感应电极在各象限中的平面布置应保证一定的错位偏移，通过差动消除影响，取感应 电极在下层PCB基板上的位置作为参照，则驱动电极在上层PCB基板上的布置应以PCB基 板边缘线为基准。图中四个虚线方框为感应电极在下极板上的基准。而置他们与几何基准 线差距均为S tlO). 1mm)，以保证^在I、Π 象限电容单元产生差动电容输出响应，而在III、 IV象限电容单元则产生对^的差动电容响应，设置一个初始错位偏移δ x。，其取值应保证
[其计算值与S ^类似，其初始错位偏移均设置δ χ。= δ y。= 0.01mm，以保证四 个象限中的电容单元在TjP τ y切向激励下能产生两组差动电容对。在图6中Ctx1= Ck 和Ctx11= q为转换τ χ的差动电容对，而C τχΙΠ = q和C τχ?ν= C#』为转换τ ^差动电 容对。
[0078] (2)法向应力计算
[0079] 由公式（6)可改写单个电容器的法向响应电容
[0081] 其中，i = I、II、III、IV，因每个象限中，N是指每个象限的条状电容单元的数量，N 个条状电容单元是并联。
[0082] 如再将其求和，可得
[0083] 上式即为〇"的电容总响应。
[0084] 尽管单个电容的求和可通过电极引线的并联连接实现。但一旦并接好，就不再能 实现求差组合，故实际的求和组合要通过中间变换器的输出再求和，见图10,求和的信号流 程框图
[0085] 图中，中间变换器K可以是电压对电容或频率对电容的传输系数，从而完成对法 向响应的合成。
[0087] (3)切向应力计算
[0088] C1对C11和C111对Civ可以实现两对差动组合，见图11，经差动技术处理，差动输出 的总响应
[0090] 上式中，无论是法向激励Fn或切向激励Fy均不对0 ^产生影响。即自动消除了 〇"和τ，寸τ ^勺总输出的耦合或干扰，因为凡是在信号包含相减的运算中，等量和同符合 的电容变化都自动消除。而FjPFx对。 η的干扰可通过上层电极在Idci方向增加几何长度 2 δ。消除，0 Ty同理可求。
[0091] (4)主要材料选择及其特性参数
[0092] 梳齿状平行板电容器的极板距Cltl= 0. 1mm，上下基板内侧空间除铜箔电极外，均 为用失蜡铸造法充填的PDMS (聚二甲基硅氧烷）超弹绝缘介质。其机械和物理特性参数为 杨氏模量E = 6. 2MPa，而其抗剪弹性模量为G = 4. IMPa，介质极化时相对介电常数ε γ = 2. 5。由于介质的E和G远小于铜的弹性模量Ew= 103GPa。故电容器内部介质在应力状态 下的变形远大于极板的变形。
[0093] (5)电极引线设计
[0094] 无论是驱动电极或感应电极都需备有引出线，考虑各个驱动电极在信号电平上都 是接地的，故四组驱动电极只需共用同一个引出线。而四个电容单元模块感应电极则需用 各自独立的引出线，于是整个电容组件共有至少5个管脚从平面封装的侧面引出，以便整 个组件顶部与底部外表面能方便地与测量对象接触。
[0095] 本发明在新材料和新工艺的支撑下，完成了一种新型三维力敏感电容组合的设 计，在IOX IOmm2的受力面上，无论是法向或切向，都可向介质较均匀的传递应力。文中四个 单元电容呈两对组合分布。在空间力与传感器表面的接触中外力只有1个，电容响应却有 4个，对4个电容求和可得到法向Fn的信息，即整个电极板都对求F "做出贡献，同时将两对 电容组合组成差动系统，又可获得FdP F y的信息，从而完整描述一个三维力。
[0096] 通过改变座角、座高，可直接测出人-车系统接触处（脚蹬、车把及车座）受力，脚 蹬轴上的编码器能跟踪曲柄与脚蹬间的夹角并与三维力测量同步，这样就可通过计算求 得作用于脚蹬上有效力。通过微处理器控制同步发光点，实现动力学测量与运动学测试的 同步，其测试所得的运动学与动力学参数一同并入自行车踏蹬技术诊断反馈系统软件中， 从而实现数据采集、处理、存贮和回放一体化。
