“测时鞋”的研制及其应用

时间参数在一些运动项目中是个很重要的参数。本文研制出的“测时鞋”能测出运动员跑步过程中每一步的时间(腾空时间、支撑时间、总时间),这对运动员训练和教练员指导训练将有很大的意义,并且其成本低,所以它的应用前景将是广阔的。

“测时鞋”的研制及其应用

闫松华1，金季春2，南光熙3，黄平江3

1首都医科大学生物医学工程学院，北京（100069）

2北京体育大学，北京（100084） 3中国机械科学研究院，北京（100044）

摘 要：时间参数在一些运动项目中是个很重要的参数。本文研制出的”测时鞋”能测出运动员跑步过程中每一步的时间（腾空时间、支撑时间、总时间），这对运动员训练和教练员指导训练将有很大的意义，并且其成本低，所以它的应用前景将是广阔的。 关键词：测时鞋，研制，应用，传感器

在许多运动项目中，时间都是一个很重要的参数。而生物力学对这些项目的研究，目前所用的测时间的方法一般是通过摄像机的拍摄得到的，这种方法因为拍摄范围的限制，致使所得的时间值很有限，这就影响到运动员和教练员对技术动作的掌握情况。本文作者研制出的”测时鞋”可以测出跑步过程中每一步的时间，包括腾空时间、支撑时间和总时间。它是在跑鞋的鞋底上安装传感器，当传感器感受压力时，感应电极将产生信号，再通过一些电路，将数据传出来，这样将能测出运动员每一步的时间。

1. “测时鞋”的制作思路

我们选择了一组专用并联开关作为鞋底的传感器。因为在运动员跑步过程中，一般都是脚的前外侧先着地，所以开关安在跑鞋（钉鞋）前外侧部分的钉子与钉子之间的缝隙中，开关安上后，用一种做轮胎用的橡胶，并将其剪成合适的大小，粘在上面既起到保护开关的作用，又不至于影响信号的传递。在作者用”测时鞋”所完成的实验中，每只鞋上有三处安了开关。

测时鞋的整个系统我们称之为”跑步时间信息无线采集系统（以下简称无线采集系统）”，主要用于采集运动员在跑步过程中的时间信息，例如左脚和右脚支撑时间、腾空时间，以及从起跑到终点全过程的用时等，供运动员、教练员和科研人员进行分析和研究。

2. “测时鞋”的研制原理

2.1系统组成和功能

无线采集系统主要由传感器、调制信号发生器、无线发射电路、无线接收电路、基准时钟和计时器、操作按钮和蜂鸣器以及单片机系统、微机、处理软件等部分组成，参见图1。

时间参数在一些运动项目中是个很重要的参数。本文研制出的“测时鞋”能测出运动员跑步过程中每一步的时间(腾空时间、支撑时间、总时间),这对运动员训练和教练员指导训练将有很大的意义,并且其成本低,所以它的应用前景将是广阔的。

各部分功能简述如下：

图1 a 传感器和无线发射单元示意图

图1 b 无线信号接收和采集系统

1） 传感器是安装在跑鞋上的一组专用并联开关，在跑步过程中，随着运动员左脚（或右脚）着地和腾空，传感器开关在运动员重力作用下闭合或断开。传感器通过导线连接到发射单元的调制信号发生器。为便于叙述，安装在左脚跑鞋上的传感器简称为左传感器，右跑鞋上的称为右传感器。

2） 调制信号发生器和无线发射电路组成发射单元,使用时由运动员固定在身上适当位置。调制信号发生器根据左传感器和右传感器的不同状态，产生四种频率不同的调制信号，并通过无线发射电路由天线发射出去。

3） 无线接收电路、基准时钟和计时器、操作按钮和蜂鸣器以及单片机系统等，组成信号接收采集单元。

无线接收电路接收并解调无线信号，供单片机处理。基准时钟和计时器为单片机系统提供准确的时间。操作人员通过操作按钮和蜂鸣器实现人机对话，进行操作。

单片机系统是整个无线系统的核心，它通过操作按钮接受操作指令，读取无线信号并判断分析左右传感器状态及变化，将每一传感器状态变化及变化的时刻作为一条记录，保存在存储器中。通过串行接口，把所有记录数据传送给微机。由于采用数据不挥发存储器，即使关断电源，保存在其中的数据也不会丢失。

