運動生物力學的測量.ppt

2019/9/23,運動生物力學,1,運動生物力學的測量 1.測量的任務、特點 2.常用的測量方法 3.測試資料的統(tǒng)計處理與分析,2019/9/23,運動生物力學,2,運動生物力學測量的意義 1.為科學研究提供客觀信息 2.為教學和訓練提供客觀依據（選材、訓練 控制、訓練監(jiān)督） 3.運動器材的研制、修改等提供幫助 4.為器具、武器裝備等提供支持,2019/9/23,運動生物力學,3,運動生物力學測量的分類 1.運動學測量方法 攝影測量方法、攝像測量方法、紅外光點 測量方法、激光測量方法、雷達測量方法。 2.生物學測量方法 人體形態(tài)測量方法、柔韌性測量方法、肌電 測量方法 3.靜力學測量方法 握力測量方法、關節(jié)肌力、 4.動力學測量方法 測力臺測力方法、等速測力儀測力方法 5.多機同步測量方法,2019/9/23,運動生物力學,4,測量的原則與要求 1.測量要有明確的目的、任務,研究目的,測量目的任務,測量的指標、參數,選擇合適的測量方法,2019/9/23,運動生物力學,5,2.測量方法的選擇正確、可靠 2.1測量要具有較高的有效性（效度） 有效性：所測屬性與欲測屬性的一致性 影響測 量有效性的因素：測量方法是否合 適；測量儀器的精度、性能；測量者的業(yè)務 水平；受試者的合作程度等 評估方法：用體育特點和相關學科進行評估； 依據研究者的知識、經驗進行邏輯推理；統(tǒng) 計學的方法,測 量 的 原 則 與 要 求,2019/9/23,運動生物力學,6,2.測量方法的選擇正確、可靠 2.2測量的可靠性（信度） 可靠性：指不同測量者用同樣的測量方法，測 量相同的指標和參數，在一段時間內對同一 受試者進行重復測量，測量結果的一致性程 度。 影響因素：測量指標的穩(wěn)定性、測量方法的難 度、儀器的性能精度、測量人員的態(tài)度水平、 受試者的合作程度 評估方法：實驗法,測 量 的 原 則 與 要 求,2019/9/23,運動生物力學,7,2.測量方法的選擇正確、可靠 2.3測量的精度必須要達到實用的要求 2.4樣本的選擇要具有較強的代表性,測 量 的 原 則 與 要 求,2019/9/23,運動生物力學,8,3.測量設計要詳細周密 3.1測量設計的依據 A 研究和測量工作的需要 B 可以投入的人員、儀器設備和經費 C 測量場地的情況 D 比賽規(guī)則、比賽秩序、裁判方法等 E 有關的書籍、文獻、資料,測 量 的 原 則 與 要 求,2019/9/23,運動生物力學,9,3.2測量設計的主要內容 測量的目的、任務、指標和參數 測量的方法和程序 測量的樣本和抽樣的方法 人員的篩選和分工 儀器的選擇、精度、安裝、調試、等作出具體的要求 測量實施細則 測量數據記錄表格和卡片 測量現場的記錄表 攝影、攝像的參考體、比例尺 測量資料的整理、歸檔和保管方法 測量資料的處理和統(tǒng)計方法 撰寫論文所需的圖、表,測 量 的 原 則 與 要 求,2019/9/23,運動生物力學,10, 測量設計要經過試測的檢驗 試測目的 1.檢驗測量設計方案的正確性 2.檢驗儀器的運行情況， 3.若為多機同步測試，檢驗人、機的配合情況 4.檢驗所測指標的精度是否符合指標 5.