【正文】 專 業(yè)： 指導(dǎo)教師： 2020 年 6 月 基于加速度傳感器的人體運(yùn)動(dòng)信息采集系統(tǒng)設(shè)計(jì) 摘要 人類運(yùn)動(dòng)與人體健康息息相關(guān)，一直以來受到人們的廣泛關(guān)注，隨著運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)、人體測(cè)量學(xué)的發(fā) 展，人們對(duì)人體運(yùn)動(dòng)的研究日益深入。應(yīng)用加速度傳感器實(shí)現(xiàn)了對(duì)肢體運(yùn)動(dòng)的測(cè)量，并利用加速度 參數(shù)與速度、位移等參數(shù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系實(shí)現(xiàn)了對(duì)其它運(yùn)動(dòng)參數(shù)的求解，從而對(duì)人體運(yùn)動(dòng)的姿態(tài)、動(dòng)作軌跡等進(jìn)行分析。因此，對(duì)于人體運(yùn)動(dòng)的研究，應(yīng)綜合多種方法，盡可能獲取更多的信息，以使得人體運(yùn)動(dòng)分析更加科學(xué)、合理。 課程研究目 的及意義 ............................. 錯(cuò)誤 !未定義書簽。隨著時(shí)代的發(fā)展，當(dāng)代的人們對(duì)健康的更加關(guān)注及需求，也推動(dòng)著與其息息相關(guān)的人體運(yùn)動(dòng)研究的發(fā)展。 課程研究目的及意義 在研究人體運(yùn)動(dòng)時(shí)，我們實(shí)際上把人體當(dāng)做一個(gè)物質(zhì)的合成體，通過人體的外部運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)出來信息，去分析人體的內(nèi)部運(yùn)動(dòng)，諸如腦部的運(yùn)動(dòng)：思維、決策等形成完成外部動(dòng)作的指令的過程等。 相應(yīng)的，人體運(yùn)動(dòng)學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域也是十分的廣闊，主要包括在以下幾個(gè)領(lǐng)域 [2]：醫(yī)學(xué)保健領(lǐng)域，主要應(yīng)用于對(duì)人體運(yùn)動(dòng)功能及損傷做出更直接有效地評(píng)估，分析受損原因，以利于更好地救治及預(yù)防 [3]；體育領(lǐng)域，可以通過對(duì)運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)時(shí)所蘊(yùn)藏的生物力學(xué)信息探測(cè)分析來塑造運(yùn)動(dòng)技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)模式，找到運(yùn)動(dòng)技術(shù)最佳的途徑，從而改善訓(xùn)練的方式，使運(yùn)動(dòng)員能夠在運(yùn)動(dòng)技術(shù)上有所突破，更有力地參與到競(jìng)技比賽中，獲得更加優(yōu)異的成績(jī)；教育交流領(lǐng)域，可以通過對(duì)肢體語(yǔ)言所傳達(dá)的信 息去分析人體的內(nèi)部活動(dòng)，甚至可以解決與聾啞人的交流問題；虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域，主要應(yīng)用于人與虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的交互，將真實(shí)生活中的人體運(yùn)動(dòng)映射到虛擬環(huán)境。與笛卡爾同時(shí)代的意大利解剖學(xué)家博雷利將解剖學(xué)和力學(xué)結(jié)合起來，比較系統(tǒng)地研究了動(dòng)物和人體的運(yùn)動(dòng)，并完成了學(xué)術(shù)著作《論動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)》一書。芬奇從人體解剖和力學(xué)的角度，研究了人體的各種姿勢(shì)和運(yùn)動(dòng)，其中對(duì)人體步態(tài)的力學(xué)研究和近代人體運(yùn)動(dòng)學(xué)研究相仿，首先提出了“一切能夠運(yùn)動(dòng)的生物體都遵循 力學(xué)定律而運(yùn)動(dòng)”的重要觀點(diǎn)。后來攝影影像技術(shù)的引入，使運(yùn)動(dòng)測(cè)量手段有了很大的飛躍。從此，人體運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的一個(gè)重要領(lǐng)域：肌力與肌肉的生理特性的相關(guān)研究逐漸發(fā)展起來。