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　　本专利针对自行车骑行参数测量精度不足的问题，提出一种基于圆环电容与条状电容组合的三维力敏感装置。通过圆环电容单元组测量法向力与切向力大小，条状电容单元组结合差动结构实现切向力方向识别，配合编码器与信号处理器实现运动参数同步采集，提升骑行动力学分析精度。

　　[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 行运动参数采集装置。

　　[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。

　　[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参数采集装置，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参数采集装置，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β，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传感器系统信号处理器、 与传感器系统信号处理器分别连接的圆环电容单元组和条状电容单元组，所述条状电容单 元组设置在圆环电容单元组外基板的四角，圆环电容单元组包括两对以上圆环电容单元 对，所述圆环电容单元对包括两个圆环电容单元，所述条状电容单元组包括X方向差动电 容单元组和Y方向差动电容单元组，X方向差动电容单元组和Y方向差动电容单元组均包 括两个以上相互形成差动的电容单元模块，所述电容单元模块是由两个以上的条状电容单 元组成的梳齿状结构，每个圆环电容单元和条状电容单元均包括上极板的驱动电极和下极 板的感应电极。

　　[0005] 自行车骑行运动参数采集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。所述每个圆 环电容单元的感应电极和驱动电极正对且形状相同，所述每个条状电容单元的驱动电极和 感应电极宽度相同，条状电容单元的驱动电极长度大于感应电极长度，条状电容单元的驱 动电极长度两端分别预留左差位S左和右差位δ右，b 0驱=b0感+δ右+ δ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。所述条状电容单元的左差 位5左=右差位δ右，

　　其中d。为弹性介质厚度，G为弹性介质的抗剪模量， τ _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。所述圆环电容单元 组包括η个同心圆环电容单元，其中

　　其中，aT为平行板的长度，为圆环电容 单元圆环的宽度，a50相邻两圆环电容单元之间的电极间距。X方向差动电容单元组和Y方 向差动电容单元组均包括m个条状电容单元：

　　S其中，aT为平 行板的长度，a5 #为相邻两条状电容单元之间的电极间距，a。条状电容单元的宽度。所述同 心圆环电容单元的宽度^和条状电容单元的宽度a。相等；条状电容单元电极间距a δ #和 圆环电容单元电极间距a5 0相等，所述条状电容单元的宽撞

　　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。所述圆环电容单元组和条状电 容单元组的驱动电极通过一个引出线与传感系统信号处理器连接，所述圆环电容单元组的 每个圆环电容单元的感应电极单独引线与传感系统信号处理器连接，所述X方向差动电容 单元组和Y方向差动电容单元组的电容单元模块感应电极分别通过一根引出线与传感系 统信号处理器连接。所述圆环电容单元、电容单元模块与传感系统信号处理器之间分别设 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：本发明的自行车骑行运动参数采集装置，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。

　　[0007] 图1是本发明的【具体实施方式】的同心圆环偏移错位面积分析图。

　　[0008] 图2是本发明的【具体实施方式】的为外同心圆环错位对外径圆分析图。

　　[0013] 图7是本发明的【具体实施方式】的差动条状电容单元的初始错位图。

　　[0014] 图8是本发明的【具体实施方式】的差动条状电容单元受力后偏移图。

　　[0015] 图9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。

　　[0017] 图11是本发明的【具体实施方式】的车脚踏上受力情况分析图。

　　[0018] 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。

　　[0019] 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。

　　[0020] 如图11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β，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。

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