熟悉測量的程序，掌握每一步的時間及各步驟地銜接,測 量 的 原 則 與 要 求,2019/9/23,運動生物力學,11,運動學的測量方法,2019/9/23,運動生物力學,12,平面定機攝影攝像測量方法(常速、高速) 平面跟蹤攝影攝像測量方法 立體定機攝影攝像測量方法 三維紅外拍攝技術,2019/9/23,運動生物力學,13,平面定機攝影攝像測量方法,2019/9/23,運動生物力學,14,平面定機攝影攝像測量方法 特點： 攝像機的空間位置、攝距、極高、取景范圍、焦距、光圈等在選定合適后并固定下來 拍攝的是人體或物體的平面運動。 優(yōu)點： 1.簡單易行 2.不影響人體的運動、并可以在正式的比賽中進行測量 缺點： 1.只能測出人體或物體在垂直于攝影機主光軸平面上的運動 參數，所以只適用于人體或物體在一個平面上的運動項目。 2.測量的測平面范圍較小，對運動范圍較大的項目只能選擇 某一運動段落進行拍攝。,2019/9/23,運動生物力學,15,平面定機測量的種類,依據測量條件,正式比賽現場測量,專門組織的比賽現場測量,訓練現場測量,在實驗室中的測量,2019/9/23,運動生物力學,16,平面定機測量的儀器及器材要求 1.攝影機 拍攝頻率穩(wěn)定可調（可調范圍在24-200幅秒即可，最好為 24-500幅秒。頻率誤差不小于1）； 有時標； 必須有中、長焦距鏡頭（焦距可選范圍在25-120mm即可）； 有穩(wěn)定且高度可調的三腳架； 2.比例尺12個，長度12米（用膨脹系數較小，質量較輕） 3.參考體35個，要求在影片上能清晰可見 4.影記：一種是記錄比賽的名稱、地點、日期、拍攝的項目；另 一種，記錄運動員的姓名、比賽項目、賽次等 5.場記表格：記錄拍攝現場的情況。如：天氣、拍攝的時間、地 點、賽次、跳次、成敗、運動員姓名、號碼、動作完成情況、 成績等。 6.室內拍攝時的照明燈（新聞燈）,2019/9/23,運動生物力學,17,平面定機測量的方法、要求 1.鏡頭與焦距 只能使用中、長焦鏡頭，不能使用廣角（中長焦與廣角區(qū)別） 2.取景范圍 在保證攝入欲拍技術動作的前提下，應盡量縮小取景范圍，以 增大受測體的成像，提高測量精度。 如：16毫米的鏡頭，取景范圍應小于8米（寬）6（高） 3.拍攝距離（攝距） 攝距的選取主要受取景范圍和場地情況決定。 在場地情況允許的情況下，攝距不應小于拍攝寬度的6倍，或 者拍攝偏角應小于5度。受場地限制時，攝距可適當縮小，但 不能小 于10米。,2019/9/23,運動生物力學,18,平面定機測量的方法、要求 4.機高 鏡頭中心至地面的垂直距離稱機高，一般應與取景中心等高。 在拍攝人體整體運動技術時，機高大體上與人體髖關節(jié)等高即 可。 5.放機位置 攝影機應安放在平分拍攝寬度并垂 直于受測體運動面的平面上。攝影機 應安放在人體主要運動環(huán)節(jié)一側，如 跳遠的起跳腿、標槍的投擲臂一側。 最好不逆光拍攝。,2019/9/23,運動生物力學,19,6.比例尺的拍攝 必須在固定了攝距機高、取景范圍、焦距、光圈之后 拍攝，否則要重新拍攝。一般在正式拍攝前拍攝比例 尺，如果比賽前漏拍，則必須在保證上述拍攝參數完全 不變的情況下補拍。,2019/9/23,運動生物力學,20,7.坐標系與參考體 坐標系：多采用直角坐標系，其水平軸嚴格與地面平行，并最好 選在受測體之下；垂直軸最好選在拍攝物的左側，即第一象 限內。 參考體：一是取場地內能攝入鏡頭并能確定坐標系固定物體或標 記為參照物 二是放置參照物 注意： a.不影響運動員完成動作，并經裁判員同意 b.不宜被他人無意或有意移動 c.攝影時不遮擋運動員的動作,2019/9/23,運動生物力學,21,8.