高速攝影技術(shù)、傳感測(cè)量技術(shù)以及同步測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的測(cè)量后，使得人體運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)測(cè)量的研究進(jìn)入了三維運(yùn)動(dòng)學(xué)和空間力學(xué)研究的層面上，為全面研究人體運(yùn)動(dòng)效能提供了良好的保證。學(xué)術(shù)界的研究者己經(jīng)意識(shí)到現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于人體運(yùn)動(dòng)分析的局限性源于對(duì)人體運(yùn)動(dòng)力學(xué)的本質(zhì)認(rèn)識(shí)還不夠深入。 國(guó)外將加速度傳感器應(yīng)用于體育訓(xùn)練的研究比較領(lǐng)先。 利用加速度傳感器輸出值與人體站、坐、走、跑、跳、騎等日常生活 運(yùn)動(dòng)能量消耗之間的關(guān)系，結(jié)合 相關(guān)皮膚溫度、心率等測(cè)量傳感器，經(jīng)相關(guān)算法軟件分析及實(shí)驗(yàn)標(biāo)定等 [6]。 有關(guān)人體運(yùn)動(dòng)信息 研究 的應(yīng)用 在骨科醫(yī)療和康復(fù)領(lǐng)域中，為了評(píng)價(jià)殘疾、診斷疾病和鑒定康復(fù)的效果，客觀而有效的方法就是進(jìn)行步態(tài)分析和人體其它部位的功能評(píng)定。 在運(yùn)動(dòng)生理力學(xué)研究方面，人體運(yùn)動(dòng)的計(jì)算機(jī)仿真是更高層次的研究?jī)?nèi)容，是研究人體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的有效手段；并具有很高的理論和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，如用于碰撞的仿真、分析人的運(yùn)動(dòng)特 征、醫(yī)療中腦神經(jīng)外科診斷以及步態(tài)研究等。 總的來說，加速度傳感器所獲取的信息能為人體運(yùn)動(dòng)的仿真研究提供可靠 、準(zhǔn)確的原始信息數(shù)據(jù)。 其二， 加速度傳感器的原理及應(yīng)用 。 運(yùn)動(dòng)信息采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)分成兩個(gè)部分，即信號(hào)采集單元和數(shù)據(jù)處理單元。 第二章： 人體運(yùn)動(dòng)信息采集與分析的理論基礎(chǔ) 。較為詳細(xì)的論述 人體運(yùn)動(dòng)信息采集的各種方法，并分析它們之間的優(yōu)缺點(diǎn) 。 為了對(duì)人體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行較為深入的研究和實(shí)驗(yàn)，研制 基于加速度傳感器的運(yùn)動(dòng)信息采集系統(tǒng)，本章對(duì)于系統(tǒng)的功能、軟件、硬件的構(gòu)成，做了詳細(xì)的介紹。 運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)應(yīng)用生物學(xué)和力學(xué)的理論、方法，研究人體從事各種運(yùn)動(dòng)、活動(dòng)和勞動(dòng)的動(dòng)作技術(shù) , 使復(fù)雜的人體動(dòng)作技術(shù)奠基于最基本的生物學(xué)和力學(xué)規(guī)律之上，并以數(shù)學(xué)、力學(xué)、生物學(xué)以及動(dòng)作技術(shù)原理的形式加以定量描述 [8]。運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)常用的參數(shù)主要 有： 位置、位移 、 速度、加速度 、角位移、角速度、角加速度 、 力、功、功率、動(dòng)量、沖量、動(dòng)量 、 力矩、動(dòng)量矩、沖量矩 、 動(dòng)能、位能 、 質(zhì)量、重量、重心 、 人體環(huán)節(jié)質(zhì)量、重量、重心 、 軀干傾角 、著地角 、 離地角 、 前蹬角 、 后蹬角 、 騰起角 、 出手角 、 姿勢(shì)角 、 攻角 、 穩(wěn)定角 等。 2． 2 人體生理結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)特點(diǎn) 要進(jìn)行人體運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)參數(shù)的測(cè)量及運(yùn)動(dòng)的相關(guān)研究，需要對(duì)人體的生理結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)有一定的了解。