измерительные систеы в биомеханике

В практике изучения двигательных действий человека используются визуальные и инструментальные методы контроля. В первом случае специалисты, ученые, тренеры, спортсмены, наблюдатели за перемещениями тела человека получают преимущественно качественное представление о ее движения. Результат визуальной оценки в основном являются субъективным, а не основанным на четких критериях, его трудно использовать для сравнительного анализа.

Инструментальные методы контроля более объективными. С их помощью получают количественную оценку характеристик и показателей двигательных действий человека, а также возможных изменений, происходящих в ее организме во время той или иной двигательной деятельности. Сейчас в биомеханике для этого используются методики, приемы, которые заимствованы из многих областей знаний. Для повышения точности инструментальных методов измерения биомеханических характеристик движений привлекаются все последние достижения инженерной мысли - радиотелеметрия, лазерная техника, радиоизотопы, инфракрасная техника, ультразвук, ЭВМ, телевидения, видеотехника и тому подобное. Инструментальные методы контроля перемещений тела человека методично удобно разделить на две группы - контактные и бесконтактные, хотя на практике они часто применяются в комплексе, дополняя друг друга.

В оптических и оптико-электронных методах контроля информация передается на регистрирующее устройство лучом света или тепловым излучением. В механоэлектрического методах она передается электрическими сигналами по проводам или радиоволнами. Эти методы основаны на преобразовании измеряемой каким образом физической величины, объективно отражает определенные качества движений человека, в электрический сигнал (так электричество является универсальным средством передачи энергии и информации) с последующим измерением и регистрацией.
Основой инструментальных методов контроля является измерительные системы. На рис. 1 показано типовую схему измерительной системы, применяемой в биомеханике, на рис. 2 - классификацию инструментальных методов.

Блок-схема (рис. 1) состоит из блоков. Блок 1 - объект измерения (обычно это организм человека или отдельные точки, системы точек), который выполняет любые двигательные действия. Блок 2 - устройство, воспринимающее измеряемую величину. Для этого используется чувствительный элемент средства измерения - датчик. Он воспринимает информацию и передает ее в следующий блок. Блок 3 - преобразователь. В нем измеряемая величина преобразуется в электрическую (гидравлическую, пневматическую) величину на основе физического закона о связи между ними. Здесь же происходит усиление сигнала. Блок 4 предназначен для передачи электрического сигнала на расстояние (по проводам или радиотелеметрических связью). Блок 5 предназначен для вычислительных операций.

Датчики могут иметь самые разнообразные конструктивные особенности. При изучении движений и изменений в организме человека чаще всего применяются датчики контроля биоэлектрических процессов и датчики биомеханических величин. К датчикам биомеханических процессов относятся датчики отвода биопотенциалов сердечной мышцы и датчики отвода биопотенциалов скелетных мышц. Для регистрации биоэлектрической активности мышц применяются специальные датчики или отводные электроды, которые позволяют улавливать изменения электрического напряжения, возникновения, распространения и прекращения процессов возбуждения в работающей мышце. Различают электроды, применяемые для локальной (отдельные двигательные единицы - РО), стимулирующей и глобальной электромиографии (ЭМГ). Для локальной и стимулирующей ЭМГ применяются электроды с малой отводной поверхностью (диаметр - 0,65 мм и менее) и самой Межэлектродные расстоянием. Такой электрод вводится в мышечную ткань и отводит колебания биопотенциалов от отдельных волокон или РО. Для исследования интенсивных естественных движений, особенно спортивных, применяются кожные электроды с большой поверхностью отвода (50 мм2). Эти электроды улавливают суммарную разницу напряжений на поверхности мышцы, возникающее при возбуждении многочисленных мионевральных окончаний.

Датчики биомеханических процессов - тензорезисторы - это измерительные преобразователи малых деформаций в электрические сигналы, позволяющие измерить усилия, которые человек прилагает к опоре или, например, к спортивному снаряду. Размер механической деформации проводных элементов этих датчиков пропорциональна величине электрического сигнала и силе воздействия, прилагается к ним.

Таким образом, определив механическую деформацию этих датчиков, можно рассчитать приложенного силу. Тензодатчики пригодны для измерения как статических, так и динамических нагрузок. их входная величина - перемещение малых деформаций, выходное - изменение сопротивления. Реостатные датчики (гониометры) используются для измерения углов (амплитуд) движения в различных суставах. Принцип действия реостатного датчика его входная величина - угловое (линейное) перемещение, исходная величина - изменения электрического сопротивления. Акселерометры - это датчики для измерения ускорений. В основе работы такого датчика - изменение силы инерции, возникающей при движении.

Сила инерции, которая влияет на определенную массу акселерометра, пропорциональна ускорению, что возникает. Эта величина измеряется тензодатчиком, наклеенным на упругий сила-измерительный элемент, который способен воспринимать деформацию только в одной плоскости. Для регистрации полного вектора ускорения (в трех плоскостях) в одной конструкции монтируют три одинаковых датчики и ориентируют их перпендикулярно друг к другу подобно осей координат трехмерного пространства. Основным преимуществом электрических методов измерения биомеханических величин оперативность получения измеряемых характеристик и возможность автоматизации расчета характеристик, непосредственно не измеряются с использованием АВМ.