拍攝頻率： 取決于測量的目的任務、受試者的速度、測量參數精度的要 求； 可先根據測量的目的、任務確定欲測參數所需的精度，欲測 精度應能顯著區(qū)分運動員的技術水平和優(yōu)劣，即測量誤差必 須小于不同技術水平之間和技術好壞之間的實際差別； 然后進行試拍加以檢驗。 9.開關機時間： 在受測體進入取景范圍前34秒就要開機 10.場記： 每次拍攝都要當即填好“場記表格” 注意： 在每一場比賽的拍攝中，最好不變動攝距、機高、機位、焦距，其中之一變動，都要重新拍攝比例尺,高速攝影技術,2019/9/23,運動生物力學,23,平面跟蹤攝像方法,2019/9/23,運動生物力學,24,定義：采用攝像機和三腳架非固定的連接方法，身像機可 以在三腳架上左右、上下轉動。 拍攝時，主光軸始終盡可能對準受側體，跟蹤受側 體的運動。 優(yōu)點：可以測量運動范圍大、動作周期、距離較長的運動 項目。 由于取景范圍較小，因此，測量體在畫面上的成像 較大，有利于較小測量誤差。 缺點： 1.方法復雜、難度大：受測體的移動。 2.測量誤差可能較大。,2019/9/23,運動生物力學,25,必須注意的問題 參考體 由于跟蹤法拍攝的范圍大，取景范圍小，因而在解析時，為了使每張畫面上至少有一個參考體，也就是需要變換參考體的畫面上就有兩個參考體。因此，參考體的間距必須小于取景范圍的橫徑或縱徑。 參考體的設置方法 1.必須在拍攝范圍內分段設置參考體，并且參考體的間距必須小于攝像機的取景范圍。 2.各參考體的間距應相等，并設置在于測量面平行的一條直線上，其中，橫向參考體所在的直線除與測量面平行外，還應與水平面平行；縱向參考體，所在的直線除與測量面平行外，還應與水平面垂直。,2019/9/23,運動生物力學,26,平面跟蹤攝影攝像測量法方法與要求： 1、鏡頭與焦距 由于跟蹤法的拍攝范圍大，攝距長，多用長焦距鏡頭 2、取景范圍 以每張畫面均能拍攝到受測體的整體為準。 受測體的成像不應小于畫面的二分之一。 3、拍攝距離 根據測量寬度和場地情況決定。 場地允許時，拍攝距離應大于測量寬度的三倍。 受場地或攝影機焦距等條件所限時攝距可適當減 短，但不應小于測量寬度的二倍；否則會造成攝影機的 主光軸與測量面的夾角變化范圍太大，會造成人體關節(jié) 角度有較大的誤差。,2019/9/23,運動生物力學,27,平面跟蹤攝影攝像測量法方法與要求： 4、機高 原則上應與受測體的中心等高。,立體定機攝影攝像測量方法,定義 采用兩臺或多臺攝影（像）肌從不同角度對同一研究對象進行同步拍攝，然后把兩臺或多臺機所拍攝的平面影片或錄像帶進行數字化，從而獲得所需的人體三維運動的空間坐標，計算有關的運動學參數。,立體定機攝影攝像測量方法要求： 1、鏡頭和焦距 采用中焦距鏡頭拍攝，盡量避免使用廣角鏡頭或長焦鏡頭；在完成取景于調好焦距后，應固定鏡頭，以確保在整個拍攝過程中焦距不變。 2、取景范圍 三維定點攝影適合于研究運動范圍不大的運動，取景范圍要比研究的動作范圍略大，在此前提下，設法使研究對象的成像盡可能的大，并處于膠片中間三分之二的畫面上。 兩（多）臺攝像機的畫面中必須是同一個參考體。,立體定機攝影攝像測量方法要求： 3、攝距 攝影機到拍攝的基本平面的距離一般應大于拍攝范圍的5-6倍。 4、機高 以主光軸對準動作范圍的中心為宜。 5、機位的選擇與兩機主光軸的夾角 攝影機的放置要考慮到盡可能多的取到人體關節(jié)點，其中一部攝影機的主光軸最好與運動的主平面垂直，兩機主光軸的夾角最好在60o-120o之間。