[0097] 上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式 的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改 进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种自行车骑行运动辅助训练装置，其特征在于，包括脚蹬传感器、编码器和传感器 系统信号处理器，编码器安装在脚蹬轴的外端，用于获取任意时刻曲柄与脚蹬间的夹角0， 求解沿曲柄轴方向的无效力及垂直方向的有效力，脚蹬传感器布置在测试车的左右脚蹬 上，获取作用在脚蹬上的三维力并发送给传感系统信号处理器，所述脚蹬传感器包括X方 向差动电容单元组合和Y方向差动电容单元组合，所述X方向差动电容单元组合和Y方向 差动电容单元组合均包括两个以上相互形成差动的电容单元模块，所述电容单元模块采用 由两个以上的条状电容单元组成的梳齿结构，每个条状电容单元包括上极板的驱动电极和 下极板的感应电极，所述X方向差动电容单元组合和Y方向差动电容单元组合的电容值求 和计算传感器的法向力且消除切向力影响。2. 根据权利要求1所述的自行车骑行运动辅助训练装置，其特征在于，所述装置还包 括车把传感器和车座传感器，用于监测车座和车把上的三维作用力，获取上体的重量分配 以及躯干-手臂系统的用力特征。3. 根据权利要求2所述的自行车骑行运动辅助训练装置，其特征在于，所述每个条状 电容单元的驱动电极和感应电极宽度相同，驱动电极的长度大于感应电极长度，驱动电极 长度两端分别预留左差位S左和右差位S右，b0驱=b0感+S右+S左，其中，b0驱为条状电容单 元的驱动电极长度，为条状电容单元的感应电极长度。4. 根据权利要求3所述的自行车骑行运动辅助训练装置，其特征在于，所述差位Ss =8$，且其中屯为弹性介质厚度，G为弹性介质的抗剪模量，t_为最大应 力值。5. 根据权利要求2所述的自行车骑行运动辅助训练装置，其特征在于，所述两组相互 形成差动的电容单元模块的条状电容单元的驱动电极和感应电极沿宽度方向设有初始错 位偏移，错位偏移大小相同、方向相反。6. 根据权利要求2所述的自行车骑行运动辅助训练装置，其特征在于，所述梳齿状结 构包括20个以上条状电容单元、与条状电容单元一一对应连接的引线，相邻两条状电容单 元之间设有电极间距as。7. 根据权利要求6所述的自行车骑行运动辅助训练装置，其特征在于，所述平行板面 积S=M(%+as)Iv其中，M为条状电容单元数量，k为条状电容单元的长度，a^条状电容单 元的宽度。8. 根据权利要求6所述的自行车骑行运动辅助训练装置，其特征在于，所述电容单元 模块的每个条状电容单元的引线通过并联或者独立连接到传感系统信号处理器。9. 根据权利要求2所述的自行车骑行运动辅助训练装置，其特征在于，所述条状电容 单元的宽虔\ 其中，屯为弹性介质厚度，E为弹性介质的杨氏模量，G为弹性介质的 抗剪模量。10. 根据权利要求2所述的自行车骑行运动辅助训练装置，其特征在于，所述传感系统 信号处理器和电容单元模块之间设有中间变换器，中间变换器用于设置电压对电容或频率 对电容的传输系数。
【专利摘要】本发明涉及一种自行车骑行运动辅助训练装置,包括脚蹬传感器、编码器和传感器系统信号处理器，编码器安装在脚蹬轴的外端，脚蹬传感器布置在测试车的左右脚蹬上，脚蹬传感器包括X方向差动电容单元组合和Y方向差动电容单元组合，X方向差动电容单元组合和Y方向差动电容单元组合均包括两个以上相互形成差动的电容单元模块，电容单元模块采用由两个以上的条状电容单元组成的梳齿状结构。本发明的自行车骑行运动辅助训练装置为寻找适合于训练者人体结构特性的坐姿定位以及为所测的每个自行车运动员获得各自最优的车架结构尺寸提供理论依据。
【IPC分类】A63B69/16, A63B71/06
【公开号】CN104984531
【申请号】CN201510455641
【发明人】王国义, 刘贤东, 李骁颉
【申请人】安徽机电职业技术学院
【公开日】2015年10月21日
【申请日】2015年7月28日