运动生物力学的测量.ppt

1、* 运动生物力学 1 运动生物力学的测量 1.测量的任务、特点 2.常用的测量方法 3.测试资料的统计处理与分析 * 运动生物力学 2 运动生物力学测量的意义 1.为科学研究提供客观信息 2.为教学和训练提供客观依据（ 选材、训练 控制、训练监督） 3.运动器材的研制、修改等提供帮助 4.为器具、武器装备等提供支持 * 运动生物力学 3 运动生物力学测量的分类 1.运动学测量方法 摄影测量方法、摄像测量方法、红外光点 测量方法、激光测量方法、雷达测量方法。 2.生物学测量方法 人体形态测量方法、柔韧性测量方法、肌电 测量方法 3.静力学测量方法 握力测量方法、关节肌力、 4.动力学测量方法 测

2、力台测力方法、等速测力仪测力方法 5.多机同步测量方法 * 运动生物力学 4 测量的原则与要求 1.测量要有明确的目的、任务 研究目的 测量目的任务 测量的指标、参数 选择合适的测量方法 * 运动生物力学 5 2.测量方法的选择 正确、可靠 2.1测量要具有较高的有效性（效度） 有效性 ： 所测属性与欲测属性的一致性 影响测 量有效性的因素 ：测量方法是否合 适；测量仪器的精度、性能；测量者的业务 水平；受试者的合作程度等 评估方法 ：用体育特点和相关学科进行评估； 依据研究者的知识、经验进行逻辑推理；统 计学的方法 测 量 的 原 则 与 要 求 * 运动生物力学 6 2.测量方法的选择 正

3、确、可靠 2.2测量的可靠性（信度） 可靠性 ：指不同测量者用同样的测量方法，测 量相同的指标和参数，在一段时间内对同一 受试者进行重复测量，测量结果的一致性程 度。 影响因素 ： 测量指标的稳定性、测量方法的难 度、仪器的性能精度、测量人员的态度水平 、 受试者的合作程度 评估方法 ：实验法 测 量 的 原 则 与 要 求 * 运动生物力学 7 2.测量方法的选择 正确、可靠 2.3测量的精度必须要达到实用的要求 2.4样本的选择要具有较强的代表性 测 量 的 原 则 与 要 求 * 运动生物力学 8 3.测量设计要详细周密 3.1测量设计的依据 A 研究和测量工作的需要 B 可以投入的人员

4、、仪器设备和经费 C 测量场地的情况 D 比赛规则、比赛秩序、裁判方法等 E 有关的书籍、文献、资料 测 量 的 原 则 与 要 求 * 运动生物力学 9 3.2测量设计的主要内容 测量的目的、任务、指标和参数 测量的方法和程序 测量的样本和抽样的方法 人员的筛选和分工 仪器的选择、精度、安装、调试、等作出具体的要求 测量实施细则 测量数据记录表格和卡片 测量现场的记录表 摄影、摄像的参考体、比例尺 测量资料的整理、归档和保管方法 测量资料的处理和统计方法 撰写论文所需的图、表 测 量 的 原 则 与 要 求 * 运动生物力学 10 测量设计要经过试测的检验 试测目的 1.检验测量设计方案的正

5、确性 2.检验仪器的运行情况， 3.若为多机同步测试，检验人、机的配合情况 4.检验所测指标的精度是否符合指标 5.熟悉测量的程序，掌握每一步的时间及各步骤 地衔接 测 量 的 原 则 与 要 求 * 运动生物力学 11 运动学的测量方法 * 运动生物力学 12 平面定机摄影摄像测量方法 (常速、高速 ) 平面跟踪摄影摄像测量方法 立体定机摄影摄像测量方法 三维红外拍摄技术 * 运动生物力学 13 平面定机摄影摄像测量方法 * 运动生物力学 14 平面定机摄影摄像测量方法 特点： 摄像机的空间位置、摄距、极高、取景范围、焦距、光 圈等在选定合适后并固定下来 拍摄的是人体或物体的平面运动。 优点

6、： 1.简单易行 2.不影响人体的运动、并可以在正式的比赛中进行测量 缺点： 1.只能测出人体或物体在垂直于摄影机主光轴平面上的运动 参数，所以只适用于人体或物体在一个平面上的运动项目 。 2.测量的测平面范围较小，对运动范围较大的项目只能选择 某一运动段落进行拍摄。 * 运动生物力学 15 平面定机测量的种类 依据测量条件 正式比赛现场测量 专门组织的比赛现场测量 训练现场测量 在实验室中的测量 * 运动生物力学 16 平面定机测量的仪器及器材要求 1.摄影机 拍摄频率稳定可调（可调范围在 24-200幅 秒即可，最好为 24-500幅 秒。频率误差不小于 1）； 有时标； 必须有中、长焦距

