宋校能 ，虞致國(guó) ，徐 輝 ，吳 偉 ，吳貽剛 *

英式橄欖球以身體接觸性對(duì)抗為顯著特征，其防守能力主要表現(xiàn)為肩撲摟防守效果。肩撲摟是英式橄欖球防守的關(guān)鍵技術(shù)，是利用肩部撞擊阻止進(jìn)攻、爭(zhēng)奪球權(quán)最有效的防守動(dòng)作。首先，肩撲摟是使用率最高的防守動(dòng)作，約占撲摟動(dòng)作的61%（Burger et al.，2016；Ross et al.，2015）。英式橄欖球聯(lián)合會(huì)（Rugby Union）比賽中，平均每場(chǎng)比賽出現(xiàn)約200人次/運(yùn)動(dòng)小時(shí)肩撲摟情況；英式橄欖球聯(lián)盟（Rugby League）比賽中，多達(dá)300人次/1 000運(yùn)動(dòng)小時(shí)肩撲摟。其次，肩撲摟是英式橄欖球聯(lián)合會(huì)、英式橄欖球聯(lián)盟和美式橄欖球（American Football）比賽中導(dǎo)致?lián)p傷率最高的技術(shù)動(dòng)作（Orr et al.，2016）。更重要的是，肩撲摟防守的有效率與比賽結(jié)果正相關(guān)。比賽獲勝方有效撲摟人次多于失敗方，失敗方的肩撲摟總量和無效撲摟人次均多于勝方（Van Rooyen et al.，2014）。

肩撲摟撞擊力量是影響防守效果的核心因素。強(qiáng)大的肩撲摟撞擊力量不僅可以阻止持球進(jìn)攻，破壞傳球和形成利于防守的ruck和maul等局面，而且經(jīng)常造成持球隊(duì)員不同程度的運(yùn)動(dòng)損傷，是構(gòu)成堅(jiān)固防守的保障。通過測(cè)試撞擊力量，可以判斷使用肩撲摟技術(shù)的合理性和有效性，提高肩撲摟防守的效果。

肩撲摟撞擊力量與腦震蕩的發(fā)生率相關(guān)。由撞擊力量產(chǎn)生的加速度確定運(yùn)動(dòng)員頭部加速度的安全閾值雖然存在一些困難，但已知腦應(yīng)變損傷與頭部運(yùn)動(dòng)加速度的大小和撞擊持續(xù)時(shí)間有關(guān)（McCrory et al，2017；Post et al.，2017）。USMAN等（2011）發(fā)現(xiàn)，澳大利亞男性橄欖球運(yùn)動(dòng)員引發(fā)腦震蕩事件時(shí)頭部平均線性加速度為103.4 g，每1 000運(yùn)動(dòng)小時(shí)損傷率為2.2人次。在特定沖擊下，頭部加速度越高，腦部拉傷的風(fēng)險(xiǎn)越大（Bussey et al.，2019；Singh et al.，2016；Terry et al.，2019）。測(cè)試肩撲摟撞擊力量可以預(yù)防運(yùn)動(dòng)損傷，降低損傷程度，起到監(jiān)護(hù)運(yùn)動(dòng)員健康的作用。

有關(guān)肩撲摟撞擊力量裝置的研究尚存部分問題與不足。Usman等（2011）在撲摟撞擊柱正面中間位置放置TeckscanTM感應(yīng)器進(jìn)行肩撲摟撞擊力量測(cè)試，但由于感應(yīng)器被放置在特定高度，不同程度地限制了測(cè)試者撲摟準(zhǔn)備姿勢(shì)，影響了撞擊力量，測(cè)試結(jié)果與實(shí)際存在一定的誤差，研究?jī)r(jià)值有限。有學(xué)者使用Teckscan足底壓力感應(yīng)墊（F‐Scan models，3000E）制作肩撲摟撞擊力量測(cè)試裝置，設(shè)計(jì)的力量感應(yīng)與肩撲摟實(shí)際撞擊部位不完全相符，存在力量采集區(qū)域過大的現(xiàn)象（Faria et al.，2017）。目前，鮮見女子橄欖球運(yùn)動(dòng)員肩撲摟撞擊力量的相關(guān)研究。

研制撞擊力量測(cè)試儀是提高中國(guó)女子橄欖球國(guó)家隊(duì)肩撲摟技術(shù)的迫切需求。研制肩撲摟撞擊力量測(cè)試儀促進(jìn)肩撲摟技術(shù)生物力學(xué)研究，服務(wù)于中國(guó)國(guó)家隊(duì)隊(duì)員肩撲摟技術(shù)的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，可提高中國(guó)國(guó)家隊(duì)肩撲摟防守質(zhì)量和能力。

