力台主要提供关于地面反作用力 (GRF)、力矩和压力中心 (COP) 参数的数据。这些动力学指标能够捕捉高频测量数据——通常为 1000 Hz——以量化特定鞋类设计在运动过程中对载荷分布、能量消耗和姿势稳定性的影响。
虽然力台的原始输出是力和力矩，但对于鞋类研究的真正价值在于将这些数据与运动学相结合以计算关节功率，并使用 COP 指标来客观测量平衡和稳定性。
分析运动动力学
地面反作用力 (GRF) 和力矩
力台的基本输出是 GRF，它测量地面施加在脚上的力。
同时，力台记录接触过程中产生的相关力矩（扭矩）。
这些高频记录（1000 Hz）使研究人员能够检测不同鞋垫或刚度配置可能引起的冲击和推进中的细微变化。
关节力矩和功率
当 GRF 数据与运动学数据（运动捕捉）同步时，研究人员可以计算更高级别的动力学指标。
具体而言，这种组合允许推导出关节力矩和关节功率。
这些指标对于分析步态周期的能量消耗以及理解鞋子在行走、跑步或下蹲过程中如何在脚踝、膝盖和臀部之间分配载荷至关重要。
评估稳定性和平衡
压力中心 (COP) 轨迹
除了冲击力之外，集成了平衡软件的 3D 力台还可以跟踪压力中心 (COP) 的摇摆轨迹。
该指标绘制了当受试者站立或移动时，脚底作用力点的移动路径。
分析 COP 轨迹有助于确定鞋类特性（如后跟稳定片或足弓支撑）如何帮助或阻碍穿着者保持平衡。
量化摇摆指标
为了将稳定性转化为可操作的数据，力台提供了关于姿势摇摆的具体量化指标。
关键指标包括总摇摆路径长度、总摇摆面积和摇摆速度。
摇摆速度进一步细分为内外侧（M-L）和前后侧（A-P）方向，提供了一种科学的方法来评估在各种条件下（例如睁眼与闭眼测试）的姿势稳定性。
理解权衡
运动学的必要性
仅靠力台无法提供关节力学的完整图景。
要计算关节力矩和功率，必须将力数据与运动学数据（身体节段的位置和速度）相结合。
如果没有这种整合，数据将仅限于外部接触力，而不是内部关节载荷。
环境限制
力台通常嵌入固定的行走路径或实验室地板中。
这种设置提供了高精度，但限制了分析自然、真实世界地形中步态的能力。
仅依赖力台的研究捕捉的是“目标性”的步伐，这可能与受试者完全自然、未受监测的步态模式略有不同。
为您的目标做出正确选择
在构建用于鞋类研究的步态数据库时，请根据您正在测试的具体性能属性来选择指标。
- 如果您的主要重点是能量回馈和效率：优先考虑GRF、关节力矩和功率，以分析推进力和能量消耗。
- 如果您的主要重点是安全性和支撑性：优先考虑COP 摇摆轨迹、摇摆速度（M-L/A-P）和摇摆面积，以量化姿势稳定性和平衡控制。
通过区分动态载荷指标和静态稳定性指标，您可以分离出鞋类设计的确切力学影响。
摘要表：
| 动力学指标 | 关键测量指标 | 鞋类研究应用 |
|---|---|---|
| 地面反作用力 (GRF) | 冲击峰值、推进力、力矩 | 评估缓震和能量回馈配置 |
| 压力中心 (COP) | 摇摆轨迹、路径长度、摇摆面积 | 评估平衡、足弓支撑和后跟稳定性 |
| 摇摆速度 | 内外侧 (M-L) 和前后侧 (A-P) | 量化姿势控制和防滑性 |
| 关节力矩和功率 | 能量消耗、脚踝/膝盖/臀部载荷 | 分析生物力学效率和载荷分布 |
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参考文献
- Gautier Grouvel, Stéphane Armand. A dataset of asymptomatic human gait and movements obtained from markers, IMUs, insoles and force plates. DOI: 10.1038/s41597-023-02077-3
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