【正文】 可行，但在復(fù)雜運(yùn) 動(dòng)的分析中，則需要更多的信息進(jìn)行綜合分析。而人類也在社會(huì)的不斷發(fā)展進(jìn)步中，對(duì)運(yùn)動(dòng)的認(rèn)識(shí)也在逐步深入，研究的范圍也在不斷拓展。 在對(duì)人體運(yùn)動(dòng)信息的研究過(guò)程中 ，最關(guān)鍵的一環(huán)就是對(duì)人體運(yùn)動(dòng)信息的檢測(cè)和清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 2 頁(yè) 共 39 頁(yè) 采集，而人體運(yùn)動(dòng)檢測(cè)技術(shù)囊括了醫(yī)學(xué)、物理學(xué)、數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等諸多學(xué)科，又與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、建模技術(shù)、計(jì)算機(jī)動(dòng) 畫(huà)技術(shù)、模式識(shí)別技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)、數(shù)據(jù)可視化技術(shù)、及傳感器技術(shù)息息相關(guān)。達(dá) 20 世紀(jì) 30 年代英國(guó)生理學(xué)家希爾 ()開(kāi)展了關(guān)于肌力的研究，取青蛙的縫匠肌為試樣，通過(guò)測(cè)量肌肉在縮短過(guò)程中的肌張力、肌肉縮短速度、肌肉產(chǎn)生的熱量及肌肉維持痙攣狀態(tài)所需的熱量，并按照熱力學(xué)第一定律 建立了與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致的希爾方程。雖然現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)為運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的發(fā)展提供了強(qiáng) 有力的催化劑，但是我們應(yīng)該認(rèn)識(shí)到研究生物運(yùn)動(dòng)的力學(xué)問(wèn)題，根本上取決于測(cè)量研究技術(shù)以及分析技術(shù)。從其測(cè)量結(jié)果分析來(lái)說(shuō)，加速度值能反映被測(cè)人體一定的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度。 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 5 頁(yè) 共 39 頁(yè) 加速度傳感器應(yīng)用于醫(yī)學(xué)臨床上對(duì)患者運(yùn)動(dòng)功能檢測(cè)的資料較多，例如將加速度傳感器捆綁在患者的手臂、腰背等部位，或者再加以結(jié)合其它的測(cè)量手段來(lái)對(duì)患者運(yùn)動(dòng)功能實(shí)現(xiàn)檢測(cè)與治療診斷 [7]。人體的運(yùn)動(dòng)是一種復(fù)雜的，靈活的多自由度運(yùn)動(dòng)。簡(jiǎn)單闡述 人體運(yùn)動(dòng)信息獲取技術(shù)的研究情況，主要對(duì)人體運(yùn)動(dòng)加速度信息獲取方法和研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，最后提出了本課題研究意義和研究任務(wù)。 首先對(duì)本課題的系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)進(jìn)行概述， 給出 系統(tǒng)任務(wù)。 運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的基本運(yùn)動(dòng)參數(shù) 為了更準(zhǔn)確地對(duì)人體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行研究分析，首先要對(duì)運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)常用的基本運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行了解。在神經(jīng)系統(tǒng)的支配下，肌肉發(fā)生收縮和舒張，牽動(dòng)骨骼，使人體能夠 進(jìn)行各種運(yùn)動(dòng)，其實(shí)質(zhì)是肢體圍繞關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，因此可將人體看成多段剛體的組合，每段剛體之間由相應(yīng)的關(guān)節(jié)連接，構(gòu)成一個(gè)連接型剛體系統(tǒng)。 人體運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn) 人體運(yùn)動(dòng)分析的主要目的是使計(jì)算機(jī)能夠跟蹤 、分類和識(shí)別人體運(yùn)動(dòng)。 