4）微机借助于专用处理软件接收单片机无线采集数据，并对数据进行整理分析，给出运动员跑步过程中每一步支撑时间、腾空时间，及自起跑到终点用时等数据。

2.2操作按钮、指示灯和拨码开关

操作按钮、指示灯和拨码开关在接收单元线路板上的位置如图2所示。

时间参数在一些运动项目中是个很重要的参数。本文研制出的“测时鞋”能测出运动员跑步过程中每一步的时间(腾空时间、支撑时间、总时间),这对运动员训练和教练员指导训练将有很大的意义,并且其成本低,所以它的应用前景将是广阔的。

1.信号指示灯 2.“准备按钮 3.“起跑”按钮 4。“停止”按钮 5.“清零”按钮 6.拨码开关 7.“复位”按钮 8. 左传感器状态指示灯 9. 右传感器状态指示灯 10.蜂鸣器 11.电源开关。 图2 各操作按钮、指示灯在接收单元线路板上

的位置

其功能如下：

1） 信号指示灯表示接收无线信号的情况，长亮表示无线信号接收正常，不亮或闪烁表示没有信号或接收不正常。

2） 两个传感器指示灯分别表示两传感器状态，指示灯亮表示传感器闭合（即脚触地）。指示灯不亮表示传感器断开（即脚腾空）或尚未进入”准备”。

3） 拨码开关用于选择数据存储区。本系统设计有四个数据存储区，每个数据区保存一次测试的数据。在测试之前应通过拨码开关正确选择指定数据区。拨码开关使用方法如下：

①拨码开关1、3、5、7分别对应数据区1、2、3、4，拨到”on”位置有效；

②拨码开关8应始终拨在”on”位置。应注意，如果反复使用同一数据区，则前一次的测试数据将被覆盖丢失。如果同时使用两个以上数据区，系统将认为选择错误并通过蜂鸣器报警。

③清零按钮用于四个数据区的清零。 ④复位按钮用于整个单片机的重新启动。

2.3操作过程说明

1）开机过程

①开机前检查传感器连线、电池等连接是否正确。 ②接通发射单元上的电源开关。

③接通接收线路板上的电源开关。这时程序开始运行，蜂鸣器会发出一”嘀”的声音，提示：检查信号接收指示灯，如长亮，表示无线信号接收正常。

④通过拨码开关选择指定数据存储区。

⑤如果需要清除四个数据区的所有数据，按”清零”按钮。 2）测试过程

① 按”准备”按钮。（这时，如果无线信号不正常或数据区选择不正确，系统将通过蜂鸣器报警，提示操作人员按”复位”按钮，重新启动运行程序。）按”准备”按钮之后，传感器状

时间参数在一些运动项目中是个很重要的参数。本文研制出的“测时鞋”能测出运动员跑步过程中每一步的时间(腾空时间、支撑时间、总时间),这对运动员训练和教练员指导训练将有很大的意义,并且其成本低,所以它的应用前景将是广阔的。

态指示灯指示运动员左右脚着地状态。

② 当运动员起跑时，按”起跑”按钮。这时单片机系统开始采集传感器状态变化及变化时刻，并将数据存到指定的数据存储区。

③ 当运动员跑到终点时，按”停止”按钮。单片机发出三声”嘀”声，提示程序结束本次测试，并重新开始运行。

3）与微机进行数据传输和软件处理过程

用专用传输线连接接收单元线路板上的串行口和微机串口1，接通接收单元电源开关，然后在微机上运行专用软件，即可将单片机系统四个数据区的数据传送到微机，微机首先把这些数据存到指定的数据文件，然后对数据进行整理分析，通过屏幕给出运动员跑步过程中每一步支撑时间、腾空时间，及自起跑到终点用时等数据。用专用传输线将接受单元线路板上的数据传送到微机后的几个操作步骤如下图几个界面所显示的：

