【正文】 力量： F=ma 式中： F為肢體動(dòng)作的力量， m為運(yùn)動(dòng)肢體的等效質(zhì)量 ,a為運(yùn)動(dòng)加速度 ， 速度 ： ?? ? tadtvv00 式中： a 為運(yùn)動(dòng)速度， v0為初始速度， ?tadt0為加速度對(duì)時(shí)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(yùn)動(dòng)加速度， t為運(yùn)動(dòng)時(shí)間 位置： P( x,y,z) =P0(x,y,z)+S( x,y,z))式中： P 表示被測(cè)點(diǎn)的終止位 置， P0 為初始位置， S 為位移軌跡 。 在本系統(tǒng)中所采用的是限幅濾波的方法，即將兩次相鄰的采樣值相減，求出其增量 (以絕對(duì)值表示 )，然后與兩次采樣允許的最大差值 (由采集對(duì)象的實(shí)際情況決定 )Δ Y 進(jìn)行比較，若小于或等于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。工程實(shí)踐表明，許多物理量的變化都需要一定的時(shí)間，相鄰兩次采樣值之間的變化有一定的限度。實(shí)時(shí)讀入方式指的是信號(hào)采集單元每完成一次加速度信號(hào)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(hào)采集單元完成當(dāng)前信號(hào)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。系統(tǒng)開(kāi)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(jìn)行相關(guān)設(shè)置 N Y N Y 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 32 頁(yè) 共 39 頁(yè) 參數(shù)設(shè)置主要是針對(duì)系統(tǒng)的靈敏度。功能、參數(shù)的設(shè)置主要的意義在于，加速度傳感器可能應(yīng)用于不同的場(chǎng)合，如動(dòng)作規(guī)范性判斷、運(yùn)動(dòng)速度測(cè)量、位移測(cè)量等，對(duì)于不同的應(yīng)用場(chǎng)合精度、算法會(huì)有不同，所以要進(jìn)行功能及參數(shù)的設(shè)置。完成了系統(tǒng)的初始化之后，查詢等待信號(hào)采集單元上傳就緒信號(hào)，如超出系統(tǒng)等待時(shí)間，系統(tǒng)將嘗試再次與采集單元進(jìn)行通信，如通信失敗，系統(tǒng)進(jìn)入待 機(jī)狀態(tài)。 數(shù)據(jù)處理 單元程序設(shè)計(jì) 數(shù)據(jù)處理單元主要完成如下功能：由信號(hào)采集單元接收加速度數(shù)據(jù)后對(duì)其進(jìn)行數(shù)字濾波，利用合理的算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理得到相關(guān)結(jié)論；與上位機(jī)通信等，其軟件流程圖如圖 所示。 圖 信號(hào)采集單元主機(jī)軟件流程圖 系統(tǒng)上電后的初始化環(huán)節(jié)主要包括對(duì)單片機(jī)自身的端口、寄存器的初始化以及對(duì)藍(lán)牙模塊的初始化。為了保證采樣頻率的穩(wěn)定性，從機(jī)采用定時(shí)中斷的方式啟動(dòng) A/D 轉(zhuǎn)換對(duì)加速度信號(hào)進(jìn)行采樣。 圖 信號(hào)采集單元從機(jī)軟件流程圖 從機(jī)程序在運(yùn)行時(shí)，只響應(yīng) I2C中斷請(qǐng)求，在沒(méi)有中斷信號(hào)時(shí)，從機(jī)以固定的采樣頻率對(duì)加速度傳感器輸出的模擬量進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并存儲(chǔ)，當(dāng)信號(hào)采集單元主機(jī)發(fā)出I2C 請(qǐng)求時(shí)，從機(jī)響應(yīng)中斷，根據(jù)主機(jī)的命令類型，進(jìn)行數(shù)據(jù)的上傳或其它操作。 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 29 頁(yè) 共 39 頁(yè) 1） 從機(jī)部分程序設(shè)計(jì) 信號(hào)采集單元從機(jī) CPU 通過(guò)接收主機(jī)的指令完成相應(yīng)的任務(wù)，主要包括啟動(dòng)信號(hào)采集、上傳采集數(shù)據(jù)、刪除數(shù)據(jù)的功能。由于信號(hào)采集單元的每一個(gè)傳感器的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)（即從機(jī)）都是獨(dú)立的，由一片單片機(jī)控制，所以網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的單片機(jī)程序是一致的，主要完成信號(hào)的采集，而所有的網(wǎng)絡(luò)節(jié) 點(diǎn)受一個(gè)主機(jī)控制，主機(jī)完成對(duì)多個(gè)從機(jī)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(duì)信號(hào)采集單元上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并根據(jù)運(yùn)動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的具體應(yīng)用作出相應(yīng)的判斷或決策 [25]。