自行車騎行運(yùn)動輔助訓(xùn)練裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于體育訓(xùn)練技術(shù)領(lǐng)域，涉及到自行車訓(xùn)練項(xiàng)目，具體涉及一種自行車騎 行運(yùn)動輔助訓(xùn)練裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 自行車騎行中，踏踏是人與車前進(jìn)的唯一動力，良好的踏踏技術(shù)可使運(yùn)動員以最 小的能量消耗得到最大的功率，而落后的、錯誤的踏蹬技術(shù)會過分消耗運(yùn)動員的體能，卻得 不到相應(yīng)的功效。從自行車的幾何結(jié)構(gòu)看，騎行時車手與自行車接觸部位只有三處：即車 把、車坐和腳蹬。因此足、臀部及手臂在自行車上的相對位置決定了騎行的舒適度和作用力 的傳遞。例如，踏腳板與曲柄軸之間的夾角，會影響訓(xùn)練者腳作用在踏板上的法向力和切向 力沿有效力和無效力方向的分力大小，影響有效力的作用效率。因此，有必要對運(yùn)動過程中 足、臀部及手臂的作用力進(jìn)行監(jiān)測，幫助訓(xùn)練者調(diào)整騎行姿勢，并訓(xùn)練最佳踏蹬技術(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種自行車騎行運(yùn)動輔助訓(xùn)練裝置，通過 監(jiān)測受試者上體姿位、改變坐角、坐高所引起的腳蹬、車坐、手把上的動力學(xué)參數(shù)的變化，從 而為適合于訓(xùn)練者人體結(jié)構(gòu)特性的坐姿定位以及為所測的每個自行車運(yùn)動員獲得各自最 優(yōu)的車架結(jié)構(gòu)尺寸提供理論依據(jù)和有效的原始數(shù)據(jù)。
[0004] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種自行車騎行運(yùn)動輔助訓(xùn)練裝置，包括腳蹬傳感器、編 碼器和傳感器系統(tǒng)信號處理器，編碼器安裝在腳蹬軸的外端，用于獲取任意時刻曲柄與腳 蹬間的夾角β，求解沿曲柄軸方向的無效力及垂直方向的有效力，腳蹬傳感器布置在測試 車的左右腳蹬上，獲取作用在腳蹬上的三維力，所述腳蹬傳感器包括X方向差動電容單元 組合和Y方向差動電容單元組合，所述X方向差動電容單元組合和Y方向差動電容單元組 合均包括兩個以上相互形成差動的電容單元模塊，所述電容單元模塊采用由兩個以上的條 狀電容單元組成的梳齒結(jié)構(gòu)，每個條狀電容單元包括上極板的驅(qū)動電極和下極板的感應(yīng)電 極，所述X方向差動電容單元組合和Y方向差動電容單元組合的電容值求和計(jì)算傳感器的 法向力且消除切向力影響。
[0005] 自行車測試車輔助訓(xùn)練裝裝置還包括車把傳感器和車座傳感器，用于監(jiān)測車座 和車把上的三維作用力，獲取上體的重量分配以及軀干-手臂系統(tǒng)的用力特征。每個條 狀電容單元的驅(qū)動電極和感應(yīng)電極寬度相同，驅(qū)動電極的長度大于感應(yīng)電極長度，驅(qū)動電 極長度兩端分別預(yù)留左差位S左和右差位δ右，b 0驅(qū)=bos+S右+ δ左，其中，b0驅(qū)為條狀電 容單元的驅(qū)動電極長度，^為條狀電容單元的感應(yīng)電極長度。所述差位δ&= ，且
其中Cltl為彈性介質(zhì)厚度，G為彈性介質(zhì)的抗剪模量，τ _為最大應(yīng)力值。所 述兩組相互形成差動的電容單元模塊的條狀電容單元的驅(qū)動電極和感應(yīng)電極沿寬度方向 設(shè)有初始錯位偏移，錯位偏移大小相同、方向相反。所述梳齒狀結(jié)構(gòu)包括20個以上條狀電 容單元、與條狀電容單元一一對應(yīng)連接的引線，相鄰兩條狀電容單元之間設(shè)有電極間距a s。 所述平行板面積S = M (%+a s) k，其中，M為條狀電容單元數(shù)量，k為條狀電容單元的長度， %條狀電容單元的寬度。所述電容單元模塊的每個條狀電容單元的引線通過并聯(lián)或者獨(dú)立 連接到傳感系統(tǒng)信號處理器。所述條狀電容單元的寬度
其中，Cltl為彈性介質(zhì)厚度， E為彈性介質(zhì)的楊氏模量，G為彈性介質(zhì)的抗剪模量。所述傳感系統(tǒng)信號處理器和電容單元 模塊之間設(shè)有中間變換器，中間變換器用于設(shè)置電壓對電容或頻率對電容的傳輸系數(shù)。
[0006] 本發(fā)明有如下積極效果：本發(fā)明的自行車測試車輔助訓(xùn)練裝置，通過監(jiān)測受試者 上體姿位、改變坐角、坐高所引起的腳蹬、車坐、手把上的動力學(xué)參數(shù)的變化，尋找適合于訓(xùn) 練者人體結(jié)構(gòu)特性的坐姿定位以及為所測的每個自行車運(yùn)動員獲得各自最優(yōu)的車架結(jié)構(gòu) 尺寸提供理論依據(jù)。本發(fā)明在電容測量三維力的基礎(chǔ)上，有效使用平板面積，并且通過差動 等方法有效解決三維力間耦合，從而使法向與切向轉(zhuǎn)換都達(dá)到較高的線性、精度與靈敏度。
【附圖說明】
[0007] 圖1是本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】的條狀電容單元及其坐標(biāo)系。
[0008] 圖2是本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】的條狀電容單元示意圖。
[0009] 圖3是本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】的條狀電容單元右向偏移示意圖。
