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一文详解三维测力台的原理与应用（附案例下载）

体育强则中国强，国运兴则体育兴。一个国家的体育运动水平在某种程度上反映了该国的社会状况、经济形势和精神面貌，体现着该国的国力。因此，为了在竞技体育中取得好成绩，人们越来越注重运用生物力学手段来指导训练和比赛。运动生物力学主要研究人体结构的受力过程、影响以及运动技术力学规律。它的重要意义在于，如果了解了人体上力的大小、方向和变化规律，便可为运动员及其教练、人体工程学家、神经专科医师等领域的研究者提供极为宝贵的讯息。研究力作用效应的一个基本出发点就是对力进行定量观测和分析，这就要依赖于一系列的硬件设备。

测力台一直是运动生物力学研究领域的有力测试工具，它可以用于分析运动员在步行、跑步或其他体育锻炼（如跳跃）时所施加的推力。测力平台可检测和测量加速度、反应时间和可能的推力缺陷，这意味着它可以在训练期间为比赛和康复运动员的表现评估提供极好的支持。本文将具体讲解三维测力台的原理、应用及具体的研究案例。

测力台的概念

测力台是一种用于人体运动力学研究的设备，通常呈长方形，由踏板、高精度的传感器和稳固的底座三部分构成。踏板与底座之间通过四角安装的传感器相连，这些传感器能够捕捉到受试者在踏板上施加的力。当受试者的脚部接触平台时，传感器能够测量出垂直向下的力、水平方向的力和前后方向的力，从而为研究者提供全面的数据。这类平台在人体运动研究中扮演着重要角色，特别适用于分析跑步、跳跃、投掷、举重等运动中下肢的动态用力情况。此外，它还能测量上肢的接触力、力矩以及人体在静止状态下的重心变化。

六分量测力台原理示意图

当人体站在台面并运动时，人与测力台之间的相互作用可由4个对称分布的三维力传感器进行检测，经过放大器放大和 AD 卡数字化后，我们就可以得到竖直、前后、左右三个方向上力的大小（如Fx、Fy、Fz）。如果我们以一定频率在时间轴上连续采集，就可以获得人与测力台作用时间内的一系列力值。我们知道，有了力，就可以求加速度，对加速度一重积分，可以求得速度，对加速度二重积分，可以求得位移。在知道台面尺寸后，还可以求得三个方向的力矩（如Mx、My、Mz）以及压心坐标（如COP_X、COP_Y）等。

测力台的分类

依据传感器的不同，测力台可分为：以压电晶体为传感器的测力台，以电阻应变片为传感器的测力台。

以压电晶体为传感器的测力台

以压电晶体为传感器的测力台每个传感器是由3组环状的石英压电晶体叠加在一起形成圆柱形，这3组压电晶体由于其分别从单晶硅上切割方向各不相同，即分别沿平行于X,Y,Z轴3个不同方向切割，所以3个方向的力对每一组压电晶体产生压电效应也各不相同。例如,最上方向的那个环，当受到X方向的作用力Fx时，会因为压电效应在圆环的上、下表面产生电荷，而对Y,Z方向的力则无此效应。以此类推，中间的环和最下边的环则只分别对Y,Z方向的力有压电效应。由于电荷量和力的大小成比，通过对电荷量的测定，就可以得到相应方向力的数值。该数值不仅反应弹性力，还有惯性力，这就是压电式测力平台能更精确地测试动态力不需要速度或加速度补偿的基本原理。

Kistler三维测力台

Kislter出品的生物力学测试系统提供高精度动作分析，是提高运动技能、完善康复治疗和改进产品和工艺人体工程学设计的基础科研工具。对于步态和运动分析、体能训练、田径比赛，或对于特定产品的使用，Kistler动态测力系统可以提供准确的数据，并可以结合配套软件对运动模式进行分析、评价和对比。Kistler三维测力台特别注重易用性和操作便捷性，绝大多数型号已进行数字化改型，无需连接数采，直接连接PC端。