1 研制肩撲摟撞擊力量測(cè)試儀的思路

力量測(cè)試儀的硬件主要包括力量傳感器、數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采集、轉(zhuǎn)換、傳輸、儲(chǔ)存和顯示。軟件包括應(yīng)用程序和硬件驅(qū)動(dòng)程序，其中，應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)采集程序的設(shè)計(jì)和控制，硬件驅(qū)動(dòng)程序用于完成數(shù)據(jù)采集卡工作模式的設(shè)置。

具體方案（圖1）：1）針對(duì)女子橄欖球運(yùn)動(dòng)員形態(tài)（肩部的長(zhǎng)和寬）和肩撲摟撞擊力量的特征，選用FlexiForceTMA502壓阻式壓力感應(yīng)器片制作撞擊力量的感應(yīng)裝置——壓力測(cè)試背心，由3片感應(yīng)器片并聯(lián)放置在護(hù)肩肩部位置感應(yīng)撞擊的力量。2）應(yīng)用LabVIEW數(shù)據(jù)采集程序和USB多通道數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計(jì)撞擊力量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（李維聰?shù)龋?015）。3）通過實(shí)踐應(yīng)用驗(yàn)證力量測(cè)試儀的科學(xué)性和實(shí)用性。

圖1 肩撲摟撞擊力量測(cè)試儀數(shù)據(jù)采集流程Figure 1. The DataAcquisition Process of Shoulder Tackle Impact Strength Tester

2 研究的理論與方法

2.1 肩撲摟撞擊力量感應(yīng)裝置

表1 肩撲摟撞擊運(yùn)動(dòng)學(xué)指標(biāo)Table 1 Kinematic Indexes of Shoulder Tackle Movement

2.1.1 壓力傳感器工作原理

研究運(yùn)用壓阻式壓力傳感器感應(yīng)撞擊力量。壓阻式壓力傳感器以硅片為彈性敏感元件，膜片上用集成電路擴(kuò)散工藝制成4個(gè)等值導(dǎo)體電阻，組成惠斯登電橋。膜片受力后，由于半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)，電阻值發(fā)生變化，輸出電橋測(cè)得壓力變化，利用這種方法制成壓力感應(yīng)器。

2.1.2 肩撲摟撞擊力量感應(yīng)裝置制作方法

撞擊力量感應(yīng)裝置是萊卡面料制作的、可多向調(diào)節(jié)大小的專用背心（表2）。

表2 撞擊力量測(cè)試背心結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 2 Structural Parameters of Vest in Impact Strength Test

撞擊力量測(cè)試背心傳感器放置在圖2b所示位置，肩撲摟時(shí)撞擊力量感應(yīng)區(qū)在圖2c標(biāo)簽的位置。

圖2 撞擊力量測(cè)試背心及傳感器片的位置Figure 2. Vest in Impact Strength Test and Location of Sensor Sheet

肩撲摟撞擊力量感應(yīng)裝置由美國(guó)Tekscan電子公司生產(chǎn)的FlexiForceTMA502壓阻式壓力傳感器片制作而成（表3）。

表3 FlexiForceTMA502壓阻式壓力傳感器片性能Table 3 Performance of FlexiForceTMA502 Piezoresistive Pres‐sure Sensor Sheet

FlexiForceTMA502壓阻式壓力傳感器是方形標(biāo)準(zhǔn)傳感器片，帶有1個(gè)2針插頭。最大量程內(nèi)，傳感器的動(dòng)態(tài)測(cè)量值可以通過改變驅(qū)動(dòng)電壓和反饋電阻進(jìn)行有效調(diào)整。本研究采用萬用表測(cè)量實(shí)驗(yàn)前后外加負(fù)荷重量后感應(yīng)器片的反饋電阻。測(cè)試前、后，傳感器的反饋電阻與負(fù)荷重量的擬合曲線吻合（表4），通過反饋電阻和負(fù)荷的擬合公式Y(jié)=451.46X-1.003（測(cè)試前肩中間位置的傳感器）得到調(diào)整后的測(cè)試量程0～1 274 N。同時(shí)，通過電路反饋電阻轉(zhuǎn)換為電壓輸出（圖3、圖4）。

