英式橄榄球女子运动员肩扑搂撞击力量测试仪的研发

宋校能 ，虞致国 ，徐 辉 ，吴 伟 ，吴贻刚 *

英式橄榄球以身体接触性对抗为显著特征，其防守能力主要表现为肩扑搂防守效果。肩扑搂是英式橄榄球防守的关键技术，是利用肩部撞击阻止进攻、争夺球权最有效的防守动作。首先，肩扑搂是使用率最高的防守动作，约占扑搂动作的61%（Burger et al.，2016；Ross et al.，2015）。英式橄榄球联合会（Rugby Union）比赛中，平均每场比赛出现约200人次/运动小时肩扑搂情况；英式橄榄球联盟（Rugby League）比赛中，多达300人次/1 000运动小时肩扑搂。其次，肩扑搂是英式橄榄球联合会、英式橄榄球联盟和美式橄榄球（American Football）比赛中导致损伤率最高的技术动作（Orr et al.，2016）。更重要的是，肩扑搂防守的有效率与比赛结果正相关。比赛获胜方有效扑搂人次多于失败方，失败方的肩扑搂总量和无效扑搂人次均多于胜方（Van Rooyen et al.，2014）。

肩扑搂撞击力量是影响防守效果的核心因素。强大的肩扑搂撞击力量不仅可以阻止持球进攻，破坏传球和形成利于防守的ruck和maul等局面，而且经常造成持球队员不同程度的运动损伤，是构成坚固防守的保障。通过测试撞击力量，可以判断使用肩扑搂技术的合理性和有效性，提高肩扑搂防守的效果。

肩扑搂撞击力量与脑震荡的发生率相关。由撞击力量产生的加速度确定运动员头部加速度的安全阈值虽然存在一些困难，但已知脑应变损伤与头部运动加速度的大小和撞击持续时间有关（McCrory et al，2017；Post et al.，2017）。USMAN等（2011）发现，澳大利亚男性橄榄球运动员引发脑震荡事件时头部平均线性加速度为103.4 g，每1 000运动小时损伤率为2.2人次。在特定冲击下，头部加速度越高，脑部拉伤的风险越大（Bussey et al.，2019；Singh et al.，2016；Terry et al.，2019）。测试肩扑搂撞击力量可以预防运动损伤，降低损伤程度，起到监护运动员健康的作用。

有关肩扑搂撞击力量装置的研究尚存部分问题与不足。Usman等（2011）在扑搂撞击柱正面中间位置放置TeckscanTM感应器进行肩扑搂撞击力量测试，但由于感应器被放置在特定高度，不同程度地限制了测试者扑搂准备姿势，影响了撞击力量，测试结果与实际存在一定的误差，研究价值有限。有学者使用Teckscan足底压力感应垫（F‐Scan models，3000E）制作肩扑搂撞击力量测试装置，设计的力量感应与肩扑搂实际撞击部位不完全相符，存在力量采集区域过大的现象（Faria et al.，2017）。目前，鲜见女子橄榄球运动员肩扑搂撞击力量的相关研究。

研制撞击力量测试仪是提高中国女子橄榄球国家队肩扑搂技术的迫切需求。研制肩扑搂撞击力量测试仪促进肩扑搂技术生物力学研究，服务于中国国家队队员肩扑搂技术的学习和训练，可提高中国国家队肩扑搂防守质量和能力。

1 研制肩扑搂撞击力量测试仪的思路

力量测试仪的硬件主要包括力量传感器、数据采集卡和计算机，实现信号的采集、转换、传输、储存和显示。软件包括应用程序和硬件驱动程序，其中，应用程序实现数据采集程序的设计和控制，硬件驱动程序用于完成数据采集卡工作模式的设置。

具体方案（图1）：1）针对女子橄榄球运动员形态（肩部的长和宽）和肩扑搂撞击力量的特征，选用FlexiForceTMA502压阻式压力感应器片制作撞击力量的感应装置——压力测试背心，由3片感应器片并联放置在护肩肩部位置感应撞击的力量。2）应用LabVIEW数据采集程序和USB多通道数据采集卡设计撞击力量数据采集系统（李维聪等，2015）。3）通过实践应用验证力量测试仪的科学性和实用性。