7、镜头（焦距可选范围在 25-120mm即可）； 有稳定且高度可调的三脚架； 2.比例尺 12 个 ，长度 12 米（用膨胀系数较小，质量较轻） 3.参考体 35 个 ，要求在影片上能清晰可见 4.影记 ：一种是记录比赛的名称、地点、日期、拍摄的项目；另 一种，记录运动员的姓名、比赛项目、赛次等 5.场记表格 ：记录拍摄现场的情况。如：天气、拍摄的时间、地 点、赛次、跳次、成败、运动员姓名、号码、动作完成情况、 成绩等。 6.室内拍摄时的 照明灯 （新闻灯） * 运动生物力学 17 平面定机测量的方法、要求 1.镜头与焦距 只能使用中、长焦镜头，不能使用广角（中长焦与广角区别） 2.取景范围 在

8、保证摄入欲拍技术动作的前提下，应尽量缩小取景范围，以 增大受测体的成像，提高测量精度。 如： 16毫米的镜头，取景范围应小于 8米（宽） 6（高） 3.拍摄距离 （摄距） 摄距的选取主要受取景范围和场地情况决定。 在场地情况允许的情况下，摄距不应小于拍摄宽度的 6倍，或 者拍摄偏角应小于 5度。受场地限制时，摄距可适当缩小，但 不能小 于 10米。 * 运动生物力学 18 平面定机测量的方法、要求 4.机高 镜头中心至地面的垂直距离称机高， 一般应与取景中心等高。 在拍摄人体整体运动技术时，机高大体上与人体髋关节等高即 可。 5.放机位置 摄影机应安放在平分拍摄宽度并垂 直于受测体运动面的平面

9、上。摄影机 应安放在人体主要运动环节一侧，如 跳远的起跳腿、标枪的投掷臂一侧。 最好 不逆光 拍摄。 * 运动生物力学 19 6.比例尺的拍摄 必须在固定了摄距机高、取景范围、焦距、光圈之后 拍摄，否则要重新拍摄。一般在正式拍摄前拍摄比例 尺，如果比赛前漏拍，则必须在保证上述拍摄参数完全 不变的情况下补拍。 * 运动生物力学 20 7.坐标系与参考体 坐标系： 多采用直角坐标系，其水平轴严格与地面平行，并最好 选在受测体之下；垂直轴最好选在拍摄物的左侧，即第一象 限内。 参考体 ：一是取场地内能摄入镜头并能确定坐标系固定物体或标 记为参照物 二是放置参照物 注意 ： a.不影响运动员完成动作，

10、并经裁判员同意 b.不宜被他人 无意或有意 移动 c.摄影时不遮挡运动员的动作 * 运动生物力学 21 8.拍摄频率 ： 取决于测量的目的任务、受试者的速度、测量参数精度的要 求； 可先根据测量的目的、任务确定欲测参数所需的精度，欲测 精度应能显著区分运动员的技术水平和优劣，即测量误差必 须小于不同技术水平之间和技术好坏之间的实际差别； 然后进行试拍加以检验。 9.开关机时间 ： 在受测体进入取景范围前 34 秒就要开机 10.场记 ： 每次拍摄都要当即填好 “ 场记表格 ” 注意 ： 在每一场比赛的拍摄中，最好不变动摄距、机高、机位、焦 距，其中之一变动，都要重新拍摄比例尺 高速摄影技术 *

11、 运动生物力学 23 平面跟踪摄像方法 * 运动生物力学 24 定义 ：采用摄像机和三脚架非固定的连接方法，身像机可 以在三脚架上左右、上下转动。 拍摄时，主光轴始终尽可能对准受侧体，跟踪受侧 体的运动。 优点 ：可以测量运动范围大、动作周期、距离较长的运动 项目。 由于取景范围较小，因此，测量体在画面上的成像 较大，有利于较小测量误差。 缺点 ： 1.方法复杂、难度大：受测体的移动。 2.测量误差可能较大。 * 运动生物力学 25 必须注意的问题 参考体 由于跟踪法拍摄的范围大，取景范围小，因而在解 析时，为了使每张画面上至少有一个参考体，也就 是需要变换参考体的画面上就有两个参考体。因此

