一种冰刀三维刚性桥测力台的制作方法

本实用新型涉及体育运动器械，具体的涉及一种可以检测运动员滑冰时冰刀受力大小、方向、冰刀开合状态等的器械。

背景技术：

人在行走、奔跑时，会通过足部对地面施加一个力，同时地面给予足部一个反作用力，这些矢量力是三维的，通常由一个竖直方向的力和两个沿水平面垂直的分力组成。在速度滑冰运动中，人体通过对冰刀这一刚体施加力，向侧后方蹬冰，形成向侧前方的反作用力作为推进力，进而在冰面上向前滑行。

在体育领域，各项运动三维测力的可行性和精准性，对于科学训练和科学研究都十分重要。在上述陆地运动当中，一般通过在地面埋放三维测力台来获取跑步时人体足部与地面接触时的三维地面反作用力，由于测力台是固定的，一般测力台的坐标即为大地坐标。而在速滑运动中，由于冰面、冰刀的限制以及速滑的高速特点，传统的三维测力台无法在冰面使用，无法满足速滑运动中对三维地面(冰面)反作用力的大小、方向、作用中心位置以及力的大地坐标系等研究要求，这也造成了目前在速滑训练时运动员、教练员和科研人员对三维冰面反作用力(蹬冰力)数据的了解不足，影响训练的效果和科学性。

自克莱普式冰刀(nl-c-1007303、nl-c-1007231)实用新型以来，各项国际赛事上的成绩刷新无疑证明了克莱普式冰刀相比传统连体式冰刀的速度更快。这主要归功于克莱普冰刀的开合式设计更为符合人体的运动特征，能使得运动员在蹬冰时更为舒展，利用到踝关节跖屈的力量，增加了单次滑行的距离，提高了滑行效率。然而，这一通过机械结构改变滑行技术，提高滑行效率的实用新型，却由于上述的三维冰面反作用力采集的问题，难以进行深入的运动生物力学研究和动作技术分析。

目前，根据对现有的关于克莱普式冰刀的调研发现，现有的克莱普式冰刀(cn101795735b)仅对冰刀铰链自由度以及阻尼装置等进行改进，并不涉及上述对于三维冰面反作用力的测量以及冰刀开合状态的检测。

因此，我们需要一种可以同时精准测量速度滑冰时冰刀受力(力的大小、方向以及作用中心位置)情况、空间位置以及开合状态(角度、开合时间)的设备。

技术实现要素：

本实用新型提供一种可检测克莱普冰刀受力大小、方向及开合状态的无线三维刚性桥测力台，以解决目前克莱普冰刀无法测量三维冰面反作用力以及开合状态的问题，主要应用于冰刀式冰鞋。

本实用新型第一方面，提供一种冰刀三维刚性桥测力台，所述三维刚性桥测力台包括上刚性桥、下刚性桥、三维力传感器运动测量单元；所述上刚性桥和下刚性桥通过铰链连接在冰刀上，所述上刚性桥和下刚性桥之间安装固定有前后二个三维力传感器，用于检测冰刀受力大小；所述运动测量单元用于检测刚性桥测力台的空间位置，所述运动测量单元安装固定于上刚性桥后部。

上述运动测量单元包括蓄电池、信号采集发射器、三轴陀螺仪、三轴磁感仪、三轴加速度计，所述蓄电池分别与信号采集发射器、三轴陀螺仪、三轴磁感仪、三轴加速度计和三维力传感器电连接，所述信号采集发射器用于采集和传输数据。

上述三维刚性桥测力台还包括角度传感器，用于测量冰刀的开合角度及开合时间。

上述角度传感器安装于铰链内。

上述三维力传感器分别封装在刚性壳体内，所述三维力传感器壳体与上下刚性桥之间无缝贴合。

上述冰刀为冰鞋的冰刀，上述三维力传感器通过螺栓与上下刚性桥固定连接，刚性桥通过前后二个冰鞋连接槽与冰鞋可拆卸式固定，所述冰鞋连接槽连线、前后二个螺栓连线以及前后三维力传感器连线的垂直投影与冰刀的长轴在同一直线上。

上述冰刀后部固定安装有阻尼装置，所述阻尼装置用于防止下刚性桥与冰刀直接接触。

上述冰鞋连接槽设置于上刚性桥桥面上，上刚性桥通过卡扣方式与冰鞋连接固定。

上述运动测量单元通过卡槽、螺丝或者焊接安装固定于上刚性桥后部。

上述冰刀为克莱普冰刀。

本实用新型解决该技术问题所采取的技术方案为：

本实用新型提出一种可检测冰刀受力大小、方向及开合状态的无线三维刚性桥测力台，包括：通过前后传感器螺栓连接的上、下刚性桥以及前后传感器刚体组成的刚性桥结构，该结构通过冰刀前段铰链与冰刀连接，冰刀后部设有阻尼装置。

其特征在于，在所述的刚性桥结构中的前后传感器刚体内分别设有三维力传感器，用于测量刚性桥所受的实时三维受力，即冰刀所受的地面反作用力。

进一步地，所述的上刚性桥桥面设有冰鞋连接槽，后端设有运动测量单元、蓄电池以及信号采集发射器，用于供电以及测量刚性桥测力结构的实时空间位置，同时将数据发送至移动终端；

进一步地，所述三维力传感器安装的传感器刚体与上下刚性桥之间必须无缝贴合，保证没有相对移动，确保测力的准确性；同时，冰鞋连接槽连线、前后传感器螺栓连线以及前后测力传感器连线的垂直投影必须与冰刀的长轴在同一直线，以保证足、测力台以及冰刀在同一坐标下，确保力的方向以及反作用力作用位置计算的准确性。