因?yàn)槿梭w的所有運(yùn)動(dòng)都是通過關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的，所以最關(guān)鍵的是分析各個(gè)關(guān)節(jié)的自由度、相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)幅度以及多個(gè)關(guān)節(jié)之間的約束和聯(lián)動(dòng) 。 外展內(nèi)收：肢體在額狀面內(nèi)，繞矢狀軸運(yùn)動(dòng)，遠(yuǎn)離正中面為外，靠近正中面為內(nèi)收。在真實(shí)的世界中，人體的運(yùn)動(dòng)非常復(fù)雜，如果不做限制，任何人體部位的空間位置變化都可以被當(dāng)做人體運(yùn)動(dòng)。它是一些基本動(dòng)作的組合。所有的體育運(yùn)動(dòng)被分為田徑、體操、球類、游泳、滑冰和武術(shù) 等大的項(xiàng)目。轉(zhuǎn)動(dòng)是人體圍繞著轉(zhuǎn)動(dòng)軸所做的運(yùn)動(dòng)。 當(dāng)我們把解剖學(xué)和力學(xué)結(jié)合起來分析人體運(yùn)動(dòng)時(shí)，不僅要考慮到人體運(yùn)動(dòng)的力學(xué)特征，還要考 慮到人體運(yùn)動(dòng)的解剖學(xué)特征，因此，我們把人體運(yùn)動(dòng)分為以維持平衡為主的靜力性運(yùn)動(dòng)和變化復(fù)雜的動(dòng)力性運(yùn)動(dòng)。建立人體模型后，可以通過三維測(cè)量技術(shù)，如多維攝像系統(tǒng)，生物力測(cè)量系統(tǒng)等得到的人體的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù) （往往是特征點(diǎn)或標(biāo)志點(diǎn)等的空間坐標(biāo)），分析處理人體運(yùn)動(dòng)信息。 圖 棒狀人體模型示意圖 人體運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系的建立 人體運(yùn)動(dòng)可以分解成各肢體的特征點(diǎn)在空間中位置的變化過程。同理，如果我們 檢測(cè)出各環(huán)節(jié)的空間位置關(guān)系，同樣可以得到各關(guān)節(jié)的角度信息。確定了大臂的位置以后，就可以用附著在大臂上的相對(duì)坐標(biāo)系，根據(jù)小臂繞 X軸和 Z軸的旋轉(zhuǎn)量，確定小臂的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。 本文在參考了大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，以人體運(yùn)動(dòng)空間建立絕對(duì)坐標(biāo)系，如圖 3所示。如果需要監(jiān)測(cè)人體整體運(yùn)動(dòng)，只需在基于由 10個(gè)環(huán)節(jié)組成的棒狀模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)行 12 個(gè)點(diǎn)的測(cè)量就可完成運(yùn)動(dòng)的分析。 運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)、人體解剖學(xué)、電子信息技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了人體運(yùn)動(dòng)分析的進(jìn)步，各學(xué)科的發(fā)展提高了人體運(yùn)動(dòng)分析的技術(shù)，提出了 更為科學(xué)的分析方法。 人體運(yùn)動(dòng)主要是人體各環(huán)節(jié)圍繞關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)。絕對(duì)坐標(biāo)系的建立減少了不必要的計(jì)算及因測(cè)量誤差帶來的積累偏差。人體運(yùn)動(dòng)分析的過程主要由運(yùn)動(dòng)的跟蹤測(cè)量、信號(hào)處理、數(shù)據(jù)分析所組成 [11]。 圖 影片數(shù)字化原理 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 14 頁(yè) 共 39 頁(yè) 通過上述的原理介紹可知，一臺(tái)攝影機(jī)只能對(duì)物體或人體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行平面分析，而且當(dāng)遇到遮擋或進(jìn)行旋轉(zhuǎn)動(dòng)作時(shí)，只能對(duì)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行估算。完成拍攝后的數(shù)字化過程也更為復(fù)雜，在數(shù)據(jù)處理過程中需要對(duì)兩臺(tái)攝影機(jī)的的數(shù)據(jù)進(jìn)行正交合成，一般通過專用的影像解析軟件 [12]系統(tǒng)來完成。其原理框圖如圖 所示。