【正文】 屆畢業(yè)設(shè)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(biāo)系有利于人體運動的分析，但是人體的運動一般是 各關(guān)節(jié)、環(huán)節(jié)聯(lián)動，而相對坐標(biāo)系計算的方法是要基于一個基坐標(biāo)，向最 末端環(huán)節(jié)依次進行坐標(biāo)的變換，這便給運動的分析帶來不便，并且在進行坐標(biāo)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(jīng)過的關(guān)節(jié)、環(huán)節(jié)越多，其偏差積累也會越大。 圖 人體運動的絕對坐標(biāo)系 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 12 頁 共 39 頁 2． 4 小結(jié) 人體是具有特定形態(tài)結(jié)構(gòu)的活體，運動形式多樣，動作結(jié)構(gòu)不一，各肢體協(xié)調(diào)動作，其運動過程相當(dāng)復(fù)雜。本章根據(jù)當(dāng)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(gòu)成的人體棒狀模型。 光學(xué)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。目前得到廣泛應(yīng)用的產(chǎn)品主要有 SELSPOT 系統(tǒng)、 VICON 系統(tǒng)和 COD 系統(tǒng)。當(dāng)人體進行運動時，相應(yīng)的肌肉會收縮、變形，肌肉收縮所產(chǎn)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(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)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(guān)的分析和處理，即可得出運動過程中相關(guān)肌 肉作用的結(jié)論 [13]。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。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(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)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(biāo)記點，會影響運動員的動作發(fā)揮。 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(yīng)用進行功能設(shè)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。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]。在未產(chǎn)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(yīng)的加速度傳感器工作原理 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 21 頁 共 39 頁 的，此時，所有 4個熱電耦組因感應(yīng)溫度相同而產(chǎn)生相同的電壓。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。由加速度傳感器 ADXL3信號調(diào)理電路與單片機 MSP430 及相關(guān)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(luò)，控制從機完成信號的轉(zhuǎn)換與發(fā)送。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(diào)試及程序下載。 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(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 27 頁 共 39 頁 用于顯示系統(tǒng)當(dāng)前的運行狀態(tài)以及數(shù)據(jù)分析結(jié)果的輸出。 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 29 頁 共 39 頁 1） 從機部分程序設(shè)計 信號采集單元從機 CPU 通過接收主機的指令完成相應(yīng)的任務(wù)，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。 數(shù)據(jù)處理 單元程序設(shè)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(guān)結(jié)論；與上位機通信等，其軟件流程圖如圖 所示。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(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換后立即將當(dāng)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(dāng)前信號的采集和轉(zhuǎn)換后將結(jié)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。 力量： F=ma 式中： F為肢體動作的力量， m為運動肢體的等效質(zhì)量 ,a為運動加速度 ， 速度 ： ?? ? tadtvv00 式中： a 為運動速度， v0為初始速度， ?tadt0為加速度對時間的積分 位移： ??? ? t tadtvs0 00 式中： s 為位移量， v0為初始速度， a為運動加速度， t為運動時間 位置： P( x,y,z) =P0(x,y,z)+S( x,y,z))式中： P 表示被測點的終止位 置， P0 為初始位置， S 為位移軌跡 。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 進行相關(guān)設(shè)置 N Y N Y 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 32 頁 共 39 頁 參數(shù)設(shè)置主要是針對系統(tǒng)的靈敏度。 圖 信號采集單元主機軟件流程圖 系統(tǒng)上電后的初始化環(huán)節(jié)主要包括對單片機自身的端口、寄存器的初始化以及對藍牙模塊的初始化。由于信號采集單元的每一個傳感器的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點（即從機）都是獨立的，由一片單片機控制，所以網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的單片機程序是一致的，主要完成信號的采集，而所有的網(wǎng)絡(luò)節(jié) 點受一個主機控制，主機完成對多個從機的管理以及數(shù)據(jù)的上傳等功能； ARM7 的數(shù)據(jù)處理單 元程序主要完 對信號采集單元上傳的數(shù)據(jù)進行處理，并根據(jù)運動測量系統(tǒng)的具體應(yīng)用作出相應(yīng)的判斷或決策 [25]。 輸入及輸出部分的電路分別如圖 、 。數(shù)據(jù)處理單元的硬件組成主要包括 ： CPU 單元 、存儲器擴展電路、輸入輸出電路、通信電路、時鐘電路以及電源電路。 