[0010] 圖4是本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】的條狀電容單元左向偏移示意圖。
[0011] 圖5是本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】的條狀電容單元對的初始錯位圖。
[0012] 圖6是本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】的條狀電容單元對受力后偏移圖。
[0013] 圖7是本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】的平行板三維力壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖。
[0014] 圖8是本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】的平行板三維力壓力傳感器驅(qū)動電極結(jié)構(gòu)圖。
[0015] 圖9是本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】的平行板三維力壓力傳感器感應(yīng)電極結(jié)構(gòu)圖。
[0016] 圖10是本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】的通過相同傳遞系數(shù)K實(shí)現(xiàn)輸出響應(yīng)求和。
[0017] 圖11是本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】的單元電容對的信號差動示意圖。
[0018] 圖12是本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】的平行板電容器剖面結(jié)構(gòu)。
[0019] 圖13是本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】的車腳踏上受力情況分析圖。
[0020] 其中，1、上PCB基板，2、下PCB基板，3、驅(qū)動電極，4、感應(yīng)電極，5、彈性介質(zhì)。
【具體實(shí)施方式】
[0021] 下面對照附圖，通過對實(shí)施例的描述，本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】如所涉及的各構(gòu)件 的形狀、構(gòu)造、各部分之間的相互位置及連接關(guān)系、各部分的作用及工作原理、制造工藝及 操作使用方法等，作進(jìn)一步詳細(xì)的說明，以幫助本領(lǐng)域技術(shù)人員對本發(fā)明的發(fā)明構(gòu)思、技術(shù) 方案有更完整、準(zhǔn)確和深入的理解。
[0022] 如圖13所示，為自行車測試車腳踏上受力情況分析圖，左邊為曲柄坐標(biāo)系，右邊 為作用于踏板上的受力分析，腳蹬三維力測試出來后，針對地球坐標(biāo)系，將作用于腳蹬上的 法向力（F pn)和切向力（Fpt)沿曲柄軸平行和與曲柄軸垂直的方向分解時，在根據(jù)編碼器 測得的相應(yīng)瞬間踏腳板與曲柄軸之間的夾角β，這樣就可以求得沿曲柄軸平行方向的分 力，也即無效力，和與曲柄軸垂直的方向的分力，也即有效力，有效力與合力之比就是作用 效率，作用效率是蹋蹬技術(shù)的評價(jià)指標(biāo)，而蹋蹬技術(shù)是控制姿勢、負(fù)荷和蹋蹬頻率的直觀 體現(xiàn)。因此，在測試車左右踏板上安裝三維力傳感器，監(jiān)測腳作用在踏板上的切向力和法 向力，通過改變座角、座高及蹋蹬頻率，作用于踏板上的切向力和法向力作用模式會發(fā)生變 化，在腳蹬軸的外端安裝編碼器，獲取任意時刻曲柄與腳蹬間的夾角。
[0023] 在車座下和車把下也裝上三維力傳感器，用于監(jiān)測車座和車把上的作用力，從而 探求改變騎行量時上體的重量分配以及軀干-手臂系統(tǒng)的穩(wěn)定性特征。綜合三處的作用力 特點(diǎn)確保最佳騎姿定位的合理性和科學(xué)性。車把、車座、左、右腳蹬三維力傳感器及左、右腳 蹬編碼器及采樣時間序列等15路信號在信號調(diào)理器中進(jìn)行調(diào)理，經(jīng)過ADC變換后進(jìn)入微 處理器。微處理器同時控制同步發(fā)光點(diǎn)（以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)測量的同步），并通過USB 接口與PC相連。軟件可實(shí)現(xiàn)從數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲及數(shù)據(jù)回放等功能。
[0024] 有效力、無效力及相
應(yīng)的合力可按照如下的公式求得：F有χ Λ
[0025] 以下說明本發(fā)明三維力傳感器的測量原理：本發(fā)明傳感器包括X方向差動電容單 元組合和Y方向差動電容單元組合，所述X方向差動電容單元組合通過電容值相減計(jì)算X 方向的切向力且消除Y方向切向力影響，所述Y方向差動電容單元組合通過電容值相減計(jì) 算Y方向的切向力且消除X方向切向力影響，所述X方向差動電容單元組合和Y方向差動 電容單元組合的電容值求和計(jì)算電容傳感器的法向力且消除切向力影響。所述X方向差動 電容單元組合和Y方向差動電容單元組合均包括兩個以上相互形成差動的電容單元模塊， 所述電容單元模塊采用由兩個以上的條狀電容單元組成的梳齒狀結(jié)構(gòu)，每個條狀電容單元 包括上極板的驅(qū)動電極和下極板的感應(yīng)電極。所述每個條狀電容單元的驅(qū)動電極和感應(yīng)電 極寬度相同，驅(qū)動電極的長度大于感應(yīng)電極長度，驅(qū)動電極長度兩端分別