12、，参考体的间距必须小于取景范围的横径或纵径。 参考体的设置方法 1.必须在拍摄范围内分段设置参考体，并且参考体 的间距必须小于摄像机的取景范围。 2.各参考体的间距应相等，并设置在于测量面平行 的一条直线上，其中，横向参考体所在的直线除与 测量面平行外，还应与水平面平行；纵向参考体， 所在的直线除与测量面平行外，还应与水平面垂直 。 * 运动生物力学 26 平面跟踪摄影摄像测量法方法与要求： 1、 镜头与焦距 由于跟踪法的拍摄范围大，摄距长，多用长焦距镜头 2、 取景范围 以每张画面均能拍摄到受测体的整体为准。 受测体的成像不应小于画面的二分之一。 3、 拍摄距离 根据测量宽度和场地情况决定。

13、 场地允许时，拍摄距离应大于测量宽度的三倍。 受场地或摄影机焦距等条件所限时摄距可适当减 短，但不应小于测量宽度的二倍；否则会造成摄影机的 主光轴与测量面的夹角变化范围太大，会造成人体关节 角度有较大的误差。 * 运动生物力学 27 平面跟踪摄影摄像测量法方法与要求： 4、 机高 原则上应与受测体的中心等高。 立体定机摄影摄像测量方法 定义 采用两台或多台摄影（像）肌从不同角度对 同一研究对象进行同步拍摄，然后把两台或多台 机所拍摄的平面影片或录像带进行数字化，从而 获得所需的人体三维运动的空间坐标，计算有关 的运动学参数。 立体定机摄影摄像测量方法要求： 1、 镜头和焦距 采用中焦距镜头拍摄

14、，尽量避免使用广角镜 头或长焦镜头；在完成取景于调好焦距后，应固 定镜头，以确保在整个拍摄过程中焦距不变。 2、 取景范围 三维定点摄影适合于研究运动范围不大的运 动，取景范围要比研究的动作范围略大，在此前 提下，设法使研究对象的成像尽可能的大，并处 于胶片中间三分之二的画面上。 两（多）台摄像机的画面中必须是同一个参 考体。 立体定机摄影摄像测量方法要求： 3、 摄距 摄影机到拍摄的基本平面的距离一般应大于 拍摄范围的 5-6倍。 4、 机高 以主光轴对准动作范围的中心为宜。 5、 机位的选择与两机主光轴的夹角 摄影机的放置要考虑到尽可能多的取到人体 关节点，其中一部摄影机的主光轴最好与运动

15、的 主平面垂直，两机主光轴的夹角最好在 60o-120o之 间。 立体定机摄影摄像测量方法要求： 当两台摄影（像）机的主光轴成 0或 180，或 者许多个标定点的联系与主光轴平行时将不能解 出三维坐标。 6、 摄频 两部或多部机子的摄影频率要一致，根据所 研究的动作确定摄影频率。 常见的录像解析系统 美国 Peak系统 德国 SIMI系统 我国爱捷系统 三维红外测量技术 三维红外拍摄技术 优点 ： 可以达到实时测量和自动识别 缺点 ： 1、没有运动图像显示，采集过程无法重现。 2、在运动员身上需要贴反光标志点，容易受 到室外光线的干扰，所以适合实验室研究。 3、标志点在高速运动下容易脱落。 4

16、、在关节点上安置标志点会影响受试者的运 动。 常见三维红外摄影技术系统 瑞典的 Qualisys三维运动分析系统 英国 Vicon三维运动捕捉系统 * 运动生物力学 37 动力学的测量方法 人体运动过程中，获取外界对人 体的作用力或是人体内关节肌力，对 于认识人体运动的动因是非常重要的 ，如何来解决这一问题呢？ ？ ？ （一）传感器 从广义上讲，传感器就是能感知外界信息 并能按一定规律将这些信息转换成可用信 号的装置； 简单说传感器是将外界信号转换为电信号 的装置。 力传感器 电容式压阻式压电式应变片式 n 应变片类 n 在传感器内有一个经过定标的金 属板或梁，它在一个方向上只承受很 小的变化

