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。

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。

跑时影响垂直支撑反作用力峰值的因素

该文研究的实验对象为6男3女,体重为45.5～90.9公斤。重复跑并要求踏在测力台上,以50格/秒拍摄电影。跑时分为三种速度3.35,3.83和4.47米/秒,每个人在每一速度下赤脚跑五次。测力台和计算机联机进行测试分析,包括有着地时冲力(Fz1)及垂直反作用力的峰值。

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。

跳跃运动起跳时的摆腿技术特点及作用

通过对跳跃起跳时的摆腿技术特点与作用分析 ,得出 :跳跃起跳时 ,摆动腿在体后作折叠向前摆动过程中 ,摆动腿的整个环节重心作水平方向加速向前运动 ;在起跳腿蹬伸时所产生的垂直分力等于人体重力时相才需要摆动腿制动 ,达到减小人体作垂直方向运动的阻力 ,提高人体作垂直方向惯性运动的高度。

背跃式跳高正心用力起跳中的预转体技术

一、问题的提出 背跃式跳高采用弧线助跑起跳技术,其起跳特点是正心用力获得最大腾起速度。“正心用力”是指运动员在起跳蹬离地面的一刹那,人体重心至起跳点间的连线与地面垂直,即重心位于起跳点垂直线上的“正心”。众所周知,人体腾空后按一定的轴进行转动,其转动来源于起跳时所获得的转动力矩。正心用力时垂直支撑反作用力通过重心,不会产生空中转动。因此,正心用力起跳技术必须有其他方法获得转动的力矩。

人机环境中下肢关节扭矩动态估计的研究

针对人体穿戴下肢外骨骼动态估计关节扭矩的问题,提出一种通过关节嵌入式传感系统对它进行准确估计的方法。通过拉格朗日法对人体-外骨骼进行整体建模,引入被动弹性力和垂直地面反作用力(GRF)诱导动力学。利用嵌入式传感系统和表面肌电采集系统(DELSYS),获取人体运动数据。通过采集的肌电信号(EMG)进行关节扭矩等距收缩计算,并与动力学模型仿真结果对比验证。结果表明,采用该动力学模型能够准确地估计出人体下肢关节扭矩,为实现自适应反馈控制提供了重要理论基础,与目前流行的基于EMG和可穿戴传感器的解决方案相比,消除了复杂的人体布线,提高了佩戴的便利性,具有重要的研究价值。

排球扣球和拦网技术落地动作的研究

本文通过对排球运动扣球和拦网后落地动作的研究,探究扣球和拦网动作落地时地面对人体垂直方向上的反作用力。研究将16名运动员分为2组进行10次扣球,二号位、四号位分别进行10次拦网三个动作,并用三维测力台和三维运动影响捕捉系统对运动员动力学和运动学数据进行捕捉。研究发现:(1)由于扣球动作需要更大力量来达到最大高度,因此每次扣球动作的垂直反作用力均比拦网动作的垂直反作用力大;(2)通过对扣球、二号四号位拦网三个动作和双脚受力的分析,进行二号位的拦网时右脚的垂直反作用力明显高于左脚;(3)所有运动员之间存在较大的个体差异,教练员在制定训练计划进行训练之前必须对运动员的技术进行全面的检查和纠正。

步进摩擦分析测试平台的研制

研制了步进摩擦分析测试平台,可用于检测人体在静止及运动路面上的步进摩擦特性.该平台主要由六自由度摇摆台、三维测力台和数据采集系统三部分构成,六自由度摇摆台可提供六个自由度的任意组合运动,用来模拟舰船、海浪和地震等工况;三维测力台可测量出人体在行走时的三维力和力矩;数据采集系统将六自由度运动平台和三维测力台的输出数据采集并保存到计算机中,用来分析人体运动时的步进摩擦特性.采用研制平台进行了一组试验,结果表明:人在上、下坡行走时的垂直地面反作用力与在水平路面行走时的垂直地面反作用力具有不同的分布规律,并且垂直地面反作用力均随坡度角的增大而减小.

青年慢性非特异性腰痛患者步态:时空和动力学参数特征

背景:非特异性腰痛严重影响人们的工作生活,步态训练可以有效处理慢性腰痛。研究慢性非特异性腰痛患者步态有助于设计出更有针对性的步态再教育内容。目的:通过比较健康青年人与青年慢性非特异性腰痛患者步态时空和力学参数,以期发现青年慢性非特异性腰患者步态特征,为慢性非特异性腰痛患者诊断、康复提供参考。方法:共65例志愿者参与试验,其中健康青年人30例,慢性非特异性腰痛患者35例,用LORAN足底压力2 m平板及配套步态测试系统测试其常速走的步态。结果与结论:(1)慢性非特异性腰痛组步长对称指数显著大于健康对照组(P <0.01);站立相对称指数、单支撑时间对称指数均显著大于健康对照组(P均<0.01);(2)健康对照组两侧步态时空参数差异均无显著性意义(P均>0.05);慢性非特异性腰痛组右侧步长、足偏角显著大于左侧(P <0.01,<0.05);右侧站立相、单支撑相显著长于左侧,左侧双支撑相长于右侧(P均<0.01);(3)慢性非特异性腰痛组初始双支撑相、单支撑、终末双支撑相垂直地面反作用力对称指数均显著大于健康对照组(分别为P <0.05,<0.01,<0.05);(4)结果提示,青年慢性非特异性腰痛患者常速走步态比健康青年人更不对称,青年慢性非特异性腰痛患者过多的应用优势侧肢体提供支撑;在对青年慢性非特异性腰痛患者进行步态再教育时,需考虑对患者不对称的肢体支撑模式进行调整。