張勝年，劉 宇，楊先軍

1 前言

目前，人體運動的運動學信息獲取主要依托于影像學技術(shù)［1，5］。通過對運動影像解析獲取人體運動的空間位移參量、運動時間序列并由此派生出人體運動的時空特征參量。以影像解析為基本手段的人體運動學信息獲取工作量比較大，在信息反饋上存在著時間上的滯后性；且受場景變化和標定系統(tǒng)的約束，只能針對關(guān)鍵技術(shù)、獲取人體運動的局部過程信息；在較大范圍或全程技術(shù)的運動信息獲取以及運動訓練中的快速反饋方面存在著一定的局限性。

人體運動動力學信息獲取主要依托傳感技術(shù)。通過三維測力平臺獲取人體運動的三維動力參量［4，5］；利用陣列傳感技術(shù)獲取人體站立或運動過程中足底壓力分布特征參量，進而計算人體足底觸壓一維合力及其壓力中心?，F(xiàn)代傳感技術(shù)的發(fā)展，不僅使人體運動動力測量做到了精確、靈敏、穩(wěn)定、高頻響應，而且，通過計算機技術(shù)應用做到實時反饋與進程再現(xiàn)。

基于傳感技術(shù)獲取人體運動時的足底觸壓信息，完成人體運動學信息測量，并實現(xiàn)運動學信息的實時測量與反饋，這是運動生物力學在研究方法上的重要發(fā)展與突破。

鑒于上述，上海體育學院運動技能研究中心與中國科學院合肥智能機械研究所協(xié)作，在已有研究的基礎(chǔ)上［2］，進一步設(shè)計并開發(fā)了可移動式數(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)、計算分析系統(tǒng)及檔案管理系統(tǒng)。可精確獲得運動區(qū)域的運動員運動過程中任意時刻的足底觸壓信息：足底與地面接觸形狀（接觸圖像時間序列）、足底觸壓位移向量及時域；計算運動員的步長、步頻、動作時序（著地時刻、離地時刻、騰空時間）、即時速度及某一設(shè)定區(qū)域的平均速度等；據(jù)此分析運動員的技術(shù)節(jié)奏特征。同時，本系統(tǒng)包含高速影像、表面肌電儀及測力臺同步驅(qū)動接口，可使相關(guān)科研儀器同步運行，同步獲取人體運動中的其他各項參數(shù)。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)與實現(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、計算機等組成。

2.1 傳感器

由于本系統(tǒng)主要用于跳遠、撐竿跳高、短跑等直線性跑動的多運動項目的測量與評價，因此，要求系統(tǒng)除了具備良好的感應靈敏度及分辨率外，還應具備良好的穩(wěn)定性能。本系統(tǒng)選用中國科學院合肥智能機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導體，碳基應變電阻，低溫包封介質(zhì)，構(gòu)成基本的惠斯通全橋/半橋/單點測試電路，從而構(gòu)成柔性力陣列和壓力陣列，傳感器點陣密度最高可達每平方厘米9點。此傳感器的特點是：重復性好（＜±2.5％FSR）、靈敏度高（根據(jù)不同應用場合可調(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)點體系結(jié)構(gòu)如圖2所示，印刷電路實物如圖3所示。

圖1 印刷式結(jié)構(gòu)的陣列設(shè)計圖

圖2 陣列觸覺傳感器采集節(jié)點體系結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)采用銷栓式設(shè)計，實現(xiàn)可拼裝式結(jié)構(gòu)，拼裝簡潔、方便（圖4）。

2.3 系統(tǒng)硬件達到的技術(shù)指標

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。

圖3 陣列觸覺傳感器實物照片圖

3 系統(tǒng)軟件

3.1 軟件界面

本系統(tǒng)是基于數(shù)字跑道而開發(fā)的多項目應用與分析的開放系統(tǒng)軟件，包括4個模塊，即實時采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)報表和檔案管理（圖5）。

圖5 系統(tǒng)界面示意圖

3.1.1 實時采集

跑道數(shù)據(jù)的產(chǎn)生來源于陣列傳感器的壓力采樣。一個壓力點從壓力產(chǎn)生到壓力完全釋放稱為一個壓力點的生命周期。當人體跑動時足底觸壓跑道激活一組壓力點，對于每一個壓力點，采用如下數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來代表一個具體的壓力點：

Struct RealData ｛ int iNodeId；//代表這個壓力點所處的跑道塊編號。int iPressureValue；//代表這個壓力點的具體壓力值。int iRowNo；//代表這個壓力點在該跑道塊中的行編號。int iColNo；//代表這個壓力點在該跑道塊中的列編號。int iTimeId；//代表這個壓力點形成時的時間戳。｝

完成一次測試后，所有的壓力點數(shù)據(jù)由底層硬件A/D采樣并經(jīng)CAN總線上傳至計算機并存入數(shù)據(jù)庫，并進行數(shù)據(jù)處理。系統(tǒng)界面包括位置信息、數(shù)據(jù)處理信息和測力臺數(shù)據(jù)（圖6）。

圖6 系統(tǒng)實時采集界面示意圖

3.1.2 數(shù)據(jù)處理分析

原始數(shù)據(jù)預處理：

1.干擾處理：主要是對測試中的一些意外事件進行處理，如在測試過程中有非相關(guān)人員踏上數(shù)字跑道等，對于這類噪聲通?？梢酝ㄟ^沿著時間軸或者坐標軸設(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，如測試中由于陣列傳感器某一局點受力過大導致一些傳感點的壓阻值無法正?；謴?，對于這類噪聲在頻率上設(shè)置一些合理的閾值得以消除。