圖3 實(shí)驗(yàn)使用前后傳感器電阻和負(fù)荷重量關(guān)系Figure 3. Relationship between Sensor Resistance and Load before and after the Experiment

圖4 擴(kuò)大傳感器量程的方法Figure 4. Method of Expanding Sensor Range

表4 不同負(fù)荷重量對(duì)應(yīng)的反饋電阻Table 4 Feedback Resistances Corresponding to Different Loads

2.2 USB多通道數(shù)據(jù)采集卡

在Windows操作系統(tǒng)LabVIEW程序通用采集平臺(tái)運(yùn)行USB多通道數(shù)據(jù)采集卡，采用計(jì)算機(jī)供電。USB多通道數(shù)據(jù)采集卡主要由隔離電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、數(shù)字量輸入電路、數(shù)字量輸出電路、隔離通信接口以及MCU等組成（張青春，2012）。微控制器采用16位ARM芯片，數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)，并采用“看門狗”電路，在出現(xiàn)意外時(shí)重新啟動(dòng)系統(tǒng)，使得系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠，可以應(yīng)用在高性能和高速度的環(huán)境中（吳昊，2008）。輸入輸出單元與控制單元采用光電隔離，對(duì)輸入信號(hào)采取濾波措施，極大降低現(xiàn)場(chǎng)干擾對(duì)采集卡運(yùn)行的影響，使模塊具有較高的可靠性（袁月峰等，2012）。本研究數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用的USB 2.0多通道數(shù)據(jù)采集卡有10個(gè)端子。

2.2.1 采集卡輸入采樣原理

模擬量輸入采樣通過前端調(diào)理電路來實(shí)現(xiàn)（圖5）。

圖5 模擬量輸入采樣前端調(diào)理電路基本結(jié)構(gòu)Figure 5. Basic Structure ofAnalog Input Sampling Front-end Conditioning Circuit

傳感器的電流信號(hào)模擬量單端輸入線，以及采集卡8路模擬量單端輸入通道AI接線方式（袁寶紅等，2013）（圖 6）。

圖6 傳感器接線和AI模擬量接線Figure 6. Sensor Wiring andAIAnalog Wiring

2.2.2 USB 2.0多通道采集卡技術(shù)指標(biāo)

USB 2.0多通道采集卡技術(shù)指標(biāo)（表5）。

表5 USB信號(hào)模擬量的單端輸入通道功能指標(biāo)Table 5 Function Indexes of Single-end Input Channel of USB SignalAnalog Quantity

2.2.3 采集信號(hào)的處理

傳感器的信號(hào)經(jīng)過調(diào)理會(huì)進(jìn)入數(shù)據(jù)采集設(shè)備。信號(hào)調(diào)理功能包括放大、隔離、濾波，要根據(jù)傳感器的特性和要求設(shè)計(jì)特殊的信號(hào)調(diào)理功能（劉永永等，2017）。

信號(hào)放大，是指放大微弱信號(hào)以提高分辨率和降低噪聲，使調(diào)理后信號(hào)的電壓范圍和A/D的相匹配。信號(hào)調(diào)理模塊靠近信號(hào)源或傳感器，使信號(hào)在受到傳輸信號(hào)環(huán)境噪聲影響前已被放大，信噪比得到改善（趙玉玲等，2018）。C8051F350片內(nèi)具有可編程增益放大器（PGA），可放大ADC輸入。本研究采用的壓力傳感器電壓為0.25～1.25 V，橋壓為5 V，滿量程輸出電流為2.5 mA，設(shè)置PGA放大100倍。

信號(hào)隔離，是使用變壓器、光或電容耦合等方法在被測(cè)系統(tǒng)和測(cè)試系統(tǒng)之間傳遞信號(hào)，避免直接的電連接。同時(shí)，避免數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)據(jù)受地電位和輸入模式的影響，確保數(shù)據(jù)采集的安全、可靠（劉佳寧等，2016）。

信號(hào)濾波，是從測(cè)量的信號(hào)中除去不需要的成分。信號(hào)調(diào)理模塊有低通濾波器，用來濾除噪聲。通常還需要抗混疊濾波器，濾除測(cè)量信號(hào)中最高頻率以上的所有信號(hào)（劉佳寧，2016）。USB數(shù)據(jù)采集卡帶有抗混疊濾波器，截止頻率為采樣頻率的1/2.56，阻帶衰減大于-80 dB/oct。應(yīng)變傳感器通過外界電源或電流激勵(lì)信號(hào)給傳感器提供激勵(lì)。

