【正文】 或等于Δ Y，則取本次采樣值；若大于Δ Y，則仍取上次采樣值作為本次采樣值。實時讀入方式指的是信號采集單元每完成一次加速度信號采集經 A/D 轉換后立即將當前一組數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)處理單元；而批量讀入方式則是信號采集單元完成當前信號的采集和轉換后將結果暫存，直到數(shù)據(jù)處理單元發(fā)出讀取指令，再將多組加速度數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)處理單元。功能、參數(shù)的設置主要的意義在于，加速度傳感器可能應用于不同的場合，如動作規(guī)范性判斷、運動速度測量、位移測量等，對于不同的應用場合精度、算法會有不同，所以要進行功能及參數(shù)的設置。 數(shù)據(jù)處理 單元程序設計 數(shù)據(jù)處理單元主要完成如下功能：由信號采集單元接收加速度數(shù)據(jù)后對其進行數(shù)字濾波，利用合理的算法對數(shù)據(jù)進行分析處理得到相關結論；與上位機通信等，其軟件流程圖如圖 所示。為了保證采樣頻率的穩(wěn)定性，從機采用定時中斷的方式啟動 A/D 轉換對加速度信號進行采樣。 清華 大學 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 29 頁 共 39 頁 1） 從機部分程序設計 信號采集單元從機 CPU 通過接收主機的指令完成相應的任務，主要包括啟動信號采集、上傳采集數(shù)據(jù)、刪除數(shù)據(jù)的功能。電路采用 LM117 穩(wěn)壓芯片對輸入電壓進行穩(wěn)壓，產生 直流電壓，供給系統(tǒng)中各個單元， 如圖 所示。 LCD 可顯示 128（列） 64（行）點陣圖形，也可顯示 8 4 個（ 16 16點陣）中文漢字，在系統(tǒng)中對 LCD 采用串行控制方式只需占用 CPU 的 3 個 I/O 端口，主要清華 大學 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 27 頁 共 39 頁 用于顯示系統(tǒng)當前的運行狀態(tài)以及數(shù)據(jù)分析結果的輸出。 圖 系統(tǒng)時鐘電路原理圖 清華 大學 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 25 頁 共 39 頁 圖 系統(tǒng)復位電路原理圖 為了提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理能力，考慮到功能擴展的需要，外圍擴展了 64KB 的 RAM存儲器 61LV256，并擴展了 2K 的 E2PROM 存儲器 24C02 用于存儲預設功能等信息，存儲器擴展電路如圖 所示 [22]。另外，外部存儲器接口 (EMI)提供了 16 條數(shù)據(jù)線接口和 24 條地址線接口，可擴展 4組 16M 空間的外部存儲器，具有 JTAG 接口可方便地用于系統(tǒng)的仿真調試及程序下載。 圖 信號采集單元電路原理圖 圖中 K1～ K4 主要用于對信號采集單元進行功能設置，與主機 I/O 口直接相連，主機通過其異步串行接口與藍牙通訊模塊 DFBMCS120 進行通信，利用單片機的 I/O 口產生串行通訊的請求信號。由加速度傳感器 ADXL3信號調理電路與單片機 MSP430 及相關外圍電路組成信號采集單元的從 機，信號采集單元的主機通過 I2C總線與所有從機組成網(wǎng)絡，控制從機完成信號的轉換與發(fā)送。 