取 R=33KΩ，則 C=，所以電路中 R R2 取值為 33KΩ， C C5取值為 [19]。 2） 信號的抗干擾處理 人體運動過程中，加速度傳感器所采集的信號除了有效的加速度信號還存在來自外部的其它干攏信號，如果對傳感器的輸出不進行任何處理而直接進行分析應(yīng)用，顯然無法得到準(zhǔn)確的結(jié)果，所以必須對傳感器輸出的信號進行相應(yīng)的降噪處理，以得到正確的加速度信息。 圖 ADXL330 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 ADXL330 是基于熱對流效應(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量系統(tǒng)，以可移動的熱對流氣團作為質(zhì)量塊，通過測量由加速度引起的腔體內(nèi)氣團位置的變化來測量加速度。 運動加速度的幅度：在行走運動中加速度的幅度在 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。 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 18 頁 共 39 頁 4 人體運動信息采集系統(tǒng)的設(shè)計 運動信息采集系統(tǒng)利用人體運動的非電量電測法，利用加速度傳感器采集人體運動時的加速度參數(shù)，系統(tǒng)通過對采集到的加速度數(shù)據(jù)進行處理、分析，可得到肢體在空間運動的相關(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。隨著科學(xué)技術(shù)的進步，運動信息的采 集方法和手段日益發(fā)展完善，技術(shù)趨于先進，采集精度和可靠性也隨之提高。在以上約束條件下，當(dāng)前臂不動時，只需檢測當(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)。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； (2)運動中所測各塊肌肉參與活動的時間； (3)運動中所測各塊肌肉收縮時間的長短和收 縮強度。完成拍攝后的數(shù)字化過程也更為復(fù)雜，在數(shù)據(jù)處理過程中需要對兩臺攝影機的的數(shù)據(jù)進行正交合成，一般通過專用的影像解析軟件 [12]系統(tǒng)來完成。人體運動分析的過程主要由運動的跟蹤測量、信號處理、數(shù)據(jù)分析所組成 [11]。 人體運動主要是人體各環(huán)節(jié)圍繞關(guān)節(jié)的運動。如果需要監(jiān)測人體整體運動，只需在基于由 10個環(huán)節(jié)組成的棒狀模型的基礎(chǔ)上，進行 12 個點的測量就可完成運動的分析。確定了大臂的位置以后，就可以用附著在大臂上的相對坐標(biāo)系，根據(jù)小臂繞 X軸和 Z軸的旋轉(zhuǎn)量，確定小臂的運動姿態(tài)。 圖 棒狀人體模型示意圖 人體運動坐標(biāo)系的建立 人體運動可以分解成各肢體的特征點在空間中位置的變化過程。 當(dāng)我們把解剖學(xué)和力學(xué)結(jié)合起來分析人體運動時，不僅要考慮到人體運動的力學(xué)特征，還要考 慮到人體運動的解剖學(xué)特征，因此，我們把人體運動分為以維持平衡為主的靜力性運動和變化復(fù)雜的動力性運動。所有的體育運動被分為田徑、體操、球類、游泳、滑冰和武術(shù) 等大的項目。在真實的世界中，人體的運動非常復(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)做人體運動。因為人體的所有運動都是通過關(guān)節(jié)的運動來實現(xiàn)的，所以最關(guān)鍵的是分析各個關(guān)節(jié)的自由度、相應(yīng)的運動幅度以及多個關(guān)節(jié)之間的約束和聯(lián)動 。運動生物力學(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、動量、沖量、動量 、 力矩、動量矩、沖量矩 、 動能、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 、 姿勢角 、 攻角 、 穩(wěn)定角 等。 為了對人體運動進行較為深入的研究和實驗，研制 基于加速度傳感器的運動信息采集系統(tǒng)，本章對于系統(tǒng)的功能、軟件、硬件的構(gòu)成，做了詳細(xì)的介紹。 第二章： 人體運動信息采集與分析的理論基礎(chǔ) 。 其二， 加速度傳感器的原理及應(yīng)用 。 在運動生理力學(xué)研究方面，人體運動的計算機仿真是更高層次的研究內(nèi)容，是研究人體運動規(guī)律的有效手段；并具有很高的理論和實際應(yīng)用價值，如用于碰撞的仿真、分析人的運動特 征、醫(yī)療中腦神經(jīng)外科診斷以及步態(tài)研究等。 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 運動能量消耗之間的關(guān)系，結(jié)合 相關(guān)皮膚溫度、心率等測量傳感器，經(jīng)相關(guān)算法軟件分析及實驗標(biāo)定等 [6]。學(xué)術(shù)界的研究者己經(jīng)意識到現(xiàn)代測量技術(shù)應(yīng)用于人體運動分析的局限性源于對人體運動力學(xué)的本質(zhì)認(rèn)識還不夠深入。從此，人體運動生物力學(xué)的一個重要領(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。芬奇從人體解剖和力學(xué)的角度，研究了人體的各種姿勢和運動，其中對人體步態(tài)的力學(xué)研究和近代人體運動學(xué)研究相仿，首先提出了“一切能夠運動的生物體都遵循 力學(xué)定律而運動”的重要觀點。 相應(yīng)的，人體運動學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域也是十分的廣闊，主要包括在以下幾個領(lǐng)域 [2]：醫(yī)學(xué)保健領(lǐng)域，主要應(yīng)用于對人體運動功能及損傷做出更直接有效地評估，分析受損原因，以利于更好地救治及預(yù)防 [3]；體育領(lǐng)域，可以通過對運動員運動時所蘊藏的生物力學(xué)信息探測分析來塑造運動技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)模式，找到運動技術(shù)最佳的途徑，從而改善訓(xùn)練的方式，使運動員能夠在運動技術(shù)上有所突破，更有力地參與到競技比賽中，獲得更加優(yōu)異的成績；教育交流領(lǐng)域，可以通過對肢體語言所傳達的信 息去分析人體的內(nèi)部活動，甚至可以解決與聾啞人的交流問題；虛擬現(xiàn)實領(lǐng)域，主要應(yīng)用于人與虛擬現(xiàn)實環(huán)境的交互，將真實生活中的人體運動映射到虛擬環(huán)境。隨著時代的發(fā)展，當(dāng)代的人們對健康的更加關(guān)注及需求，也推動著與其息息相關(guān)的人體運動研究的發(fā)展。因此，對于人體運動的研究，應(yīng)綜合多種方法，盡可能獲取更多的信息，以使得人體運動分析更加科學(xué)、合理。 畢業(yè)設(shè)計說明書 基于 加速度傳感器的人體運動信息 采集系統(tǒng)設(shè)計 學(xué)生姓名： 學(xué)號： 學(xué) 院： 專 業(yè)： 指導(dǎo)教師： 2020 年 6 月 基于加速度傳感器的人體運動信息采集系統(tǒng)設(shè)計 摘要 人類運動與人體健康息息相關(guān)，一直以來受到人們的廣泛關(guān)注，隨著運動生物力學(xué)、人體測量學(xué)的發(fā) 展，人們對人體運動的研究日益深入。 利用加速度參數(shù)對人體簡單運動進行分析的方法方便