基于數(shù)字彈道的人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)

1基于傳感技術(shù)的人體運(yùn)動(dòng)學(xué)建模目前，人體運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)信息的獲取主要依靠成像技術(shù)。通過對(duì)運(yùn)動(dòng)影像解析獲取人體運(yùn)動(dòng)的空間位移參量、運(yùn)動(dòng)時(shí)間序列并由此派生出人體運(yùn)動(dòng)的時(shí)空特征參量。以影像解析為基本手段的人體運(yùn)動(dòng)學(xué)信息獲取工作量比較大,在信息反饋上存在著時(shí)間上的滯后性;且受場(chǎng)景變化和標(biāo)定系統(tǒng)的約束,只能針對(duì)關(guān)鍵技術(shù)、獲取人體運(yùn)動(dòng)的局部過程信息;在較大范圍或全程技術(shù)的運(yùn)動(dòng)信息獲取以及運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練中的快速反饋方面存在著一定的局限性。人體運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)信息獲取主要依托傳感技術(shù)。通過三維測(cè)力平臺(tái)獲取人體運(yùn)動(dòng)的三維動(dòng)力參量;利用陣列傳感技術(shù)獲取人體站立或運(yùn)動(dòng)過程中足底壓力分布特征參量,進(jìn)而計(jì)算人體足底觸壓一維合力及其壓力中心。現(xiàn)代傳感技術(shù)的發(fā)展,不僅使人體運(yùn)動(dòng)動(dòng)力測(cè)量做到了精確、靈敏、穩(wěn)定、高頻響應(yīng),而且,通過計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用做到實(shí)時(shí)反饋與進(jìn)程再現(xiàn)?；趥鞲屑夹g(shù)獲取人體運(yùn)動(dòng)時(shí)的足底觸壓信息,完成人體運(yùn)動(dòng)學(xué)信息測(cè)量,并實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)學(xué)信息的實(shí)時(shí)測(cè)量與反饋,這是運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)在研究方法上的重要發(fā)展與突破。鑒于上述,上海體育學(xué)院運(yùn)動(dòng)技能研究中心與中國(guó)科學(xué)院合肥智能機(jī)械研究所協(xié)作,在已有研究的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步設(shè)計(jì)并開發(fā)了可移動(dòng)式數(shù)字化跑道系統(tǒng)。本系統(tǒng)包括以超大規(guī)模印刷電路而成的柔性陣列觸壓傳感器為基礎(chǔ)的跑道系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、計(jì)算分析系統(tǒng)及檔案管理系統(tǒng)?？删_獲得運(yùn)動(dòng)區(qū)域的運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)過程中任意時(shí)刻的足底觸壓信息:足底與地面接觸形狀(接觸圖像時(shí)間序列)、足底觸壓位移向量及時(shí)域;計(jì)算運(yùn)動(dòng)員的步長(zhǎng)、步頻、動(dòng)作時(shí)序(著地時(shí)刻、離地時(shí)刻、騰空時(shí)間)、即時(shí)速度及某一設(shè)定區(qū)域的平均速度等;據(jù)此分析運(yùn)動(dòng)員的技術(shù)節(jié)奏特征。同時(shí),本系統(tǒng)包含高速影像、表面肌電儀及測(cè)力臺(tái)同步驅(qū)動(dòng)接口,可使相關(guān)科研儀器同步運(yùn)行,同步獲取人體運(yùn)動(dòng)中的其他各項(xiàng)參數(shù)。2系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)跑道系統(tǒng)主要由大規(guī)模柔性傳感器陣列、掃描電路單元、計(jì)算機(jī)等組成。2.1柔性陣列壓力傳感器由于本系統(tǒng)主要用于跳遠(yuǎn)、撐竿跳高、短跑等直線性跑動(dòng)的多運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目的測(cè)量與評(píng)價(jià),因此,要求系統(tǒng)除了具備良好的感應(yīng)靈敏度及分辨率外,還應(yīng)具備良好的穩(wěn)定性能。本系統(tǒng)選用中國(guó)科學(xué)院合肥智能機(jī)械研究所研制的柔性陣列壓力傳感器,采用絲網(wǎng)印刷工藝技術(shù)在高性能聚酯薄膜上印刷、套印Pd-Ag導(dǎo)體,碳基應(yīng)變電阻,低溫包封介質(zhì),構(gòu)成基本的惠斯通全橋/半橋/單點(diǎn)測(cè)試電路,從而構(gòu)成柔性力陣列和壓力陣列,傳感器點(diǎn)陣密度最高可達(dá)每平方厘米9點(diǎn)。此傳感器的特點(diǎn)是:重復(fù)性好(<±2.5%FSR)、靈敏度高(根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)合可調(diào)整)、溫度影響(0.36%/℃);輸入電壓:+5V。