利用肌電圖可以說明： (1)某塊肌肉或一塊肌肉的哪些部分參與活動(dòng)； (2)運(yùn)動(dòng)中所測(cè)各塊肌肉參與活動(dòng)的時(shí)間； (3)運(yùn)動(dòng)中所測(cè)各塊肌肉收縮時(shí)間的長(zhǎng)短和收 縮強(qiáng)度。 人體前臂在運(yùn)動(dòng)過程中始終和豎直方向 (或水平方向 )成一定的角度關(guān)系。在以上約束條件下，當(dāng)前臂不動(dòng)時(shí)，只需檢測(cè)當(dāng)前加速度傳感器各敏感軸 [13]與重力方向的夾角，即可分析出前臂的姿態(tài)。 結(jié)合 前一章中所建立的人體棒狀模型，本例中可將手臂視為一個(gè)剛體，將肘 關(guān)節(jié) 視為支點(diǎn)，手臂運(yùn)動(dòng)則可看成是剛體圍繞支點(diǎn)的平面運(yùn)動(dòng)。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，運(yùn)動(dòng)信息的采 集方法和手段日益發(fā)展完善，技術(shù)趨于先進(jìn)，采集精度和可靠性也隨之提高。 由于加速度參數(shù)在經(jīng) 過相關(guān)積分計(jì)算，可以很容易得到如速度、位移等參數(shù)，本章重點(diǎn)介紹了基于加速度傳感器的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)方法。 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 18 頁(yè) 共 39 頁(yè) 4 人體運(yùn)動(dòng)信息采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 運(yùn)動(dòng)信息采集系統(tǒng)利用人體運(yùn)動(dòng)的非電量電測(cè)法，利用加速度傳感器采集人體運(yùn)動(dòng)時(shí)的加速度參數(shù)，系統(tǒng)通過對(duì)采集到的加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析，可得到肢體在空間運(yùn)動(dòng)的相關(guān)信息 [14]，如加速度、速度矢量的變化、肢體位移軌跡、空間 姿態(tài)等信息。 信號(hào)采集單元電路設(shè)計(jì) 信號(hào)采集單元的作用是實(shí)時(shí)同步采集被測(cè)點(diǎn)的三維加速度信息，并將所采集到的加速度信息上傳至系 統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理單元。 運(yùn)動(dòng)加速度的幅度：在行走運(yùn)動(dòng)中加速度的幅度在 垂直方向上均大于側(cè)向和前后向，而且從人體的頭部到腳部，幅度越來越大，頻譜逐漸向較高頻率移動(dòng)。 根據(jù)人體運(yùn)動(dòng) 時(shí)加速度參數(shù)的特點(diǎn)，用于測(cè)量人體運(yùn)動(dòng)的加速度計(jì)的頻率范圍在 0Hz～ 20Hz 即可滿足要求，測(cè)量幅度范圍為 3g～ +3g。 圖 ADXL330 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 ADXL330 是基于熱對(duì)流效應(yīng)的三軸加速度傳感器，是基于單片 CMOS 工藝的完整的加速度測(cè)量系統(tǒng)，以可移動(dòng)的熱對(duì)流氣團(tuán)作為質(zhì)量塊，通過測(cè)量由加速度引起的腔體內(nèi)氣團(tuán)位置的變化來測(cè)量加速度。受到外力作用后，熱 氣團(tuán)位置偏移， 4 個(gè)熱電耦組的平衡被破壞，其溫度的下降陡度是以熱源為中心而產(chǎn)生差值。 2） 信號(hào)的抗干擾處理 人體運(yùn)動(dòng)過程中，加速度傳感器所采集的信號(hào)除了有效的加速度信號(hào)還存在來自外部的其它干攏信號(hào)，如果對(duì)傳感器的輸出不進(jìn)行任何處理而直接進(jìn)行分析應(yīng)用，顯然無(wú)法得到準(zhǔn)確的結(jié)果，所以必須對(duì)傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的降噪處理，以得到正確的加速度信息。為了避免能量的衰減，本系統(tǒng)采用集成運(yùn)算放大器 NE5532 和 RC 濾波網(wǎng)絡(luò)組成巴特沃斯二階有源濾波電路，加快帶寬清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 22 頁(yè) 共 39 頁(yè) 外傳輸系數(shù)的衰減速度， 電路如圖 。 取 R=33KΩ，則 C=，所以電路中 R R2 取值為 33KΩ， C C5取值為 [19]。信號(hào)采集單元與數(shù)據(jù)處理單元之間數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸采用專用藍(lán)牙模塊 DFBMCS120 完成，藍(lán)牙模塊與單片機(jī)之間采用異步串行通信接口。