競技自行車騎行過程中踏力檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王輝

摘要：為了幫助競技自行車運(yùn)動(dòng)員在自行車競技舞臺(tái)上取得出色成績，設(shè)計(jì)了踏力檢測分析系統(tǒng)。通過安裝在自行車腳踏板底部和腳踏板與輪盤連接桿連接處的壓力傳感器，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)員腳踏力與自行車前進(jìn)推力的測量。測得數(shù)據(jù)通過TCP通訊協(xié)議傳輸?shù)接?jì)算機(jī)。經(jīng)過測量數(shù)據(jù)分析，對競技運(yùn)動(dòng)員提出專業(yè)指導(dǎo)建議，從而提高運(yùn)動(dòng)員競技水平。

關(guān)鍵詞：踏力分析;壓力傳感器;模數(shù)轉(zhuǎn)換;TCP

中圖分類號：TP39 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：1007-9416（2019）02-0145-03

0 引言

隨著自行車競技運(yùn)動(dòng)發(fā)展，如何提高競技水平的研究也越來越重要。影響運(yùn)動(dòng)競技水平的因素很多，但推動(dòng)力與腳踏力是重要因素之一。許多學(xué)者對自行車運(yùn)動(dòng)做了理論分析，文獻(xiàn)[1]根據(jù)運(yùn)動(dòng)員在騎行的過程中身體下肢環(huán)節(jié)運(yùn)動(dòng)速度及角加速度的理論研究，解析了不同運(yùn)動(dòng)員在不同踏蹬運(yùn)動(dòng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)。文獻(xiàn)[2]將腳踏力分解為由純關(guān)節(jié)力矩產(chǎn)生的肌肉分量和慣性力作用下產(chǎn)生的非肌肉分量兩部分，利用動(dòng)力學(xué)方程進(jìn)行運(yùn)算。文獻(xiàn)[3]采用有限元方法分析腳踏板最大應(yīng)變點(diǎn)及應(yīng)力集中情形。 但是關(guān)于腳踏板不同部位踏力與自行車前進(jìn)推力之間關(guān)系的分析研究很少。

針對上述問題，設(shè)計(jì)了腳踏力檢測分析系統(tǒng)。通過安裝在自行車腳踏板底部和腳踏板與輪盤連接桿連接處的壓力傳感器，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)員腳踏力與自行車前進(jìn)推力的測量。分析腳踏板不同部位的踏力對自行車前進(jìn)推力的影響，得出不同運(yùn)動(dòng)員的騎行習(xí)慣，依據(jù)不同的騎行習(xí)慣，對運(yùn)動(dòng)員提出專業(yè)指導(dǎo)建議，同時(shí)對自行車腳踏板進(jìn)行特定改造，適合不同運(yùn)動(dòng)員，幫助競技運(yùn)動(dòng)員在自行車競技舞臺(tái)上取得出色成績。這對于自行車運(yùn)動(dòng)員改進(jìn)騎行和踏蹬技術(shù)，提高運(yùn)動(dòng)水平具有尤為重要的意義。

1 自行車踏力檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了測量運(yùn)動(dòng)員在騎行過程中自行車腳踏板的受力，對自行車腳踏板底端進(jìn)行改造。在底部安裝壓力傳感器，在其側(cè)面安裝外圍電路，通過接口電路及傳感器測量數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后傳輸?shù)诫娔X，通過相關(guān)軟件進(jìn)行受力分析，得出最終結(jié)論并指導(dǎo)運(yùn)動(dòng)員用力。圖1為系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖。

1.1 傳感器安裝位置設(shè)計(jì)

1.1.1 踏面壓力傳感器安裝位置設(shè)計(jì)

腳踏板踏力是影響推動(dòng)自行車前進(jìn)的主要因素之一，在腳踏板底部放置四個(gè)壓力傳感器測量腳踏板受力[4]。圖2為腳踏板傳感器放置位置。

圖中的黑色區(qū)域即為四個(gè)壓力傳感器[5-7]，踏力大小分別為F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3，F(xiàn)4。其中前腳掌踏力為F1，F(xiàn)2，后腳掌踏力為F3，F(xiàn)4。腳踏板底部和頂部分別安置一個(gè)方形踏板，其底部踏板與腳踏板本身相固定，在傳感器的壓力端由一根力傳導(dǎo)棒與另一個(gè)方形踏板連接，使腳踏板頂部踏板懸空，僅由四根傳導(dǎo)棒與腳踏板相連。此時(shí)踏力通過上踏板傳遞，通過四個(gè)傳感器可以測量每個(gè)受力點(diǎn)的受力分布情況。

1.1.2 自行車推動(dòng)力傳感器安裝位置設(shè)計(jì)

