快速肢體運(yùn)動(dòng)測(cè)量模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
隨著微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)的快速發(fā)展[1],人們已經(jīng)將加速器傳感器應(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。
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/104070.htm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(xiàn)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(mǎn)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
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(mǎn)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Gz0,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(xiàn)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。
[1] 李國(guó)厚,白林風(fēng), 微機(jī)電系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用,微計(jì)算機(jī)信息2003年第19卷第9期
[2] 余仁淵,陳其亮, 人體運(yùn)動(dòng)感知系統(tǒng)之設(shè)計(jì),機(jī)械工業(yè)雜志257期, 2005
[3] Bouten, C.V.C.; Koekkoek, K.T.M.; Verduin, M.; Kodde, R.; Janssen, J.D., A triaxial accelerometer and portable data processing unit for the assessment of daily physical activity, Biomedical Engineering, IEEE Transactions on Volume 44, Issue 3, March 1997 Page(s):136 - 147
[4] Freescale Semiconductor Technical Data, MMA7261Q, Rev 2.0, 3/2006
[5] NORDIC Semiconductor, Product Specification, nRF24E1,3/2006
[6] Peng Pan, Michael A. Peshkin, J. Edward Colgate and Kevin M. Lynch, Static Single-Arm Force Generation With Kinematic Constraints,The American Physiological Society, J Neurophysiol 93: 2752
評(píng)論