體育強則中國強，國運興則體育興。一個國家的體育運動水平在某種程度上反映了該國的社會狀況、經濟形勢和精神面貌，體現著該國的國力。因此，為了在競技體育中取得好成績，人們越來越注重運用生物力學手段來指導訓練和比賽。
 
運動生物力學主要研究人體結構的受力過程、影響以及運動技術力學規律。它的重要意義在于，如果了解了人體上力的大小、方向和變化規律，便可為運動員及其教練、人體工程學家、神經專科醫師等領域的研究者提供極為寶貴的訊息。研究力作用效應的一個基本出發點就是對力進行定量觀測和分析，這就要依賴于一系列的硬件設備。    
測力臺一直是運動生物力學研究領域的有力測試工具，它可以用于分析運動員在步行、跑步或其他體育鍛煉（如跳躍）時所施加的推力。測力平臺可檢測和測量加速度、反應時間和可能的推力缺陷，這意味著它可以在訓練期間為比賽和康復運動員的表現評估提供極好的支持。本文將具體講解三維測力臺的原理、應用及具體的研究案例。
 
測力臺的概念
測力臺是一種用于人體運動力學研究的設備，通常呈長方形，由踏板、高精度的傳感器和穩固的底座三部分構成。踏板與底座之間通過四角安裝的傳感器相連，這些傳感器能夠捕捉到受試者在踏板上施加的力。當受試者的腳部接觸平臺時，傳感器能夠測量出垂直向下的力、水平方向的力和前后方向的力，從而為研究者提供全面的數據。
 
這類平臺在人體運動研究中扮演著重要角色，特別適用于分析跑步、跳躍、投擲、舉重等運動中下肢的動態用力情況。此外，它還能測量上肢的接觸力、力矩以及人體在靜止狀態下的重心變化。    六分量測力臺原理示意圖  
當人體站在臺面并運動時，人與測力臺之間的相互作用可由4個對稱分布的三維力傳感器進行檢測，經過放大器放大和 AD 卡數字化后，我們就可以得到豎直、前后、左右三個方向上力的大小（如Fx、Fy、Fz）。如果我們以一定頻率在時間軸上連續采集，就可以獲得人與測力臺作用時間內的一系列力值。我們知道，有了力，就可以求加速度，對加速度一重積分，可以求得速度，對加速度二重積分，可以求得位移。在知道臺面尺寸后，還可以求得三個方向的力矩（如Mx、My、Mz）以及壓心坐標（如COP_X、COP_Y）等。
 
測力臺的分類
依據傳感器的不同，測力臺可分為：以壓電晶體為傳感器的測力臺，以電阻應變片為傳感器的測力臺。

• 以壓電晶體為傳感器的測力臺

以壓電晶體為傳感器的測力臺每個傳感器是由3組環狀的石英壓電晶體疊加在一起形成圓柱形，這3組壓電晶體由于其分別從單晶硅上切割方向各不相同，即分別沿平行于X,Y,Z軸3個不同方向切割，所以3個方向的力對每一組壓電晶體產生壓電效應也各不相同。
 
例如,最上方向的那個環，當受到X方向的作用力Fx時，會因為壓電效應在圓環的上、下表面產生電荷，而對Y,Z方向的力則無此效應。以此類推，中間的環和最下邊的環則只分別對Y,Z方向的力有壓電效應。由于電荷量和力的大小成比，通過對電荷量的測定，就可以得到相應方向力的數值。該數值不僅反應彈性力，還有慣性力，這就是壓電式測力平臺能更精確地測試動態力不需要速度或加速度補償的基本原理。
 

• Kistler三維測力臺

Kislter出品的生物力學測試系統提供高精度動作分析，是提高運動技能、完善康復治療和改進產品和工藝人體工程學設計的基礎科研工具。對于步態和運動分析、體能訓練、田徑比賽，或對于特定產品的使用，Kistler動態測力系統可以提供準確的數據，并可以結合配套軟件對運動模式進行分析、評價和對比。Kistler三維測力臺特別注重易用性和操作便捷性，絕大多數型號已進行數字化改型，無需連接數采，直接連接PC端。    Kistler三維測力臺  
除體育訓練外，Kistler測力臺還可用于動作技術的地面反作用力的測試、下肢運動損傷、預防損傷、穩定能力、平衡能力的測試、運動裝備（如運動鞋）的運動性能測試、運動場地材質的緩沖性能測試等運動相關領域。    Kistler測力臺獲取舉重運動中抓舉過程的動力學參數  
功能特點

