【文章內容簡介】 動的研究最為深入和廣泛。所有的體育運動被分為田徑、體操、球類、游泳、滑冰和武術等大的項目。在這些項目中，有人體靜止的平衡運動，也有位置發(fā)生變化的位移運動。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。平動是人體由一個地方到另一個地方的運動，人體平動時，其內部所引的任何一條直線總是跟原來的方向平行的。轉動是人體圍繞著轉動軸所做的運動。人體轉動時，其內部各點都圍繞同一個中心做圓周運動或轉過一段弧線。人體平動可以分為直線運動和曲線運動。曲線運動可以分為一般曲線運動和圓周運動。當我們把解剖學和力學結合起來分析人體運動時，不僅要考慮到人體運動的力學特征，還要考慮到人體運動的解剖學特征，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雜的動力性運動。靜力性運動包括支點在人體重心上方的上支撐平衡運動，和支點在人體重心下方的下支撐平衡運動。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。2．3 人體運動模型的建立 進行人體運動分析，建立適合研究需求的人體模型是十分關鍵的一個步驟。建立人體模型后，可以通過三維測量技術，如多維攝像系統(tǒng)，生物力測量系統(tǒng)等得到的人體的運動數(shù)據(jù)（往往是特征點或標志點等的空間坐標），分析處理人體運動信息。 人體的棒狀模型 目前，絕大多數(shù)人體建模系統(tǒng)都以“棒狀人”概念[10]為基礎建立其骨骼系統(tǒng)，即將關節(jié)看成關節(jié)點，將關節(jié)之間的骨頭看成是鏈，這樣將人體軀干與四肢以鉸鏈形式連接起來。，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。特定時刻各個關節(jié)點的位置連接起來，就能形成形象的棒圖，這是分析人體運動的基礎，可以認為是簡化的人體運動模型。 棒狀人體模型示意圖 人體運動坐標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。要定量地描述人體的運動就必須定義一個坐標系，通過分析肢體的各特征點在此坐標系中的位移過程，可以得到人體的運動情況。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。以上肢為例，手臂的運動是靠肩關節(jié)、肘關節(jié)和腕關節(jié)的活動來實現(xiàn)的，所以手臂運動的檢測就可以轉換為相鄰肢體環(huán)節(jié)間相對空間角度的檢測，得到了相鄰環(huán)節(jié)間的角度，就可以推出其空間位置關系。同理，如果我們檢測出各環(huán)節(jié)的空間位置關系，同樣可以得到各關節(jié)的角度信息。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。若確定肩關節(jié)的坐標，并假設人體不發(fā)生移動，這樣，只需測量三個旋轉量就能確定大臂的運動姿態(tài)。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系，根據(jù)小臂繞X軸和Z軸的旋轉量，確定小臂的運動姿態(tài)。同理，可以根據(jù)固著在小臂上的坐標系，確定手腕的運動姿態(tài)，這樣，只需要對大臂繞肩關節(jié)垂直旋轉、大臂繞肩關節(jié)的水平旋轉、大臂繞肩關節(jié)的扭轉、小臂繞肘關節(jié)的彎曲、小臂繞肘關節(jié)的扭轉及手腕繞腕關節(jié)的彎曲六種運動進行測量就能確定整個手臂的運動姿態(tài)。 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(jīng)過的關節(jié)、環(huán)節(jié)越多，其偏差積累也會越大。在某些具體的運動分析中，可能只關心肢體某一點的運動過程，對于其父關節(jié)及以上關節(jié)的運動關注意義不大。本文在參考了大量文獻的基礎上，以人體運動空間建立絕對坐標系，如圖3所示。以被測人體運動的空間為基礎建立一個直角坐標系，每一個所關注的肢體端點，即關節(jié)在坐標系中的三個正交軸上都會有一個投影。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。絕對坐標系最大的好處是，則只需測量其右肘和右腕關節(jié)的運動軌跡，減少了無關的運算。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上，進行12個點的測量就可完成運動的分析。測量點的位置分別為：頭、左肩、右肩、左肘、右肘、左腕、右腕、髖關節(jié)、左膝、右膝、左踝、右踝。 人體運動的絕對坐標系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。要想全面地揭示人體一系列運動現(xiàn)象的本質，需要應用多種學科知識進行綜合分析和研究。運動生物力學、人體解剖學、電子信息技術的發(fā)展促進了人體運動分析的進步，各學科的發(fā)展提高了人體運動分析的技術，提出了更為科學的分析方法。要對人體運動進行科學合理的分析，就要對運動生物力學和人體運動的特點有著較為深入的了解。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。例如，對加速度參數(shù)進行積分運算即可得到速度、位移等信息。人體運動主要是人體各環(huán)節(jié)圍繞關節(jié)的運動。人體各類關節(jié)很多，在運動分析過程中，一般要根據(jù)人體運動的特點對人體進行簡化，并結合實際應用建立適合的數(shù)學模型。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。由于人體運動的主要表現(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程及簡化運算，建立了基于人體運動空間的絕對坐標系。絕對坐標系的建立減少了不必要的計算及因測量誤差帶來的積累偏差。 3 人體運動信息采集與分析的方法人體運動信息采集與分析是指運用某種手段跟蹤、捕捉人體的運動，獲得人體運動的部分參數(shù)，并對這些參數(shù)進行分析和處理，從而得以重建人體的結構和姿態(tài)或進行其它的應用。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。對這些信息進行測量并利用生物運動學技術進行分析，可以對人體在運動中的狀態(tài)進行評價。