【正文】 以體育訓(xùn)練為例，在研究人體動作時，主要研究的參數(shù)一般包括肢體力量、運動速度、肢體位移軌跡、空間位置等，而以上 各項參數(shù)，均可通過對肢體被測點的加速度計算得出。 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)主要可設(shè)置的功能包括：（ 1）空間位移測量；（ 2）動作規(guī)范性訓(xùn)練；（ 3）動作識別。 系統(tǒng)初始化 向 ARM7 發(fā)送就位信號 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 開始 從機(jī)就緒？ 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 31 頁 共 39 頁 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 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)。 2） 主機(jī)部分程序設(shè)計 信號采集單元的主機(jī)完成對所有信號的匯總和 上傳功能，主機(jī)根據(jù)預(yù)設(shè)功能可對轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)進(jìn)行實時上傳或定時上傳，功能的預(yù)設(shè)通過按鍵完成，主機(jī)程序的流程圖如 所示 [26]。當(dāng)從機(jī)接收到啟動采集的指令后將以一定的頻率對加速度計 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。 圖 電源部分原理圖 4． 3 系統(tǒng)軟件設(shè)計 系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括兩個部分：一是信號采集單元程序設(shè)計，二是以 ARM7 為主控制器的數(shù)據(jù)處理單元程序。 4） 通信電路設(shè)計 系統(tǒng)通信部分主要包括數(shù)據(jù)處理單元與信號采集單元的之間 的通信以及系統(tǒng)與上位機(jī)之間的通信。 圖 存儲器擴(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 指示燈和型號為 RT12864M 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 26 頁 共 39 頁 的 LCD 點陣液晶顯示器。 由于 STR710 芯片具有較豐富的內(nèi)部資源，所以整個數(shù)據(jù)處理單元的硬件外圍電路較為簡單。 數(shù)據(jù)處理單元電路設(shè)計 數(shù)據(jù)處理單元主要完成對信號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，可以實現(xiàn)系統(tǒng)功能的設(shè)定、數(shù)據(jù)的存儲以及與信號采 集單元之間、與上位機(jī)之間的通信。 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 23 頁 共 39 頁 信號采集單元的主機(jī)采用的 CPU 型號與從機(jī)相同，主機(jī)通過 I2C 總線控制從機(jī)進(jìn)行信號的采集以及轉(zhuǎn)換結(jié)果的讀取，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果以無線通信的方式發(fā)送到傳感器的數(shù)據(jù)處理單元。 令 fH=20Hz，則 RC=1/（ 40? ）。 圖 利用運算放大器實現(xiàn)電壓跟隨器 濾波器分為無源濾波器和有源濾波器兩類，由電阻、電容、電感等無源元件組成的 RC、 LC 濾波器屬于無源濾波器，無源濾波器電路形式簡單，但在信號傳遞過程中會消耗信號的能量，造成輸出信號的衰減。 由 ADXL330 具有體積小、重量輕、性能穩(wěn)定、成本低等特點，且各方面指標(biāo)能夠滿足對人體運動加速度信號采集的基本要求，所以在本系統(tǒng)中選擇此芯片作為 系統(tǒng)的傳感元件。傳感器的剖面結(jié)構(gòu)，上面是一個空腔氣室， 無外力作用時，熱氣團(tuán)位于正中央。 2g 的加速度，它能夠測量在傾斜應(yīng)用的靜態(tài)重力加速度以及運動，振動的動態(tài)加速度，具有三路 模擬量輸出，分別表示 x、 y、 z 三個敏感軸的加速度信號，盡管其測量幅度范圍較小，但由于其價格低且基本可以滿足實驗研究的要求，故選擇此款傳感清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 20 頁 共 39 頁 器，圖 所示為加速度傳感器 ADXL330 的內(nèi)部原理框圖。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。在正常情況下，人體運動加速度的頻率和幅度都較低，加速度頻率的極大值出現(xiàn)在跑或跳的運動中。 圖 信號采集單元從機(jī)安裝示意圖 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 19 頁 共 39 頁 4． 2 系統(tǒng)硬件設(shè)計 運動信息采集系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計主要包括兩部分內(nèi)容：即信號采集單元電路設(shè)計和數(shù)據(jù)處理單元電路設(shè)計，下面對兩部分電路設(shè)計分別進(jìn)行介紹。