1. 高固有頻率、高阻尼、高精度
2. 優異的線性和靈敏度
3. 在極寬的測量范圍內保持長期穩定
4. 能對每個快速動作進行精密測量
5. 支持與視頻分析/運動分析一起使用
6. 高分辨率和可靠性
7. 可記錄較小的力（例如兒童）
8. 抗過載能力強，使用壽命長且無老化
9. 產品類型全面，擅長檢測上肢力和地面反作用力

 

• 以電阻應變片為傳感器的測力臺

用電阻片制作的傳感器形式是多種多樣的，常用的有圓環式、雙環式、圓柱式以及輪輻式。它們均屬于“變形型"測力平臺，因為這些傳感器的變形與力大小成正比，所以它們是通過測傳感器的變形轉換成力的大小。電阻片貼在傳感器變形的部位，使其與傳感器變形一致，電阻片的變形通過電橋轉化為電壓的變化，最后與數據采集系統相連得到6個力的參量。

 Bertec三維測力臺
 Bertec是國際公認的研究級生物力學設備及軟件的設計者、制造者和銷售者。耐克公司、美國奧林匹克游泳隊、豐田機器人公司、美國國立衛生研究院、克利夫蘭診所、梅奧診所、哈佛大學等全球數百家機構都曾使用Bertec的產品。    Bertec固定式三維測力臺  
Bertec測力臺是由其專利的應變測量技術、先進的電子技術、創新的機械設計和高質量的制造技術所創造的優質測力板，可應用在步態、平衡、跳躍、奔跑等多種運動表現的研究中。Bertec擁有固定式與便攜式兩種測力臺，便攜式方便移動，允許在更自然的環境中收集數據。
   Bertec便攜式三維測力臺  
功能特點

1. 測量精度高
2. 串擾小、無漂移
3. 模擬信號處理為數字數據，不受外界干擾
4. 多種尺寸和負載范圍的測力臺可供選擇，以滿足不同實驗需求
5. 可一次同步40+ 固定式測力臺
6. 可結合運動捕捉系統實現同步采集

 
測力臺的應用方向
測力臺的兩個主要應用方向是預防損傷和提高運動表現。在預防損傷方面，姿勢穩定性、跳躍和著地是預防性研究的主要領域，目的是避免運動員因姿勢不當問題而受傷。在提高運動表現方面，測力臺可以用來研究各種類型的跳躍和伸展運動，以測量跳躍的力和高度等，也可以研究更基本的運動動作，如短跑、步行或敏捷性測試等。
   
特別是在跳躍領域，測力臺可用于測量和分析橫向跳躍，訓練員和教練通常使用便攜式三維測力板來記錄運動員的平衡性和穩定性。在測力臺上進行的跳躍測試不僅具有極高的可重復性、可靠性和易操作性，而且測力臺所需的配置時間很短，可以快速連續地對大批運動員進行測試。每個運動員測試時所需要的配置時間很短，而且可以快速連續地對大批運動員進行測試。此外，在測力臺上進行任何類型的測試都很難作弊，無論是掩蓋受傷或疼痛，還是表現得比實際情況更強、更快或更有力，因為數據不會騙人。
 
三維測力系統 
如果測力臺結合其他設備收集圖像和生物肌電數據，還可以構成三維測力系統對運動過程進行綜合的生物力學分析。三維測力系統通常由三維動作捕捉系統、三維測力臺和表面肌電測試系統組成。這三種設備分別用于采集人體在步行過程中各個關節點的精確三維坐標、足底與支撐面之間的壓力（包括垂直、左右和前后三個方向的力），以及EMG肌電信號。通過專業的步態分析軟件，可以進行三維重建和模型分析，從而得到人體運動時的步態參數。
 
光學運動捕捉系統
借助紅外高速攝像機捕捉人體在三維空間內的運動軌跡變化，并通過空間坐標的形式輸出數據。瑞典Qualisys光學運動捕捉成立于1989年，是全球領先的光學運動捕捉產品和服務的供應商。無論是室內、室外、陸地或者水下，都有專業的解決方案。
  在康復領域Qualisys光學運動捕捉系統可實時監測患者的運動狀態，
幫助醫療專業人員制定更有效和個性化的治療方案  
Qualisys功能特點

1. 獨創的主動濾波功能，可在復雜光線環境下實驗；
2. 高采樣率、高分辨率；
3. 串聯連接，快速便攜；
4. 低延遲、高精度；
5. 對流散熱，使用壽命長，極低故障率；
6. 兼容主動和被動標記，更加寬廣捕捉范圍；
7. PAF自動報告功能(步態、跑步、自行車等)。

 
表面肌電測試系統
實時采集人體運動中肌電信號的變化，經過放大、濾波及模/數轉換，形成量化的肌電波形及數據，因其安全、無創測量的有點在康復醫學工程界及生物力學研究中備受關注。由意大利Cometa公司開發的無線表面肌電測試系統是典型代表，系統可以與Qualisys動捕系統同步測量，可以更詳盡地描述步態特征。  Cometa無線表面肌電測試系統應用于腿部肌肉運動性能評估  
Cometa功能特點：