图1 肩扑搂撞击力量测试仪数据采集流程Figure 1. The DataAcquisition Process of Shoulder Tackle Impact Strength Tester

2 研究的理论与方法

2.1 肩扑搂撞击力量感应装置

表1 肩扑搂撞击运动学指标Table 1 Kinematic Indexes of Shoulder Tackle Movement

2.1.1 压力传感器工作原理

研究运用压阻式压力传感器感应撞击力量。压阻式压力传感器以硅片为弹性敏感元件，膜片上用集成电路扩散工艺制成4个等值导体电阻，组成惠斯登电桥。膜片受力后，由于半导体的压阻效应，电阻值发生变化，输出电桥测得压力变化，利用这种方法制成压力感应器。

2.1.2 肩扑搂撞击力量感应装置制作方法

撞击力量感应装置是莱卡面料制作的、可多向调节大小的专用背心（表2）。

表2 撞击力量测试背心结构参数Table 2 Structural Parameters of Vest in Impact Strength Test

撞击力量测试背心传感器放置在图2b所示位置，肩扑搂时撞击力量感应区在图2c标签的位置。

图2 撞击力量测试背心及传感器片的位置Figure 2. Vest in Impact Strength Test and Location of Sensor Sheet

肩扑搂撞击力量感应装置由美国Tekscan电子公司生产的FlexiForceTMA502压阻式压力传感器片制作而成（表3）。

表3 FlexiForceTMA502压阻式压力传感器片性能Table 3 Performance of FlexiForceTMA502 Piezoresistive Pres‐sure Sensor Sheet

FlexiForceTMA502压阻式压力传感器是方形标准传感器片，带有1个2针插头。最大量程内，传感器的动态测量值可以通过改变驱动电压和反馈电阻进行有效调整。本研究采用万用表测量实验前后外加负荷重量后感应器片的反馈电阻。测试前、后，传感器的反馈电阻与负荷重量的拟合曲线吻合（表4），通过反馈电阻和负荷的拟合公式Y=451.46X-1.003（测试前肩中间位置的传感器）得到调整后的测试量程0～1 274 N。同时，通过电路反馈电阻转换为电压输出（图3、图4）。

图3 实验使用前后传感器电阻和负荷重量关系Figure 3. Relationship between Sensor Resistance and Load before and after the Experiment

图4 扩大传感器量程的方法Figure 4. Method of Expanding Sensor Range

表4 不同负荷重量对应的反馈电阻Table 4 Feedback Resistances Corresponding to Different Loads

2.2 USB多通道数据采集卡

在Windows操作系统LabVIEW程序通用采集平台运行USB多通道数据采集卡，采用计算机供电。USB多通道数据采集卡主要由隔离电路、A/D转换电路、数字量输入电路、数字量输出电路、隔离通信接口以及MCU等组成（张青春，2012）。微控制器采用16位ARM芯片，数据处理能力强，并采用“看门狗”电路，在出现意外时重新启动系统，使得系统更加稳定可靠，可以应用在高性能和高速度的环境中（吴昊，2008）。输入输出单元与控制单元采用光电隔离，对输入信号采取滤波措施，极大降低现场干扰对采集卡运行的影响，使模块具有较高的可靠性（袁月峰等，2012）。本研究数据采集系统采用的USB 2.0多通道数据采集卡有10个端子。

2.2.1 采集卡输入采样原理

模拟量输入采样通过前端调理电路来实现（图5）。

图5 模拟量输入采样前端调理电路基本结构Figure 5. Basic Structure ofAnalog Input Sampling Front-end Conditioning Circuit

传感器的电流信号模拟量单端输入线，以及采集卡8路模拟量单端输入通道AI接线方式（袁宝红等，2013）（图 6）。

图6 传感器接线和AI模拟量接线Figure 6. Sensor Wiring andAIAnalog Wiring

2.2.2 USB 2.0多通道采集卡技术指标

USB 2.0多通道采集卡技术指标（表5）。

表5 USB信号模拟量的单端输入通道功能指标Table 5 Function Indexes of Single-end Input Channel of USB SignalAnalog Quantity

