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运动力学实验室设计

运动生物力学是一门实验性和应用性很强的学科。其基本的研究内容是运用各种实验测试手段,测定人体在实际运动中的运动学及动力学参数,了解运动中不同肌肉的功能状况及基于人体基本测量学参数建立人体模型进行理论分析与推导,得出有应用价值的各种运动规律,解决竞技体育和大众体育中的生物力学问题。
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       运动生物力学是一门实验性和应用性很强的学科。其基本的研究内容是运用各种实验测试手段,测定人体在实际运动中的运动学及动力学参数,了解运动中不同肌肉的功能状况及基于人体基本测量学参数建立人体模型进行理论分析与推导,得出有应用价值的各种运动规律,解决竞技体育和大众体育中的生物力学问题。运动生物力学研究方法和测量技术,主要包括运动生物力学常用基本参数测量、运动学测量、力的测量和肌电信号测量和分析。

 

       本实验室设计方案以Qualisys Oqus700+三维运动采集与分析系统、Kistler9286BA分量测力台、SAGA高密度肌电测量系统为基础分别介绍运动学测量、动力学测量和肌电信号测量的方法和实验方案。

 

1、人体运动学测量

       Qualisys Oqus700+三维运动采集与分析系统可选择超高速红外摄像机,拍摄速度可达10000Hz,能精确捕捉高速运动物体的轨迹,并进行相关技术参数分析。软件包含QTM数据管理软件,支持Visual 3D软件分析功能,可以提供:数据输出、模型建立、运动轨迹、步态分析及结果报告打印。该系统在人体运动科学研究、康复医疗、体育教育和运动训练等多个领域得到广泛应用。

 

 

2.人体动力学测量

 

       在体育运动中很多项目要求考察运动员的跑、跳、蹬、折返、落地等动作,动力主要来自因下肢蹬伸及上肢的摆动所产生的地面反作用力。地面反力的大小、方向、作用时间及其梯度可以用三维测力台测试。

 

       目前使用的三维测力台根据其力传感元件的不同,大致可分为两类:

 

应变式测力台测定静态力和准静态力的效果比较好,如测试射击动作中人、枪的压力中心点的稳定性。其测试动作频率不太高的动态力的效果尚可,如测试举重动作的蹬地力。

 

压电式测力台的四个角上放置了12块石英晶体力传感器,每个角有三块,分别对X、Y、Z轴方向力敏感。因此每个角均可测量三维力,将四个角的三维力进行组合可以计算出总的三维力大小、方向及作用点(压力中心),同时计算出转矩。

 

 

​​​​​​​3.肌电信号测试与分析

        表面肌电信号(sEMG)是从人体皮肤表面通过电极记录神经肌肉系统活动时发放的生物电信号。由于其幅值和频率与神经肌肉的功能活动密切相关,且具有非损伤性、实时性、多靶点测量等优点,所以在肌肉疲劳的诊断方面有良好的应用前景和重要的研究意义。近年来,sEMG的研究引起了越来越多学者的兴趣,并已成为体育科学研究中的热点问题之一。

 

       表面肌电信号(sEMG)是从肌肉表面通过电极引导,记录下来的神经肌肉系统活动时的生物电信号,主要是浅层肌肉EMG和神经干上电活动的综合效应,它与肌肉的活动状态和功能状态之间存在着不同程度的关联性,因而能在一定程度上反映神经肌肉的活动。

 

高密度肌电测量优势

       表面肌电是针对针式肌电而言的,是由表面电极所接触的多个运动单位活动时所产生的电位变化在时间和空间上叠加的结果,由于其具有非侵入性等特点,常用来辅助或替代针式肌电对神经肌肉系统的功能状态进行评价。按照表面肌电采集所使用的电极,表面肌电可分为传统表面肌电和高密度表面肌电。其中,高密度表面肌电所采用的电极数目较多、电极间距较小、电极排列方向较灵活,是传统表面肌电在电极数目、电极间距以及电极排列等方面的一种综合性拓展。

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