柔性陣列傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示,陣列觸覺傳感器采集節(jié)點(diǎn)體系結(jié)構(gòu)如圖2所示,印刷電路實(shí)物如圖3所示。2.2系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)本系統(tǒng)采用銷栓式設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)可拼裝式結(jié)構(gòu),拼裝簡(jiǎn)潔、方便(圖4)。2.3設(shè)置數(shù)據(jù)性能1)空間分辨率:1cm;2)采樣頻率:可以通過軟件設(shè)置為200Hz、100Hz、50Hz;3)數(shù)據(jù)傳輸速率:1Mbps;4)誤差問題:距離誤差<1cm。3軟件系統(tǒng)3.1軟件界面本系統(tǒng)是基于數(shù)字跑道而開發(fā)的多項(xiàng)目應(yīng)用與分析的開放系統(tǒng)軟件,包括4個(gè)模塊,即實(shí)時(shí)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)報(bào)表和檔案管理(圖5)。3.1.1壓力點(diǎn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)跑道數(shù)據(jù)的產(chǎn)生來源于陣列傳感器的壓力采樣。一個(gè)壓力點(diǎn)從壓力產(chǎn)生到壓力完全釋放稱為一個(gè)壓力點(diǎn)的生命周期。當(dāng)人體跑動(dòng)時(shí)足底觸壓跑道激活一組壓力點(diǎn),對(duì)于每一個(gè)壓力點(diǎn),采用如下數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來代表一個(gè)具體的壓力點(diǎn):完成一次測(cè)試后,所有的壓力點(diǎn)數(shù)據(jù)由底層硬件A/D采樣并經(jīng)CAN總線上傳至計(jì)算機(jī)并存入數(shù)據(jù)庫(kù),并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。系統(tǒng)界面包括位置信息、數(shù)據(jù)處理信息和測(cè)力臺(tái)數(shù)據(jù)(圖6)。3.1.2基于聚類識(shí)別的主要參數(shù)設(shè)計(jì)原始數(shù)據(jù)預(yù)處理:1.干擾處理:主要是對(duì)測(cè)試中的一些意外事件進(jìn)行處理,如在測(cè)試過程中有非相關(guān)人員踏上數(shù)字跑道等,對(duì)于這類噪聲通常可以通過沿著時(shí)間軸或者坐標(biāo)軸設(shè)置一些合理的閾值來加以消除。2.系統(tǒng)噪聲濾波:這類噪聲通常來源于柔性傳感器陣列本身,如測(cè)試中由于陣列傳感器某一局點(diǎn)受力過大導(dǎo)致一些傳感點(diǎn)的壓阻值無法正常恢復(fù),對(duì)于這類噪聲在頻率上設(shè)置一些合理的閾值得以消除。對(duì)預(yù)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行沿時(shí)間序列、位置序列快速排序,并將排序后的數(shù)據(jù)聚類,系統(tǒng)將同類數(shù)據(jù)識(shí)別為一個(gè)腳印。假設(shè)跑道的坐標(biāo)系設(shè)置如圖7所示,那么,每一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的沿X方向的具體坐標(biāo),可以根據(jù)如下公式來計(jì)算:X=(iNodeId-1)×80+iRowId(cm)其中,iNodeId是該數(shù)據(jù)點(diǎn)所處的跑道塊編號(hào),該編號(hào)從1開始,一直到60。而iRowId則是該數(shù)據(jù)點(diǎn)在這一跑道塊中的行號(hào)。這兩個(gè)值都是底層硬件采樣分析得到的。系統(tǒng)依據(jù)數(shù)據(jù)點(diǎn)聚類識(shí)別的足印進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)分析,根據(jù)運(yùn)動(dòng)員跑步過程中的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征,提取了幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)(表1)。數(shù)據(jù)處理模塊不僅對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)分析與計(jì)算,并實(shí)現(xiàn)圖表顯示與存貯(圖8)。3.1.3運(yùn)動(dòng)學(xué)報(bào)表生成將分析以后保存好的數(shù)據(jù)以報(bào)表的形式生成,并且可以放在想要存放的位置。生成的報(bào)表幾乎包括運(yùn)動(dòng)員所有的運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)。在這個(gè)模塊中,報(bào)表的生成有兩種模式:單日訓(xùn)練和單次訓(xùn)練。