電路采用 LM117 穩(wěn)壓芯片對(duì)輸入電壓進(jìn)行穩(wěn)壓，產(chǎn)生 直流電壓，供給系統(tǒng)中各個(gè)單元， 如圖 所示。其中數(shù)據(jù)處理單元與信號(hào)采集單元之間采用藍(lán)牙通信方式，其電路原理圖與信號(hào)采集單元相同，其藍(lán)牙模塊電路設(shè)計(jì)與從機(jī)相同 [23][24]， 如圖 所示；系統(tǒng)與上位機(jī)之間的通信可采用 USB 方式或異步串行通信方式，共設(shè)有一個(gè) USB 接口和 2 個(gè) COM 通信接口，其電路如圖 所示。 LCD 可顯示 128（列） 64（行）點(diǎn)陣圖形，也可顯示 8 4 個(gè)（ 16 16點(diǎn)陣）中文漢字，在系統(tǒng)中對(duì) LCD 采用串行控制方式只需占用 CPU 的 3 個(gè) I/O 端口，主要清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 27 頁(yè) 共 39 頁(yè) 用于顯示系統(tǒng)當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)以及數(shù)據(jù)分析結(jié)果的輸出。 輸入及輸出部分的電路分別如圖 、 。 圖 系統(tǒng)時(shí)鐘電路原理圖 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 25 頁(yè) 共 39 頁(yè) 圖 系統(tǒng)復(fù)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(kuò)展的需要，外圍擴(kuò)展了 64KB 的 RAM存儲(chǔ)器 61LV256，并擴(kuò)展了 2K 的 E2PROM 存儲(chǔ)器 24C02 用于存儲(chǔ)預(yù)設(shè)功能等信息，存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路如圖 所示 [22]。 2） 外圍電路設(shè)計(jì) 為了 CPU 正常工作，使系統(tǒng)能夠完成其功能要求，需要設(shè)計(jì)必要的外圍電路。另外，外部存儲(chǔ)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(kuò)展 4組 16M 空間的外部存儲(chǔ)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。數(shù)據(jù)處理單元的硬件組成主要包括 ： CPU 單元 、存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路、輸入輸出電路、通信電路、時(shí)鐘電路以及電源電路。 圖 信號(hào)采集單元電路原理圖 圖中 K1～ K4 主要用于對(duì)信號(hào)采集單元進(jìn)行功能設(shè)置，與主機(jī) I/O 口直接相連，主機(jī)通過(guò)其異步串行接口與藍(lán)牙通訊模塊 DFBMCS120 進(jìn)行通信，利用單片機(jī)的 I/O 口產(chǎn)生串行通訊的請(qǐng)求信號(hào)。信號(hào)采集單元與數(shù)據(jù)處理單元之間數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸采用專用藍(lán)牙模塊 DFBMCS120 完成，藍(lán)牙模塊與單片機(jī)之間采用異步串行通信接口。由加速度傳感器 ADXL3信號(hào)調(diào)理電路與單片機(jī) MSP430 及相關(guān)外圍電路組成信號(hào)采集單元的從 機(jī)，信號(hào)采集單元的主機(jī)通過(guò) I2C總線與所有從機(jī)組成網(wǎng)絡(luò)，控制從機(jī)完成信號(hào)的轉(zhuǎn)換與發(fā)送。 取 R=33KΩ，則 C=，所以電路中 R R2 取值為 33KΩ， C C5取值為 [19]。 圖 加速度信號(hào)調(diào)理電路 圖中濾波器的幅頻響應(yīng)表達(dá)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） 。為了避免能量的衰減，本系統(tǒng)采用集成運(yùn)算放大器 NE5532 和 RC 濾波網(wǎng)絡(luò)組成巴特沃斯二階有源濾波電路，加快帶寬清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 22 頁(yè) 共 39 頁(yè) 外傳輸系數(shù)的衰減速度， 電路如圖 。為了減小加速度傳感器輸出信號(hào)在傳遞過(guò) 程中的衰減，利用電壓跟隨器進(jìn)行阻抗的匹配，以提高下一級(jí)電路的輸入阻抗， 如圖 所示。 