2.2.4 ADC數(shù)據(jù)類型的A/D轉(zhuǎn)換及主控制器工作原理

模擬量輸入的采樣值經(jīng)過校正后，通過USB口上傳至上位機(jī)，主機(jī)讀取指定通道的采樣值。采樣值為16位數(shù)據(jù)，配置軟件對(duì)輸出采樣值數(shù)據(jù)類型的配置命令通過寫配置代碼實(shí)現(xiàn)，配置代碼和數(shù)據(jù)類型對(duì)應(yīng)，即數(shù)型代碼02對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)類型ADC采樣數(shù)據(jù)。

ADC數(shù)據(jù)類型代碼為2時(shí)，表示數(shù)據(jù)為ADC輸出數(shù)據(jù)型，16位有效數(shù)據(jù)，0X0000為0值，0～0X7FFF表示采樣值為負(fù)數(shù)，0X8001～0XFFFF表示采樣值為正數(shù)。0表示-10V，0XFFFF表示為10V。將采樣值數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的模擬量值需要區(qū)分正負(fù)數(shù)。假設(shè)采樣數(shù)據(jù)為X，負(fù)數(shù)的轉(zhuǎn)換公式為（-1）（0X8000-X）/0X7FFF×FSR，正數(shù)的轉(zhuǎn)換公式為（X-0X8000）×FSR/0X7FFF。其中，F(xiàn)SR為測(cè)量范圍量程值10V。將上下限值轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)類型寄存器數(shù)值的計(jì)算公式為08000＋X/FSR×0X7FFF，其中X為帶負(fù)荷的模擬量值（王琳等，2012）。

A/D轉(zhuǎn)換電路將模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可以識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，再將該信號(hào)輸入單片機(jī)，由單片機(jī)按固化參數(shù)處理后通過液晶顯示器輸出。片資源為16位Σ‐Δ型ADC，上信號(hào)采集裝置利用C8051F350片上16位Σ‐Δ型ADC實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換。為了獲得較高的轉(zhuǎn)換精度和穩(wěn)定性，需要A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，切換至內(nèi)部時(shí)鐘，使用SINC3濾波器，ADC 0調(diào)制時(shí)鐘MDCLK為2.457 6 MHz，抽取比為19：20，轉(zhuǎn)換速率為10 Hz（沈金鑫 等，2014）。

2.2.5 通信接口工作原理與作用

RS485總線采用平衡驅(qū)動(dòng)器和差分接收器的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，具有抗共模干擾能力強(qiáng)、抗噪聲干擾性好的特點(diǎn)。信號(hào)采集裝置采用RS485總線進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)傳輸，通過通信接口接收命令，完成相應(yīng)的數(shù)據(jù)操作，再通過通信接口將采集的數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)或其他設(shè)備。

2.3 LabVIEW數(shù)據(jù)采集程序

LabVIEW軟件是NI設(shè)計(jì)平臺(tái)的核心，在Windows系統(tǒng)上測(cè)量測(cè)試是其主要功能。LabVIEW軟件采用數(shù)據(jù)流G語言的編程方式，使用圖標(biāo)和連線通過編程控制界面對(duì)象，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、實(shí)時(shí)顯示、分析處理以及存儲(chǔ)等功能。軟件系統(tǒng)界面友好，具有良好的可操作性、易維護(hù)、可靠性和安全性。調(diào)用LabVIEW工具包中的函數(shù)可設(shè)計(jì)完整的測(cè)試測(cè)量應(yīng)用程序，如數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的信號(hào)采集、A/D轉(zhuǎn)換及主控制器、通信接口、電源規(guī)格、數(shù)據(jù)采樣頻率和樣本程序設(shè)置（楊樂平等，2005）。

基于LabVIEW軟件的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，是在上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)采集命令，由下位機(jī)接收并分析，完成壓力數(shù)據(jù)采集與處理，通過A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。主程序首先進(jìn)行相關(guān)初始化操作，對(duì)各種寄存器和顯示模塊進(jìn)行初始化，完成后調(diào)用信號(hào)采集模塊，得到壓阻式壓力傳感器電壓值，然后對(duì)采集到的輸出電壓信號(hào)進(jìn)行放大處理，調(diào)用ADC組件將采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再將該數(shù)字信號(hào)傳入單片機(jī)數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理（圖7）。信號(hào)經(jīng)過模塊處理后達(dá)到溫度補(bǔ)償和非線性校正的效果，有效改善傳感器的精度，最后儲(chǔ)存數(shù)據(jù)，并在顯示模塊中輸出（賈海明等，2016）。