进一步地，所述运动测量单元，包括三轴陀螺仪、三轴磁力计以及三轴加速度计，用于实时测量速滑运动时的实时空间位置，用于计算转换传感器坐标至大地坐标。

进一步地，所述的铰链内设有角度传感器，用于测量冰刀的开合角度及开合时间。

本实用新型可实时监测运动员的三维蹬冰力的大小、方向(传感器坐标以及大地坐标)、反作用力作用点位置以及冰刀的开合状态(角度、时间)，填补我国速度滑冰运动三维测力的空白，为速度滑冰运动的科学训练和科学研究提供必要的参考，为有效提高速度滑冰运动员的技术能力、速滑冰刀的结构设计改进以及运动生物力学研究等方面提供可靠的数据和依据。

附图说明

图1为本实用新型实施例中一种可检测克莱普冰刀受力大小、方向及开合状态的无线三维刚性桥测力台连同冰刀的正侧面示意图；

图2为本实用新型实施例中一种可检测克莱普冰刀受力大小、方向及开合状态的无线三维刚性桥测力台连同冰刀的俯视示意图；

图3为本实用新型实施例中运动测量单元检测测力台空间位置以及转换坐标系的示意图；

图4为本实用新型实施例中电子连接示意图。

1.冰刀；2.铰链(内设角度传感器)；3.上刚性桥；4.下刚性桥；5.后三维力传感器刚体；6.前三维力传感器刚体；7.运动测量单元：蓄电池、信号采集发射器、三轴陀螺仪、磁感仪、三维加速度计；8.阻尼装置；9.弹簧；10.弹簧挂座；11.前传感器螺栓；12.后传感器螺栓；13.前冰鞋连接槽；14.后冰鞋连接槽。

具体实施方式

以下，参照实施例对本实用新型进行更详细和具体地描述，但下述实施例并不意在限制本实用新型。

实施例1克莱普冰刀无线三维刚性测力台

如图1、2所示，本实用新型提供一种可检测克莱普冰刀受力大小、方向及开合状态的无线三维刚性桥测力台，具体实施方式包括：

所述冰刀三维刚性桥测力台包括上刚性桥3、下刚性桥4、三维力传感器和运动测量单元；所述上刚性桥3和下刚性桥4通过铰链2连接在冰刀1上，所述上刚性桥3和下刚性桥4之间安装固定有前后二个三维力传感器，用于检测冰刀受力大小；所述运动测量单元用于检测刚性桥测力台的空间位置，所述运动测量单元7安装固定于上刚性桥后部。

冰刀1，前部设有铰链2装置，后部设有阻尼装置8，保证闭合时阻尼装置与刚性桥的严密性，确保冰刀闭合时完整的刚体结构。

上刚性桥3与下刚性桥4通过铰链2与冰刀1连接，下刚性桥4后部孔槽和阻尼装置8防止冰刀与下刚性桥直接接触，弹簧9连接铰链2与弹簧挂座10。铰链2内设有角度传感器，以检测冰刀的开合状态和角度大小。

前传感器与后传感器外部分别封装在刚性壳体5、6内，分别通过前传感器螺栓11和后传感器螺栓12安装固定于上刚性桥3与下刚性桥4之间，形成双传感器的刚性桥测力台结构。见图2，上刚性桥3桥面设有冰鞋连接槽13、14，通过可拆卸设计的卡扣与冰鞋连接固定，上刚性桥通过螺栓11、12固定在冰刀上。保证两个传感器螺栓的连线、两个传感器的连线、两个冰鞋连接槽13、14以及冰刀长轴方向在同一条垂直投影直线上，以确保计算反作用力中心位置的准确性。在获取前后两个三维力传感器的数据后，可计算出反作用力作用中心的位置cop，以压电式传感器所获取的电压信号为例，

cop＝c0+c1·rv

其中，vfz为前传感器垂直力电压信号；vrz为后传感器垂直力电压信号；c0,c1为常数。可通过冰刀长度自定义c0,c1。当压力中心在两传感器中间时vfz＝vrz，rv＝0，则co即为两传感器中点对应的冰刀长度。例如两传感器中点正好为冰刀中点，则c0为冰刀长度l的一半，即l/2或50％；同理可得c1。

在螺栓投影位置下的传感器刚体与上下刚性桥之间必须保证没有空隙，使这六个部件之间形成一个完整的刚体结构，以确保运动中没有相对移动影响三维测力的精准性。

参照图4所示，运动测量单元7安装于上刚性桥3后部，内部设置有蓄电池、信号采集发射器、三轴陀螺仪、三轴磁感仪、三轴加速度计，通过蓄电池对采集发射器、陀螺仪以及两个力传感器等进行供电，信号采集发射器用于采集和发送数据，通常信号采集发射器将数据无线传输至移动终端。

如图3，通过运动测量单元测量得测力台的空间位置，即∠α，可通过变换矩阵进行传感器坐标与大地坐标之间的变换，例如：在冰刀未离地的情况下，传感器坐标下的合力可用v0＝(0，fl，fn)表示，(冰面摩擦力很小，故本案例为方便理解，冰刀前后方向力取0，也可用任意代数式)通过绕冰刀长轴x轴旋转∠α的变换矩阵：

将坐标系进行转换，得到

v0为传感器坐标下的合力，fl为冰刀侧向力，fn为冰刀垂直力；v0’为转换后的合力，fh为横向力，fv为垂直力。

同理，也可通过绕y轴或者z轴或同时进行旋转转换。

此外，应理解，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对本实用新型保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，在不脱离本实用新型的范围和实质的情况下，可以对本实用新型的技术方案进行各种修改或者等同替换。