在體育領(lǐng)域，對(duì)于人體運(yùn)動(dòng)的研究最為深入和廣泛。曲線運(yùn)動(dòng)可以分為一般曲線運(yùn)動(dòng)和圓周運(yùn)動(dòng)。特定時(shí)刻各個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)的位置連接起來(lái)，就能形成形象的棒圖，這是分析人體運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)，可以認(rèn)清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 10 頁(yè) 共 39 頁(yè) 為是簡(jiǎn)化的人體運(yùn)動(dòng)模型。若確定肩關(guān)節(jié)的坐標(biāo)，并假設(shè)人體不發(fā)生移動(dòng)，這樣，只需測(cè)量三個(gè)旋轉(zhuǎn)量就能確定大臂的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。 絕對(duì)坐標(biāo)系最大的好處是，如果只關(guān)注圖 ，則只需測(cè)量其右肘和右腕關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)軌跡，減少了無(wú)關(guān)的運(yùn)算。例如，對(duì)加速度參數(shù)進(jìn)行積分運(yùn)算即可得到速度、位移等信息。對(duì)這些信息進(jìn)行測(cè)量并利用生物運(yùn)動(dòng)學(xué)技術(shù)進(jìn)行分析，可以對(duì)人體在運(yùn)動(dòng)中的狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)。采用多臺(tái)攝影機(jī)同步工作在技術(shù)上存在一定難度，一般常用的方法有兩種： 定點(diǎn)三維正交法； 定點(diǎn)三維直接線性變換法。運(yùn)動(dòng)實(shí)踐中的肌電測(cè)量大多采用無(wú)損傷類的表面肌電遙測(cè)技術(shù)，描記出肌肉活動(dòng)中的電信號(hào)變化過(guò)程，稱之為肌電圖。 以簡(jiǎn)單平面運(yùn)動(dòng)為例，待測(cè)者肘關(guān)節(jié)置于桌面上不動(dòng)，前臂繞肘關(guān)節(jié)做豎直平面的屈肘動(dòng)作，加速度傳感器安裝于腕關(guān)節(jié)，注意在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，應(yīng)保持其位置不變。 進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分 析的首要環(huán)節(jié)便是運(yùn)動(dòng)參數(shù)的采集，如果不能準(zhǔn)確地將人體運(yùn)動(dòng)的生 物力學(xué)參數(shù)進(jìn)行采集，數(shù)據(jù)的分析、處理及應(yīng)用也就無(wú)從談起。如果對(duì)傳感器各敏感軸所輸出的數(shù)據(jù)經(jīng)矢量合成后不等于重力加速度，則說(shuō)明此時(shí)被測(cè)肢體處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，通過(guò)對(duì)不同軸上加速度的大小進(jìn)行分析可以得到肢體運(yùn)動(dòng)的方向，速度大小等信息。在正常情況下，人體運(yùn)動(dòng)加速度的頻率和幅度都較低，加速度頻率的極大值出現(xiàn)在跑或跳的運(yùn)動(dòng)中。 2g 的加速度，它能夠測(cè)量在傾斜應(yīng)用的靜態(tài)重力加速度以及運(yùn)動(dòng)，振動(dòng)的動(dòng)態(tài)加速度，具有三路 模擬量輸出，分別表示 x、 y、 z 三個(gè)敏感軸的加速度信號(hào)，盡管其測(cè)量幅度范圍較小，但由于其價(jià)格低且基本可以滿足實(shí)驗(yàn)研究的要求，故選擇此款傳感清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 20 頁(yè) 共 39 頁(yè) 器，圖 所示為加速度傳感器 ADXL330 的內(nèi)部原理框圖。 由 ADXL330 具有體積小、重量輕、性能穩(wěn)定、成本低等特點(diǎn)，且各方面指標(biāo)能夠滿足對(duì)人體運(yùn)動(dòng)加速度信號(hào)采集的基本要求，所以在本系統(tǒng)中選擇此芯片作為 系統(tǒng)的傳感元件。 令 fH=20Hz，則 RC=1/（ 40? ）。 數(shù)據(jù)處理單元電路設(shè)計(jì) 數(shù)據(jù)處理單元主要完成對(duì)信號(hào)采集單元所采集到的多路加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的設(shè)定、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)以及與信號(hào)采 集單元之間、與上位機(jī)之間的通信。 