,立體定機攝影攝像測量方法要求： 當兩臺攝影（像）機的主光軸成0或180，或者許多個標定點的聯(lián)系與主光軸平行時將不能解出三維坐標。 6、攝頻 兩部或多部機子的攝影頻率要一致，根據所研究的動作確定攝影頻率。,常見的錄像解析系統(tǒng),美國Peak系統(tǒng) 德國SIMI系統(tǒng) 我國愛捷系統(tǒng),三維紅外測量技術,三維紅外拍攝技術,優(yōu)點： 可以達到實時測量和自動識別 缺點： 1、沒有運動圖像顯示，采集過程無法重現。 2、在運動員身上需要貼反光標志點，容易受 到室外光線的干擾，所以適合實驗室研究。 3、標志點在高速運動下容易脫落。 4、在關節(jié)點上安置標志點會影響受試者的運 動。,常見三維紅外攝影技術系統(tǒng),瑞典的Qualisys三維運動分析系統(tǒng) 英國Vicon三維運動捕捉系統(tǒng),2019/9/23,運動生物力學,37,動力學的測量方法,人體運動過程中，獲取外界對人體的作用力或是人體內關節(jié)肌力，對于認識人體運動的動因是非常重要的，如何來解決這一問題呢？,？,？,（一）傳感器,從廣義上講，傳感器就是能感知外界信息并能按一定規(guī)律將這些信息轉換成可用信號的裝置； 簡單說傳感器是將外界信號轉換為電信號的裝置。,力傳感器,電容式,壓阻式,壓電式,應變片式,應變片類 在傳感器內有一個經過定標的金屬板或梁，它在一個方向上只承受很小的變化（張力）。 它的機械撓曲（通常小于1%）會引起電橋中電阻值的改變，從而形成電壓的線性變化,壓電式 力傳感器受力后能引起特殊晶體材料晶格內的原子結構產生瞬間變形。 如石英晶體就是可以使用的自然壓電材料，它的晶格變形就會改變晶體的電特性。這樣通過流經晶體表面電負荷的改變，可以把它們轉化為與作用力成正比的電信號。,（二）測力臺,測力臺,壓電晶體,電阻應變,KISTLER,AMTI,（1）測力范圍廣 （2）剛性好 （3）靈敏度高 （4）線性好； （5）固有頻率高 （6）重量較輕，體積較小，結構簡單，性 能穩(wěn)定，使用方便。,1、測力臺的結構性能,2.測力臺與其他儀器的同步測試,瑞士KISTLER測力臺,3、測力臺測試中常用的力學參數和力學指數,KISTLER三維測力臺參數,（三）測力平板,定義：測力平板（壓力地墊）可以測量人體 站立或行走時足底與支撐面之間的壓力 （垂直、左右、前后三個方向的力），及 其壓力中心的位置、壓力的分布等數據， 能夠獲得反應人體下肢的結構、功能乃至 全身協(xié)調性等方面的信息。,（三）測力平板,（三）測力平板,（三）測力平板,目前在步態(tài)分析、運動鞋研究、康復技能評定、假肢等研究領域有廣泛的應用，特別是鞋的研究方面已經可以為特定運動員設計特定的運動鞋，還可以為特定的病人設計特殊的康復用鞋。,（四）關節(jié)肌力測試,等速測力技術采用各種力的傳感裝置測量人體關節(jié)力量數值，分析運動員訓練程度、練習效果、技術優(yōu)劣以及完成某些動作的可行性等，還可以對患者肌力情況進行測量與評價，制定運動處方，檢驗康復訓練的效果。 目前應用較多的等速測試設備如CYBEX、BIODEX、CONTREX、LIOD、KINGKOM等。,CONTREX,1、等速測力儀可測得的參數,通過等速測力儀的測試可以直接得到主要參數（指標）： （1）峰值力矩（PEAK TORQUE）； （2）總功（TOTAL WORK）； （3）功率（AVG POWER）； （4）加速能（TAE）； （5）最大力矩對應的角度（ANGLE OF PEAK TORQUE）。