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]。3．1 人體運動信息采集的方法隨著科學技術的發(fā)展，越來越多的高新技術被應用到人體運動信息采集的研究中，目前人體運動信息采集的主要方法有：光學測量方法、非電量電測法、生物電信號測量法。 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。，分析放影機將攝影機所拍攝到的圖像放大后投影到數(shù)字化板上，然后用游標鍵盤取出需要的坐標值（x,y）輸入到計算機中存儲或進行數(shù)據(jù)處理。 影片數(shù)字化原理 通過上述的原理介紹可知，一臺攝影機只能對物體或人體運動進行平面分析，而且當遇到遮擋或進行旋轉動作時，只能對測量點進行估算。若要準確地反映事物的運動特征，必須進行三維立體分析。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。采用多臺攝影機同步工作在技術上存在一定難度，一般常用的方法有兩種：定點三維正交法；定點三維直接線性變換法。完成拍攝后的數(shù)字化過程也更為復雜，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。以上介紹的高速攝影和攝像方法，可以對人體不施加任何約束，是正式比賽時可行的方法，但是為了從畫面中獲取關節(jié)點的位置信息，就需要在數(shù)字化儀上對著進行逐幀分析，光電技術開始被應用于運動檢測中。目前得到廣泛應用的產(chǎn)品主要有SELSPOT系統(tǒng)、VICON系統(tǒng)和COD系統(tǒng)。 非電量電測法非電量電測法是把傳感器或傳感元件固定在被測物上，然后把被測物的力學參數(shù)由傳感器轉換為模擬電量，通過放大器將微弱的模擬電量放大并調理后經(jīng)模數(shù)轉換器轉換為數(shù)字量后進行計算機處理。傳感器或傳感原件力學參量放大器A/D轉換計算機輸出設備 非電量電測法原理框圖在人體運動測量中，用于將力學參量轉換成電量的傳感器或傳感裝置主要有：測角儀、位移傳感器、力傳感器、慣性傳感器等。 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。運動實踐中的肌電測量大多采用無損傷類的表面肌電遙測技術，描記出肌肉活動中的電信號變化過程，稱之為肌電圖。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。肌電圖在體育運動中應用比較廣泛，用肌電圖研究肌肉的不同狀態(tài)、肌肉之間的協(xié)調程度、收縮類型及強度、判斷肌肉疲勞程度及損傷、評定肌肉素質等等都有比較成功的例子。當人體進行運動時，相應的肌肉會收縮、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]。3．2 基于加速度傳感器的運動信息采集與分析人體的運動最終以肢體在空間中姿態(tài)、位置的變化來體現(xiàn)，對于運動過程的儲多信息如加速度、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)信息可通過對其積分得到，下面以人體前臂運動的信息測量為例，說明加速度傳感器在人體運動信息采集中的應用方法。人體前臂在運動過程中始終和豎直方向(或水平方向)成一定的角度關系。通過固定于前臂上的三軸加速度傳感器的各個軸與重力方向(豎直向下)之間的夾角就可以檢測出人體前臂的運動姿態(tài)。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(jīng)處理后可以得到前臂的運動姿態(tài)改變的參數(shù)。以簡單平面運動為例，待測者肘關節(jié)置于桌面上不動，前臂繞肘關節(jié)做豎直平面的屈肘動作，加速度傳感器安裝于腕關節(jié)，注意在運動過程中，應保持其位置不變。在以上約束條件下，當前臂不動時，只需檢測當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)。 重力加速度對傳感器作用示意圖當傳感器保持相對靜止時，會受到重力的作用，這樣加速度傳感器輸出與重力加速度方向相反、大小相等的加速度信號，此加速度信號在三個軸上的輸出分量取決于三個敏感軸與重力方向的夾角。 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：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。對上式求反函數(shù)可得到：從而可以求手臂的空間姿態(tài)。結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剛體，將肘關節(jié)視為支點，手臂運動則可看成是剛體圍繞支點的平面運動。繼而可以通過一系列數(shù)學運算對瞬時的加速度、速度、力等參數(shù)進行分析。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。進行運動分析的首要環(huán)節(jié)便是運動參數(shù)的采集，如果不能準確地將人體運動的生物力學參數(shù)進行采集，數(shù)據(jù)的分析、處理及應用也就無從談起。隨著科學技術的進步，運動信息的采集方法和手段日益發(fā)展完善，技術趨于先進，采集精度和可靠性也隨之提高。目前主要的運動采集方法有：高速攝影、錄像解析、光電檢測、非電量電測肌電信息檢測等方法。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。而在側重力學參數(shù)采集的場合，非電量電測法則更受青睞，這種方法是利用傳感元件將人的機械運動轉換成電信號，并加以處理，與圖像采集方式相比，非電量電測法在數(shù)據(jù)處理上要較圖像處理簡單，由于非電量電測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動信息。由于加速度參數(shù)在經(jīng)過相關積分計算，可以很容易得到如速度、位移等參數(shù)，本章重點介紹了基于加速度傳感器的運動檢測方法。加速度傳感器在不同的應用領域、面對不同的檢測對象，其應用方法也有所區(qū)別，以人體上臂運動為例，介紹了利用加速度傳感器測量和分析人體運動的方法。由于地心引力所產(chǎn)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)。如果對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