Kistler三维测力台

除体育训练外，Kistler测力台还可用于动作技术的地面反作用力的测试、下肢运动损伤、预防损伤、稳定能力、平衡能力的测试、运动装备（如运动鞋）的运动性能测试、运动场地材质的缓冲性能测试等运动相关领域。

Kistler测力台获取举重运动中抓举过程的动力学参数

功能特点

高固有频率、高阻尼、高精度优异的线性和灵敏度

在极宽的测量范围内保持长期稳定

能对每个快速动作进行精密测量

支持与视频分析/运动分析一起使用

高分辨率和可靠性

可记录较小的力（例如儿童）

抗过载能力强，使用寿命长且无老化

产品类型全面，擅长检测上肢力和地面反作用力

以电阻应变片为传感器的测力台

用电阻片制作的传感器形式是多种多样的，常用的有圆环式、双环式、圆柱式以及轮辐式。它们均属于“变形型”测力平台，因为这些传感器的变形与力大小成正比，所以它们是通过测传感器的变形转换成力的大小。电阻片贴在传感器变形的部位，使其与传感器变形一致，电阻片的变形通过电桥转化为电压的变化，最后与数据采集系统相连得到6个力的参量。

Bertec三维测力台

Bertec是国际公认的研究级生物力学设备及软件的设计者、制造者和销售者。耐克公司、美国奥林匹克游泳队、丰田机器人公司、美国国立卫生研究院、克利夫兰诊所、梅奥诊所、哈佛大学等全球数百家机构都曾使用Bertec的产品。

Bertec固定式三维测力台

Bertec测力台是由其专利的应变测量技术、先进的电子技术、创新的机械设计和高质量的制造技术所创造的优质测力板，可应用在步态、平衡、跳跃、奔跑等多种运动表现的研究中。Bertec拥有固定式与便携式两种测力台，便携式方便移动，允许在更自然的环境中收集数据。

Bertec便携式三维测力台

功能特点

测量精度高串扰小、无漂移

模拟信号处理为数字数据，不受外界干扰

多种尺寸和负载范围的测力台可供选择，以满足不同实验需求

可一次同步40+ 固定式测力台

可结合运动捕捉系统实现同步采集

测力台的应用方向

测力台的两个主要应用方向是预防损伤和提高运动表现。在预防损伤方面，姿势稳定性、跳跃和着地是预防性研究的主要领域，目的是避免运动员因姿势不当问题而受伤。在提高运动表现方面，测力台可以用来研究各种类型的跳跃和伸展运动，以测量跳跃的力和高度等，也可以研究更基本的运动动作，如短跑、步行或敏捷性测试等。

特别是在跳跃领域，测力台可用于测量和分析横向跳跃，训练员和教练通常使用便携式三维测力板来记录运动员的平衡性和稳定性。在测力台上进行的跳跃测试不仅具有极高的可重复性、可靠性和易操作性，而且测力台所需的配置时间很短，可以快速连续地对大批运动员进行测试。每个运动员测试时所需要的配置时间很短，而且可以快速连续地对大批运动员进行测试。此外，在测力台上进行任何类型的测试都很难作弊，无论是掩盖受伤或疼痛，还是表现得比实际情况更强、更快或更有力，因为数据不会骗人。

三维测力系统

如果测力台结合其他设备收集图像和生物肌电数据，还可以构成三维测力系统对运动过程进行综合的生物力学分析。三维测力系统通常由三维动作捕捉系统、三维测力台和表面肌电测试系统组成。这三种设备分别用于采集人体在步行过程中各个关节点的精确三维坐标、足底与支撑面之间的压力（包括垂直、左右和前后三个方向的力），以及EMG肌电信号。通过专业的步态分析软件，可以进行三维重建和模型分析，从而得到人体运动时的步态参数。

光学运动捕捉系统

借助红外高速摄像机捕捉人体在三维空间内的运动轨迹变化，并通过空间坐标的形式输出数据。瑞典Qualisys光学运动捕捉成立于1989年，是全球领先的光学运动捕捉产品和服务的供应商。无论是室内、室外、陆地或者水下，都有专业的解决方案。