除了測得踏面踏力外，還需要測量自行車推動(dòng)力大小，即腳踏板與輪盤連接桿的受力。

圖3為腳踏板與輪盤連接桿處傳感器放置情況，此傳感器測得力即為自行車推動(dòng)力。為了便于測量，選擇平膜壓變型的傳感器，安裝在腳踏板底部，選擇型號為XRL-80型號的壓力傳感器。

1.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信

將腳踏板底部受到的力轉(zhuǎn)化為電信號后，需要將電信號進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換后進(jìn)行分析，因此需要AD轉(zhuǎn)換器[8]，為了實(shí)時(shí)采集腳踏板壓力信號，系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信方式采用網(wǎng)絡(luò)傳輸。選擇研華ADAM6017[9]作為AD轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)傳輸模塊。按圖4設(shè)定ADAM6017與PC機(jī)IP地址后，計(jì)算機(jī)與ADAM6017即可進(jìn)行TCP通信[10-11]。

2 實(shí)驗(yàn)分析與結(jié)果

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖5為踏力檢測系統(tǒng)實(shí)物圖。傳感器與ADAM6017連接之后，騎行過程傳感器實(shí)時(shí)測量踏力將在數(shù)據(jù)分析軟件AdamApax.NET Utility顯示，圖6為測量結(jié)果顯示。

由傳感器實(shí)時(shí)測量踏力圖可知，在騎行過程中F1、F2的踏力較大，F(xiàn)3、F4的踏力較小，即在腳踏過程中，前腳掌踏力大于后腳掌，這樣才能產(chǎn)生盡量大的推力。為了對數(shù)據(jù)進(jìn)行更加有效的分析，在傳感器實(shí)時(shí)測量踏力圖中選取六個(gè)時(shí)間點(diǎn)（）進(jìn)行踏力分析，在自行車騎行過程中，兩腳掌踏力之間存在相對關(guān)系，即增加前腳掌的踏力時(shí)，后腳掌的踏力就會(huì)相對減弱，反之亦然。故在選擇時(shí)間點(diǎn)對踏力進(jìn)行分析時(shí)，踏力的變化曲線要符合前后腳掌踏力相對規(guī)律。對選取的六個(gè)時(shí)間點(diǎn)踏力進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合后得到圖7的踏力曲線圖，通過踏力曲線分析發(fā)現(xiàn)，前后腳掌的受力符合踏力相對規(guī)律，數(shù)據(jù)具有典型性，符合實(shí)際。

根據(jù)實(shí)際測量的踏力曲線可知：

（1）在時(shí)間，前腳掌踏力快速減小，后腳掌踏力快速加大，腳踏板前部踏力與腳踏板后部踏力差值變小，自行車前進(jìn)推力F5顯著的變小。

（2）在時(shí)間，前腳掌踏力快速加大，后腳掌踏力快速減小，腳踏板前部踏力與腳踏板后部踏力差值變大，自行車前進(jìn)推力F5增加明顯。

（3）在時(shí)間，前腳掌踏力F2輕微減小，后腳掌踏力F4輕微增加，腳踏板前部踏力與腳踏板后部踏力差值變小，自行車前進(jìn)推力F5輕微減小。

（4）在時(shí)間，前腳掌踏力F2輕微加大，后腳掌踏力F4輕微減小，腳踏板前部踏力與腳踏板后部踏力差值變大，自行車前進(jìn)推力F5輕微增加。

（5）在時(shí)間，前腳掌踏力快速減小，后腳掌踏力快速增加，腳踏板前部踏力與腳踏板后部踏力差值變小，自行車前進(jìn)推力F5明顯減小。

2.2 結(jié)論

（1）當(dāng)腳踏板前部踏力與腳踏板后部踏力差值較大時(shí)，自行車的前進(jìn)推力較大，兩部分踏力差值較小時(shí)，自行車前進(jìn)推力較小。

（2）在騎行過程中可以適當(dāng)增大前腳掌踏力，以增加自行車前進(jìn)推力，可以根據(jù)運(yùn)動(dòng)員騎行習(xí)慣對腳踏板進(jìn)行重新改造，產(chǎn)生更多的自行車前進(jìn)推力，幫助競技自行車運(yùn)動(dòng)員在競技舞臺(tái)取得優(yōu)異成績。

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Design of Pedaling Force Detection System During Competitive Cycling

WANG Hui

（CRRC Harbin Vehicle Co. Ltd. Quality Office， Harbin? Heilongjiang? 150056）

Abstract：In order to help competitive cyclists achieve outstanding results in the world bicycle competitive dance， this paper designs a pedal force detection and analysis system. Measurement of the athlete's pedaling force and the forward thrust of the bicycle is obtained by a pressure sensor mounted on the bottom of the bicycle pedal and the connection between the pedal and the wheel connecting rod. Data is transmitted to computer through TCP protocol. Through the data analysis， professional guidance can be given to cyclists to improve their competitive level.

Key words：pedal force analysis; pressure sensor; analog to digital conversion; TCP