17、（张力）。 n 它的机械挠曲（通常小于 1%）会引 起电桥中电阻值的改变，从而形成电 压的线性变化 u压电式 u力传感器受力后能引起特殊晶体材料晶格 内的原子结构产生瞬间变形。 u如石英晶体就是可以使用的自然压电材料 ，它的晶格变形就会改变晶体的电特性。 这样通过流经晶体表面电负荷的改变，可 以把它们转化为与作用力成正比的电信号 。 （二）测力台 测力台 压电晶体 电阻应变 KISTLER AMTI （ 1）测力范围广 （ 2）刚性好 （ 3）灵敏度高 （ 4）线性好； （ 5）固有频率高 （ 6）重量较轻，体积较小，结构简单，性 能稳定，使用方便。 1、测力台的结构性能、测力台的结构性能 2

18、.测力台与其他仪器的同步测试 瑞士 KISTLER测力台 3、测力台测试中常用的力学参数和 力学指数 参数 算法 注解 Fx =fx12+fx34 X方向的力 Fy =fy14+fy23 Y方向的力 Fz =fz1+fz2+fz3+fz4 垂直力 Mx =b(fz1+fz2-fz3-fz4) 相 对 于 X轴 的力矩 My =a(-fz1+fz2+fz3-fz4) 相 对 于 Y轴 的力矩 Mx = b(fz1+fz2-fz3-fz4)+Fyaz0 相 对 于 测 力台上表面的力矩 My = a(-fz1+fz2+fz3-fz4) +Fxaz0 相 对 于 测 力台上表面的力矩 Mz = b(

19、-fx12+fx34)+ a(fy14-fy23) 相 对 于 Z轴 的力矩 Tz = Mz-FyAx+FxAy 扭矩 Ax =( Fxaz0- My)/ Fz 压 力中心的 X坐 标 Ay = (Fyaz0-Mx)/Fz 压 力中心的 Y坐 标 KISTLER三 维测 力台参数 （三）测力平板 定义：测力平板（压力地垫）可以测量人体 站立或行走时足底与支撑面之间的压力 （垂直、左右、前后三个方向的力），及 其压力中心的位置、压力的分布等数据， 能够获得反应人体下肢的结构、功能乃至 全身协调性等方面的信息。 （三）测力平板 （三）测力平板 （三）测力平板 目前在步态分析、运动鞋研究、康复技 能

20、评定、假肢等研究领域有广泛的应用， 特别是鞋的研究方面已经可以为特定运动 员设计特定的运动鞋，还可以为特定的病 人设计特殊的康复用鞋。 （四）关节肌力测试 n 等速测力技术采用各种力的传感装置测量人体关 节力量数值，分析运动员训练程度、练习效果、 技术优劣以及完成某些动作的可行性等，还可以 对患者肌力情况进行测量与评价，制定运动处方 ，检验康复训练的效果。 n 目前应用较多的等速测试设备 如 CYBEX、 BIODEX、 CONTREX、 LIOD、 KINGKOM等。 CONTREX 1、等速测力仪可测得的参数 通过等速测力仪的测试可以直接得到主要参 数（指标）： n （ 1）峰值力矩（ P

21、EAK TORQUE）； n （ 2）总功（ TOTAL WORK ）； n （ 3）功率（ AVG POWER ）； n （ 4）加速能（ TAE）； n （ 5）最大力矩对应的角度（ ANGLE OF PEAK TORQUE）。 2、等速测试的应用范围 （ 1）在肌肉力量评定方面的应用：主要应用 于肌肉力量测量与评价。 （ 2）对运动训练的指导作用。 （ 3）在伤病防治与康复上的应用。 * 运动生物力学 58 肌电测量方法 （表面肌电） 肌电测试 方法是采用肌电仪测出受试 者在运动中有关肌群生物电的变化曲线和 数值，从而分析运动员各肌群在动作过程 中的活动状态，研究其动作技术的方法。 注意

22、 ：最大肌力测试 肌电仪可测出动作中对抗肌群、协同 肌群的生物电的变化，根据测试结果可以 确定动作中各肌群发力程度、发力顺序和 发力时机等，还可通过肌电信号的处理获 得有关肌力量值，从而对动作技术进行更 精确的研究。 其他仪器 * 运动生物力学 63 体育量化方法中的数据检测问题 * 运动生物力学 64 异常数据 异常数据的影响 异常数据通常是指在一个数据集中，有一 个或几个似乎不属于由其它观测数据所构成的 总体（或模型）的观测结果。 异常数据对统计结果的影响是很大的。它能使 统计结果与实际情形有较大的偏差，甚至有时 会导致错误的结果。若用这样的数据来拟合模 型，也会导致模型同真实模型有很大误

