关键概念

等速抗阻是如何产生的?

现代的等速运动机器使用多种组件来产生等速运动阻力。

除机器基座,用于执行测试或运动的座椅(坐姿时)或床(卧姿时:座椅靠背可以放倒,形成一张床)外,测力计是现代等速仪的主要组件。

这是完成测试的主要机器部分,也是机器最昂贵的部分。它由许多不同的部分组成:

机:

电机用于产生运动阻力(或某些机器中产生运动,例如持续被动运动或简称CPM)。该发动机采用直流电(DC)或交流电(AC)单元。交流电单元刚刚能够产生所需的电阻,因此被安装在较少的设备上。较常见的发动机是DC版本。

直流电机:

涂层带涂层的直流电机利用电(在这种情况下为直流电,因此得名)直接产生转矩。内部有可以固定或旋转的电磁体。根据洛伦兹力原理工作,载流导体置于磁场内,并承受洛伦兹力的转矩(转向力)。涂层直流发动机便宜且高度可靠。可以轻松控制速度和运动,但是维护成本很高,需要定期清洁,使用寿命短。

涂层涂层的直流电机使用旋转的永磁体,外部带有固定的电磁体。不能直接用直流电源运行,电源需转换为交流电(AC)。无涂层的电机相比有涂层的电机更为简单,使用寿命长,几乎不需要维护,效率高。但是它们价格更为昂贵,并且需要更复杂的电机速度控制器。

交流电机:

交流电机以交流电(与壁装电源插座上的交流电相同)运行,由两部分组成:外部固定定子(通常是铜线圈),当施加交流电流时会产生旋转磁场,而内部转子则连接到由旋转磁场驱动(产生扭矩)的输出轴上。交流电动机有两种类型。第一种是同步电机,第二种是感应电机。交流电机十分稳定,几乎不需要维护。但是,它们比直流电动机更大更重,并且需要良好的电源来产生扭矩分配。

        无论使用哪种电动机,都需要一个系统来传递扭矩。通常会使用变速箱(某些交流电动机非常强大,不需要变速箱)。一般来说等速运动设备采用不需要离合器系统的单个齿轮(较旧的系统使用离合器来产生等动力)。

   

         并非所有电机都是一样的。早期的电机在较高速度下的转矩水平随之降低。这意味着每秒100度的500nm的扭矩可能仅是每秒500度的100nm的扭矩。该转矩斜率“下降”意味着早期机器在较高速度下的可靠性较差。现代机器不会受到这种“下降”的影响。部分原因是制造商将最高速度保持在每秒500度不变,同时逐渐增加了较高速度下的可用扭矩并限制了较低速度下的可用扭矩。所有这些都提高了可靠性,并提高了机器高速运行的能力。

制系统:

        需要一种机制来控制电机的速度和力,使其与输入相匹配。通常这是通过伺服机制或伺服来实现的。这是使用错误感应负反馈来校正电动机的性能。该控制器使用闭环反馈,该反馈会查看速度并调整施加的转矩以保持速度恒定。伺服系统以负反馈原理工作,将控制速度与机械系统的实际速度进行比较,机械速度是在输出端测量快速传感器的速度。实际速度和所需速度之间的任何差异都会被放大,并用于向电动机供电,以沿消除误差所必需的方向驱动轴。

传感器:

       力学传感器计算出从电机施加到轴上的力。这有助于控制各种阻力模式,但实际上是用来从外部输入(通常是在机器上进行训练或测试的人)获得有关性能的反馈。在早期模型中,力传感器是一个简单的传感器,称为称重传感器。

 

       称重传感器是一种传感器,用于将力转换为电信号。压力会使压力计变形(通常是基于晶体的)。然后,量规将变形(应变)转换为必须由计算机解释的电信号。当力的方向突然改变时(由于几乎总是等速运动),称重传感器会产生“振铃”,它们也非常脆弱,容易损坏或根本无法校准。称重传感器与旋转轴之间的距离至关重要,因此通常需要手动输入杠杆臂的长度才能使它们工作。由于这些原因,在现代系统中看不到它们。

        更常见的测力方法是使用带有旋转轴和静态物体的常规旋转扭矩传感器。该扭矩传感器从换能器主体内的旋转轴传输扭矩信号。扭矩传感器的静态元件安装在旋转轴上(输入支架的旋转中心),该组件上包括一个应变仪,可提供准确可靠的扭矩测量。它具有中央元件和轴上旋转调节电子装置。信号被传输到系统或定子的非旋转部分。这给出了扭矩值。高端系统使用这些传感器中的2个来提高可靠性并减少校准需求。实际上,“蠕变”的数量(校准之间的误差或漂移的数量)通常小于0.1%。

        此外还集成了位置传感器,以允许准确确定位置以进行解释和设置位置以及在某些运动(例如等长)中起作用。通常使用旋转编码器,也称为轴编码器,这是一种机电设备,可将轴或轴的角位置转换为模拟或数字代码,从而使其成为角度传感器。高端机器通常有两个这样的传感器。