1. WIFI無線傳輸距離30m
2. 連續工作10小時
3. 內置三軸加速度計
4. 共模抑制比≥120dB
5. 采樣率2000Hz
6. 通道之間無漂移
7. 支持視頻同步
8. 支持離線采集存儲

Qualisys運動捕捉系統配套的QTM（Qualisys Track Manager)軟件具有較高的可拓展性，通過預留的數據接口可以快速將Kistler測力臺和Cometa表面肌電等設備集成進來，同步記錄數據。   光學運動捕捉軟件QTM數據分析界面  
測力臺的應用領域
測力臺在體育運動領域有廣泛應用。如田徑、滑冰、足球、射擊、排球、籃球以及其他與姿勢、跳躍和杠桿有關的壓力運動，正確地將所有的力量放在地面上實際上對于運動表現和預防傷害都至關重要。
 
應用案例
1.  落地高度對高水平短跑運動員跳深動作下肢生物力學和反應性力量的影響
南京大學、江蘇省體育科學研究所、南京理工大學的臧宇、許貽林等人進行了一項研究，檢查落地高度對高水平短跑運動員跳深動作下肢生物力學和反應性力量的影響并進一步確定下肢生物力學指標與反應性力量指標之間的關聯性以及跳深動作的最佳負荷高度。研究者邀請14名男子高水平短跑運動員參與四種落地高度下（0.15m 、0.30m、0.45m和0.60m）的跳深動作測試，使用6臺紅外高速攝像機和2塊三維測力臺同步采集跳深動作的運動學和地面反作用力信號。研究表明，落地高度顯著影響跳深動作的下肢生物力學和反應性力量指標，蹬伸階段垂直地面反作用力和平均功率輸出與反應性力量指標均存在非常顯著的相關性，在0.15m-0.60m的落地高度范圍內存在實現跳深動作最大平均力學功率輸出的最佳負荷高度。建議針對高水平短跑運動員跳深訓練時應該根據個體運動員的最大平均功率輸出、反應力量指數和反應力量比等指標確定最佳負荷高度，以實現最佳訓練效果并預防運動損傷。  
2.  乒乓球運動員膝關節損傷機制研究
為了解不同性別乒乓球運動員完成并步、跳步、跨步3種常用步法時膝關節的負荷特征，并探析乒乓球運動員膝關節的損傷機制。寧波大學、國家體育總局育科學研究所、北京體育大學、華北電力大學的周星棟、張曉棟等人對乒乓球男、女各10名運動員完成3種常用步法動作時的下肢運動學、動力學數據進行采集和處理，并運用方差分析法比較不同性別、不同技術之間的差異。研究表明，膝關節屈曲狀態下，較大的地面反作用力和膝關節外展角易導致乒乓球運動員前交叉韌帶損傷，女運動員的損傷風險小于男運動員，跳步的損傷風險小于并步和跨步；水平向后和向左的力易造成乒乓球運動員軟骨和半月板損傷；過大的伸膝力矩易導致乒乓球運動員髕腱末端病和髕骨軟化。  
3.  對撐竿跳高助跑和起跳的生物力學參數進行因子分析
上海體育大學、新疆財經大學信息管理學院的李夏媛、夏正亮 、謝武等人探索了一種參數系統并建立線性預測模型，以有效、全面地評估撐桿跳高成績。研究者使用Qualisys動作捕捉系統（200Hz）和三個Kistler測力平臺（2000Hz）收集運動員起跑和騰空的運動學和地面反作用力數據。最后，對8名運動員30 次成功跳馬的 26 個生物力學參數進行了因子分析，并對提取的因子進行了線性回歸分析。因子分析提取了三個因子：F1、F2和F3。30個跳馬的平均最大COM高度為4.974米。F1 的得分增加了 1，最大COM高度分別增加了0.131米和0.112米。F3 沒有參與成績預測。對于教練員和運動員的訓練而言，身材高大的運動員需要付出更多的努力才能達到更高的訓練水平。此外，提高起跑和騰空的速度、機械能和水平推進GRF，以及優化騰空支撐階段三個下肢關節的發力策略，都有助于取得良好的撐桿跳成績。   撐桿跳高助跑和起跳評估的實驗場景示意圖與實景圖  
4.  隨機生物力學模擬比較不同落地形式對籃球運動員ACL損傷危險性和危險因素的影響
太原理工大學體育學院、北京體育大學的張美珍、劉德林、劉卉等人運用隨機生物力學模型比較籃球運動員水平急停落地和垂直起跳落地動作對ACL損傷危險性和危險因素的影響。研究者采集了51名籃球專項大學生在完成急停起跳動作時的運動學、動力學和表面肌電學數據，并進一步研究受試者ACL損傷率以及引起損傷的下肢生物力學危險特征。運用混合設計的雙因素方差分析比較不同落地形式和性別對下肢生物力學特征的影響。結論顯示，基于隨機生物力學模擬方法得到籃球運動員在完成急停起跳落地動作時，水平急停比垂直落地更容易引起ACL損傷，男性垂直落地形式下ACL損傷危險性最小。女籃運動員ACL損傷危險性大于男性，在水平急停時更為明顯。籃球運動員急停起跳時的2種不同落地形式其ACL損傷危險因素因性別而有差異。
 