界面1 界面

2

界面3

时间参数在一些运动项目中是个很重要的参数。本文研制出的“测时鞋”能测出运动员跑步过程中每一步的时间(腾空时间、支撑时间、总时间),这对运动员训练和教练员指导训练将有很大的意义,并且其成本低,所以它的应用前景将是广阔的。

界面4

首先选择界面1所显示的E，则出现界面2要求的—读96无线数据并保存，输入文件名；之后再选界面1中显示的F—解读无线数据文件，出现界面3所示的数据形式；最后经过处理，得到如界面4所显示的我们要求的状态的时间数据。

3. “测时鞋”的应用

测时鞋的研制使得跑步过程中每一步的腾空时和支撑时以及每个单步的总时间的测出成为可能。步时即每一步的时间（包括支撑时和腾空时）是跑步时身体位移在时间方面运动学特征的表现，是运动生物力学分析跑步技术的重要因素：它可以作为分析运动员跑步技术的依据，也可以作为监控运动员训练情况的指标以对运动员进行生物反馈训练的手段。

3.1验证“测时鞋”的可行性

为了验证测时鞋的可行性，我们用两种方法（即：通过数码摄像机拍摄所得和用测时鞋测得）分别来测三名短跑运动员跑步的时间，三名运动员的基本情况如下表1所示：

编号 1 2 3

性别 男 女 女

年龄

表1 运动员基本情况

运动年龄 身高(m)

1.69 1.62 1.72

体重(kg) 65 50 56

最好成绩 (s) 10``86 11``8 11``9

16 2.5 16 3.5 15 2

将测得的时间进行比较，结果如下表2所示：

编号及状态

表2 两种方法所测拍摄范围内时间的比较（单位：毫秒）

右脚/左脚支双脚腾 左脚/右脚 双脚腾 右脚/左脚 撑时间

空时间

支撑时间

空时间

支撑时间

双脚腾 空时间

时间参数在一些运动项目中是个很重要的参数。本文研制出的“测时鞋”能测出运动员跑步过程中每一步的时间(腾空时间、支撑时间、总时间),这对运动员训练和教练员指导训练将有很大的意义,并且其成本低,所以它的应用前景将是广阔的。

1

空 手 时 负 重 时 2

空 手 时 负 重 时 3

空 手 时 负 重 时

方法2

100 140 100 160 100 160

方法1是用测试鞋测试时间； 方法2是通过拍摄得到时间。

方法1 方法2 方法1 方法2 方法1 方法2 方法1 方法2 方法1

91 122 96 141 96 139 80 140 80 160 80 160 105 136 102 121 95 128 100 140 100 120 100 140 99 135 90 150 104 144 60 160 80 160 100 160 105 144 110 145 106 146 100 160 100 140 100 160 99 139 101 149 104 148

方法1 方法2

112 170 113 164 115 173 100 160 100 180 80 180

对表2中徒手和负重两种情况下两种方法（拍摄与测时鞋）测出的时间数据进行相关性检验：得出：

徒手时：相关系数r1=0.93, 负重时：相关系数r2=0.958, 查表得：r（0.001，16）=0.708

r1> r（0.001，16），r2> r（0.001，16），

即：P<0.001，相关系数有非常显著性意义。

因为当r>0.9时，高度相关，所以两种测时间的方法是可以推测的。即”测时鞋”测时间是可靠的。

通过两种方法所测时间的比较，可以看出得到的时间值虽然有些差距，但是其趋势是一致的。用测时鞋测时间可以精确到毫秒，误差可控制在1-3毫秒，而由于摄像机的拍摄频率是50HZ，两幅画面的间隔时间是0.02秒，所以测时鞋所测的时间比由该方法得到的时间更加精确。由此可见，此测时鞋除了具有能及时得到每一步的支撑时间和腾空时间的优点外，其精确度还是很高的。故此测时鞋研制的意义是显而易见，它将具有巨大的应用价值，可推广至许多项目，比如跨栏、竞走、跳远、跳高等。