2） 信號(hào)的抗干擾處理 人體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，加速度傳感器所采集的信號(hào)除了有效的加速度信號(hào)還存在來(lái)自外部的其它干攏信號(hào)，如果對(duì)傳感器的輸出不進(jìn)行任何處理而直接進(jìn)行分析應(yīng)用，顯然無(wú)法得到準(zhǔn)確的結(jié)果，所以必須對(duì)傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的降噪處理，以得到正確的加速度信息。在加速度傳感器內(nèi)部有兩條完全相同的加速度信號(hào)傳輸路徑，一條用于測(cè)量 X軸上所感應(yīng)的加速度，另一條則用于測(cè)量 Y軸上所感應(yīng)的加速度。受到外力作用后，熱 氣團(tuán)位置偏移， 4 個(gè)熱電耦組的平衡被破壞，其溫度的下降陡度是以熱源為中心而產(chǎn)生差值。在未產(chǎn)生加速度或水平放置時(shí)，其溫度的下降陡度是以熱源為中心而完全對(duì)稱 傳感器剖面圖及熱氣團(tuán)溫度變化情況 傳感器剖面圖及熱氣團(tuán)溫度變化情況 （加速度為 0） （加速度不為 0） 圖 基于熱對(duì)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(jì)說(shuō)明書(shū) 第 21 頁(yè) 共 39 頁(yè) 的，此時(shí)，所有 4個(gè)熱電耦組因感應(yīng)溫度相同而產(chǎn)生相同的電壓。 圖 ADXL330 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 ADXL330 是基于熱對(duì)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(cè)量系統(tǒng)，以可移動(dòng)的熱對(duì)流氣團(tuán)作為質(zhì)量塊，通過(guò)測(cè)量由加速度引起的腔體內(nèi)氣團(tuán)位置的變化來(lái)測(cè)量加速度。 綜合上述因素，在本系統(tǒng)中選擇基于 MEMS 技術(shù)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(hào)調(diào)理電壓輸出，能測(cè)量滿刻度177。 根據(jù)人體運(yùn)動(dòng) 時(shí)加速度參數(shù)的特點(diǎn)，用于測(cè)量人體運(yùn)動(dòng)的加速度計(jì)的頻率范圍在 0Hz～ 20Hz 即可滿足要求，測(cè)量幅度范圍為 3g～ +3g。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(shí)，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(shí)刻 [16]。 運(yùn)動(dòng)加速度的幅度：在行走運(yùn)動(dòng)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(lái)越大，頻譜逐漸向較高頻率移動(dòng)。 1） 加速度傳感器的選型 由于設(shè)計(jì)本系統(tǒng)主要的目的是采集人體運(yùn)動(dòng)的加速度信號(hào)，所以需要選擇一款合適的加速度傳感器作為加速度信號(hào)的獲取元件，傳感器的選型要以人體運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的加速度信號(hào)的特點(diǎn)為依據(jù) [16]。 信號(hào)采集單元電路設(shè)計(jì) 信號(hào)采集單元的作用是實(shí)時(shí)同步采集被測(cè)點(diǎn)的三維加速度信息，并將所采集到的加速度信息上傳至系 統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理單元。 圖 在對(duì)人體運(yùn)動(dòng)信息進(jìn)行采集測(cè)量時(shí)，首先可根據(jù)具體應(yīng)用進(jìn)行功能設(shè)定，然后將信號(hào)采集單元的從機(jī)分別安裝于肢體不同的特征點(diǎn)上，如圖 所示。 清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 18 頁(yè) 共 39 頁(yè) 4 人體運(yùn)動(dòng)信息采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 運(yùn)動(dòng)信息采集系統(tǒng)利用人體運(yùn)動(dòng)的非電量電測(cè)法，利用加速度傳感器采集人體運(yùn)動(dòng)時(shí)的加速度參數(shù)，系統(tǒng)通過(guò)對(duì)采集到的加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析，可得到肢體在空間運(yùn)動(dòng)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。由于地心引力所產(chǎn)生的重力加速度在一定范圍內(nèi)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(cè)肢體的姿態(tài)。 