圖 存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路原理圖 3） 輸入輸出電路 系統(tǒng)輸入輸出電路主要用于用戶輸入指令或進(jìn)行功能設(shè)定以及輸出顯示各類相關(guān)信息，輸入部分采用按鍵方式，直接接到 ARM 的 I/O 口上，共四個(gè)功能鍵，分別定義為：設(shè)定、增量、減量、確定；輸出部分包括 LED 指示燈和型號(hào)為 RT12864M 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 26 頁(yè) 共 39 頁(yè) 的 LCD 點(diǎn)陣液晶顯示器。 圖 電源部分原理圖 4． 3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括兩個(gè)部分：一是信號(hào)采集單元程序設(shè)計(jì)，二是以 ARM7 為主控制器的數(shù)據(jù)處理單元程序。 2） 主機(jī)部分程序設(shè)計(jì) 信號(hào)采集單元的主機(jī)完成對(duì)所有信號(hào)的匯總和 上傳功能，主機(jī)根據(jù)預(yù)設(shè)功能可對(duì)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)上傳或定時(shí)上傳，功能的預(yù)設(shè)通過(guò)按鍵完成，主機(jī)程序的流程圖如 所示 [26]。系統(tǒng)主要可設(shè)置的功能包括：（ 1）空間位移測(cè)量；（ 2）動(dòng)作規(guī)范性訓(xùn)練；（ 3）動(dòng)作識(shí)別。 以體育訓(xùn)練為例，在研究人體動(dòng)作時(shí)，主要研究的參數(shù)一般包括肢體力量、運(yùn)動(dòng)速度、肢體位移軌跡、空間位置等，而以上 各項(xiàng)參數(shù)，均可通過(guò)對(duì)肢體被測(cè)點(diǎn)的加速度計(jì)算得出。 數(shù)字濾波方法有很多，在本系統(tǒng)中采用程序判斷的濾波方法 [28]。 系統(tǒng)初始化 向 ARM7 發(fā)送就位信號(hào) 等待響應(yīng) 功能設(shè)定 功能設(shè)定 功能設(shè)定 功能設(shè)定 N N Y Y 開(kāi)始 從機(jī)就緒？ 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 31 頁(yè) 共 39 頁(yè) 圖 數(shù)據(jù)處理單元軟件流程圖 系統(tǒng)初始化環(huán)節(jié)主要是對(duì) ARM7 芯片自身以及相關(guān)外圍器件進(jìn)行初始化，保證各環(huán)節(jié)處于正常工作狀態(tài)。當(dāng)從機(jī)接收到啟動(dòng)采集的指令后將以一定的頻率對(duì)加速度計(jì) ADXL330 輸出的三通道模擬量進(jìn)行 AD 轉(zhuǎn)換，并將結(jié)果暫存在片內(nèi)的 RAM 中，當(dāng)接收到主機(jī)發(fā)出的上傳指令后，將存儲(chǔ)區(qū)的數(shù)據(jù)上傳至主機(jī)，從機(jī)的主程序及中斷服務(wù)程序流程圖如圖 所示。 4） 通信電路設(shè)計(jì) 系統(tǒng)通信部分主要包括數(shù)據(jù)處理單元與信號(hào)采集單元的之間 的通信以及系統(tǒng)與上位機(jī)之間的通信。 由于 STR710 芯片具有較豐富的內(nèi)部資源，所以整個(gè)數(shù)據(jù)處理單元的硬件外圍電路較為簡(jiǎn)單。 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 23 頁(yè) 共 39 頁(yè) 信號(hào)采集單元的主機(jī)采用的 CPU 型號(hào)與從機(jī)相同，主機(jī)通過(guò) I2C 總線控制從機(jī)進(jìn)行信號(hào)的采集以及轉(zhuǎn)換結(jié)果的讀取，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果以無(wú)線通信的方式發(fā)送到傳感器的數(shù)據(jù)處理單元。 圖 利用運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)電壓跟隨器 濾波器分為無(wú)源濾波器和有源濾波器兩類，由電阻、電容、電感等無(wú)源元件組成的 RC、 LC 濾波器屬于無(wú)源濾波器，無(wú)源濾波器電路形式簡(jiǎn)單，但在信號(hào)傳遞過(guò)程中會(huì)消耗信號(hào)的能量，造成輸出信號(hào)的衰減。傳感器的剖面結(jié)構(gòu)，上面是一個(gè)空腔氣室， 無(wú)外力作用時(shí)，熱氣團(tuán)位于正中央。較高的頻率成分均是由腳和地面的沖擊力所造成的，并不是由自主的肌肉收縮所導(dǎo)致。 圖 信號(hào)采集單元從機(jī)安裝示意圖 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 19 頁(yè) 共 39 頁(yè) 4． 