圖7 LabVIEW數(shù)據(jù)采集程序流程Figure 7. DataAcquisition Procedure in LabVIEW

LabVIEW軟件平臺(tái)對(duì)一個(gè)模擬信號(hào)x（t）時(shí)間采樣1次。根據(jù)采集卡支持的最大頻率，設(shè)置采樣頻率為200 Hz滿足采樣定理，不需要的高頻成分利用低通濾波器（硬件形式的低通濾波器）濾除掉，保證滿足采樣定理，避免頻率混疊。信號(hào)采集后做適當(dāng)處理，提供5～10個(gè)周期的數(shù)據(jù)樣本，樣本總數(shù)是整周期個(gè)數(shù)。由于采樣率不一定是信號(hào)頻率的整倍數(shù)，不能保證提供整周期數(shù)的樣本，僅僅是一個(gè)時(shí)間序列的離散函數(shù)x（n）和采樣頻率，這是測(cè)量與分析的唯一依據(jù)。

2.4 數(shù)據(jù)采集校準(zhǔn)

LabVIEW函數(shù)庫(kù)提供串口通信函數(shù)，設(shè)計(jì)下位機(jī)與PC機(jī)的串口通信，定義通信協(xié)議有無奇偶校驗(yàn)。通過讀取有效校準(zhǔn)命令（分為壓力采集、溫度采集和下載修正系數(shù)），輸出經(jīng)過修正的當(dāng)前電壓值（沈金鑫等，2014）。在Win‐ dows下運(yùn)行USB 2.0測(cè)量程序AD校準(zhǔn)。

2.4.1 AD模擬量輸入的校準(zhǔn)

任選模擬輸入通道，如AI0通道，將AI0通道接正滿度電壓10 V，選擇0通道，屏幕為單通道顯示（只采集0通道）。開始采集后，調(diào)整電位器RP1，使采集到的AI0電壓為9 999.69 mV。重復(fù)以上步驟，直到滿足要求為止。

2.4.2 DA模擬量輸出的校準(zhǔn)

選擇菜單文件操作下的D/A輸出檢測(cè)，根據(jù)需要校準(zhǔn)的通道選擇相應(yīng)輸出，先將數(shù)字電壓表的地線與連接器模擬相接，電壓表的輸入端與A00輸出連接；再將DA輸出值設(shè)置為4 095，通過調(diào)整電位器RP2，使相應(yīng)的DA輸出為9 995.12 mV。重復(fù)以上步驟，直到滿足要求為止（沐阿華 等，2011）。

2.5 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)電源的規(guī)格要求及作用

選取恒流源供電有助于提高壓阻式壓力傳感器的測(cè)量精度。采用恒流源I供電時(shí)，輸出電壓與電阻的改變量ΔR有關(guān)且成正比線性關(guān)系。選取Agilent型號(hào)為E3646A的可控精密穩(wěn)壓源作為電源，以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)電路構(gòu)建恒流源為壓阻式壓力傳感器供電。選用低工作電壓的芯片，降低信號(hào)采集功耗，提高信號(hào)采集的可靠性和抗干擾能力。

根據(jù)上述理論與方法，基于LabVIEW軟件和USB多通道數(shù)據(jù)采集卡，設(shè)計(jì)和編輯肩撲摟撞擊力量數(shù)據(jù)采集操作程序。

3 肩撲摟撞擊力量測(cè)試儀的信效度檢驗(yàn)

3.1 效度檢驗(yàn)

測(cè)試儀的內(nèi)部效度：負(fù)荷與電阻的冪函數(shù)關(guān)系穩(wěn)定，測(cè)試前后的差值小于2‰，決定電流與撞擊力的對(duì)應(yīng)關(guān)系。結(jié)構(gòu)效度：測(cè)試儀采用的硬件、軟件及程序設(shè)計(jì)直接影響測(cè)試結(jié)果的精確性、有效性和科學(xué)性。壓阻式壓力感應(yīng)器片通過雙惠斯通橋曲流型壓敏電阻、合理的膜片形狀以及膜片外的金屬連接等巧妙的設(shè)計(jì)技術(shù)，提高傳感器的性能（Kumar et al.，2014）。采用解析和仿真方法對(duì)硅壓阻傳感器的特性進(jìn)行分析，確定最優(yōu)撞擊力量采集設(shè)計(jì)方案，為預(yù)估壓力傳感器的關(guān)鍵參數(shù)提供思路、性能提供依據(jù)（Jindal et al.，2018）。