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加速度，則說明此時被測肢體處于運動狀態(tài)，通過對不同軸上加速度的大小進(jìn)行分析可以得到肢體運動的方向，速度大小等信息。而在側(cè)重力學(xué)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(jī)械運動轉(zhuǎn)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。 進(jìn)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(zhǔn)確地將人體運動的生 物力學(xué)參數(shù)進(jìn)行采集，數(shù)據(jù)的分析、處理及應(yīng)用也就無從談起。 對上式求反函數(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)。 以簡單平面運動為例，待測者肘關(guān)節(jié)置于桌面上不動，前臂繞肘關(guān)節(jié)做豎直平面的屈肘動作，加速度傳感器安裝于腕關(guān)節(jié)，注意在運動過程中，應(yīng)保持其位置不變。 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(yīng)用方法。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(shù)，描記出肌肉活動中的電信號變化過程，稱之為肌電圖。 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(xué)參數(shù)由傳感器轉(zhuǎn)換為模擬電量，通過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)行計算機(jī)處理。采用多臺攝影機(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： 定點三維正交法； 定點三維直接線性變換法。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)鍵盤取出需要的坐標(biāo)值（ x,y）輸入到計算機(jī)中存儲或進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。對這些信息進(jìn)行測量并利用生物運動學(xué)技術(shù)進(jìn)行分析，可以對人體在運動中的狀態(tài)進(jìn)行評價。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(biāo)系。例如，對加速度參數(shù)進(jìn)行積分運算即可得到速度、位移等信息。要想全面地揭示人體一系列運動現(xiàn)象的本質(zhì)，需要應(yīng)用多種學(xué)科知識進(jìn)行綜合分析和研究。 絕對坐標(biāo)系最大的好處是，如果只關(guān)注圖 ，則只需測量其右肘和右腕關(guān)節(jié)的運動軌跡，減少了無關(guān)的運算。在某些具體的運動分析中，可能只關(guān)心 肢體某一點的運動過程，對于其父關(guān)節(jié)及以上關(guān)節(jié)的運動關(guān)注意義不大。若確定肩關(guān)節(jié)的坐標(biāo)，并假設(shè)人體不發(fā)生移動，這樣，只需測量三個旋轉(zhuǎn)量就能確定大臂的運動姿態(tài)。以上肢為例，手臂的運動是靠肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)的活動來實現(xiàn)的，所以手臂運動的檢測就可以轉(zhuǎn)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(guān)系。特定時刻各個關(guān)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(chǔ)，可以認(rèn)清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 10 頁 共 39 頁 為是簡化的人體運動模型。 2． 3 人體運動模型的建立 進(jìn)行人體運動分析，建立適合研究需求的人體模型是十分關(guān)鍵的一個步驟。曲線運動可以分為一般曲線運動和圓周運動。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(nèi)部所引的任何一條直線總是跟原來的方向平行的。 在體育領(lǐng)域，對于人體運動的研究最為深入和廣泛。行動是定義在基本動作之上的運動。 人體運動的特點 人體運動分析的主要目的是使計算機(jī)能夠跟蹤 、分類和識別人體運動。 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，繞垂直軸向前運動叫水平屈，向后運動叫水平伸。在神經(jīng)系統(tǒng)的支配下，肌肉發(fā)生收縮和舒張，牽動骨骼，使人體能夠 進(jìn)行各種運動，其實質(zhì)是肢體圍繞關(guān)節(jié)運動，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)成一個連接型剛體系統(tǒng)。此外，還有多機(jī)同步測量方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型分析方法、數(shù)學(xué)模型與計算機(jī)仿真方法以及運動生物力學(xué)測試資料的統(tǒng)計處理與分析方法等 。 