圖 加速度信號調理電路 圖中濾波器的幅頻響應表達式為 22 2/)/(11)( QwA jwAnnuf ??? ? （ 42） 式中 ,Auf=1+R6/R7 ， w2= 1/RC，（ R=R1=R2,C=C4=C5） ,Q= 1/(3Auf)此低通濾波器的上限截止頻率為 fH= 1/（ 2? RC） 。為了減小加速度傳感器輸出信號在傳遞過 程中的衰減，利用電壓跟隨器進行阻抗的匹配，以提高下一級電路的輸入阻抗， 如圖 所示。在加速度傳感器內部有兩條完全相同的加速度信號傳輸路徑，一條用于測量 X軸上所感應的加速度，另一條則用于測量 Y軸上所感應的加速度。在未產生加速度或水平放置時，其溫度的下降陡度是以熱源為中心而完全對稱 傳感器剖面圖及熱氣團溫度變化情況 傳感器剖面圖及熱氣團溫度變化情況 （加速度為 0） （加速度不為 0） 圖 基于熱對流效應的加速度傳感器工作原理 清華 大學 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 21 頁 共 39 頁 的，此時，所有 4個熱電耦組因感應溫度相同而產生相同的電壓。 綜合上述因素，在本系統(tǒng)中選擇基于 MEMS 技術的加速度傳感器 ADXL330，這是一款小型低功耗三軸加速度傳感器，具有信號調理電壓輸出，能測量滿刻度177。在脛骨，垂直方向上加速度的幅度為 ～ ，而水平方向上為 ～ ，以自然速度行走時，垂直方向上人體上部的加速度頻率范圍為 ～ 5Hz，而其峰值出現(xiàn)在腳部接觸到地面的時刻 [16]。 1） 加速度傳感器的選型 由于設計本系統(tǒng)主要的目的是采集人體運動的加速度信號，所以需要選擇一款合適的加速度傳感器作為加速度信號的獲取元件，傳感器的選型要以人體運動時產生的加速度信號的特點為依據(jù) [16]。 圖 在對人體運動信息進行采集測量時，首先可根據(jù)具體應用進行功能設定，然后將信號采集單元的從機分別安裝于肢體不同的特征點上，如圖 所示。由于地心引力所產生的重力加速度在一定范圍內可視為常量，所以利用重力加速度在傳感器上各敏感軸上的分量依據(jù)矢量全成的方法可得出傳 感器在空間的姿態(tài)，根據(jù)傳感器在肢體的固定位置即可分析出被測肢體的姿態(tài)。各種不同的采集方法適用于不同的場合及研究目的，在正式體清華 大學 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 17 頁 共 39 頁 育比賽中對運動員進行動作分析主要是采用錄像的方法，這主要是由于圖 像 采集的方法不會影響到運動員的動作，而其它的采集方式均需要在肢體上安裝檢測裝置或標記點，會影響運動員的動作發(fā)揮。 3． 3 小結 運動分析就是利用相應的測量手段，測量、采集人體運動的部分生物力學參數(shù)，并對這些參數(shù)進行相關分析和處理以得到更多的運動信息，從而在相應的領域得以應用。圖 所示為傳感器相對靜止時的各敏感軸與重力方向的夾角分別為 θ、φ、γ，如果重力加速度的大小為 g，此時傳感器三個軸輸出的電壓信號分別為： ???????????000c o sc o sc o svkgvvkgvvkgvzyx??? 式中： vx、 vy、 vz 表示加速度計 X、 Y、 Z 三個軸所輸出的電壓信號， k 表示加速度計的靈敏度 ， k 表示加速度計的靈敏度， g 表示重力加速度， V0 表示加速度為 0時，加速度計輸出的 電壓。在進行前臂運動檢測時，首先將傳感器固定于前臂上，隨著前臂的運動狀態(tài)改變 ，傳感器輸出的變化信號經處理后可以得到前臂的運動姿態(tài)改變的參數(shù)。當人體進行運動時，相應的肌肉會收縮、變形，肌肉收縮所產生的微弱肌電信號被電極檢測到，測量裝置的信號處理放大環(huán)節(jié)會對此信號進行放大和濾波，去除干擾并得到有用的肌電信號，再經過 A/D 轉換環(huán)節(jié)，則得到數(shù)字量的數(shù)據(jù)，測量裝置的 CPU 對此數(shù)據(jù)再進行相關的分析和處理，即可得出運動過程中相關肌 肉作用的結論 [13]。 