3.2 信度檢驗(yàn)

運(yùn)用SPSS 25統(tǒng)計(jì)軟件，采用配對(duì)t檢驗(yàn)和皮爾遜相關(guān)性檢驗(yàn)測(cè)試前后擬合數(shù)值檢驗(yàn)測(cè)試儀的信度。

實(shí)驗(yàn)測(cè)試前后，外、中、內(nèi)傳感器的皮爾遜相關(guān)系數(shù)分別為“1.000”“1.000”和“0.999”，數(shù)值高度正相關(guān)，傳感器片的精確度不存在顯著性差異（P=0.000），差值小于2‰，數(shù)值的擬合曲線高度吻合，表明傳感器性能穩(wěn)定，信度高（表6）。

表6 傳感器片在相同負(fù)荷時(shí)反饋電阻值測(cè)試前后的皮爾遜相關(guān)性、測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)誤差（SEM）、95%CI差值和差值百分比Table 6 Pearson Correlation，Standard Error of Measurement（SEM），95%CI Difference and Percentage of Difference before and after Feedback Resistance Value of Sensor Chip Under the Same Load

3.3 采用實(shí)際負(fù)荷與標(biāo)定數(shù)值比較檢驗(yàn)測(cè)試儀的信效度

外部負(fù)荷與測(cè)試儀顯示標(biāo)量值不存在顯著性差異（P=0.000），兩數(shù)值高度正相關(guān)（皮爾遜相關(guān)系數(shù)為“1.000”），充分表明測(cè)試儀性能可靠、信度高的特點(diǎn)（表7～表8）。

表7 外部負(fù)荷值與測(cè)試儀顯示值的比較Table7 Comparison of ExternalLoadValueandTesterDisplayValue

表8 測(cè)試儀外部負(fù)荷值與顯示負(fù)荷值的皮爾遜相關(guān)性、測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)誤差、95%CI差值和差值百分比Table 8 Pearson Correlation，SEM，95%CI Difference and Percentage Difference of External Load Value and Tester Display Value

采用3次不同重量的外部負(fù)荷值與測(cè)試儀顯示負(fù)荷數(shù)值的差異性和相關(guān)關(guān)系，同時(shí)檢驗(yàn)測(cè)試儀的信效度。

4 肩撲摟撞擊力量測(cè)試儀的應(yīng)用

肩撲摟撞擊力量測(cè)試儀通過預(yù)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，為進(jìn)一步驗(yàn)證撞擊力量測(cè)試儀的科學(xué)性、實(shí)用性，2018—2019年，上海體育學(xué)院博士課題研究運(yùn)用肩撲摟撞擊力量測(cè)試儀，結(jié)合VICON動(dòng)作捕捉系統(tǒng)、肌電和三維測(cè)力臺(tái)進(jìn)行英式橄欖球肩撲摟技術(shù)撞擊效果影響因素的研究。

VICON動(dòng)作捕捉系統(tǒng)采用英國(guó)Vicon Motion System公司生產(chǎn)的紅外高速運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)和MX13型號(hào)的10臺(tái)攝像頭，鏡頭最高采集頻率可達(dá)10 kHz。實(shí)驗(yàn)選用200 Hz的采樣頻率，配套的標(biāo)志點(diǎn)為直徑14 mm的紅外反光marker球。粘貼反光marker點(diǎn)：受試者熱身后粘貼marker點(diǎn)于雙側(cè)肩峰、第7頸椎棘突、雙側(cè)足踝、下肢及骨盆。反光標(biāo)記點(diǎn)具體位置，包括環(huán)節(jié)標(biāo)記點(diǎn)：雙側(cè)肩峰、第7頸椎棘突、雙側(cè)大轉(zhuǎn)子、骨盆的雙側(cè)髂脊上緣、髂前上棘和髂骨后的后骶骨處，雙側(cè)的膝內(nèi)、膝外、踝內(nèi)、踝外，足跟正后方的跟骨結(jié)節(jié)處、足尖、第1和第5跖骨頭，以及通過粘貼、捆綁固定在兩側(cè)大腿和小腿環(huán)節(jié)的4組追蹤點(diǎn)。每組環(huán)節(jié)追蹤點(diǎn)粘貼在貼合環(huán)節(jié)外形的熱塑板上，以保證4個(gè)反光標(biāo)記點(diǎn)在環(huán)節(jié)運(yùn)動(dòng)時(shí)相對(duì)位置保持不變。受試頸椎、肩峰、骨盆和雙側(cè)下肢反光點(diǎn)安放位置參照Visual 3D分析軟件默認(rèn)的下肢模型marker點(diǎn)放置方式，共34個(gè)（撞擊時(shí)去掉肩峰的1個(gè)點(diǎn)）反光標(biāo)記點(diǎn)。