输入适配器:

           所有机器都可以通过某种方式将“工具”连接到轴上,以允许来自外部源(通常是肢体或身体部分)的力输入,此输入可以是“臂”或将物体夹在其上的轴或要固定的孔上。在所有情况下,它们都必须足够坚固以承受施加在其上的力。本质上,附件越大,连接越牢固,可以承受的力更大。

测力机安装座:

       测力机安装在基座上,以在测试或练习过程中保持稳定。该安装座可以是固定的(如在Con-Trex 下肢蹬踏系统 ),也可以绕轴移动并进行高度调节(如在Norm或System 4中),甚至可以安装到高度柱上(如在Con-Trex或BTE系统)。关键在于设备的稳定性。稳定性越大,测试/训练的效果就越好。

 

椅子:

       为了测试单一关节运动和组合运动,需要使用椅子和/或桌子来稳定受试者。椅子的尺寸和稳定性是关键。椅子越大,稳定性越好,因为这样可以防止不必要的移动,保证结果的有效性。安装在机器基座上的椅子具有最佳的稳定性。通常,现代系统上的椅子会放平,以便将椅子和桌子置于同一个单元中。到目前为止,这是最好的解决方案。所有椅子均配有绑带和稳定器,以改善控制能力。

 

电脑系统:

       现代测力机非常强大。实际上,由于它们功能过于强大,无法进行完全手动控制。这意味着它们全部由计算机系统驱动,以提高安全性和系统稳定性。计算机快速更换,将系统升级到最新版非常重要。 

力量强度顺序

力量强度顺序描述了在相同的训练或测试中,我们可以产生多少扭矩(力量)。

 

例如,如果我们测试肱二头肌力量,在标准的等张向心测试中,我们将获得最低的结果。

如果我们使用等速模式重复相同的二头肌测试,将获得更高的结果(对于峰值扭矩)。

如果我们继续进行等长测量,结果将更高(只要选择机械和肌肉效率的角度)。

 

离心动作始终提供最高水平的扭矩。换句话说,离心动作模式比在向心和等长动作模式中力量训练效果更好。

 

 

离心收缩增强力量的原因尚未完全清晰,一种理论是,当肌肉拉长时,一方面增强了向心收缩肌纤维的强度,另一方面增强了非向心收缩肌纤维的弹性。这种增加的拉伸效果在离心动作中具有更高的价值。

 

离心动作实际上会损伤微小的纤维(肌动蛋白和肌球蛋白),如果运动强度足够大会引发延迟发性肌肉酸痛。

关节力的顺序

描述了在某种运动或测试过程中通过肌肉-骨骼系统施加的力的大小。

力越大,训练有可能产生的疼痛感越大,在训练过程中受伤的可能性也就越大。

离心动作总是会对人体系统造成更大的压力,因为在这些动作中会产生更多的力。等张在列表中居于首位,因为运动的惯性力会远超出控制运动的力。

向心动作始终是最低的,因为肌肉主动产生完成动作所需的力。

也有例外,例如等长力在肌肉和肌腱处可能较高,但作用于关节处的实际上却很低。而向心收缩作用于关节处可能较高,但对肌肉则较低。

测量指标

强度测试:

力量:

通常以公制牛顿米(NM)来度量。

 

扭矩:

力实际上是作为扭矩测量的,该扭矩是给定力在物体上的转动效果(力矩)。扭矩=力矩x距转动中心的距离(此处是杠杆臂的转动中心)。

· Nm:扭矩的度量,通常称为力矩。一牛顿米等于施加到一米长的力矩臂上的一牛顿(1千克)的转动力。

峰值扭矩:

力矩角度位置MAP)曲线的最大值(峰值扭矩是曲线上的最高点)。这被认为是等速运动测试/训练的金标准(Kannus 1994)。

平均扭矩:

IROM上测得的峰值扭矩总和/测量次数。

这通常用于描述强度,并被视为意义不大的变量(因为疲劳在确定该数字方面起着很大的作用)。

峰值扭矩/重量比:

为了比较个人之间的结果,计算峰值力矩与体重(千克或磅)的关系。下肢力量体重有关,可以用这种方式表示。上身力量的相关性较小,通常不会以这种方式进行描述。

保持的时间峰值扭矩:

通常用于等测试中,保持峰值扭矩的时间量

达到峰值扭矩一半的时间:

长测试报告从扭矩开始发展到扭矩达到峰值扭矩一半的时间。

峰值转矩斜率:

在等测试中使用的是峰值扭矩除以达到峰值扭矩所需的时间。

力衰减时间:

通常在等测试中使用,这是从峰值扭矩出现到运动结束的时间。

平均扭矩:

用于等测试,通常替代做功。它是等长测试收缩期间的平均扭矩。

角度扭矩

用于确定可能感兴趣的特定角度扭矩关系(例如,查看主动肌/拮抗con / ecc比值)。它已经被证明(Kannus和Kaplan 1991)在中间关节范围内最可靠,而在极限运动下的可靠性降低。