肌電信號測量法 肌電測量包括有損傷測量和無損傷測量兩大類。目前得到廣泛應用的產品主要有 SELSPOT 系統(tǒng)、 VICON 系統(tǒng)和 COD 系統(tǒng)。原則上要通過兩臺攝影機從不同角度同步進行拍攝，這樣就能把物體或人體運動的空間特征描述出來。 光學測量方法 為了對采集到的圖像 信息進行分析，需要對其進行數(shù)字化處理，對于高速攝影所得到的運動信息一般通過影片解析儀，完成影片的數(shù)字化過程，圖 4所示為影片數(shù)字化原理的示意圖。人體在運動過程中所表現(xiàn)出來的運動信息主要體現(xiàn)在 身體位置 、關節(jié)角度、身體和肢體的位移、速度和加速度、力的大小和方向、動態(tài)力的變化 速率等方面。本章根據(jù)當前人體運動分析主流的棒狀人模型，建立了由 10個環(huán)節(jié)構成的人體棒狀模型。人體運動分析涉及速度、加速度、力等多項基本運動參數(shù)，大部分運動參數(shù)之間存在著數(shù)學函數(shù)關系。 圖 人體運動的絕對坐標系 清華 大學 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 12 頁 共 39 頁 2． 4 小結 人體是具有特定形態(tài)結構的活體，運動形式多樣，動作結構不一，各肢體協(xié)調動作，其運動過程相當復雜。由于人體關節(jié)和環(huán)節(jié)的約束性，根據(jù)每一個關節(jié)的坐標位置，即可推算出該環(huán)節(jié)在空間中的姿態(tài)及位置。 清華 大學 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 11 頁 共 39 頁 圖 手臂運動的模型 雖然建立相對坐標系有利于人體運動的分析，但是人體的運動一般是 各關節(jié)、環(huán)節(jié)聯(lián)動，而相對坐標系計算的方法是要基于一個基坐標，向最 末端環(huán)節(jié)依次進行坐標的變換，這便給運動的分析帶來不便，并且在進行坐標變換及分析計算時，由于采集精度、誤差等原因，都會帶來一定的偏差，這樣，經過的關節(jié)、環(huán)節(jié)越多，其偏差積累也會越大。模型的建立是將手臂各個環(huán)節(jié)獨立化，即每個環(huán)節(jié)基于其父環(huán)節(jié)建立坐標系，在進行運動的檢測時只需要考慮該環(huán)節(jié)與父環(huán)節(jié)之間關節(jié)的運動情況。 在人體運動的研究領域，建立坐標系有多種方法，如絕對坐標系、相對坐標系、極坐標系等。 圖 是 棒狀人體模型示意圖當分析人體各種動作時，注意力就集中在對于姿式的分析上，這時候，人體各部分之間的相對位置就顯的尤為重要。各種懸垂動作，屬于支點在人體重心上方的上支撐平衡運動；站立、手倒立、體操后橋等動作，屬于支點在人體重心下方的下支撐平衡運動。人體平動可以分為直線運動和曲線運動。從純力學觀點來說，除了平衡運動以外，對于位移運動，大致可以分為平動和轉動兩類。行動和行為最主要的是感知和理性認識的區(qū)別。其中，基本動作是運動的最基本單元，它可以用人體關節(jié)在一段時清華 大學 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 9 頁 共 39 頁 間內的時空軌跡表示。 人體肢體通過環(huán)節(jié)圍繞關節(jié)的各種運動的組合實現(xiàn)不同的基本動作，所以當 充分了解了各環(huán)節(jié)與關節(jié)的相對位置、角度的信息，即可推算出人體所處的姿態(tài)。關節(jié)轉動根據(jù)轉軸種類和轉動方向的不同，分為五種： 屈伸：肢體在矢狀面內繞額狀軸轉動（運動）向前運動為屈，向后運動為伸。