2.2.3 采集信号的处理

传感器的信号经过调理会进入数据采集设备。信号调理功能包括放大、隔离、滤波，要根据传感器的特性和要求设计特殊的信号调理功能（刘永永等，2017）。

信号放大，是指放大微弱信号以提高分辨率和降低噪声，使调理后信号的电压范围和A/D的相匹配。信号调理模块靠近信号源或传感器，使信号在受到传输信号环境噪声影响前已被放大，信噪比得到改善（赵玉玲等，2018）。C8051F350片内具有可编程增益放大器（PGA），可放大ADC输入。本研究采用的压力传感器电压为0.25～1.25 V，桥压为5 V，满量程输出电流为2.5 mA，设置PGA放大100倍。

信号隔离，是使用变压器、光或电容耦合等方法在被测系统和测试系统之间传递信号，避免直接的电连接。同时，避免数据采集卡的数据受地电位和输入模式的影响，确保数据采集的安全、可靠（刘佳宁等，2016）。

信号滤波，是从测量的信号中除去不需要的成分。信号调理模块有低通滤波器，用来滤除噪声。通常还需要抗混叠滤波器，滤除测量信号中最高频率以上的所有信号（刘佳宁，2016）。USB数据采集卡带有抗混叠滤波器，截止频率为采样频率的1/2.56，阻带衰减大于-80 dB/oct。应变传感器通过外界电源或电流激励信号给传感器提供激励。

2.2.4 ADC数据类型的A/D转换及主控制器工作原理

模拟量输入的采样值经过校正后，通过USB口上传至上位机，主机读取指定通道的采样值。采样值为16位数据，配置软件对输出采样值数据类型的配置命令通过写配置代码实现，配置代码和数据类型对应，即数型代码02对应数据类型ADC采样数据。

ADC数据类型代码为2时，表示数据为ADC输出数据型，16位有效数据，0X0000为0值，0～0X7FFF表示采样值为负数，0X8001～0XFFFF表示采样值为正数。0表示-10V，0XFFFF表示为10V。将采样值数据转换成对应的模拟量值需要区分正负数。假设采样数据为X，负数的转换公式为（-1）（0X8000-X）/0X7FFF×FSR，正数的转换公式为（X-0X8000）×FSR/0X7FFF。其中，FSR为测量范围量程值10V。将上下限值转换为对应数据类型寄存器数值的计算公式为08000＋X/FSR×0X7FFF，其中X为带负荷的模拟量值（王琳等，2012）。

A/D转换电路将模拟电压信号转换成单片机可以识别的数字信号，再将该信号输入单片机，由单片机按固化参数处理后通过液晶显示器输出。片资源为16位Σ‐Δ型ADC，上信号采集装置利用C8051F350片上16位Σ‐Δ型ADC实现模拟信号的A/D转换。为了获得较高的转换精度和稳定性，需要A/D转换时，切换至内部时钟，使用SINC3滤波器，ADC 0调制时钟MDCLK为2.457 6 MHz，抽取比为19：20，转换速率为10 Hz（沈金鑫 等，2014）。

2.2.5 通信接口工作原理与作用

RS485总线采用平衡驱动器和差分接收器的方式进行数据传输，具有抗共模干扰能力强、抗噪声干扰性好的特点。信号采集装置采用RS485总线进行通信和数据传输，通过通信接口接收命令，完成相应的数据操作，再通过通信接口将采集的数据传输至上位机或其他设备。

2.3 LabVIEW数据采集程序

LabVIEW软件是NI设计平台的核心，在Windows系统上测量测试是其主要功能。LabVIEW软件采用数据流G语言的编程方式，使用图标和连线通过编程控制界面对象，实现数据实时采集、实时显示、分析处理以及存储等功能。软件系统界面友好，具有良好的可操作性、易维护、可靠性和安全性。调用LabVIEW工具包中的函数可设计完整的测试测量应用程序，如数据采集系统的信号采集、A/D转换及主控制器、通信接口、电源规格、数据采样频率和样本程序设置（杨乐平等，2005）。

