连续双摇跳绳支撑期动力学及运动学参数,计算不同运动年限跳绳运动员双摇跳绳支撑期地面反作用力特征和下肢关节角度的变化特征,以及蹬地阶段下肢各关节做功分配方式以及缓冲阶段的下肢能量吸收贡献度。方法选取3组(每组各10人)不同训练年限(1、2、3年)的跳绳运动员尽自身最大努力完成30 s连续双摇跳绳测试。

基于主成分分析与神经网络预测跑台上垂直地面反作用力的研究

目的跑台是步态分析、康复训练与损伤研究等常用仪器,却难以直接采集动力学数据。探究主成分分析与小波神经网络预测跑台上人体所受垂直地面反作用力的准确性。方法选取8名后足着地的男性跑步者,应用Qualisys红外运动捕捉系统与h/p/cosmos mercury标准测力跑台采集10、12与14 km/h速度下跑步者运动学与垂直地面反作用力数据。

不同速度正向单摇跳绳地面反作用力与下肢关节角度的变化特征关系

目的测试不同速正向单摇跳绳支撑期动力学及运动学参数,分析地面反作用力特征与下肢关节角度变化特征的关系。方法选取10名专业跳绳运动员进行慢速、中速、快速的连续跳绳测试。采集动作过程中支撑期垂直地面反作用力(VGRF)值,计算运动中下肢动力学参数,同步采集动作中的运动学参数。结果中速跳绳支撑期VGRF值、爆发力、落地阶段膝关节角度均显著大于慢速跳绳和快速跳绳(p<0.05);快速跳绳下肢关节活动范围均小于慢速跳绳和中速跳绳(p<0.05);慢、中、快速跳绳运动腿刚度由小到大为中速跳绳<慢速跳绳<快速跳绳。结论快速跳绳可以作为专项练习的辅助手段发展踝关节力量;快速跳绳可以锻炼膝关节和髋关节稳定性。中速跳绳可以练习踝关节、膝关节周围肌肉力量和爆发力且出现损伤的风险小。

大学生排球爱好者扣球落地瞬间地面反作用力特征分析

目的:研究排球扣球落地瞬间地面对足底的反作用力特征。方法:采用三维测力台对12名大学生排球爱好者扣球落地瞬间地面反作用力进行测试,并对落地时的足底压力数据进行分析。结果与结论:受试者单脚在排球扣球落地瞬间的最大压力值的平均值为1895.1±297.7N,地面对足底的反作用力较大,间接可能会造成踝关节、膝关节的损伤。因此,需要优化落地技术并进行下肢的力量与爆发力训练以达到预防损伤发生的目的。

基于Azure Kinect运动捕捉的下肢关节力学和地面反作用力分析

传统的步态分析系统往往操作复杂、便携性差且设备成本高。本研究拟基于Azure Kinect深度视频数据,结合足地接触模型,建立基于Azure Kinect运动捕捉系统的下肢肌骨动力学分析流程。实验采集了10名受试者的深度视频数据,通过预处理获取骨架结构,以此作为肌骨模型输入,计算得到下肢关节角度、关节接触力和地面反作用力,并将其计算结果与传统的Vicon系统获取的运动学和动力学数据进行对比。所计算的下肢关节力和地面反作用力除以每位受试者体重,进行归一化处理。下肢关节角度曲线与Vicon得到的结果强相关(ρ平均值为0.78~0.92),但均方根误差高达5.66°。在下肢关节力预测方面,Azure Kinect模型均方根误差平均值范围为0.44~0.68,而地面反作用力均方根误差平均值范围为0.01~0.09。研究表明,所建立的基于Azure Kinect的肌骨动力学模型能较好地预测下肢关节力和垂直地面反作用力,但在下肢关节角度预测方面还存在一定误差。

一种改进的基于地面反作用力的步态识别方法

提出一种改进的基于地面反作用力的步态识别方法.该方法通过由三维测力台构建的步态通道获取步行时足底受到的三方向地面反作用力,并采用小波包分解提取时频域特征,利用模糊C-均值聚类算法从中挑选出最具分类能力的特征子集,最后在训练样本上用支持向量机训练分类器,并在测试集上进行步态识别.为提高识别率,对样本进行拆分和波形对齐操作,并设计多分类器以降低步行速度变化对识别准确率的影响.在103人的步态数据库上的测试结果表明,该方法即使在训练样本较少的情况下也可以得到较高的识别率.