運動生物力學(xué)的基本運動參數(shù) 為了更準(zhǔn)確地對人體運動進(jìn)行研究分析，首先要對運動生物力學(xué)常用的基本運動參數(shù)進(jìn)行了解。人體運動的含義可以理解為人體整體、肢體位置的移動（位移），包括競技體育運動、大眾體育運動、日常活動和生產(chǎn)勞動 等。 首先對本課題的系統(tǒng)總體設(shè)計進(jìn)行概述， 給出 系統(tǒng)任務(wù)。 第三章： 人體運動信息采集與分析的方法 。簡單闡述 人體運動信息獲取技術(shù)的研究情況，主要對人體運動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)。 其三， 運動信息采集系統(tǒng)的設(shè)計 。人體的運動是一種復(fù)雜的，靈活的多自由度運動。但要獲取全面的人體運動測試數(shù)據(jù)，必須綜合利用這些設(shè)備，因此人體運動信息的采集、應(yīng)用、研究的發(fā)展很大程度上要依賴于人體運動測試和感知技術(shù)。 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 5 頁 共 39 頁 加速度傳感器應(yīng)用于醫(yī)學(xué)臨床上對患者運動功能檢測的資料較多，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)合其它的測量手段來對患者運動功能實現(xiàn)檢測與治療診斷 [7]。在考慮人體運動加速度幅值、頻率的有效范圍下，為實現(xiàn)對靜、穩(wěn)態(tài)和動態(tài)激勵都有較好的響應(yīng)，其選用了具有頻帶寬、靈敏度高、 內(nèi)置防震裝置、性價比較高的壓阻式加速度傳感器，即 ICSENSOR 公司生產(chǎn)的 3 個 3031 型單軸加速度傳感器，并通過正交組合成三維加速度傳感器，及相應(yīng)的電路信號處理、運動數(shù)據(jù)記錄與分析處理等實現(xiàn)對訓(xùn)練現(xiàn)場的運動等進(jìn)行記錄與評估。從其測量結(jié)果分析來說，加速度值能反映被測人體一定的運動強(qiáng)度。 目前在體育訓(xùn)練中，有著相對成熟的訓(xùn)練規(guī)律和方法，但是人體的個體差異 性較大，如何能夠科學(xué)地運用這些規(guī)律就要求對運動員的訓(xùn)練要因人而異，這就要求對人體運動的相關(guān)信息進(jìn)行盡可能詳細(xì)的采集和分析 [5][8]。雖然現(xiàn)代測量技術(shù)為運動生物力學(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)識到研究生物運動的力學(xué)問題，根本上取決于測量研究技術(shù)以及分析技術(shù)。阿馬爾和埃弗特曼 (Elftman)基于人體運動效率，創(chuàng)立了力能學(xué)測量技術(shù)，后人從此技術(shù)進(jìn) 一步發(fā)展了肌力優(yōu)化技術(shù)和能量優(yōu)化技術(shù)。 20 世紀(jì) 30 年代英國生理學(xué)家希爾 ()開展了關(guān)于肌力的研究，取青蛙的縫匠肌為試樣，通過測量肌肉在縮短過程中的肌張力、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 建立了與實驗結(jié)果一致的希爾方程。他們的法國同行繆勒清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 3 頁 共 39 頁 ()用同樣的方法測量了人體走和跑時下肢支撐期和擺動期的時間和比例關(guān)系，此時的人體運動測量手段應(yīng)該說很簡陋 [4]。達(dá)法國物理學(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)的觀點建立了一個十分復(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。 在對人體運動信息的研究過程中 ，最關(guān)鍵的一環(huán)就是對人體運動信息的檢測和清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 2 頁 共 39 頁 采集，而人體運動檢測技術(shù)囊括了醫(yī)學(xué)、物理學(xué)、數(shù)學(xué)、計算機(jī)科學(xué)等諸多學(xué)科，又與虛擬現(xiàn)實技術(shù)、建模技術(shù)、計算機(jī)動 畫技術(shù)、模式識別技術(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)。 因此，對人體運動信息的研究也 就成了現(xiàn)代科學(xué)研究的一項重要的學(xué)科，以人體的運動為研究對象，精確地獲取人體在運動過程中位移、速度、加速度、力以及肌電信號等，并進(jìn)行處理以及分析，是現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)發(fā)展的重要推動力，也備受青睞及關(guān)注。而人類也在社會的不斷發(fā)展進(jìn)步中，對運動的認(rèn)識也在逐步深入，研究的范圍也在不斷拓展。 課題研究背景 ................................... 錯誤 !未定義書簽。 利用加速度參數(shù)對人體簡單運動進(jìn)行分析的方法方便可行，但在復(fù)雜運 動的分析中，則需要更多的信息進(jìn)行綜合分析。通過對常用人體運動參數(shù)測量方法的分析，提出了利用加速度參數(shù)進(jìn)行運動測量和分析的方法。 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：