23、差。倘 若决策者用这样的模型来作决策，后果可想而 知。 * 运动生物力学 65 异常数据的来源 与其它学科不同，体育科研是一门综合性研究，不但要涉及 到自然科学领域如，生理学，运动医学等，也涉及到大量的社 会科学的内容，如，经济学，社会文化等众多领域。其研究对 象是有着特殊复杂性的人体及其运动，存在着很大的随机性。 因此，体育科研中收集到的数据受到众多因素的干扰，概括起 来有以下几点： 1 体育科学研究中，涉及到大量的实验。由于实验设计的不足 ，仪器不先进造成测量的数据误差过大；或是实验过程中人为 的记录错误。 2对体育社会科学研究中经常要查阅文献资料，来自文献中的数 据可能与现有的研究目的不

24、相吻合；时效性差。 3 所收集到的数据本身就有较大的变异，可能是聚类的一部分 。如，在某运动会中有一名运动员百米比其他同类运动员都好 ，可能是他本人短跑较强。 * 运动生物力学 66 异常数据的识别方法 在实践中，科研工作者应如何鉴别出数据中的异常值呢？这是进行统计分 析前首先要完成的一项重要工作。许多人为了省事，往往忽略掉这一重要的 工作。结果导致前功尽弃，实在是得不偿失。由此可见，所谓 “统计谎言 ”实 则由于分析者本人疏忽造成的。 许多研究都表明，异常数据的识别，从直观的角度最有效。 1 散点图（又称边缘点图） 在数轴上对单个变量描点所形成的图形（如下图）。边缘点 图适用于对一维数据中异

25、常数据的检测。从图上我们可以直观地 找到远离点群的点即可能的异常数据。下图圆圈中标出的点就是 个异常数据。 * 运动生物力学 67 2 散布图 对于一维数据通过散 点图即可直观地反映那 些数据是可能的异常数 据。但对二维变量来说 ，边缘点图只能识别出 部分异常数据。于是， 散布图就有了用武之地 了。如图中，两个异常 数据（被圆圈标出）在 散点图中均被隐匿起来 。只有散布图才可以清 楚地看出两个异常数据 。 * 运动生物力学 68 3.三维透视图 对于高维数据中的异常数据的识别，最好的办法是选择 动态显示的三维透视图。这需要借助计算机软件来完 成。不停地变换角度，就能很轻易地揭示数据异常点 。它

26、是一个动态可持续获得信息的过程。 在使用计算机不方便的情况下也可以对两两变量间做 散布图。若是变量的集合比较大，至少也应该对重要 的变量做散布图，以揭示可能的异常数据。除非工作 量大到得不偿失，否则应对每一对变量做散布图。 * 运动生物力学 69 4 标准化值和广义平方距离 假如获知高维数据是多元正态分布或近似多元正态分 布，也可以通过计算其标准化值和广义平方距离来揭示异 常数据 。理论表明，异常数据倾向于有比数据集中其他 “ 成员 ”有大或小的标准化值和广义平方距离。 以下表中的数据为例说明标准化值和广义平方距离是如何 揭示数据中的异常观测值的。 变量 1 2 p 1 2 : : n X11

27、 X21 : : xn1 X12 x1p X22 x2p : : : : xn2 xnp * 运动生物力学 70 变量见上表中，具体地，对于 j =1 ,2 .n k=1,2 p 有 标准化之值为： 广义平方距离为 : 对所有变量进行标准化 ,计算其值 ,从标准化值中相对较大 或较小的值可能是异常数据。我们应该对这些数据进行审 查，以便采取对策。 * 运动生物力学 71 异常数据的处理 通过上面的几种方法检测出来的可能异常数据，不能草率地随便删除 掉。我们应该仔细审查这些可能异常数据的获得过程。若是由实验获 得的，如有可能应该重新在该点重复做次实验。只有当异常数据是由 于实验失误，记录错误等认为等人为因素造成的才考虑删除它。或是 以重新测量的正确数据来替代之。 假如，可能异常值数据是来自别人的文献或资料。应对原始资料及 来源进行审查，看是否有记录上的错误。在无法审查原始数据的情况 下，建议采用稳健方法以削弱异常数据的影响。 如果通过仔细审核发现数据的异常值是因数据本身性质造成的，对这 样的数据应该引起足够的重视。它可能是聚类的一部分。对它进行研 究有可能有意外的发现。例如，运动员偶尔一个异常的动作却获得一 个好的成绩。对这个动作进行研究，可能有新的发现。总之，对已检 测出来的可能观测值应该仔细审查。 * 运动生物力学 72