在康复领域Qualisys光学运动捕捉系统可实时监测患者的运动状态，帮助医疗专业人员制定更有效和个性化的治疗方案

Qualisys功能特点

独创的主动滤波功能，可在复杂光线环境下实验；高采样率、高分辨率；

串联连接，快速便携；

低延迟、高精度；

对流散热，使用寿命长，极低故障率；

兼容主动和被动标记，更加宽广捕捉范围；

PAF自动报告功能(步态、跑步、自行车等)。

表面肌电测试系统

实时采集人体运动中肌电信号的变化，经过放大、滤波及模/数转换，形成量化的肌电波形及数据，因其安全、无创测量的有点在康复医学工程界及生物力学研究中备受关注。由意大利Cometa公司开发的无线表面肌电测试系统是典型代表，系统可以与Qualisys动捕系统同步测量，可以更详尽地描述步态特征。

Cometa无线表面肌电测试系统应用于腿部肌肉运动性能评估

功能特点

Cometa功能特点：WIFI无线传输距离30m

连续工作10小时

内置三轴加速度计

共模抑制比≥120dB

采样率2000Hz

通道之间无漂移

支持视频同步

支持离线采集存储

Qualisys运动捕捉系统配套的QTM（Qualisys Track Manager)软件具有较高的可拓展性，通过预留的数据接口可以快速将Kistler测力台和Cometa表面肌电等设备集成进来，同步记录数据。

光学运动捕捉软件QTM数据分析界面

测力台的应用领域

测力台在体育运动领域有广泛应用。如田径、滑冰、足球、射击、排球、篮球以及其他与姿势、跳跃和杠杆有关的压力运动，正确地将所有的力量放在地面上实际上对于运动表现和预防伤害都至关重要。

应用案例

1. 落地高度对高水平短跑运动员跳深动作下肢生物力学和反应性力量的影响南京大学、江苏省体育科学研究所、南京理工大学的臧宇、许贻林等人进行了一项研究，检查落地高度对高水平短跑运动员跳深动作下肢生物力学和反应性力量的影响并进一步确定下肢生物力学指标与反应性力量指标之间的关联性以及跳深动作的最佳负荷高度。研究者邀请14名男子高水平短跑运动员参与四种落地高度下（0.15m 、0.30m、0.45m和0.60m）的跳深动作测试，使用6台红外高速摄像机和2块三维测力台同步采集跳深动作的运动学和地面反作用力信号。研究表明，落地高度显著影响跳深动作的下肢生物力学和反应性力量指标，蹬伸阶段垂直地面反作用力和平均功率输出与反应性力量指标均存在非常显著的相关性，在0.15m-0.60m的落地高度范围内存在实现跳深动作最大平均力学功率输出的最佳负荷高度。建议针对高水平短跑运动员跳深训练时应该根据个体运动员的最大平均功率输出、反应力量指数和反应力量比等指标确定最佳负荷高度，以实现最佳训练效果并预防运动损伤。

2. 乒乓球运动员膝关节损伤机制研究为了解不同性别乒乓球运动员完成并步、跳步、跨步3种常用步法时膝关节的负荷特征，并探析乒乓球运动员膝关节的损伤机制。宁波大学、国家体育总局育科学研究所、北京体育大学、华北电力大学的周星栋、张晓栋等人对乒乓球男、女各10名运动员完成3种常用步法动作时的下肢运动学、动力学数据进行采集和处理，并运用方差分析法比较不同性别、不同技术之间的差异。研究表明，膝关节屈曲状态下，较大的地面反作用力和膝关节外展角易导致乒乓球运动员前交叉韧带损伤，女运动员的损伤风险小于男运动员，跳步的损伤风险小于并步和跨步；水平向后和向左的力易造成乒乓球运动员软骨和半月板损伤；过大的伸膝力矩易导致乒乓球运动员髌腱末端病和髌骨软化。