3.2用“测时鞋”测得的时间参数分析运动员技术的优劣

步时即每一步的时间（包括支撑时间和腾空时间），是跑步时身体位移在时间方面运动学特征的表现，是分析跑技术的重要因素。它可以作为分析运动员跑技术的依据，也可以作为监控运动员训练情况的指标以及对运动员进行生物反馈训练的手段。[1]测时鞋的研制使得短跑过程中每一步的腾空时间和支撑时间以及每个单步的总时间及时反馈成为可能。

短跑中时间的变化是有一定规律的，比如：随着跑速的增加，腾空时间变大，而支撑时

[1]

在短跑过程中支撑时占每一个单步总时间的比例可从开始时的77%降到途中跑时间变小；

的43%，相应的腾空时占每一个单步的总时间的比例从开始的23%升至57%。根据这些规

时间参数在一些运动项目中是个很重要的参数。本文研制出的“测时鞋”能测出运动员跑步过程中每一步的时间(腾空时间、支撑时间、总时间),这对运动员训练和教练员指导训练将有很大的意义,并且其成本低,所以它的应用前景将是广阔的。

律，从”测时鞋”得到的时间值就可以对运动员的技术动作的好坏进行评价，并提出改进技术的方向。

3.3建立短跑单步技术模型

为了使”测时鞋”更广泛地应用于运动实践，我们试图建立短跑的一个单步技术模型，为该系统反馈控制的软件开发提供一种思路。

例如：

A．利用摄像机拍摄和运动技术分析系统对图像进行解析，以获得步长和步速，求腾空步长，支撑步长及抛物线高度D。

图4 一个单步支撑和腾空阶段的模型示意图

图4表示一个单步的支撑阶段和腾空阶段的模型图。其中： S1+ S3=支撑步长 对应于支撑时间； S2=腾空步长 对应于腾空时间； h表示支撑高度；

L1表示大腿长度，L2表示小腿长度，θ表示大腿与小腿的夹角。

已知：V腾，t腾，S 求：S2 、D

解：以1号为例：（相关数值参考下表3）

用数码摄像机拍摄的三名运动员途中跑阶段两个复步范围内的一些运动学变量见下表3：

编号及所处状态 1 3

徒手时 负重时 徒手时 负重时

表3 通过拍摄所得的拍摄范围内的一些运动学变量

步数 步长（米）步频（步/秒）

第18-21第19-21第19-22第18-20

2.1731 3.5897 2.0870 4.5706 2.0342 4.0064 2.0439 4.0064

速度（米/秒） 7.8009

9.5388 8.1497 8.1886

时间参数在一些运动项目中是个很重要的参数。本文研制出的“测时鞋”能测出运动员跑步过程中每一步的时间(腾空时间、支撑时间、总时间),这对运动员训练和教练员指导训练将有很大的意义,并且其成本低,所以它的应用前景将是广阔的。

2

徒手时 负重时

第17-19第17-20

1.8978 4.3559 2.0767 4.0064

8.2665 8.3201

腾空步长S2 = V腾*t腾 =7.8（米/秒)*0.173（秒） =1.35米

支撑步长S1+ S3=S- S2 =2.17-1.35=0.82（米） t支/ t腾=0.115/0.173=0.66 (S1+ S3)/ S2=0.82/1.35=0.61 t支/ t腾≈(S1+ S3)/ S2

可见实验证实二者关系是成立的。即 t支/ t腾的比例基本上反映了支撑步长/腾空步长。 D=(1/2)g (t腾/2)2=(1/2)×9.8×(0.173/2)2=0.037（米）

