竞技自行车骑行过程中踏力检测系统设计

王辉

摘要：为了帮助竞技自行车运动员在自行车竞技舞台上取得出色成绩，设计了踏力检测分析系统。通过安装在自行车脚踏板底部和脚踏板与轮盘连接杆连接处的压力传感器，进行运动员脚踏力与自行车前进推力的测量。测得数据通过TCP通讯协议传输到计算机。经过测量数据分析，对竞技运动员提出专业指导建议，从而提高运动员竞技水平。

关键词：踏力分析;压力传感器;模数转换;TCP

中图分类号：TP39 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2019）02-0145-03

0 引言

随着自行车竞技运动发展，如何提高竞技水平的研究也越来越重要。影响运动竞技水平的因素很多，但推动力与脚踏力是重要因素之一。许多学者对自行车运动做了理论分析，文献[1]根据运动员在骑行的过程中身体下肢环节运动速度及角加速度的理论研究，解析了不同运动员在不同踏蹬运动时的运动学参数。文献[2]将脚踏力分解为由纯关节力矩产生的肌肉分量和惯性力作用下产生的非肌肉分量两部分，利用动力学方程进行运算。文献[3]采用有限元方法分析脚踏板最大应变点及应力集中情形。 但是关于脚踏板不同部位踏力与自行车前进推力之间关系的分析研究很少。

针对上述问题，设计了脚踏力检测分析系统。通过安装在自行车脚踏板底部和脚踏板与轮盘连接杆连接处的压力传感器，进行运动员脚踏力与自行车前进推力的测量。分析脚踏板不同部位的踏力对自行车前进推力的影响，得出不同运动员的骑行习惯，依据不同的骑行习惯，对运动员提出专业指导建议，同时对自行车脚踏板进行特定改造，适合不同运动员，帮助竞技运动员在自行车竞技舞台上取得出色成绩。这对于自行车运动员改进骑行和踏蹬技术，提高运动水平具有尤为重要的意义。

1 自行车踏力检测系统设计

为了测量运动员在骑行过程中自行车脚踏板的受力，对自行车脚踏板底端进行改造。在底部安装压力传感器，在其侧面安装外围电路，通过接口电路及传感器测量数据，将数據进行模数转换后传输到电脑，通过相关软件进行受力分析，得出最终结论并指导运动员用力。图1为系统整体设计框图。

1.1 传感器安装位置设计

1.1.1 踏面压力传感器安装位置设计

脚踏板踏力是影响推动自行车前进的主要因素之一，在脚踏板底部放置四个压力传感器测量脚踏板受力[4]。图2为脚踏板传感器放置位置。

图中的黑色区域即为四个压力传感器[5-7]，踏力大小分别为F1，F2，F3，F4。其中前脚掌踏力为F1，F2，后脚掌踏力为F3，F4。脚踏板底部和顶部分别安置一个方形踏板，其底部踏板与脚踏板本身相固定，在传感器的压力端由一根力传导棒与另一个方形踏板连接，使脚踏板顶部踏板悬空，仅由四根传导棒与脚踏板相连。此时踏力通过上踏板传递，通过四个传感器可以测量每个受力点的受力分布情况。

1.1.2 自行车推动力传感器安装位置设计

除了测得踏面踏力外，还需要测量自行车推动力大小，即脚踏板与轮盘连接杆的受力。

图3为脚踏板与轮盘连接杆处传感器放置情况，此传感器测得力即为自行车推动力。为了便于测量，选择平膜压变型的传感器，安装在脚踏板底部，选择型号为XRL-80型号的压力传感器。

1.2 系统数据通信

将脚踏板底部受到的力转化为电信号后，需要将电信号进行AD转换后进行分析，因此需要AD转换器[8]，为了实时采集脚踏板压力信号，系统数据通信方式采用网络传输。选择研华ADAM6017[9]作为AD转换与数据传输模块。按图4设定ADAM6017与PC机IP地址后，计算机与ADAM6017即可进行TCP通信[10-11]。

2 实验分析与结果

2.1 实验结果分析

图5为踏力检测系统实物图。传感器与ADAM6017连接之后，骑行过程传感器实时测量踏力将在数据分析软件AdamApax.NET Utility显示，图6为测量结果显示。

由传感器实时测量踏力图可知，在骑行过程中F1、F2的踏力较大，F3、F4的踏力较小，即在脚踏过程中，前脚掌踏力大于后脚掌，这样才能产生尽量大的推力。为了对数据进行更加有效的分析，在传感器实时测量踏力图中选取六个时间点（）进行踏力分析，在自行车骑行过程中，两脚掌踏力之间存在相对关系，即增加前脚掌的踏力时，后脚掌的踏力就会相对减弱，反之亦然。故在选择时间点对踏力进行分析时，踏力的变化曲线要符合前后脚掌踏力相对规律。对选取的六个时间点踏力进行数据拟合后得到图7的踏力曲线图，通过踏力曲线分析发现，前后脚掌的受力符合踏力相对规律，数据具有典型性，符合实际。

根据实际测量的踏力曲线可知：

（1）在时间，前脚掌踏力快速减小，后脚掌踏力快速加大，脚踏板前部踏力与脚踏板后部踏力差值变小，自行车前进推力F5显著的变小。

（2）在时间，前脚掌踏力快速加大，后脚掌踏力快速减小，脚踏板前部踏力与脚踏板后部踏力差值变大，自行车前进推力F5增加明显。

（3）在时间，前脚掌踏力F2轻微减小，后脚掌踏力F4轻微增加，脚踏板前部踏力与脚踏板后部踏力差值变小，自行车前进推力F5轻微减小。

（4）在时间，前脚掌踏力F2轻微加大，后脚掌踏力F4轻微减小，脚踏板前部踏力与脚踏板后部踏力差值变大，自行车前进推力F5轻微增加。

（5）在时间，前脚掌踏力快速减小，后脚掌踏力快速增加，脚踏板前部踏力与脚踏板后部踏力差值变小，自行车前进推力F5明显减小。

2.2 结论

（1）当脚踏板前部踏力与脚踏板后部踏力差值较大时，自行车的前进推力较大，两部分踏力差值较小时，自行车前进推力较小。

（2）在骑行过程中可以适当增大前脚掌踏力，以增加自行车前进推力，可以根据运动员骑行习惯对脚踏板进行重新改造，产生更多的自行车前进推力，帮助竞技自行车运动员在竞技舞台取得优异成绩。

參考文献

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Design of Pedaling Force Detection System During Competitive Cycling

WANG Hui

（CRRC Harbin Vehicle Co. Ltd. Quality Office， Harbin  Heilongjiang  150056）

Abstract：In order to help competitive cyclists achieve outstanding results in the world bicycle competitive dance， this paper designs a pedal force detection and analysis system. Measurement of the athlete's pedaling force and the forward thrust of the bicycle is obtained by a pressure sensor mounted on the bottom of the bicycle pedal and the connection between the pedal and the wheel connecting rod. Data is transmitted to computer through TCP protocol. Through the data analysis， professional guidance can be given to cyclists to improve their competitive level.

Key words：pedal force analysis; pressure sensor; analog to digital conversion; TCP