數(shù)據(jù)處理單元的硬件組成主要包括 ： CPU 單元 、存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路、輸入輸出電路、通信電路、時(shí)鐘電路以及電源電路。 2） 外圍電路設(shè)計(jì) 為了 CPU 正常工作，使系統(tǒng)能夠完成其功能要求，需要設(shè)計(jì)必要的外圍電路。 輸入及輸出部分的電路分別如圖 、 。其中數(shù)據(jù)處理單元與信號(hào)采集單元之間采用藍(lán)牙通信方式，其電路原理圖與信號(hào)采集單元相同，其藍(lán)牙模塊電路設(shè)計(jì)與從機(jī)相同 [23][24]， 如圖 所示；系統(tǒng)與上位機(jī)之間的通信可采用 USB 方式或異步串行通信方式，共設(shè)有一個(gè) USB 接口和 2 個(gè) COM 通信接口，其電路如圖 所示。由于信號(hào)采集單元的每一個(gè)傳感器的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)（即從機(jī)）都是獨(dú)立的，由一片單片機(jī)控制，所以網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的單片機(jī)程序是一致的，主要完成信號(hào)的采集，而所有的網(wǎng)絡(luò)節(jié) 點(diǎn)受一個(gè)主機(jī)控制，主機(jī)完成對(duì)多個(gè)從機(jī)的管理以及數(shù)據(jù)的上傳等功能； ARM7 的數(shù)據(jù)處理單 元程序主要完 對(duì)信號(hào)采集單元上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并根據(jù)運(yùn)動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的具體應(yīng)用作出相應(yīng)的判斷或決策 [25]。 圖 信號(hào)采集單元從機(jī)軟件流程圖 從機(jī)程序在運(yùn)行時(shí)，只響應(yīng) I2C中斷請(qǐng)求，在沒有中斷信號(hào)時(shí)，從機(jī)以固定的采樣頻率對(duì)加速度傳感器輸出的模擬量進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并存儲(chǔ)，當(dāng)信號(hào)采集單元主機(jī)發(fā)出I2C 請(qǐng)求時(shí)，從機(jī)響應(yīng)中斷，根據(jù)主機(jī)的命令類型，進(jìn)行數(shù)據(jù)的上傳或其它操作。 圖 信號(hào)采集單元主機(jī)軟件流程圖 系統(tǒng)上電后的初始化環(huán)節(jié)主要包括對(duì)單片機(jī)自身的端口、寄存器的初始化以及對(duì)藍(lán)牙模塊的初始化。完成了系統(tǒng)的初始化之后，查詢等待信號(hào)采集單元上傳就緒信號(hào)，如超出系統(tǒng)等待時(shí)間，系統(tǒng)將嘗試再次與采集單元進(jìn)行通信，如通信失敗，系統(tǒng)進(jìn)入待 機(jī)狀態(tài)。系統(tǒng)開始 系統(tǒng)初始化 采集單元準(zhǔn)備好？ 功能設(shè)置？ 讀入轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù) 數(shù)字濾波處理 數(shù)據(jù)處理 結(jié)論輸出 進(jìn)行相關(guān)設(shè)置 N Y N Y 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 32 頁(yè) 共 39 頁(yè) 參數(shù)設(shè)置主要是針對(duì)系統(tǒng)的靈敏度。工程實(shí)踐表明，許多物理量的變化都需要一定的時(shí)間，相鄰兩次采樣值之間的變化有一定的限度。 力量： F=ma 式中： F為肢體動(dòng)作的力量， m為運(yùn)動(dòng)肢體的等效質(zhì)量 ,a為運(yùn)動(dòng)加速度 ， 速度 ： ?? ? tadtvv00 式中： a 為運(yùn)動(dòng)速度， v0為初始速度， ?tadt0為加速度對(duì)時(shí)間的積分 位移： ??? ? t tadtvs0 00 式中： s 為位移量， v0為初始速度， a為運(yùn)動(dòng)加速度， t為運(yùn)動(dòng)時(shí)間 位置： P( x,y,z) =P0(x,y,z)+S( x,y,z))式中： P 表示被測(cè)點(diǎn)的終止位 置， P0 為初始位置， S 為位移軌跡 。 在本系統(tǒng)中所采用的是限幅濾波的方法，即將兩次相鄰的采樣值相減，求出其增量 (以絕對(duì)值表示 )，然后與兩次采樣允許的最大差值 (由采集對(duì)象的實(shí)際情況決定 )Δ Y 進(jìn)行比較，若小于