D越小越好，表明身体起伏小，即消耗在无用功上的能量少。

三名运动员的腾空步长、支撑步长和抛物线高度的值如下表4所示，单位是米。

3 1.18 0.85 0.026 2 1. 13 0.77 0.021

从上表的D值比较，2号的值小于3号的值，说明2号的动作比3号的好一些；从她们的最好成绩比较，也是2号稍好于3号。而1号的值大于2号和3号的值，表明1号的起伏比2号和3号两位更大一些，即在运动中消耗在无用功上的能量更大一些。

B．求h值

图5 一个单步中支撑阶段的模型图

时间参数在一些运动项目中是个很重要的参数。本文研制出的“测时鞋”能测出运动员跑步过程中每一步的时间(腾空时间、支撑时间、总时间),这对运动员训练和教练员指导训练将有很大的意义,并且其成本低,所以它的应用前景将是广阔的。

图5 所示是一个单步中支撑阶段的示意模型图。图中L1表示大腿长，L2表示小腿长，θ、α、β表示大腿与小腿在不同位置时的夹角，h表示支撑高度，S1、S2、S3表示运动员在不同位置着地时的支撑步长。

1.θ角最小，h最小，支撑步长S1最大；

2.θ角变大，变为α时，h变大，支撑步长变小为S2； 3.θ角最大，变为β时，h最大，支撑步长最小为S3；

4.θ角=180°，h=大腿长+小腿长，处于极限位置，支撑步长为0。

已有研究证明：跑速越快，支撑时间越短，相对的步长也小，但是支撑步长不能等于零，否则不是跑了。对具体运动员来说，应有最佳的支撑高度h和支撑步长。

支撑步长越大，支撑高度越小，使腾空时的抛物线越陡，我们可以从腾空步长求出最佳支撑步长和高度。

，L1和L2 已知：S1（相当于前述的S1+S3）求：h

解：h=√ 121 =√ (0.30+0.385)2-( 0.82/2)2

=0.55（米）（以1号受试者为例）

h值越大越好，表明膝角越大，撑地动作越好，落地缓冲和”蹬地”动作越少，腿的弹簧式反弹动作越好。

求膝角θ： θ

=arccos(

表4显示了三名运动员的支撑高度和膝角的值，支撑高度的单位为米，膝角的单位是度。

3 0.63 111.96° 2 0.62 116.13°

L12+L22-h2

120.231

0.09+0.148-0.3025

=arccos(-0.2782) =106.16°（以1号受试者为例）

上表的膝角比较结果，2号最大，即2号的动作比1号和3号的都好一些，说明她的撑地动作更好一些。从她们的最好成绩比较，2号稍好于3号，而1号的成绩是最好的，但他与3号和2号存在性别差异。

从以上例子可以看出，通过实验数据的验证，以上两个模型是可以判断出运动员技术的优劣的。

时间参数在一些运动项目中是个很重要的参数。本文研制出的“测时鞋”能测出运动员跑步过程中每一步的时间(腾空时间、支撑时间、总时间),这对运动员训练和教练员指导训练将有很大的意义,并且其成本低,所以它的应用前景将是广阔的。

4. 小结

本研究研制出的”测时鞋”测短跑过程中的时间参数，经验证是可行的，它可以应用于运动实践，指导训练，并且以其成本低，实用性强而显示出它巨大的应用价值和广阔的应用前景。

参考文献

[1]全国体育学院教材委员会.运动生物力学.人民体育出版社.1990.6:288-309.

Manufacture and Application of “The shoes measuring the

time”

Yan Songhua1, Jin Jichun2, Nan Guangxi3, Huang Pingjiang3

1 Biomedical engineering school, Capital University of Medical Sciences, Beijing (100069)

2 Beijing Sport University, Beijing (100084)

3 China mechanical academy of sciences, Beijing (100044) Abstract

The time is a very important parameter in some sport events. “The shoes measuring the time” manufactured in this paper may get the time of every step during the running (the flight time, the support time, the total time), which is significative to the training of the athletes and coach instructing the drill and it cost little. So it will apply widely in many fields.

Keywords: The shoes measuring the time; Manufacture; Application; transducer

作者简介：闫松华（1974-），女，博士，讲师，研究方向：运动生物力学。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/9xs4.html