短跑地面支撑反作用力研究综述

短跑时,作用于脚上的地面反作用力包含了有关跑的力学的大量信息。伴随短跑技术改变的地面反作用力的改变与运动成绩的提高有直接的关系。从短跑时地面支撑反作用力的时间―力值曲线、冲量、压力中心变化以及支撑反作用力与肢体各环节的作用等方面,对以往研究进行了总结评述,并探讨了未来的可能探索方向。

肥胖儿童与正常儿童行走步态特征地面支撑反作用力的对比分析

为了认识肥胖对儿童行走时下肢用力的影响,通过三维测力与运动学同步测试的方法,对11名正常体重儿童和9名肥胖儿童平地常速行走进行了测试,结合运动学指标,对两组儿童的地面支撑反作用力的变化特征进行了对比分析。实验结果表明:1在垂直方向上,肥胖儿童组与正常体重儿童组的地面支撑反作用力的力值无差异,肥胖儿童出现第1个峰值的时间晚于正常体重儿童,出现第2个峰值的时间早于正常儿童。2在矢状轴方向上,肥胖儿童组与正常体重儿童组的地面支撑反作用力的力值无差异。3在额状轴方向上,肥胖儿童组在前后方向上的最大值均大于正常体重儿童组,表明肥胖儿童在平地行走时,左右摇晃的幅度比正常儿童要大。

拳击前手直拳与后手直拳地面支撑反作用力特征比较研究

目的:为了区别前手直拳与后手直拳下肢蹬地地面支撑反作用力的特征,进一步细化拳击下肢蹬地发力的特点。方法:运用两块KISTLER三维测力台和VICON MX红外高速摄影系统,让运动员分别以前手直拳和后手直拳全力击打固定目标,采集地面支撑反作用力参数,二者进行对比。结果:运动员后手直拳击打,双脚均主动发力,蹬地发力的时间均在100-200ms;发力50ms时力值占最大力量峰值的百分比均低于35%,后续发力特征明显。前手直拳击打,前脚起主要作用,蹬地发力时间均在100ms之内,发力50ms时力值占最大力量峰值的百分比均高于60%。与前手直拳相比,后手直拳下肢发力时长,具有显著性差异(P<0.01)。结论:拳击前手直拳与后手直拳下肢蹬地地面反作用力特征相比存在差异,从发力时长角度比较,前手直拳发力时间短,发力初期力量增长特征明显,表现为起动力量特征;后手直拳下肢蹬地后续发力特征明显,表现为爆发力属性特征。

乒乓球运动员正手弧圈球技术的地面支撑作用力分析

运用两块瑞士产KISTLER三维测力台对10名优秀男乒乓球运动员正手拉弧圈球技术过程中地面对人体的地面支撑反作用力进行测试。用两种发力方式拉弧圈球,一为用最大力量,二为中等力量。从垂直、水平、前后3个方向对完成轻拉和重拉时左右脚地面支撑反作用力的生物力学特征进行了描述,并对两种技术动作之间左右脚支反力的最大力值进行了对比分析,得出:(1)完成轻拉和重拉时,垂直方向上的地面支撑反作用力最大,左右和前后方向上的支反力较小;身体重心的移动影响地面支撑反作用力的变化,两者之间有密切联系。(2)发力拉弧圈球时,更要注重增加左右方向和前后方向上的蹬地力和重心移动幅度。

单侧负重对足底压力和稳定性的影响研究

单手提重物在日常生活和工作中很常见,不对称负重不仅增大下肢载荷,而且使人-手提物重心偏离正中矢状面,可能导致足底水泡、应力性骨折和摔跤风险增大。用1 m的压力板测量了15名健康男性大学生分别手提7 kg和14 kg重的包行走时的垂直地面反作用力和足底压力中心,用1 m的测力台测量静止站立30 s时的地面反作用力,以此为依据分析单侧负重对人体稳定性、足部冲击和步态的影响。结果表明,在实验的两种负重时,足底压力绝对值增大,相对值不变,稳定性降低,步态改变。针对经常性单侧负重群体的功能鞋设计,需要增大鞋底缓冲性能以减小损伤,增加鞋类稳定性以减小摔跤风险。

山地户外运动鞋对人体下肢落地冲击的影响研究

为探讨山地户外运动鞋对人体下肢落地冲击的影响,以光学三维动态捕捉系统与Kistler三维测力台实时采集并对比被试者穿着高缓震户外运动鞋与无缓震户外运动鞋完成山地户外运动常见落地动作时下肢的地面反作用力数据与下肢关节运动学参数。结果发现,穿着高缓震户外运动鞋与无缓震户外运动鞋落地时,人体下肢地面反作用力存在显著性差异:穿着高缓震户外运动鞋时下肢落地的地面反作用更小,对下肢的冲击与损伤更小;穿着高缓震户外运动鞋与无缓震户外运动鞋落地时人体下肢关节的活动度、触地角度、最小角度、最大角速度、出现时间均不存在显著性差异,但穿着无缓震户外运动鞋时下肢关节的活动度小于高缓震户外运动鞋,表明穿着无缓震户外运动鞋落地时下肢的损伤风险更大。