 

峰值扭矩角度

顾名思义(但通常称为发生角度),这是峰值扭矩达到其最大水平时的角度。如果针对各种速度作图,它可以用作最大扭矩产生的指标(Osternig 1986)。正如Kannus和Jarvien(1990)所证明的那样较弱的肌肉(可能是由于神经肌肉的促成作用)在峰值范围内出现了峰值扭矩(对于单个范围而言,参见各个关节)。该措施的可靠性通常很低(Kannus 1994),并且由于反复测试而变得更糟(由于对准问题,Chan and Maffulli 1996)。

达到峰值扭矩的时间:

评估快速产生力量的能力,可用于确定爆力。达到峰值扭矩的时间延长可能表明II型纤维的减少(Kannus 1994)。这已被峰值扭矩加速能量所取代。

峰值扭矩加速能量:

在扭矩产生周期的前125毫秒中执行的工作量。这应该反映爆性的力量,评估了扭矩产生的速度和速率。作为一种精确的测量方法,它在慢速时变化很大(Kannus 1994),并且受运动周期的影响很大,即,如果con / ecc周期之间没有暂停,则结果通常是无用的。Ecc / ecc和con / con训练可产生最佳结果,但是这也受到一些质疑,因为可能并非基于牛顿物理学的基础(根据Perrin等,1989)。

 

收缩

所有内容均以标准国际单位焦耳(J)进行描述,焦耳是对能量和功(而非力)的度量。它等于通过一米的距离(一牛顿米或N·m)施加一牛顿的力所消耗(或完成的功)的能量测量被测肌肉消耗的能量的量度,某些权威机构认为该能量可反映耐力。但是,在解释这些结果的过程中难以评估力量(或缺乏)和耐力的重要性,这使得将其用于研究目的存在疑问,但有利于康复。

 

W(ork)=扭矩x角位移

总功(TW)=扭矩曲线下的面积x角位移(根据Hislop和Perrine 1967)

每次重复的工作=每次重复完成的工作

峰值功率(PP)=最佳重复期间完成的工作(通常称为最佳重复工作BWR)

Max rep total work =最大重复转矩下重复完成的总功。

前三分之一工作=测试前三分之一的总工作量

最后三分之一的工作=测试最后三分之一的总工作

收缩

矩(平均值)x Time)= I(冲量

在文献中用于描述峰值扭矩无差异的性能差异。

反向延迟:

反转肢体方向所需的时间。

延迟时间:

从运动开始到扭矩发展开始的时间

加速时间:

加速到等速运动所花费的时间。

减速时间:

从等速运动速度降至0所需的时间。

变异系数:

单个组中代表之间的差异量。此变量用于检查集合的一致性,结果越接近0,则集合越一致。在强度测试中,如果该测试有效,则该值应低于0.20(Dvir 1995)。耐久性测试中预期会有很高的数字。在等和等速试验中,偏差是从扭矩得出的,而在等试验中,偏差是从位置得出的。

主动肌拮抗肌比率:

将较弱的肌肉组的峰值扭矩除以较强的肌肉组的峰值扭矩乘以100,得出一个百分比。较弱的组显示为较强的组的比率。

疲劳和耐力测试:

初始峰值扭矩:

耐力测试的前三次练习的平均值

最终峰值扭矩:

耐力测试最后三次测试的平均值

疲劳指数:

结合以上两个措施,这是在耐力测试中峰值扭矩下降的百分比。它使用简单的Chi-Squared测试,即从最终峰值扭矩中减去初始峰值扭矩,然后再将其除以初始峰值扭矩,然后再乘以100,以得到100的百分比。注意,负数表示受试者在运动中变得更强壮而不是更弱

耐力或疲劳率:

集合前半部分的总功除以集合后半部分的功乘以100的比率。这是一种更可靠的疲劳度量。

下降功

最广泛使用的耐力测量。记录在设定的重复次数下执行的工作量。测试是绝对耐力测试,应该在研究环境中使用(Kannus 1994)。当受试者无法达到所需的重复次数时,出现一些问题

时间达到峰值扭矩的50%。

达到初始峰值扭矩值的50%所需的时间。实际百分比通常可以更改(Cybex规范),其中40%为最普遍使用的数字。

达到50%的峰值扭矩:

直到扭矩水平降至50%以下为止所产生的功

达到50%峰值转矩的功率:

在峰值扭矩降至最大50%以下之前产生的功率

 

其他

 

比较速度控制:

Con-Trex使用标准MAP曲线的3D模型,其位置在X轴上,而扭矩在Y轴上。然后在Z轴上增加速度,最多可以绘制6种不同的速度。然后添加颜色以通过范围和速度区分。

3D肌肉贴图:

最初由NASA开发的3D肌肉贴图采用标准的MAP曲线(力在X轴上的Y轴位置),并简单地增加了Y轴的速度。这样就可以将任何肌肉的表现都看作是显示高峰和低谷的地形图。