單次訓(xùn)練就是將運(yùn)動(dòng)員一次測(cè)試數(shù)據(jù)都生成報(bào)表(表2);單日訓(xùn)練則將運(yùn)動(dòng)員當(dāng)日訓(xùn)練的中的測(cè)試依次生成報(bào)表。3.1.4記錄結(jié)構(gòu)管理檔案管理采用項(xiàng)目分類、隊(duì)別分層的個(gè)人信息記錄的結(jié)構(gòu)管理。運(yùn)動(dòng)員檔案管理包括運(yùn)動(dòng)員多方面的個(gè)人信息,如年齡、身高、體重、訓(xùn)練年限、運(yùn)動(dòng)成績(jī)及基本測(cè)試資料檔案等(圖9)。3.2跳車時(shí)長(zhǎng)時(shí)短時(shí)短,風(fēng)險(xiǎn)變化大1.運(yùn)動(dòng)參數(shù)實(shí)時(shí)反饋:依據(jù)采集系統(tǒng)獲取的足底觸壓位置序列、時(shí)間序列信息以及測(cè)量臺(tái)獲取的動(dòng)力信息,分析系統(tǒng)計(jì)算基本評(píng)價(jià)參量,以報(bào)表與圖示形式再現(xiàn)運(yùn)動(dòng)進(jìn)程及起跳特點(diǎn)。教練員通過系統(tǒng)反饋資料隨時(shí)了解運(yùn)動(dòng)員的基本技術(shù)參數(shù)及其運(yùn)動(dòng)特征。系統(tǒng)即時(shí)反饋信息主要是對(duì)跳遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)技術(shù)分析的常規(guī)指標(biāo),如全程每一步的步幅、步時(shí)(支撐與騰空時(shí))、即時(shí)速度,步頻、步頻指數(shù)與步長(zhǎng)指數(shù)、起跳的上板誤差等(表2);系統(tǒng)的測(cè)力臺(tái)可以提供起跳時(shí)的動(dòng)態(tài)動(dòng)力曲線(圖8),教練員現(xiàn)場(chǎng)了解起跳的動(dòng)力特征。2.運(yùn)動(dòng)員技術(shù)穩(wěn)定性測(cè)試:助跑節(jié)奏控制及其穩(wěn)定性是跳遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練中的基本內(nèi)容,也是比賽中運(yùn)動(dòng)員能夠較準(zhǔn)確攻板創(chuàng)造最佳成績(jī)的重要保障。本系統(tǒng)應(yīng)用于跳遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)員全程技術(shù)訓(xùn)練,通過對(duì)訓(xùn)練課中多次試跳基本數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行技術(shù)穩(wěn)定性比較,探討運(yùn)動(dòng)員個(gè)體最佳節(jié)奏模式及運(yùn)動(dòng)節(jié)奏的穩(wěn)定性,以強(qiáng)化最佳節(jié)奏模式訓(xùn)練;并且,教練員可即時(shí)了解到運(yùn)動(dòng)員試跳中出現(xiàn)節(jié)奏紊亂的特征變化,提示教練員在全程技術(shù)訓(xùn)練中如何安排運(yùn)動(dòng)員全程技術(shù)訓(xùn)練的間歇及訓(xùn)練量,以保障訓(xùn)練效果的最佳化。3.技術(shù)診斷:對(duì)運(yùn)動(dòng)員的實(shí)時(shí)訓(xùn)練數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,提取特征參量,診斷其技術(shù)優(yōu)點(diǎn)與缺陷,以利技術(shù)調(diào)整與改進(jìn)。如表2中的資料,該運(yùn)動(dòng)員約在16m內(nèi)完成加速度階段,其速度保持距離約為18m;起跳前的加速度與速度保持能力較強(qiáng);最后三步的技術(shù)節(jié)奏表現(xiàn)出“平—短—平”(平:保持速度階段平均步長(zhǎng))的技術(shù)特征,使起跳過程中的用力特征如圖8所示,上板制動(dòng)強(qiáng),而起跳時(shí)第二蹬伸波峰沒有形成,表明起跳快速蹬伸不足的技術(shù)缺陷。4.運(yùn)動(dòng)模型建立:通過個(gè)體運(yùn)動(dòng)員檔案的建立以形成項(xiàng)目數(shù)據(jù)庫(kù),可以探討優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員一般運(yùn)動(dòng)模型或個(gè)體運(yùn)動(dòng)員最佳技術(shù)模式。4數(shù)機(jī)同步驅(qū)動(dòng)接口的應(yīng)用本系統(tǒng)的研發(fā)實(shí)現(xiàn)了通過觸壓信息獲取運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)及即時(shí)反饋與診斷的設(shè)計(jì)思路,隨著應(yīng)用研究工作進(jìn)一步開展,通過信息處理技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)的挖掘,對(duì)提高運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的效果、探討運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)模式與技術(shù)改進(jìn)將有著理