2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 運(yùn)動(dòng)信息采集系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)主要包括兩部分內(nèi)容：即信號(hào)采集單元電路設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)處理單元電路設(shè)計(jì)，下面對(duì)兩部分電路設(shè)計(jì)分別進(jìn)行介紹。而在側(cè)重力學(xué)參數(shù)采集的場(chǎng)合，非電量電測(cè)法則更受青睞，這種方法是利用傳感元件將人的機(jī)械運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并加以處理，與圖像采集方 式相比，非電量電測(cè)法在數(shù)據(jù)處理上要較圖像處理簡(jiǎn)單，由于非電量電測(cè)法是將傳感元件安裝于人體的肢體上，所以可以更直接地得到三維運(yùn)動(dòng)信息。 對(duì)上式求反函數(shù)可得到 ： ???????????????)ar c c o s ()ar c c o s ()ar c c o s (000kgvvkgvvkgvvzyx??? 從而可以求 手臂的 空間姿態(tài)。 3． 2 基于加速度傳感器的運(yùn)動(dòng)信息采集與 分析 人體的運(yùn)動(dòng)最終以肢體在空間中姿態(tài)、位置的變化來(lái)體現(xiàn)，對(duì)于運(yùn)動(dòng)過(guò)程的儲(chǔ)多信息如加速度、速度、位移、位姿、力等之間存在著一定的聯(lián)系，只要得到加速度信息，其它參數(shù)信息可通過(guò)對(duì)其積分得到，下面以人體前臂運(yùn)動(dòng)的信息測(cè)量為例，說(shuō)明加速度傳感器在人體運(yùn)動(dòng)信息采集中的應(yīng)用方法。 非電量電測(cè)法 非電量電測(cè)法是把傳感器或傳感元件固定在被測(cè)物上，然后把被測(cè)物的力學(xué)參數(shù)由傳感器轉(zhuǎn)換為模擬電量，通過(guò)放大器將微弱的模擬電量放大并調(diào)理后經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后進(jìn)行計(jì)算機(jī)處理。如圖 中所示，分析放影機(jī)將攝影機(jī)所拍攝到的圖像 放大后投影到數(shù)字化板上，然后用游標(biāo)鍵盤(pán)取出需要的坐標(biāo)值（ x,y）輸入到計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)或進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。由于人體運(yùn)動(dòng)的主要表現(xiàn)為肢體 在空間中的位置變化，因此，為了研究分析肢體在空間中變化過(guò)程及簡(jiǎn)化運(yùn)算，建立了基于人體運(yùn)動(dòng)空間的絕對(duì)坐標(biāo)系。要想全面地揭示人體一系列運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象的本質(zhì)，需要應(yīng)用多種學(xué)科知識(shí)進(jìn)行綜合分析和研究。在某些具體的運(yùn)動(dòng)分析中，可能只關(guān)心 肢體某一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，對(duì)于其父關(guān)節(jié)及以上關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)關(guān)注意義不大。以上肢為例，手臂的運(yùn)動(dòng)是靠肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)的活動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，所以手臂運(yùn)動(dòng)的檢測(cè)就可以轉(zhuǎn)換為相鄰肢體環(huán)節(jié)間相對(duì)空間角度的檢測(cè)，得到了相鄰環(huán)節(jié)間的角度，就可以推出其空間位置關(guān)系。 2． 3 人體運(yùn)動(dòng)模型的建立 進(jìn)行人體運(yùn)動(dòng)分析，建立適合研究需求的人體模型是十分關(guān)鍵的一個(gè)步驟。平動(dòng)是人體由一個(gè)地方到另一個(gè)地方的運(yùn)動(dòng)，人體平動(dòng)時(shí)，其內(nèi)部所引的任何一條直線總是跟原來(lái)的方向平行的。行動(dòng)是定義在基本動(dòng)作之上的運(yùn)動(dòng)。 水平屈伸 ：上臂在肩關(guān)節(jié)處和大腿在髖關(guān)節(jié)處外轉(zhuǎn) 90 度后，繞垂直軸向前運(yùn)動(dòng)叫水平屈，向后運(yùn)動(dòng)叫水平伸。