基于LabVIEW软件的数据采集系统，是在上位机发送数据采集命令，由下位机接收并分析，完成压力数据采集与处理，通过A/D转换为数字信号。主程序首先进行相关初始化操作，对各种寄存器和显示模块进行初始化，完成后调用信号采集模块，得到压阻式压力传感器电压值，然后对采集到的输出电压信号进行放大处理，调用ADC组件将采集到的模拟信号转换成数字信号，再将该数字信号传入单片机数据处理模块进行数据处理（图7）。信号经过模块处理后达到温度补偿和非线性校正的效果，有效改善传感器的精度，最后储存数据，并在显示模块中输出（贾海明等，2016）。

图7 LabVIEW数据采集程序流程Figure 7. DataAcquisition Procedure in LabVIEW

LabVIEW软件平台对一个模拟信号x（t）时间采样1次。根据采集卡支持的最大频率，设置采样频率为200 Hz满足采样定理，不需要的高频成分利用低通滤波器（硬件形式的低通滤波器）滤除掉，保证满足采样定理，避免频率混叠。信号采集后做适当处理，提供5～10个周期的数据样本，样本总数是整周期个数。由于采样率不一定是信号频率的整倍数，不能保证提供整周期数的样本，仅仅是一个时间序列的离散函数x（n）和采样频率，这是测量与分析的唯一依据。

2.4 数据采集校准

LabVIEW函数库提供串口通信函数，设计下位机与PC机的串口通信，定义通信协议有无奇偶校验。通过读取有效校准命令（分为压力采集、温度采集和下载修正系数），输出经过修正的当前电压值（沈金鑫等，2014）。在Win‐ dows下运行USB 2.0测量程序AD校准。

2.4.1 AD模拟量输入的校准

任选模拟输入通道，如AI0通道，将AI0通道接正满度电压10 V，选择0通道，屏幕为单通道显示（只采集0通道）。开始采集后，调整电位器RP1，使采集到的AI0电压为9 999.69 mV。重复以上步骤，直到满足要求为止。

2.4.2 DA模拟量输出的校准

选择菜单文件操作下的D/A输出检测，根据需要校准的通道选择相应输出，先将数字电压表的地线与连接器模拟相接，电压表的输入端与A00输出连接；再将DA输出值设置为4 095，通过调整电位器RP2，使相应的DA输出为9 995.12 mV。重复以上步骤，直到满足要求为止（沐阿华 等，2011）。

2.5 数据采集系统对电源的规格要求及作用

选取恒流源供电有助于提高压阻式压力传感器的测量精度。采用恒流源I供电时，输出电压与电阻的改变量ΔR有关且成正比线性关系。选取Agilent型号为E3646A的可控精密稳压源作为电源，以此为基础设计电路构建恒流源为压阻式压力传感器供电。选用低工作电压的芯片，降低信号采集功耗，提高信号采集的可靠性和抗干扰能力。

根据上述理论与方法，基于LabVIEW软件和USB多通道数据采集卡，设计和编辑肩扑搂撞击力量数据采集操作程序。

3 肩扑搂撞击力量测试仪的信效度检验

3.1 效度检验

测试仪的内部效度：负荷与电阻的幂函数关系稳定，测试前后的差值小于2‰，决定电流与撞击力的对应关系。结构效度：测试仪采用的硬件、软件及程序设计直接影响测试结果的精确性、有效性和科学性。压阻式压力感应器片通过双惠斯通桥曲流型压敏电阻、合理的膜片形状以及膜片外的金属连接等巧妙的设计技术，提高传感器的性能（Kumar et al.，2014）。采用解析和仿真方法对硅压阻传感器的特性进行分析，确定最优撞击力量采集设计方案，为预估压力传感器的关键参数提供思路、性能提供依据（Jindal et al.，2018）。

3.2 信度检验

运用SPSS 25统计软件，采用配对t检验和皮尔逊相关性检验测试前后拟合数值检验测试仪的信度。

实验测试前后，外、中、内传感器的皮尔逊相关系数分别为“1.000”“1.000”和“0.999”，数值高度正相关，传感器片的精确度不存在显著性差异（P=0.000），差值小于2‰，数值的拟合曲线高度吻合，表明传感器性能稳定，信度高（表6）。

表6 传感器片在相同负荷时反馈电阻值测试前后的皮尔逊相关性、测量标准误差（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 采用实际负荷与标定数值比较检验测试仪的信效度

外部负荷与测试仪显示标量值不存在显著性差异（P=0.000），两数值高度正相关（皮尔逊相关系数为“1.000”），充分表明测试仪性能可靠、信度高的特点（表7～表8）。

表7 外部负荷值与测试仪显示值的比较Table7 Comparison of ExternalLoadValueandTesterDisplayValue

表8 测试仪外部负荷值与显示负荷值的皮尔逊相关性、测量标准误差、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次不同重量的外部负荷值与测试仪显示负荷数值的差异性和相关关系，同时检验测试仪的信效度。

4 肩扑搂撞击力量测试仪的应用

肩扑搂撞击力量测试仪通过预实验检验，为进一步验证撞击力量测试仪的科学性、实用性，2018—2019年，上海体育学院博士课题研究运用肩扑搂撞击力量测试仪，结合VICON动作捕捉系统、肌电和三维测力台进行英式橄榄球肩扑搂技术撞击效果影响因素的研究。

VICON动作捕捉系统采用英国Vicon Motion System公司生产的红外高速运动捕捉系统和MX13型号的10台摄像头，镜头最高采集频率可达10 kHz。实验选用200 Hz的采样频率，配套的标志点为直径14 mm的红外反光marker球。粘贴反光marker点：受试者热身后粘贴marker点于双侧肩峰、第7颈椎棘突、双侧足踝、下肢及骨盆。反光标记点具体位置，包括环节标记点：双侧肩峰、第7颈椎棘突、双侧大转子、骨盆的双侧髂脊上缘、髂前上棘和髂骨后的后骶骨处，双侧的膝内、膝外、踝内、踝外，足跟正后方的跟骨结节处、足尖、第1和第5跖骨头，以及通过粘贴、捆绑固定在两侧大腿和小腿环节的4组追踪点。每组环节追踪点粘贴在贴合环节外形的热塑板上，以保证4个反光标记点在环节运动时相对位置保持不变。受试颈椎、肩峰、骨盆和双侧下肢反光点安放位置参照Visual 3D分析软件默认的下肢模型marker点放置方式，共34个（撞击时去掉肩峰的1个点）反光标记点。

肌电采集采用Delsys Trigno Wireless EMG System，采集频率为2 000 Hz，共12个无线肌电块粘贴在躯干右侧竖脊肌、躯干左侧多裂肌，以及双侧的臀大肌、股直肌、股二头肌、腓肠肌、胫骨前肌。采用肌电时域指标，判断撞击时下肢肌肉激活的程度和时序，分析不同体位正反架肩扑搂撞击是否存在差异性，以及与撞击效果的相关关系。

三维测力台采用瑞士奇石乐公司生产的Kistler三维测力台（长×宽×高：90×60×10 cm，型号为9287B），内置信号放大器，最大侧向力和垂直力分别可达10 kN和20 kN。实验采样频率为1 000 Hz，动力学数据使用But‐terworth二阶双向低通滤波器滤波，截止频率为50 Hz。运用动力学指标，分析双脚起始力与撞击力量的关系，判断和评价肩扑搂动作的防守质量及发力过程的合理性，有利于预防运动损伤，作为运动建模的参考。

设备同步：测力台和VICON系统通过模数转换器连接并同步构成，Delsys无线肌电采集系统通过同步盒与VICON系统同步（图8）。

图8 撞击力量测试系统的应用Figure 8. Application of Impact Force Testing System

实验分别对3名备战第32届夏季奥运会的中国国家队运动员、4名中国青年队运动员、6名前中国国家队运动员和5名一级运动员进行肩扑搂撞击力量测试。测试在室内22℃恒温条件下进行。热身活动后，准备姿势采用比赛中习惯的肩扑搂站位，双脚在测力台上从静止开始，分别用反架优势肩在高、中、低体位进行3次全力有效撞击，每次撞击时间间隔120 s（表9）。