3. 对撑竿跳高助跑和起跳的生物力学参数进行因子分析上海体育大学、新疆财经大学信息管理学院的李夏媛、夏正亮、谢武等人探索了一种参数系统并建立线性预测模型，以有效、全面地评估撑杆跳高成绩。研究者使用Qualisys动作捕捉系统（200Hz）和三个Kistler测力平台（2000Hz）收集运动员起跑和腾空的运动学和地面反作用力数据。最后，对8名运动员30 次成功跳马的 26 个生物力学参数进行了因子分析，并对提取的因子进行了线性回归分析。因子分析提取了三个因子：F1、F2和F3。30个跳马的平均最大COM高度为4.974米。F1 的得分增加了 1，最大COM高度分别增加了0.131米和0.112米。F3 没有参与成绩预测。对于教练员和运动员的训练而言，身材高大的运动员需要付出更多的努力才能达到更高的训练水平。此外，提高起跑和腾空的速度、机械能和水平推进GRF，以及优化腾空支撑阶段三个下肢关节的发力策略，都有助于取得良好的撑杆跳成绩。

撑杆跳高助跑和起跳评估的实验场景示意图与实景图

4. 随机生物力学模拟比较不同落地形式对篮球运动员ACL损伤危险性和危险因素的影响太原理工大学体育学院、北京体育大学的张美珍、刘德林、刘卉等人运用随机生物力学模型比较篮球运动员水平急停落地和垂直起跳落地动作对ACL损伤危险性和危险因素的影响。研究者采集了51名篮球专项大学生在完成急停起跳动作时的运动学、动力学和表面肌电学数据，并进一步研究受试者ACL损伤率以及引起损伤的下肢生物力学危险特征。运用混合设计的双因素方差分析比较不同落地形式和性别对下肢生物力学特征的影响。结论显示，基于随机生物力学模拟方法得到篮球运动员在完成急停起跳落地动作时，水平急停比垂直落地更容易引起ACL损伤，男性垂直落地形式下ACL损伤危险性最小。女篮运动员ACL损伤危险性大于男性，在水平急停时更为明显。篮球运动员急停起跳时的2种不同落地形式其ACL损伤危险因素因性别而有差异。

在损伤和康复领域，测力台的主要应用之一是步态分析，测力台与其他设备结合则可以获取有关支撑和振荡阶段的一系列准确数据。这些数据由两只脚在力平台上的压力、步态和空间中的脚步方向产生，可以提供每只脚上负荷分布以及由于受伤或姿势缺陷而导致的身体对称性的完整视图。

步态分析是研究人类行走运动的科学，其涉及到多个学科领域，主要内容包括以下方面：步态周期分析：步态周期是指一次完整的步行过程，包括左右腿的迈步和落脚。步态周期分析可以测量步行的节奏和步幅等参数。

步态动力学分析：步态动力学分析可以测量人体运动的力量和能量，包括行走时的步态稳定性、肌肉活动和关节运动的角度、速度和力量等参数。

步态生物力学分析：步态生物力学分析研究人体行走运动对人体组织和结构的影响，包括足底压力分布、骨骼负荷和肌肉力量等方面的测量。

步态模式识别：步态模式识别可以根据人体行走运动的特征，区分不同的步态模式。这种分析可以应用于诊断和监测一些步态相关的疾病，如帕金森病和脑卒中等。

步态控制机制研究：步态控制机制研究人体如何协调不同的身体部位，以保持平衡和稳定的行走状态。

人体步态轨迹图

应用案例

1.老年女性不同步行增速策略的下肢关节角度和角速度变化杭州师范大学的李旭鸿，范年春，喻美鑫等人探讨不同增速策略的健康老年女性在步态周期内其下肢关节角度和角速度的变化规律。他们利用红外高速运动捕捉系统QTM和两块KISTLER三维测力台对27名老年女性在自然行走和快速行走过程中的步态参数和下肢关节运动参数进行采集，根据受试者从自然行走到快速行走的速度增加方式分成3组：增加步频组（G1，n=10），增加步幅组（G2，n=8），同时增加步频和步幅组（G3，n=9）。对上述3组老年女性矢状面内下肢踝、膝和髋关节角度和角速度峰值进行数据统计和结果分析。实验结论显示，无论何种增速策略的健康老年女性，其步态周期内的下肢关节角度和角速度变化轮廓较为一致，一些重要时相的峰值大小与自身的下肢肌肉力量和步行策略有关。