在損傷和康復領域，測力臺的主要應用之一是步態分析，測力臺與其他設備結合則可以獲取有關支撐和振蕩階段的一系列準確數據。這些數據由兩只腳在力平臺上的壓力、步態和空間中的腳步方向產生，可以提供每只腳上負荷分布以及由于受傷或姿勢缺陷而導致的身體對稱性的完整視圖。
 

步態分析是研究人類行走運動的科學，其涉及到多個學科領域，主要內容包括以下方面：

• 步態周期分析：步態周期是指一次完整的步行過程，包括左右腿的邁步和落腳。步態周期分析可以測量步行的節奏和步幅等參數。
• 步態動力學分析：步態動力學分析可以測量人體運動的力量和能量，包括行走時的步態穩定性、肌肉活動和關節運動的角度、速度和力量等參數。
• 步態生物力學分析：步態生物力學分析研究人體行走運動對人體組織和結構的影響，包括足底壓力分布、骨骼負荷和肌肉力量等方面的測量。
• 步態模式識別：步態模式識別可以根據人體行走運動的特征，區分不同的步態模式。這種分析可以應用于診斷和監測一些步態相關的疾病，如帕金森病和腦卒中等。
• 步態控制機制研究：步態控制機制研究人體如何協調不同的身體部位，以保持平衡和穩定的行走狀態。

人體步態軌跡圖  
應用案例
1.老年女性不同步行增速策略的下肢關節角度和角速度變化
杭州師范大學的李旭鴻，范年春，喻美鑫等人探討不同增速策略的健康老年女性在步態周期內其下肢關節角度和角速度的變化規律。他們利用紅外高速運動捕捉系統QTM和兩塊KISTLER三維測力臺對27名老年女性在自然行走和快速行走過程中的步態參數和下肢關節運動參數進行采集，根據受試者從自然行走到快速行走的速度增加方式分成3組：增加步頻組（G1，n=10），增加步幅組（G2，n=8），同時增加步頻和步幅組（G3，n=9）。對上述3組老年女性矢狀面內下肢踝、膝和髖關節角度和角速度峰值進行數據統計和結果分析。實驗結論顯示，無論何種增速策略的健康老年女性，其步態周期內的下肢關節角度和角速度變化輪廓較為一致，一些重要時相的峰值大小與自身的下肢肌肉力量和步行策略有關。    
參考文獻
[1]陳祥運.測力臺數據的采集分析與系統實現[D].南京:南京理工大學,2003:1-2.
[2]王爽.測力臺在體育測試中的應用研究[J].電子設計工程, 2011, 19(14):3.DOI:10.3969/j.issn.1674-6236.2011.14.021.
[3]張美珍,劉德林,孫文文,等. 隨機生物力學模擬比較不同落地形式對籃球運動員ACL損傷危險性和危險因素的影響[J]. 天津體育學院學報,2017,32(3):245-251. DOI:10.13297/j.cnki.issn1005-0000.2017.03.011.
[4]Xiayuan Li, Zhengliang Xia, Feiliang Liu, Jinzhong Guo, Xie Wu & Yu Liu(2022): Factor analysis of the biomechanical parameters of pole vault run-up and takeoff: exploring sports performance, Sports Biomechanics, DOI: 10.1080/14763141.2022.2080104
[5]周星棟,肖丹丹,郭文霞,等.乒乓球運動員膝關節損傷機制研究——對3種常用步法的膝關節負荷特征分析[J].中國體育科技, 2020, 056(006):62-67.DOI:10.16470/j.csst.2020026.
[6]李旭鴻,范年春,喻美鑫.老年女性不同步行增速模式的下肢關節角度和角速度[C]//第十一屆全國體育科學大會論文摘要匯編.2019.
[7]臧宇,許貽林,殷飛,等.落地高度對高水平短跑運動員跳深動作下肢生物力學和反應性力量的影響[J].體育與科學, 2019, 40(6):10.