肌電采集采用Delsys Trigno Wireless EMG System，采集頻率為2 000 Hz，共12個(gè)無線肌電塊粘貼在軀干右側(cè)豎脊肌、軀干左側(cè)多裂肌，以及雙側(cè)的臀大肌、股直肌、股二頭肌、腓腸肌、脛骨前肌。采用肌電時(shí)域指標(biāo)，判斷撞擊時(shí)下肢肌肉激活的程度和時(shí)序，分析不同體位正反架肩撲摟撞擊是否存在差異性，以及與撞擊效果的相關(guān)關(guān)系。

三維測(cè)力臺(tái)采用瑞士奇石樂公司生產(chǎn)的Kistler三維測(cè)力臺(tái)（長(zhǎng)×寬×高：90×60×10 cm，型號(hào)為9287B），內(nèi)置信號(hào)放大器，最大側(cè)向力和垂直力分別可達(dá)10 kN和20 kN。實(shí)驗(yàn)采樣頻率為1 000 Hz，動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)使用But‐terworth二階雙向低通濾波器濾波，截止頻率為50 Hz。運(yùn)用動(dòng)力學(xué)指標(biāo)，分析雙腳起始力與撞擊力量的關(guān)系，判斷和評(píng)價(jià)肩撲摟動(dòng)作的防守質(zhì)量及發(fā)力過程的合理性，有利于預(yù)防運(yùn)動(dòng)損傷，作為運(yùn)動(dòng)建模的參考。

設(shè)備同步：測(cè)力臺(tái)和VICON系統(tǒng)通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器連接并同步構(gòu)成，Delsys無線肌電采集系統(tǒng)通過同步盒與VICON系統(tǒng)同步（圖8）。

圖8 撞擊力量測(cè)試系統(tǒng)的應(yīng)用Figure 8. Application of Impact Force Testing System

實(shí)驗(yàn)分別對(duì)3名備戰(zhàn)第32屆夏季奧運(yùn)會(huì)的中國(guó)國(guó)家隊(duì)運(yùn)動(dòng)員、4名中國(guó)青年隊(duì)運(yùn)動(dòng)員、6名前中國(guó)國(guó)家隊(duì)運(yùn)動(dòng)員和5名一級(jí)運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行肩撲摟撞擊力量測(cè)試。測(cè)試在室內(nèi)22℃恒溫條件下進(jìn)行。熱身活動(dòng)后，準(zhǔn)備姿勢(shì)采用比賽中習(xí)慣的肩撲摟站位，雙腳在測(cè)力臺(tái)上從靜止開始，分別用反架優(yōu)勢(shì)肩在高、中、低體位進(jìn)行3次全力有效撞擊，每次撞擊時(shí)間間隔120 s（表9）。

表9 不同體位正反架肩撲摟撞擊力量測(cè)試結(jié)果Table 9 Result of Impact Strength Test of Positive/Negative Shoulder Posture in Different Body Positions

5 結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)前后的肩撲摟撞擊力量感應(yīng)裝置肩外、中、內(nèi)部的傳感器片反饋電阻和負(fù)荷重量的擬合曲線吻合度誤差＜2‰，重復(fù)測(cè)量測(cè)試儀的外部負(fù)荷數(shù)值與顯示標(biāo)量值誤差＜5%，證明撞擊力量測(cè)試儀性能穩(wěn)定，信度高。為了減少肩部與撞擊柱之間的摩擦力，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測(cè)試篩選，選用摩擦系數(shù)較低的萊卡面料，在保護(hù)撞擊力量感應(yīng)裝置的同時(shí)，縮小撞擊力量實(shí)際值與采集值之間的誤差。

LabVIEW軟件和USB多通道數(shù)據(jù)采集卡在Windows操作系統(tǒng)中運(yùn)行正常，滿足測(cè)試的功能要求。LabVIEW程序可以非常便捷地控制計(jì)算機(jī)、USB和電路等硬件設(shè)備，找到適用于測(cè)試測(cè)量的LabVIEW工具包中的函數(shù)，設(shè)計(jì)完整的測(cè)試測(cè)量應(yīng)用程序。

