快速肢體運(yùn)動(dòng)測(cè)量模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

?　一．前言

　　隨著微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）的快速發(fā)展[1]，人們已經(jīng)將加速度傳感器應(yīng)用于體育運(yùn)動(dòng)之中，用于獲取運(yùn)動(dòng)員的速度和力量等信息［2］。但是在高擺速運(yùn)動(dòng)場(chǎng)合，比如排球和小球運(yùn)動(dòng)員揮臂擊球過(guò)程，足球運(yùn)動(dòng)員的射門(mén)過(guò)程等，還應(yīng)用較少。本文提及的高擺速運(yùn)動(dòng)場(chǎng)合，無(wú)一例外地需要運(yùn)動(dòng)者將手臂(或足)或球拍在短時(shí)間內(nèi)以爆發(fā)力的方式獲得加速度，并且在擊球時(shí)得到一個(gè)反向加速度。研究此過(guò)程的意義在于：1、運(yùn)動(dòng)員發(fā)力分析，可以評(píng)價(jià)運(yùn)動(dòng)的爆發(fā)力大小，獲得定量的分析數(shù)據(jù)；2、可以測(cè)量出運(yùn)動(dòng)員的擺速，作為運(yùn)動(dòng)水平的評(píng)價(jià)參數(shù)之一；3、可以分析運(yùn)動(dòng)員的加速發(fā)力過(guò)程，判斷發(fā)力的時(shí)機(jī)是否恰當(dāng)，并糾正錯(cuò)誤動(dòng)作。

　　最初人們利用攝影膠片攝取運(yùn)動(dòng)圖像，然后逐張膠片進(jìn)行處理，整個(gè)分析過(guò)程復(fù)雜、周期長(zhǎng)、耗材價(jià)格高，而且無(wú)法得到擊球時(shí)的受力情況。本文采用運(yùn)動(dòng)傳感器和的無(wú)線芯片，設(shè)計(jì)出一種實(shí)用的運(yùn)動(dòng)員擺速測(cè)量裝置，根據(jù)該裝置，可以分析運(yùn)動(dòng)員的發(fā)力過(guò)程和擊球瞬間的擺速值。

　　二．加速度傳感器的選型

　　高擺速場(chǎng)合下應(yīng)用G傳感器需要考慮以下問(wèn)題：1、實(shí)時(shí)性，由于運(yùn)動(dòng)是在短時(shí)間內(nèi)瞬間完成，要求能夠高速采樣，實(shí)時(shí)處理；2、可靠性，因?yàn)樵诟邤[速下?lián)羟蛩查g，受到的沖擊力較大，因此對(duì)系統(tǒng)的可靠性要求較高。具體體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：一，對(duì)G傳感器的最大檢測(cè)G值有要求，人體的運(yùn)動(dòng)加速度幅度可高達(dá)±12G［3］，一般而言，采用±10G的加速度傳感器可以滿足需要；二，對(duì)G傳感器的檢測(cè)軸向有要求，由于裝配和實(shí)際使用的需要，最好選擇Z向的G傳感器；三、輕便性，要求整個(gè)系統(tǒng)重量輕，體積小，不會(huì)對(duì)運(yùn)動(dòng)帶來(lái)影響；四、對(duì)傳感器內(nèi)部的采樣率有要求，由于系統(tǒng)測(cè)量在瞬間完成(0.5秒內(nèi))，因此希望內(nèi)部采樣率足夠高，例如10KHz以上，這樣才能夠體現(xiàn)諸如小球運(yùn)動(dòng)中撞擊瞬間受力情況。

　　根據(jù)以上因素，考慮選用FREESCALE的MMA7261Q，MMA7261Q由表面微機(jī)械電容性傳感單元(g單元)和一個(gè)CMOS信號(hào)調(diào)理的ASIC組成的單片集成電路。它可以模型化為兩個(gè)靜止的板中間夾一塊活動(dòng)的板[4]，如圖一所示。由于中間夾板的移動(dòng)，導(dǎo)致上下電容值的變化，通過(guò)測(cè)量電容值可以確定中間夾板的移動(dòng)，從而得出芯片所受到的加速度。

圖一：簡(jiǎn)化的加速變換模型

　　三．系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　圖二為發(fā)射系統(tǒng)框圖，其中nRF24E1為NORDIC公司的整合有8051內(nèi)核的2.4GHz RF收發(fā)器，具有10位速度高達(dá)100 kSPS的ADC［5］。整個(gè)系統(tǒng)可以采用一顆3V鈕扣電池，例如CR2025(150mAh)，在在以0DB功率發(fā)射情況下，可以連續(xù)使用8-9個(gè)小時(shí)。