由于加速度參數(shù)在經(jīng) 過(guò)相關(guān)積分計(jì)算，可以很容易得到如速度、位移等參數(shù)，本章重點(diǎn)介紹了基于加速度傳感器的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)方法。各種不同的采集方法適用于不同的場(chǎng)合及研究目的，在正式體清華 大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 17 頁(yè) 共 39 頁(yè) 育比賽中對(duì)運(yùn)動(dòng)員進(jìn)行動(dòng)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(huì)影響到運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)作，而其它的采集方式均需要在肢體上安裝檢測(cè)裝置或標(biāo)記點(diǎn)，會(huì)影響運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)作發(fā)揮。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，運(yùn)動(dòng)信息的采 集方法和手段日益發(fā)展完善，技術(shù)趨于先進(jìn)，采集精度和可靠性也隨之提高。 3． 3 小結(jié) 運(yùn)動(dòng)分析就是利用相應(yīng)的測(cè)量手段，測(cè)量、采集人體運(yùn)動(dòng)的部分生物力學(xué)參數(shù)，并對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行相關(guān)分析和處理以得到更多的運(yùn)動(dòng)信息，從而在相應(yīng)的領(lǐng)域得以應(yīng)用。 結(jié)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(gè)剛體，將肘 關(guān)節(jié) 視為支點(diǎn)，手臂運(yùn)動(dòng)則可看成是剛體圍繞支點(diǎn)的平面運(yùn)動(dòng)。圖 所示為傳感器相對(duì)靜止時(shí)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(shí)傳感器三個(gè)軸輸出的電壓信號(hào)分別為： ???????????000c o sc o sc o svkgvvkgvvkgvzyx??? 式中： vx、 vy、 vz 表示加速度計(jì) X、 Y、 Z 三個(gè)軸所輸出的電壓信號(hào)， k 表示加速度計(jì)的靈敏度 ， k 表示加速度計(jì)的靈敏度， g 表示重力加速度， V0 表示加速度為 0時(shí)，加速度計(jì)輸出的 電壓。在以上約束條件下，當(dāng)前臂不動(dòng)時(shí)，只需檢測(cè)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)。在進(jìn)行前臂運(yùn)動(dòng)檢測(cè)時(shí)，首先將傳感器固定于前臂上，隨著前臂的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變 ，傳感器輸出的變化信號(hào)經(jīng)處理后可以得到前臂的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)改變的參數(shù)。 人體前臂在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中始終和豎直方向 (或水平方向 )成一定的角度關(guān)系。當(dāng)人體進(jìn)行運(yùn)動(dòng)時(shí)，相應(yīng)的肌肉會(huì)收縮、變形，肌肉收縮所產(chǎn)生的微弱肌電信號(hào)被電極檢測(cè)到，測(cè)量裝置的信號(hào)處理放大環(huán)節(jié)會(huì)對(duì)此信號(hào)進(jìn)行放大和濾波，去除干擾并得到有用的肌電信號(hào)，再經(jīng)過(guò) A/D 轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，則得到數(shù)字量的數(shù)據(jù)，測(cè)量裝置的 CPU 對(duì)此數(shù)據(jù)再進(jìn)行相關(guān)的分析和處理，即可得出運(yùn)動(dòng)過(guò)程中相關(guān)肌 肉作用的結(jié)論 [13]。利用肌電圖可以說(shuō)明： (1)某塊肌肉或一塊肌肉的哪些部分參與活動(dòng)； (2)運(yùn)動(dòng)中所測(cè)各塊肌肉參與活動(dòng)的時(shí)間； (3)運(yùn)動(dòng)中所測(cè)各塊肌肉收縮時(shí)間的長(zhǎng)短和收 縮強(qiáng)度。 肌電信號(hào)測(cè)量法 肌電測(cè)量包括有損傷測(cè)量和無(wú)損傷測(cè)量?jī)纱箢?。其原理框圖如圖 所示。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)。完成拍攝后的數(shù)字化過(guò)程也更為復(fù)雜，在數(shù)據(jù)處理過(guò)程