USB多通道數(shù)據(jù)采集卡性能穩(wěn)定，在電信號(hào)與力的轉(zhuǎn)換過程中，單片機(jī)讀FT2232H緩存，接收D/A信號(hào)類型（正弦）、信號(hào)幅度、頻率配置指令。由于D/A受中斷周期最小值限制，數(shù)組大小隨信號(hào)頻率而變化，根據(jù)信號(hào)函數(shù)計(jì)算每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的值并寫入數(shù)組。在每次中斷，讀取該數(shù)組對(duì)應(yīng)時(shí)刻的值送D/A轉(zhuǎn)換輸出。

在恒溫22℃的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行肩撲摟撞擊力量測(cè)試，降低了FlexiForceTM A502壓阻式壓力感應(yīng)器片的溫度漂移。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用恒流源I供電，輸出電壓U0i與電阻的改變量ΔR成正比，與輸入壓力值呈線性關(guān)系。同時(shí)，測(cè)量傳感器放大后的輸出電壓，避免因輸出過小導(dǎo)致讀數(shù)不準(zhǔn)確。

應(yīng)用測(cè)試儀成功測(cè)試了我國(guó)優(yōu)秀女子橄欖球運(yùn)動(dòng)員肩撲摟撞擊力量。不同體位女子優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員肩撲摟撞擊力量最大值為832 N，平均撞擊力量為體質(zhì)量的119%，測(cè)試結(jié)果在撞擊力量感應(yīng)裝置有效量程，并且在小于1 000 N閾值范圍。電壓信號(hào)隨著反饋電阻的減小增加明顯，即擬合曲線Y值隨著X值的減小有明顯的增加。在這種變化關(guān)系下，信號(hào)采集過程精確、可靠和有效。測(cè)試結(jié)果表明，一方面，英式橄欖球肩撲摟撞擊力量?jī)?yōu)秀男、女運(yùn)動(dòng)員存在較大的差距。優(yōu)秀男子運(yùn)動(dòng)員在跑和跳躍的狀態(tài)下，肩撲摟撞擊力量是體質(zhì)量的175%和223%，在走的狀態(tài)下是體質(zhì)量的128%～157%。另一方面，男、女運(yùn)動(dòng)員肩撲摟撞擊力量有共同的特征。在靜止啟動(dòng)狀態(tài)下，優(yōu)秀女子橄欖球運(yùn)動(dòng)員肩撲摟撞擊力量正架大于反架，肩撲摟撞擊力量正反架之間存在顯著性的差異。研究表明，優(yōu)秀男子運(yùn)動(dòng)員在靜止啟動(dòng)和移動(dòng)狀態(tài)下正架肩撲摟撞擊力量大于反架（Keller et al.，1996；Munro et al.，1987），這一特征與優(yōu)秀女子運(yùn)動(dòng)員相似。

6 研究局限

設(shè)計(jì)壓力感應(yīng)裝置是根據(jù)測(cè)試對(duì)象的體形特征，直接采用FlexiForceTM A502壓阻式壓力感應(yīng)器片。然而，面對(duì)肩部寬大和肩撲摟技術(shù)不正確的運(yùn)動(dòng)員，尤其是肩撲摟時(shí)肩部撞擊部位會(huì)直接影響壓力感應(yīng)裝置的數(shù)據(jù)采集，因此，要根據(jù)實(shí)際尺寸定制適宜的傳感器片，采用正確的肩撲摟技術(shù)，才能保證測(cè)量結(jié)果的精確性、可靠性和有效性。此外，實(shí)驗(yàn)撞擊柱的剛度與人體存在差異，一定程度上影響了測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確度，后期研究將逐步改進(jìn)。

7 結(jié)論與展望

本設(shè)計(jì)應(yīng)用LabVIEW軟件、USB多通道數(shù)據(jù)采集卡和FlexiForceTM A502壓阻式壓力感應(yīng)器片完成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及撞擊力量感應(yīng)裝置的整體構(gòu)建。研制撞擊力量測(cè)試儀的理論和思路正確，設(shè)計(jì)力量撞擊裝置的方案合理，編輯數(shù)據(jù)采集的程序有效，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。通過信效度檢驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用，充分驗(yàn)證了測(cè)試儀性能穩(wěn)定、可靠，信效度高，可便捷有效地測(cè)量女子肩撲摟撞擊力量。