對預處理后的數(shù)據(jù)進行沿時間序列、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)識別為一個腳印。

假設(shè)跑道的坐標系設(shè)置如圖7所示，那么，每一個數(shù)據(jù)點的沿X方向的具體坐標，可以根據(jù)如下公式來計算：

X=（iNodeI d-1）×80+iRow I d（cm）

圖7 數(shù)字跑道的坐標系示意圖

其中，iNodeId是該數(shù)據(jù)點所處的跑道塊編號，該編號從1開始，一直到60。而iRowId則是該數(shù)據(jù)點在這一跑道塊中的行號。這兩個值都是底層硬件采樣分析得到的。

系統(tǒng)依據(jù)數(shù)據(jù)點聚類識別的足印進行運動學參數(shù)分析，根據(jù)運動員跑步過程中的運動學特征，提取了幾個關(guān)鍵參數(shù)（表1）。

表1 參數(shù)提取的基本原理一覽表

數(shù)據(jù)處理模塊不僅對采集數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)分析與計算，并實現(xiàn)圖表顯示與存貯（圖8）。

3.1.3 數(shù)據(jù)報表

將分析以后保存好的數(shù)據(jù)以報表的形式生成，并且可以放在想要存放的位置。生成的報表幾乎包括運動員所有的運動學數(shù)據(jù)。

在這個模塊中，報表的生成有兩種模式：單日訓練和單次訓練。單次訓練就是將運動員一次測試數(shù)據(jù)都生成報表（表2）；單日訓練則將運動員當日訓練的中的測試依次生成報表。

3.1.4 檔案管理

檔案管理采用項目分類、隊別分層的個人信息記錄的結(jié)構(gòu)管理。運動員檔案管理包括運動員多方面的個人信息，如年齡、身高、體重、訓練年限、運動成績及基本測試資料檔案等（圖9）。

圖8 系統(tǒng)的采集參數(shù)示意圖

表2 運動測試基本參數(shù)一覽表

圖9 運動員檔案管理界面示意圖

3.2 系統(tǒng)主要功能與應用

1.運動參數(shù)實時反饋：依據(jù)采集系統(tǒng)獲取的足底觸壓位置序列、時間序列信息以及測量臺獲取的動力信息，分析系統(tǒng)計算基本評價參量，以報表與圖示形式再現(xiàn)運動進程及起跳特點。教練員通過系統(tǒng)反饋資料隨時了解運動員的基本技術(shù)參數(shù)及其運動特征。系統(tǒng)即時反饋信息主要是對跳遠運動技術(shù)分析的常規(guī)指標［6，9］，如全程每一步的步幅、步時（支撐與騰空時）、即時速度，步頻、步頻指數(shù)與步長指數(shù)、起跳的上板誤差等（表2）；系統(tǒng)的測力臺可以提供起跳時的動態(tài)動力曲線（圖8），教練員現(xiàn)場了解起跳的動力特征。

2.運動員技術(shù)穩(wěn)定性測試：助跑節(jié)奏控制及其穩(wěn)定性是跳遠運動員訓練中的基本內(nèi)容［3，7，8］，也是比賽中運動員能夠較準確攻板創(chuàng)造最佳成績的重要保障。本系統(tǒng)應用于跳遠運動員全程技術(shù)訓練，通過對訓練課中多次試跳基本數(shù)據(jù)參數(shù)進行技術(shù)穩(wěn)定性比較，探討運動員個體最佳節(jié)奏模式及運動節(jié)奏的穩(wěn)定性，以強化最佳節(jié)奏模式訓練；并且，教練員可即時了解到運動員試跳中出現(xiàn)節(jié)奏紊亂的特征變化，提示教練員在全程技術(shù)訓練中如何安排運動員全程技術(shù)訓練的間歇及訓練量，以保障訓練效果的最佳化。

3.技術(shù)診斷：對運動員的實時訓練數(shù)據(jù)進行分析，提取特征參量，診斷其技術(shù)優(yōu)點與缺陷，以利技術(shù)調(diào)整與改進。如表2中的資料，該運動員約在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；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）的技術(shù)特征，使起跳過程中的用力特征如圖8所示，上板制動強，而起跳時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.運動模型建立：通過個體運動員檔案的建立以形成項目數(shù)據(jù)庫，可以探討優(yōu)秀運動員一般運動模型或個體運動員最佳技術(shù)模式。

4 總結(jié)

本系統(tǒng)的研發(fā)實現(xiàn)了通過觸壓信息獲取運動學參數(shù)及即時反饋與診斷的設(shè)計思路，隨著應用研究工作進一步開展，通過信息處理技術(shù)對數(shù)據(jù)的挖掘，對提高運動訓練的效果、探討運動員的運動模式與技術(shù)改進將有著理論與實踐意義。

移動式數(shù)字化跑道的多機同步驅(qū)動接口實現(xiàn)了數(shù)字化跑道、測力臺、高速攝影機、表現(xiàn)肌電設(shè)備的同步驅(qū)動，為田徑多項目的綜合性科學研究提供了重要保障。

移動式數(shù)字化跑道的獨特的結(jié)構(gòu)設(shè)計和較長的使用壽命使之不僅是一部科學研究設(shè)備，更是一部新型的訓練設(shè)備，對運動員全程技術(shù)單次、多次重復技術(shù)監(jiān)控，對強化技術(shù)穩(wěn)定性有著很強的實用性。

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