圖二：測(cè)量系統(tǒng)發(fā)射端

　　接收端亦采用nRF24E1，通過(guò)RS232連接到PC機(jī)（要求裝有實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)），由串口直接供電。

　　考慮到本加速度測(cè)量系統(tǒng)的一次測(cè)量過(guò)程通常在0.5秒(甚至在0.1秒)之內(nèi)完成，而且，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的某些運(yùn)動(dòng)參數(shù)，可能需要更短的時(shí)間內(nèi)來(lái)測(cè)量，例如乒乓球運(yùn)動(dòng)中，重量?jī)H為2.5g，直徑4.0cm球和球拍接角時(shí)間最短的僅為千分之一秒，因此要求有較高的采樣率。MMA7261Q內(nèi)部具有11KHz的采樣模擬輸出輸出。

　　nRF24E1的AD轉(zhuǎn)換與CPU時(shí)鐘/32同步(125到625kHz)，每個(gè)時(shí)鐘周期產(chǎn)生2位采樣轉(zhuǎn)換值，完全可以滿足需要。在設(shè)計(jì)時(shí)，需要將AD采樣率設(shè)置為大于10Ksps。

　　四．測(cè)量流程

　　在[6]中給出了手臂運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。其中單手將剛體從某個(gè)方位移動(dòng)到另一方位，此方位具有6個(gè)自由度：3個(gè)位移自由度和3個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度。實(shí)際中，需要對(duì)此作簡(jiǎn)化處理，將運(yùn)動(dòng)手臂或球拍考慮為在一個(gè)平面中進(jìn)行，如果將傳感器適當(dāng)安裝，使得其與運(yùn)動(dòng)方向始終垂直，則可以只考慮Z軸的加速度即可。

　　系統(tǒng)的操作流程如下，上電啟動(dòng)后，先設(shè)置G傳感器最大值為±10g，然后設(shè)置AD采樣率和通道，并配置nRF2401子系統(tǒng)。為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，可以只檢測(cè)Z向的加速度。啟動(dòng)發(fā)射之前，保持Gz=0約1秒鐘，然后揮動(dòng)手臂，則Gz>0，此時(shí)啟動(dòng)發(fā)射。一般而言，運(yùn)動(dòng)者一次揮臂時(shí)間會(huì)在0.3秒之內(nèi)完成，因此只檢測(cè)0.3秒，然后再次保持Gz=0約1秒鐘，重新測(cè)量。圖三為軟件處理流程圖。其中(a)為發(fā)射系統(tǒng)軟件處理流程，(b)為發(fā)射子系統(tǒng)發(fā)射過(guò)程，(c)為接收子系統(tǒng)接收過(guò)程。

　　接收到數(shù)據(jù)后，通過(guò)串口輸入到PC內(nèi)部，由PC端軟件進(jìn)行處理。

(a)

(b)???????????????????????????????????????????????????????????????????? (c)

圖三? 軟件處理流程

　　五數(shù)據(jù)處理

　　圖四為某位業(yè)余乒乓球愛(ài)好者揮臂擊球過(guò)程的曲線擬合圖，圖中的極值點(diǎn)是球與球拍接觸造成，可以看出乒乓球?qū)η蚺漠a(chǎn)生的瞬間沖擊力。根據(jù)此圖，可以較容易地采用Trapezoid方法來(lái)求出運(yùn)動(dòng)者的最大擺速和擊球時(shí)的擺速。

圖四 加速度測(cè)量結(jié)果

　　六．總結(jié)

　　快速肢體運(yùn)動(dòng)在體育運(yùn)動(dòng)界備受關(guān)注，但長(zhǎng)期以來(lái)都是借助高速攝像進(jìn)行研究，其成本高，且無(wú)法分析運(yùn)動(dòng)者的受力狀況。本文作者創(chuàng)新點(diǎn)在于，采用高速采樣的加速度傳感器和射頻芯片進(jìn)行快速肢體運(yùn)動(dòng)的速度和力量數(shù)據(jù)采集，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用元件數(shù)目少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，成本低廉，采樣速率可達(dá)到10Ksps以上，且功耗低，可以同時(shí)分析運(yùn)動(dòng)者的速度和力量狀況，適合于在各種小球運(yùn)動(dòng)及其他體育運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目中的快速肢體運(yùn)動(dòng)測(cè)量。