自行车骑行运动辅助训练装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于体育训练技术领域，涉及到自行车训练项目，具体涉及一种自行车骑 行运动辅助训练装置。
【背景技术】
[0002] 自行车骑行中，蹬踏是人与车前进的唯一动力，良好的踏蹬技术可使运动员以最 小的能量消耗得到最大的功率，而落后的、错误的踏蹬技术会过分消耗运动员的体能，却得 不到相应的功效。从自行车的几何结构看，骑行时车手与自行车接触部位只有三处：即车 把、车坐和脚蹬。因此足、臀部及手臂在自行车上的相对位置决定了骑行的舒适度和作用力 的传递。例如，踏脚板与曲柄轴之间的夹角，会影响训练者脚作用在踏板上的法向力和切向 力沿有效力和无效力方向的分力大小，影响有效力的作用效率。因此，有必要对运动过程中 足、臀部及手臂的作用力进行监测，帮助训练者调整骑行姿势，并训练最佳踏蹬技术。
【发明内容】
[0003] 为了克服现有技术的不足，本发明提供一种自行车骑行运动辅助训练装置，通过 监测受试者上体姿位、改变坐角、坐高所引起的脚踏、车坐、手把上的动力学参数的变化，从 而为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和有效的原始数据。
[0004] 本发明的技术方案是：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，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，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。
[0005] 自行车测试车辅助训练装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。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+ 5左，其中，b0驱为条状电 容单元的驱动电极长度，bg为条状电容单元的感应电极长度。所述差位，且 ，其中d。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。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。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a 5。 所述平行板面积s = M (%+a 5) b。，其中，M为条状电容单元数量，b。为条状电容单元的长度，a。条状电容单元的宽度。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。所述条状电容单元的宽度at) 其中，d。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。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。
[0006] 本发明有如下积极效果：本发明的自行车测试车辅助训练装置，通过监测受试者 上体姿位、改变坐角、坐高所引起的脚蹬、车坐、手把上的动力学参数的变化，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。本发明在电容测量三维力的基础上，有效使用平板面积，并且通过差动 等方法有效解决三维力间耦合，从而使法向与切向转换都达到较高的线性、精度与灵敏度。
【附图说明】
[0007] 图1是本发明的【具体实施方式】的条状电容单元及其坐标系。
[0008] 图2是本发明的【具体实施方式】的条状电容单元示意图。
[0009] 图3是本发明的【具体实施方式】的条状电容单元右向偏移示意图。
[0010] 图4是本发明的【具体实施方式】的条状电容单元左向偏移示意图。
[0011] 图5是本发明的【具体实施方式】的条状电容单元对的初始错位图。
[0012] 图6是本发明的【具体实施方式】的条状电容单元对受力后偏移图。
[0013] 图7是本发明的【具体实施方式】的平行板三维力压力传感器结构图。
[0014] 图8是本发明的【具体实施方式】的平行板三维力压力传感器驱动电极结构图。
[0015] 图9是本发明的【具体实施方式】的平行板三维力压力传感器感应电极结构图。
[0016] 图10是本发明的【具体实施方式】的通过相同传递系数K实现输出响应求和。
[0017] 图11是本发明的【具体实施方式】的单元电容对的信号差动示意图。
[0018] 图12是本发明的【具体实施方式】的平行板电容器剖面结构。
[0019] 图13是本发明的【具体实施方式】的车脚踏上受力情况分析图。
[0020] 其中，1、上PCB基板，2、下PCB基板，3、驱动电极，4、感应电极，5、弹性介质。
【具体实施方式】
[0021] 下面对照附图，通过对实施例的描述，本发明的【具体实施方式】如所涉及的各构件 的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及 操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域技术人员对本发明的发明构思、技术 方案有更完整、准确和深入的理解。
[0022] 如图13所示，为自行车测试车脚踏上受力情况分析图，左边为曲柄坐标系，右边 为作用于踏板上的受力分析，脚蹬三维力测试出来后，针对地球坐标系，将作用于脚蹬上的 法向力（F pn)和切向力（Fpt)沿曲柄轴平行和与曲柄轴垂直的方向分解时，在根据编码器 测得的相应瞬间踏脚板与曲柄轴之间的夹角0，这样就可以求得沿曲柄轴平行方向的分 力，也即无效力，和与曲柄轴垂直的方向的分力，也即有效力，有效力与合力之比就是作用 效率，作用效率是蹋蹬技术的评价指标，而蹋蹬技术是控制姿势、负荷和蹋蹬频率的直观 体现。因此，在测试车左右踏板上安装三维力传感器，监测脚作用在踏板上的切向力和法 向力，通过改变座角、座高及蹋蹬频率，作用于踏板上的切向力和法向力作用模式会发生变 化，在脚蹬轴的外端安装编码器，获取任意时刻曲柄与脚蹬间的夹角。
[0023]在车座下和车把下也装上三维力传感器，用于监测车座和车把上的作用力，从而 探求改变骑行量时上体的重量分配以及躯干-手臂系统的稳定性特征。综合三处的作用力 特点确保最佳骑姿定位的合理性和科学性。车把、车座、左、右脚蹬三维力传感器及左、右脚 蹬编码器及采样时间序列等15路信号在信号调理器中进行调理，经过ADC变换后进入微 处理器。微处理器同时控制同步发光点（以实现运动学、动力学测量的同步），并通过USB 接口与PC相连。软件可实现从数据采集、数据处理、数据存储及数据回放等功能。
[0024] 有效力、无效力及相应的合力可按照如下的公式求得：F* =_Fptcos 0 +Fpnsin 0 ;F无效力=_Fptsin 0 +Fpncos 0
[0025] 以下说明本发明三维力传感器的测量原理：本发明传感器包括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通过电容值相减计算X 方向的切向力且消除Y方向切向力影响，所述Y方向差动电容单元组合通过电容值相减计 算Y方向的切向力且消除X方向切向力影响，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电容传感器的法向力且消除切向力影响。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状结构，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
和右差位6右，b0驱=b0感+5右+5左，其中，b0驱为条状由窓里元的販