,2、等速測試的應用范圍,（1）在肌肉力量評定方面的應用：主要應用 于肌肉力量測量與評價。 （2）對運動訓練的指導作用。 （3）在傷病防治與康復上的應用。,2019/9/23,運動生物力學,58,肌電測量方法 （表面肌電）,肌電測試方法是采用肌電儀測出受試者在運動中有關肌群生物電的變化曲線和數值，從而分析運動員各肌群在動作過程中的活動狀態(tài)，研究其動作技術的方法。 注意：最大肌力測試,肌電儀可測出動作中對抗肌群、協(xié)同肌群的生物電的變化，根據測試結果可以確定動作中各肌群發(fā)力程度、發(fā)力順序和發(fā)力時機等，還可通過肌電信號的處理獲得有關肌力量值，從而對動作技術進行更精確的研究。,其他儀器,2019/9/23,運動生物力學,63,體育量化方法中的數據檢測問題,2019/9/23,運動生物力學,64,異常數據 異常數據的影響 異常數據通常是指在一個數據集中，有一個或幾個似乎不屬于由其它觀測數據所構成的總體（或模型）的觀測結果。 異常數據對統(tǒng)計結果的影響是很大的。它能使統(tǒng)計結果與實際情形有較大的偏差，甚至有時會導致錯誤的結果。若用這樣的數據來擬合模型，也會導致模型同真實模型有很大誤差。倘若決策者用這樣的模型來作決策，后果可想而知。,2019/9/23,運動生物力學,65,異常數據的來源 與其它學科不同，體育科研是一門綜合性研究，不但要涉及到自然科學領域如，生理學，運動醫(yī)學等，也涉及到大量的社會科學的內容，如，經濟學，社會文化等眾多領域。其研究對象是有著特殊復雜性的人體及其運動，存在著很大的隨機性。因此，體育科研中收集到的數據受到眾多因素的干擾，概括起來有以下幾點： 1 體育科學研究中，涉及到大量的實驗。由于實驗設計的不足，儀器不先進造成測量的數據誤差過大；或是實驗過程中人為的記錄錯誤。 2對體育社會科學研究中經常要查閱文獻資料，來自文獻中的數據可能與現有的研究目的不相吻合；時效性差。 3 所收集到的數據本身就有較大的變異，可能是聚類的一部分。如，在某運動會中有一名運動員百米比其他同類運動員都好，可能是他本人短跑較強。,2019/9/23,運動生物力學,66,異常數據的識別方法 在實踐中，科研工作者應如何鑒別出數據中的異常值呢？這是進行統(tǒng)計分析前首先要完成的一項重要工作。許多人為了省事，往往忽略掉這一重要的工作。結果導致前功盡棄，實在是得不償失。由此可見，所謂“統(tǒng)計謊言”實則由于分析者本人疏忽造成的。 許多研究都表明，異常數據的識別，從直觀的角度最有效。 1 散點圖（又稱邊緣點圖） 在數軸上對單個變量描點所形成的圖形（如下圖）。邊緣點圖適用于對一維數據中異常數據的檢測。從圖上我們可以直觀地找到遠離點群的點即可能的異常數據。下圖圓圈中標出的點就是個異常數據。,2019/9/23,運動生物力學,67,2 散布圖 對于一維數據通過散點圖即可直觀地反映那些數據是可能的異常數據。但對二維變量來說，邊緣點圖只能識別出部分異常數據。于是，散布圖就有了用武之地了。如圖中，兩個異常數據（被圓圈標出）在散點圖中均被隱匿起來。只有散布圖才可以清楚地看出兩個異常數據。,2019/9/23,運動生物力學,68,3.三維透視圖 對于高維數據中的異常數據的識別，最好的辦法是選擇動態(tài)顯示的三維透視圖。這需要借助計算機軟件來完成。不停地變換角度，就能很輕易地揭示數據異常點。它是一個動態(tài)可持續(xù)獲得信息的