表9 不同体位正反架肩扑搂撞击力量测试结果Table 9 Result of Impact Strength Test of Positive/Negative Shoulder Posture in Different Body Positions

5 结果与分析

实验前后的肩扑搂撞击力量感应装置肩外、中、内部的传感器片反馈电阻和负荷重量的拟合曲线吻合度误差＜2‰，重复测量测试仪的外部负荷数值与显示标量值误差＜5%，证明撞击力量测试仪性能稳定，信度高。为了减少肩部与撞击柱之间的摩擦力，经过实验测试筛选，选用摩擦系数较低的莱卡面料，在保护撞击力量感应装置的同时，缩小撞击力量实际值与采集值之间的误差。

LabVIEW软件和USB多通道数据采集卡在Windows操作系统中运行正常，满足测试的功能要求。LabVIEW程序可以非常便捷地控制计算机、USB和电路等硬件设备，找到适用于测试测量的LabVIEW工具包中的函数，设计完整的测试测量应用程序。

USB多通道数据采集卡性能稳定，在电信号与力的转换过程中，单片机读FT2232H缓存，接收D/A信号类型（正弦）、信号幅度、频率配置指令。由于D/A受中断周期最小值限制，数组大小随信号频率而变化，根据信号函数计算每个数据点的值并写入数组。在每次中断，读取该数组对应时刻的值送D/A转换输出。

在恒温22℃的实验室进行肩扑搂撞击力量测试，降低了FlexiForceTM A502压阻式压力感应器片的温度漂移。数据采集系统采用恒流源I供电，输出电压U0i与电阻的改变量ΔR成正比，与输入压力值呈线性关系。同时，测量传感器放大后的输出电压，避免因输出过小导致读数不准确。

应用测试仪成功测试了我国优秀女子橄榄球运动员肩扑搂撞击力量。不同体位女子优秀运动员肩扑搂撞击力量最大值为832 N，平均撞击力量为体质量的119%，测试结果在撞击力量感应装置有效量程，并且在小于1 000 N阈值范围。电压信号随着反馈电阻的减小增加明显，即拟合曲线Y值随着X值的减小有明显的增加。在这种变化关系下，信号采集过程精确、可靠和有效。测试结果表明，一方面，英式橄榄球肩扑搂撞击力量优秀男、女运动员存在较大的差距。优秀男子运动员在跑和跳跃的状态下，肩扑搂撞击力量是体质量的175%和223%，在走的状态下是体质量的128%～157%。另一方面，男、女运动员肩扑搂撞击力量有共同的特征。在静止启动状态下，优秀女子橄榄球运动员肩扑搂撞击力量正架大于反架，肩扑搂撞击力量正反架之间存在显著性的差异。研究表明，优秀男子运动员在静止启动和移动状态下正架肩扑搂撞击力量大于反架（Keller et al.，1996；Munro et al.，1987），这一特征与优秀女子运动员相似。

6 研究局限

设计压力感应装置是根据测试对象的体形特征，直接采用FlexiForceTM A502压阻式压力感应器片。然而，面对肩部宽大和肩扑搂技术不正确的运动员，尤其是肩扑搂时肩部撞击部位会直接影响压力感应装置的数据采集，因此，要根据实际尺寸定制适宜的传感器片，采用正确的肩扑搂技术，才能保证测量结果的精确性、可靠性和有效性。此外，实验撞击柱的刚度与人体存在差异，一定程度上影响了测试结果的准确度，后期研究将逐步改进。

7 结论与展望

本设计应用LabVIEW软件、USB多通道数据采集卡和FlexiForceTM A502压阻式压力感应器片完成数据采集系统及撞击力量感应装置的整体构建。研制撞击力量测试仪的理论和思路正确，设计力量撞击装置的方案合理，编辑数据采集的程序有效，达到了预期的设计目标。通过信效度检验和实际应用，充分验证了测试仪性能稳定、可靠，信效度高，可便捷有效地测量女子肩扑搂撞击力量。