運動系統(tǒng)是由骨骼和固著在骨上的肌肉組成的。 運動生物力學的測量方法 運動學方法中的平面定機攝影攝像測量方法、平面跟蹤攝影攝像測量方法、立體定機攝影攝像測量方法、立體跟蹤攝影攝像測量方法、紅外光點攝像測量方法、激光測試儀測量方法、分段計時測量方法；動力學方法中的三維測力臺測試方法、等速測力儀測試方法、 和 測力儀測力方法、 測力儀測力方法、賽艇多參數(shù)遙測分析系統(tǒng)測試方法、動態(tài)力的應變測試方法、人體運動能量測量方清華 大學 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 8 頁 共 39 頁 法；生物學方法中的人體形態(tài)學測量方法、人體重心測量方法、肌電 測量方法、人體柔韌性測量方法、人體環(huán)節(jié)慣性參數(shù)測量方法、轉動慣量測量方法等等。 運動生物力學通過研究人體在運動中表現(xiàn)出的力、速度、加速度等參數(shù)與人體結構特性的關系，來揭示人體運動的基本規(guī)律，獲得有價值的運動參數(shù)，從而進一步了解復雜的人體運動，為更深入地研究人體運動的相關技 術提供重要依據(jù)。 清華 大學 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 7 頁 共 39 頁 2 人體運動信息采集與分析的理論基礎 2． 1 運動生物力學的相關理論 運動生物力學的發(fā)展，對人體運動測量學起到了巨大的推動作用，運動生物力學研究的內容是人體運動中的機械運動規(guī)律。 第四章：人體運動信息采集系統(tǒng)的設計 。然后是了解人體的生理結構和及其運動特點，最終建立人體的運動模型 。 清華 大學 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 6 頁 共 39 頁 本文的主要內容和章節(jié)安排如下： 第一章：緒論。無論采用哪 種工作方式，加速度傳感器的工作原理 都是相似的，將由慣性作用產生的機械運動或變形轉換為電信號的變化。 采集人體運動信息，關鍵是要根據(jù)人體運動的特點，建立人體運動的模型，要考察人體的運動特點，需要從運動與控制等多個角度來體現(xiàn)生命系統(tǒng)的部分特征。通常采用運動生物力學測試手段，可以得到相關人體運動的數(shù)據(jù)，當然還要借助于影像儀、多維測力臺、肌電儀等設備。因為測量人體行走時有關肢體運動狀態(tài)等物理量，可以幫助我們分析人體一些部位（特別是關節(jié)）的運動功能，進而為醫(yī)療康復等提供一定的參考依據(jù)。 國內也有很多單位在此方面進行了深入的研究，如西安市第四軍醫(yī)大學，生物醫(yī)學工程系的焦純、楊國勝等人利用三維加速度傳感器設計并研制了一種訓練強度監(jiān)測儀 [7]用于評估士兵訓練狀況和訓練效率。實現(xiàn)對人體在坐、行走等日常活動中運動加速度的測量，進而由實驗獲得加速度值與人體運動能量消耗的關系。 當代高科技理論與技術對運動訓練領域全面、深入的滲透和介入已成為當今競平的體育訓練和大賽中，運動員的整 套動作都將被詳細記錄，用于賽后技體育發(fā)展的主要趨勢。 人體運動信息的應用現(xiàn)狀 以測量及同步測量技術為標志的現(xiàn)代運動生物力學測量技術，己經使得人體的運動測量可實現(xiàn)實時化、可視化以及三維空間范圍內的測量分析。繼阿馬爾 (Amaer)研制了第一臺兩分量測力臺，使運動生物力學進入在體動力學測量后，萊曼德 (Reymond)在伽伐尼 (Galvani)《論在肌肉運動中的電力》的基礎上，創(chuàng)立了肌電測量技術。幾年后，馬勒 (Maler)、德美尼 (Demeni)等提出了運動軌跡定位照相法和連續(xù)光點照相法，這些方法直