此外，還有多機(jī)同步測(cè)量方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型分析方法、數(shù)學(xué)模型與計(jì)算機(jī)仿真方法以及運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)測(cè)試資料的統(tǒng)計(jì)處理與分析方法等 。人體運(yùn)動(dòng)的含義可以理解為人體整體、肢體位置的移動(dòng)（位移），包括競(jìng)技體育運(yùn)動(dòng)、大眾體育運(yùn)動(dòng)、日?；顒?dòng)和生產(chǎn)勞動(dòng) 等。 第三章： 人體運(yùn)動(dòng)信息采集與分析的方法 。 其三， 運(yùn)動(dòng)信息采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 。但要獲取全面的人體運(yùn)動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)，必須綜合利用這些設(shè)備，因此人體運(yùn)動(dòng)信息的采集、應(yīng)用、研究的發(fā)展很大程度上要依賴于人體運(yùn)動(dòng)測(cè)試和感知技術(shù)。在考慮人體運(yùn)動(dòng)加速度幅值、頻率的有效范圍下，為實(shí)現(xiàn)對(duì)靜、穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)激勵(lì)都有較好的響應(yīng)，其選用了具有頻帶寬、靈敏度高、 內(nèi)置防震裝置、性價(jià)比較高的壓阻式加速度傳感器，即 ICSENSOR 公司生產(chǎn)的 3 個(gè) 3031 型單軸加速度傳感器，并通過(guò)正交組合成三維加速度傳感器，及相應(yīng)的電路信號(hào)處理、運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)記錄與分析處理等實(shí)現(xiàn)對(duì)訓(xùn)練現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)等進(jìn)行記錄與評(píng)估。 目前在體育訓(xùn)練中，有著相對(duì)成熟的訓(xùn)練規(guī)律和方法，但是人體的個(gè)體差異 性較大，如何能夠科學(xué)地運(yùn)用這些規(guī)律就要求對(duì)運(yùn)動(dòng)員的訓(xùn)練要因人而異，這就要求對(duì)人體運(yùn)動(dòng)的相關(guān)信息進(jìn)行盡可能詳細(xì)的采集和分析 [5][8]。阿馬爾和埃弗特曼 (Elftman)基于人體運(yùn)動(dòng)效率，創(chuàng)立了力能學(xué)測(cè)量技術(shù)，后人從此技術(shù)進(jìn) 一步發(fā)展了肌力優(yōu)化技術(shù)和能量?jī)?yōu)化技術(shù)。他們的法國(guó)同行繆勒清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 3 頁(yè) 共 39 頁(yè) ()用同樣的方法測(cè)量了人體走和跑時(shí)下肢支撐期和擺動(dòng)期的時(shí)間和比例關(guān)系，此時(shí)的人體運(yùn)動(dòng)測(cè)量手段應(yīng)該說(shuō)很簡(jiǎn)陋 [4]。法國(guó)物理學(xué)家笛卡爾在 17 世紀(jì)初曾經(jīng)嘗試著將人體看作機(jī)器，并從純力 學(xué)的觀點(diǎn)建立了一個(gè)十分復(fù)雜的人體結(jié)構(gòu)模型，甚至包括神經(jīng)系統(tǒng)的功能，其研究思想很有創(chuàng)造性和影響性，目前仍然有不少力學(xué)專家豐富這種理論分析方法并取得成就。 因此，對(duì)人體運(yùn)動(dòng)信息的研究也 就成了現(xiàn)代科學(xué)研究的一項(xiàng)重要的學(xué)科，以人體的運(yùn)動(dòng)為研究對(duì)象，精確地獲取人體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中位移、速度、加速度、力以及肌電信號(hào)等，并進(jìn)行處理以及分析，是現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)發(fā)展的重要推動(dòng)力，也備受青睞及關(guān)注。 課題研究背景 ................................... 錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽。通過(guò)對(duì)常用人體運(yùn)動(dòng)參數(shù)測(cè)量方法的分析，提出了利用加速度參數(shù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)測(cè)量和分析的方法。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。 課程研究目 的及意義 ............................. 錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽。