1、畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)基于加速度傳感器的人體運(yùn)動(dòng)信息采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)生姓名： 學(xué)號(hào)： 學(xué) 院： 專 業(yè)： 指導(dǎo)教師： 2012 年 6 月基于加速度傳感器的人體運(yùn)動(dòng)信息采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要人類運(yùn)動(dòng)與人體健康息息相關(guān)，一直以來(lái)受到人們的廣泛關(guān)注，隨著運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)、人體測(cè)量學(xué)的發(fā)展，人們對(duì)人體運(yùn)動(dòng)的研究日益深入。本文以運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)理論為基礎(chǔ)，對(duì)人體運(yùn)動(dòng)參數(shù)的測(cè)量和分析方法進(jìn)行了研究，主要目的在于探索運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)參數(shù)之間的關(guān)系，通過(guò)運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)參數(shù)的測(cè)量、分析揭示人體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，在人體姿態(tài)識(shí)別、體育訓(xùn)練等方面提供理論指導(dǎo)。在對(duì)人體結(jié)構(gòu)及人體運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)進(jìn)行了介紹和總結(jié)的基礎(chǔ)上，為了便于人體運(yùn)動(dòng)研究，建立了人體運(yùn)動(dòng)的

2、棒狀模型及便于分析計(jì)算的人體坐標(biāo)系。通過(guò)對(duì)常用人體運(yùn)動(dòng)參數(shù)測(cè)量方法的分析，提出了利用加速度參數(shù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)測(cè)量和分析的方法。應(yīng)用加速度傳感器實(shí)現(xiàn)了對(duì)肢體運(yùn)動(dòng)的測(cè)量，并利用加速度參數(shù)與速度、位移等參數(shù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系實(shí)現(xiàn)了對(duì)其它運(yùn)動(dòng)參數(shù)的求解，從而對(duì)人體運(yùn)動(dòng)的姿態(tài)、動(dòng)作軌跡等進(jìn)行分析。自行設(shè)計(jì)了運(yùn)動(dòng)采集系統(tǒng)，系統(tǒng)分為信號(hào)采集單元與數(shù)據(jù)處理單元兩個(gè)部分，以 ARM7、三軸加速度計(jì)ADXL330為核心，可實(shí)現(xiàn)最多5個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的信息采集及數(shù)據(jù)分析。在對(duì)系統(tǒng)完成性能測(cè)試的基礎(chǔ)上進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)測(cè)量的實(shí)驗(yàn)，并將其應(yīng)用到電腦游戲的控制中進(jìn)行可靠性的測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了利用運(yùn)動(dòng)信息采集系統(tǒng)對(duì)人體運(yùn)動(dòng)信息進(jìn)行采集和分

3、析的方法是可行的。利用加速度參數(shù)對(duì)人體簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析的方法方便可行，但在復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的分析中，則需要更多的信息進(jìn)行綜合分析。因此，對(duì)于人體運(yùn)動(dòng)的研究，應(yīng)綜合多種方法，盡可能獲取更多的信息，以使得人體運(yùn)動(dòng)分析更加科學(xué)、合理。 關(guān)鍵詞：運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)，人體模型，運(yùn)動(dòng)信息采集，加速度傳感器，運(yùn)動(dòng)測(cè)量Design of Human Motion Information Collection System Based on Acceleration SensorABSTRACTHuman has always paid broad attention to body motion relating clos

4、e to human health. With the development of motion biomechanics and anthropometry, people have increasingly deeply studied human body motion. The paper focuses on the measurement of body motion parameters and analysis method of body motion based on the theory of motion biomechanics. The contents invo

5、lve the study on the relationship between parameters of motion biomechanics, the analysis of the law of body motion by measuring motion biomechanics parameters to provide theoretical guidance for recognition of human gesture, physical training, and so on.Human structure and characteristics of body m

6、otion are analyzed and summarized,on the basis of which rod model and coordinate system of human body are built to provide convenience for the study of body motion. The method of measuring body motion with acceleration sensor is presented with the analysis of common measurement method of body motion

7、 parameters. The measurement of extremity is performed by acceleration sensor; other motion parameters are solved by the mathematical relationship between acceleration parameter and velocity, displacement,etc. Thereby, motion gesture and action trace of human body can be analyzed.A system which cons

8、ists of signal collection unit and data processing unit is developed to complete collection and data analysis from the motion information at most 5 sensor network nodes using ARM7 and ADXL330. The experiments of motion measurement are done on the basis of performing the testing of system performance

9、,and the system is applied in computer game for the reliability testing. The results show that collecting and analyzing motion information of human body by the system is a feasible method.The analysis of simple body motion using acceleration parameter is a convenient and feasible method. But more in

10、formation is required to be analyzed synthetically in the complex motion. Therefore, it is necessary for the study of body motion to synthesize a variety of methods and obtain as much information as possible, which makes the analysis of body motion more scientific and rational.Key Words：Motion biome

11、chanics, Body motion model, Collection of motion information, Acceleration sensor, Motion Measure men目錄1緒論111 課題研究的背景、目的和意義錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。1.1.1 課題研究背景錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。1.1.2 課程研究目的及意義錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。12 人體運(yùn)動(dòng)信息采集及應(yīng)用的發(fā)展與現(xiàn)狀錯(cuò)誤！未定義書(shū)簽。1.2.1 人類對(duì)人體運(yùn)動(dòng)研究的發(fā)展歷程21.2.2 人體運(yùn)動(dòng)信息的應(yīng)用現(xiàn)狀31.2.3 有關(guān)人體運(yùn)動(dòng)信息研究的應(yīng)用413 論文的主要工作和章節(jié)安排52人體運(yùn)動(dòng)信息采集與分析的理論基礎(chǔ)72

12、1 運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的相關(guān)理論72.1.1 運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的基本運(yùn)動(dòng)參數(shù)72.1.2 運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的測(cè)量方法722 人體生理結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)82.2.1 人體關(guān)節(jié)、環(huán)節(jié)的運(yùn)動(dòng)82.2.2 人體運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)823 人體運(yùn)動(dòng)模型的建立92.3.1 人體的棒狀模型92.3.2 人體運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系的建立1024 小結(jié)123人體運(yùn)動(dòng)信息采集與分析的方法1331 人體運(yùn)動(dòng)信息采集的方法133.1.1 光學(xué)測(cè)量方法133.1.2 非電量電測(cè)法143.1.3 肌電信號(hào)測(cè)量法1432 基于加速度傳感器的運(yùn)動(dòng)信息采集與分析1533 小結(jié)164人體運(yùn)動(dòng)信息采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1841 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)1842 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)194.2.1

13、信號(hào)采集單元電路設(shè)計(jì)194.2.2 數(shù)據(jù)處理單元電路設(shè)計(jì)2343 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)284.3.1 信號(hào)采集單元程序設(shè)計(jì)284.3.2 數(shù)據(jù)處理單元程序設(shè)計(jì)3044 本章小結(jié)335結(jié)論34附錄36參考文獻(xiàn)37致謝391 緒論1.1課題研究的背景、目的和意義1.1.1 課題研究背景人類作為物質(zhì)世界的一種生物體，理所當(dāng)然是與運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)的，現(xiàn)有科學(xué)技術(shù)也明確的告訴我們，物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)時(shí)絕對(duì)的，大到宏觀世界宇宙間的天體、星系，小到微觀世界的分子、離子、電子等，都是無(wú)時(shí)無(wú)刻不在運(yùn)動(dòng)。而人類也在社會(huì)的不斷發(fā)展進(jìn)步中，對(duì)運(yùn)動(dòng)的認(rèn)識(shí)也在逐步深入，研究的范圍也在不斷拓展。隨著時(shí)代的發(fā)展，當(dāng)代的人們對(duì)健康的更加關(guān)注及需求

14、，也推動(dòng)著與其息息相關(guān)的人體運(yùn)動(dòng)研究的發(fā)展。從而使得人體運(yùn)動(dòng)測(cè)量學(xué)、人體運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)等學(xué)科的研究也取得了巨大的進(jìn)步。而且各種體育賽事已經(jīng)深入到人類活動(dòng)的每一個(gè)角落，體育競(jìng)技的強(qiáng)度也在不斷提升，整個(gè)社會(huì)都在努力地尋求突破，需要掌握更多的人體運(yùn)動(dòng)信息，這也進(jìn)一步促進(jìn)了整個(gè)人類社會(huì)在這個(gè)領(lǐng)域的巨大投入。因此，對(duì)人體運(yùn)動(dòng)信息的研究也就成了現(xiàn)代科學(xué)研究的一項(xiàng)重要的學(xué)科，以人體的運(yùn)動(dòng)為研究對(duì)象，精確地獲取人體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中位移、速度、加速度、力以及肌電信號(hào)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(dòng)力，也備受青睞及關(guān)注。1.1.2 課程研究目的及意義在研究人體運(yùn)動(dòng)時(shí)，我們實(shí)際上把人體當(dāng)做一個(gè)物質(zhì)的合

15、成體，通過(guò)人體的外部運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)出來(lái)信息，去分析人體的內(nèi)部運(yùn)動(dòng)，諸如腦部的運(yùn)動(dòng)：思維、決策等形成完成外部動(dòng)作的指令的過(guò)程等。而且我們必須由外到內(nèi)的去分析研究，分析兩者之間的聯(lián)系及紐帶，這樣才能更好地認(rèn)識(shí)人體自身，獲得足夠的科學(xué)依據(jù)，來(lái)為人類社會(huì)的發(fā)展做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。總所周知，人體的構(gòu)造十分的復(fù)雜，故而對(duì)人體運(yùn)動(dòng)學(xué)的研究也就要涉及的很多的學(xué)科，要找到這些學(xué)科如運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、人體解剖學(xué)等諸多學(xué)科的交叉，采集人體運(yùn)動(dòng)信息，以及在各種力的作用下，人體內(nèi)部器官系統(tǒng)力學(xué)與人體進(jìn)行局部或者整體運(yùn)動(dòng)時(shí)，人體在時(shí)間和空間的位置，姿勢(shì)、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等的變化規(guī)律，繼而進(jìn)行分析研究1。在對(duì)人體運(yùn)動(dòng)信息的研究過(guò)程中，最關(guān)鍵的

16、一環(huán)就是對(duì)人體運(yùn)動(dòng)信息的檢測(cè)和采集，而人體運(yùn)動(dòng)檢測(cè)技術(shù)囊括了醫(yī)學(xué)、物理學(xué)、數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等諸多學(xué)科，又與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、建模技術(shù)、計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)技術(shù)、模式識(shí)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)。相應(yīng)的，人體運(yùn)動(dòng)學(xué)的應(yīng)用領(lǐng)域也是十分的廣闊，主要包括在以下幾個(gè)領(lǐng)域2：醫(yī)學(xué)保健領(lǐng)域，主要應(yīng)用于對(duì)人體運(yùn)動(dòng)功能及損傷做出更直接有效地評(píng)估，分析受損原因，以利于更好地救治及預(yù)防3；體育領(lǐng)域，可以通過(guò)對(duì)運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)時(shí)所蘊(yùn)藏的生物力學(xué)信息探測(cè)分析來(lái)塑造運(yùn)動(dòng)技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)模式，找到運(yùn)動(dòng)技術(shù)最佳的途徑，從而改善訓(xùn)練的方式，使運(yùn)動(dòng)員能夠在運(yùn)動(dòng)技術(shù)上有所突破，更有力地參與到競(jìng)技比賽中，獲得更加優(yōu)異的成績(jī)；教

17、育交流領(lǐng)域，可以通過(guò)對(duì)肢體語(yǔ)言所傳達(dá)的信息去分析人體的內(nèi)部活動(dòng)，甚至可以解決與聾啞人的交流問(wèn)題；虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域，主要應(yīng)用于人與虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的交互，將真實(shí)生活中的人體運(yùn)動(dòng)映射到虛擬環(huán)境。因此，對(duì)人體運(yùn)動(dòng)信息的采集無(wú)論是在理論研究還是實(shí)際應(yīng)用中都有著非常廣泛的應(yīng)用和非常重大的意義。1.2 人體運(yùn)動(dòng)信息采集及應(yīng)用的發(fā)展與現(xiàn)狀據(jù)人類現(xiàn)有的文字記載，早在公元前500年到300年，古希臘的哲學(xué)家己經(jīng)有了描述分析人體運(yùn)動(dòng)的記載，但真正意義上的人體運(yùn)動(dòng)研究是和人體解剖學(xué)的完善及力學(xué)的發(fā)展分不開(kāi)的。法國(guó)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(diǎn)建立了一個(gè)十分復(fù)雜的人體結(jié)構(gòu)模型，甚至包括神

18、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。與笛卡爾同時(shí)代的意大利解剖學(xué)家博雷利將解剖學(xué)和力學(xué)結(jié)合起來(lái)，比較系統(tǒng)地研究了動(dòng)物和人體的運(yùn)動(dòng)，并完成了學(xué)術(shù)著作論動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)一書(shū)。至此，人體運(yùn)動(dòng)的研究基本處在力學(xué)原理性分析階段。十九世紀(jì)末，意大利科學(xué)家列奧納多達(dá)芬奇從人體解剖和力學(xué)的角度，研究了人體的各種姿勢(shì)和運(yùn)動(dòng)，其中對(duì)人體步態(tài)的力學(xué)研究和近代人體運(yùn)動(dòng)學(xué)研究相仿，首先提出了“一切能夠運(yùn)動(dòng)的生物體都遵循力學(xué)定律而運(yùn)動(dòng)”的重要觀點(diǎn)。1.2.1 人類對(duì)人體運(yùn)動(dòng)研究的發(fā)展歷程人體運(yùn)動(dòng)研究從力學(xué)原理性分析階段進(jìn)入實(shí)驗(yàn)測(cè)量階段的早期學(xué)者是法國(guó)生理學(xué)家韋伯兄弟

19、。他們?cè)?836年用時(shí)鐘計(jì)時(shí)的方法測(cè)量了人在走路過(guò)程中的時(shí)間空間特征，并得出了步速和身體支撐時(shí)間成反比關(guān)系的結(jié)論。他們的法國(guó)同行繆勒(G.Muller)用同樣的方法測(cè)量了人體走和跑時(shí)下肢支撐期和擺動(dòng)期的時(shí)間和比例關(guān)系，此時(shí)的人體運(yùn)動(dòng)測(cè)量手段應(yīng)該說(shuō)很簡(jiǎn)陋4。后來(lái)攝影影像技術(shù)的引入，使運(yùn)動(dòng)測(cè)量手段有了很大的飛躍。1877年，美國(guó)攝影師麥布里奇(E.Muybridge)用24臺(tái)照相機(jī)拍攝了馬奔跑的連續(xù)照片，后來(lái)他又拍攝了人體走、跑等動(dòng)作的連續(xù)照片，并在1901年發(fā)表了專著運(yùn)動(dòng)中的人體運(yùn)動(dòng)圖像，從而奠定了影像測(cè)量方法的基礎(chǔ)。幾年后，馬勒(Maler)、德美尼(Demeni)等提出了運(yùn)動(dòng)軌跡定位照相法和

20、連續(xù)光點(diǎn)照相法，這些方法直到現(xiàn)在仍被用來(lái)研究人體運(yùn)動(dòng)。20世紀(jì)30年代英國(guó)生理學(xué)家希爾(A.V.Hill)開(kāi)展了關(guān)于肌力的研究，取青蛙的縫匠肌為試樣，通過(guò)測(cè)量肌肉在縮短過(guò)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(shí)驗(yàn)結(jié)果一致的希爾方程。從此，人體運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的一個(gè)重要領(lǐng)域：肌力與肌肉的生理特性的相關(guān)研究逐漸發(fā)展起來(lái)。20世紀(jì)后半葉以來(lái)，計(jì)算機(jī)及電子技術(shù)的飛速發(fā)展以及傳感技術(shù)、優(yōu)化技術(shù)等智能分析技術(shù)的應(yīng)用帶來(lái)更為準(zhǔn)確便捷的現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)。繼阿馬爾(Amaer)研制了第一臺(tái)兩分量測(cè)力臺(tái)，使運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)進(jìn)入在體動(dòng)力學(xué)測(cè)量后，萊曼德(Reymon

21、d)在伽伐尼(Galvani)論在肌肉運(yùn)動(dòng)中的電力的基礎(chǔ)上，創(chuàng)立了肌電測(cè)量技術(shù)。阿馬爾和埃弗特曼(Elftman)基于人體運(yùn)動(dòng)效率，創(chuàng)立了力能學(xué)測(cè)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?jī)?yōu)化技術(shù)。高速攝影技術(shù)、傳感測(cè)量技術(shù)以及同步測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的測(cè)量后，使得人體運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)測(cè)量的研究進(jìn)入了三維運(yùn)動(dòng)學(xué)和空間力學(xué)研究的層面上，為全面研究人體運(yùn)動(dòng)效能提供了良好的保證。與此同時(shí)，多剛體動(dòng)力學(xué)和計(jì)算力學(xué)的在解決人體運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題的同時(shí)，獲得了實(shí)驗(yàn)技術(shù)的支持。1.2.2 人體運(yùn)動(dòng)信息的應(yīng)用現(xiàn)狀以測(cè)量及同步測(cè)量技術(shù)為標(biāo)志的現(xiàn)代運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)測(cè)量技術(shù)，己經(jīng)使得人體的運(yùn)動(dòng)測(cè)量可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)化、可視化

22、以及三維空間范圍內(nèi)的測(cè)量分析。雖然現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)為運(yùn)動(dòng)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(shí)到研究生物運(yùn)動(dòng)的力學(xué)問(wèn)題，根本上取決于測(cè)量研究技術(shù)以及分析技術(shù)。學(xué)術(shù)界的研究者己經(jīng)意識(shí)到現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于人體運(yùn)動(dòng)分析的局限性源于對(duì)人體運(yùn)動(dòng)力學(xué)的本質(zhì)認(rèn)識(shí)還不夠深入。運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的測(cè)量技術(shù)還依賴于其他學(xué)科，如計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子測(cè)量技術(shù)、人體生理學(xué)等相關(guān)學(xué)科的發(fā)展。當(dāng)代高科技理論與技術(shù)對(duì)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練領(lǐng)域全面、深入的滲透和介入已成為當(dāng)今競(jìng)平的體育訓(xùn)練和大賽中，運(yùn)動(dòng)員的整套動(dòng)作都將被詳細(xì)記錄，用于賽后技體育發(fā)展的主要趨勢(shì)。目前在體育訓(xùn)練中，有著相對(duì)成熟的訓(xùn)練規(guī)律和方法，但是人體的個(gè)體差異性較大，如何能夠

23、科學(xué)地運(yùn)用這些規(guī)律就要求對(duì)運(yùn)動(dòng)員的訓(xùn)練要因人而異，這就要求對(duì)人體運(yùn)動(dòng)的相關(guān)信息進(jìn)行盡可能詳細(xì)的采集和分析58。國(guó)外將加速度傳感器應(yīng)用于體育訓(xùn)練的研究比較領(lǐng)先。較早有Carlijn V.C.Bouten等人，采用壓阻式三軸加速度傳感器測(cè)量人體運(yùn)動(dòng)加速度與能量消耗的關(guān)系。實(shí)現(xiàn)對(duì)人體在坐、行走等日?；顒?dòng)中運(yùn)動(dòng)加速度的測(cè)量，進(jìn)而由實(shí)驗(yàn)獲得加速度值與人體運(yùn)動(dòng)能量消耗的關(guān)系。從其測(cè)量結(jié)果分析來(lái)說(shuō)，加速度值能反映被測(cè)人體一定的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度。利用加速度傳感器輸出值與人體站、坐、走、跑、跳、騎等日常生活運(yùn)動(dòng)能量消耗之間的關(guān)系，結(jié)合相關(guān)皮膚溫度、心率等測(cè)量傳感器，經(jīng)相關(guān)算法軟件分析及實(shí)驗(yàn)標(biāo)定等6。這種設(shè)備能用于對(duì)運(yùn)動(dòng)

24、員訓(xùn)練強(qiáng)度實(shí)時(shí)檢測(cè)、分析，從而為運(yùn)動(dòng)員體能訓(xùn)練提供可行、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的測(cè)量，用以指導(dǎo)體能訓(xùn)練。國(guó)內(nèi)也有很多單位在此方面進(jìn)行了深入的研究，如西安市第四軍醫(yī)大學(xué)，生物醫(yī)學(xué)工程系的焦純、楊國(guó)勝等人利用三維加速度傳感器設(shè)計(jì)并研制了一種訓(xùn)練強(qiáng)度監(jiān)測(cè)儀7用于評(píng)估士兵訓(xùn)練狀況和訓(xùn)練效率。在考慮人體運(yùn)動(dòng)加速度幅值、頻率的有效范圍下，為實(shí)現(xiàn)對(duì)靜、穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)激勵(lì)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(jià)比較高的壓阻式加速度傳感器，即ICSENSOR公司生產(chǎn)的3個(gè)3031型單軸加速度傳感器，并通過(guò)正交組合成三維加速度傳感器，及相應(yīng)的電路信號(hào)處理、運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)記錄與分析處理等實(shí)現(xiàn)對(duì)訓(xùn)練現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)等進(jìn)行

25、記錄與評(píng)估。1.2.3 有關(guān)人體運(yùn)動(dòng)信息研究的應(yīng)用在骨科醫(yī)療和康復(fù)領(lǐng)域中，為了評(píng)價(jià)殘疾、診斷疾病和鑒定康復(fù)的效果，客觀而有效的方法就是進(jìn)行步態(tài)分析和人體其它部位的功能評(píng)定。一般在醫(yī)學(xué)臨床上，應(yīng)用加速度傳感器測(cè)量來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)患有腿部關(guān)節(jié)、運(yùn)動(dòng)障礙等疾病的病人進(jìn)行輔助診斷、治療的研究報(bào)告（包括對(duì)患者的步態(tài)、坐姿、姿態(tài)等的辨析等）。因?yàn)闇y(cè)量人體行走時(shí)有關(guān)肢體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等物理量，可以幫助我們分析人體一些部位（特別是關(guān)節(jié)）的運(yùn)動(dòng)功能，進(jìn)而為醫(yī)療康復(fù)等提供一定的參考依據(jù)。 加速度傳感器應(yīng)用于醫(yī)學(xué)臨床上對(duì)患者運(yùn)動(dòng)功能檢測(cè)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(cè)量手段來(lái)對(duì)患

26、者運(yùn)動(dòng)功能實(shí)現(xiàn)檢測(cè)與治療診斷7。在運(yùn)動(dòng)生理力學(xué)研究方面，人體運(yùn)動(dòng)的計(jì)算機(jī)仿真是更高層次的研究?jī)?nèi)容，是研究人體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的有效手段；并具有很高的理論和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，如用于碰撞的仿真、分析人的運(yùn)動(dòng)特征、醫(yī)療中腦神經(jīng)外科診斷以及步態(tài)研究等。當(dāng)然研究人體運(yùn)動(dòng)的手段和方法很多，其中實(shí)驗(yàn)方法是一個(gè)非常有前景的研究方法，充分利用實(shí)驗(yàn)所獲得的測(cè)試數(shù)據(jù)，可以簡(jiǎn)化人體建模的復(fù)雜性，縮短研究周期，模擬人體運(yùn)動(dòng)的實(shí)例。通常采用運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)測(cè)試手段，可以得到相關(guān)人體運(yùn)動(dòng)的數(shù)據(jù)，當(dāng)然還要借助于影像儀、多維測(cè)力臺(tái)、肌電儀等設(shè)備。但要獲取全面的人體運(yùn)動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)，必須綜合利用這些設(shè)備，因此人體運(yùn)動(dòng)信息的采集、應(yīng)用、研究的發(fā)展很大

27、程度上要依賴于人體運(yùn)動(dòng)測(cè)試和感知技術(shù)?？偟膩?lái)說(shuō)，加速度傳感器所獲取的信息能為人體運(yùn)動(dòng)的仿真研究提供可靠、準(zhǔn)確的原始信息數(shù)據(jù)。13 論文的主要工作和章節(jié)安排論文主要工作是研究以下三方面內(nèi)容：其一，人體運(yùn)動(dòng)信息采集的原理和方法。采集人體運(yùn)動(dòng)信息，關(guān)鍵是要根據(jù)人體運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，建立人體運(yùn)動(dòng)的模型，要考察人體的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，需要從運(yùn)動(dòng)與控制等多個(gè)角度來(lái)體現(xiàn)生命系統(tǒng)的部分特征。人體的運(yùn)動(dòng)是一種復(fù)雜的，靈活的多自由度運(yùn)動(dòng)。其二，加速度傳感器的原理及應(yīng)用。加速度傳感器是一種能夠測(cè)量加速力的電子設(shè)備，目前加速度傳感器的類型可謂多種多樣，有壓阻式、電容式、壓電式、諧振式、熱傳導(dǎo)式、隧道式、光纖式、熱對(duì)流式等。無(wú)論采用

28、哪種工作方式，加速度傳感器的工作原理都是相似的，將由慣性作用產(chǎn)生的機(jī)械運(yùn)動(dòng)或變形轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的變化。其三，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)的硬件設(shè)計(jì)分成兩個(gè)部分，即信號(hào)采集單元和數(shù)據(jù)處理單元。其中信息采集部分安裝于肢體的各個(gè)測(cè)量點(diǎn)，由多個(gè)加速度計(jì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和一個(gè)主機(jī)組成，每個(gè)節(jié)點(diǎn)由一個(gè)單片機(jī)控制，節(jié)點(diǎn)與主機(jī)之間通過(guò)I2C總線通訊。本文的主要內(nèi)容和章節(jié)安排如下：第一章：緒論。簡(jiǎn)單闡述人體運(yùn)動(dòng)信息獲取技術(shù)的研究情況，主要對(duì)人體運(yùn)動(dòng)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)。第二章：人體運(yùn)動(dòng)信息采集與分析的理論基礎(chǔ)。首先闡述運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的相關(guān)理論，確定血藥測(cè)量的

29、一些運(yùn)動(dòng)信息參數(shù)，繼而分析得出其測(cè)量方法。然后是了解人體的生理結(jié)構(gòu)和及其運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，最終建立人體的運(yùn)動(dòng)模型。第三章：人體運(yùn)動(dòng)信息采集與分析的方法。較為詳細(xì)的論述人體運(yùn)動(dòng)信息采集的各種方法，并分析它們之間的優(yōu)缺點(diǎn)。并舉例討論基于加速度傳感器的人體運(yùn)動(dòng)信息采集的運(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。第四章：人體運(yùn)動(dòng)信息采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。首先對(duì)本課題的系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)進(jìn)行概述，給出系統(tǒng)任務(wù)。為了對(duì)人體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行較為深入的研究和實(shí)驗(yàn)，研制基于加速度傳感器的運(yùn)動(dòng)信息采集系統(tǒng)，本章對(duì)于系統(tǒng)的功能、軟件、硬件的構(gòu)成，做了詳細(xì)的介紹。

30、第五章：結(jié)論。2 人體運(yùn)動(dòng)信息采集與分析的理論基礎(chǔ)21 運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的相關(guān)理論 運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的發(fā)展，對(duì)人體運(yùn)動(dòng)測(cè)量學(xué)起到了巨大的推動(dòng)作用，運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究的內(nèi)容是人體運(yùn)動(dòng)中的機(jī)械運(yùn)動(dòng)規(guī)律。人體運(yùn)動(dòng)的含義可以理解為人體整體、肢體位置的移動(dòng)（位移），包括競(jìng)技體育運(yùn)動(dòng)、大眾體育運(yùn)動(dòng)、日?；顒?dòng)和生產(chǎn)勞動(dòng)等。運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)應(yīng)用生物學(xué)和力學(xué)的理論、方法，研究人體從事各種運(yùn)動(dòng)、活動(dòng)和勞動(dòng)的動(dòng)作技術(shù), 使復(fù)雜的人體動(dòng)作技術(shù)奠基于最基本的生物學(xué)和力學(xué)規(guī)律之上，并以數(shù)學(xué)、力學(xué)、生物學(xué)以及動(dòng)作技術(shù)原理的形式加以定量描述8。人體運(yùn)動(dòng)、活動(dòng)和勞動(dòng)中的各種動(dòng)作技術(shù)，可以通過(guò)運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)方法進(jìn)行測(cè)試研究，從而提高運(yùn)動(dòng)技術(shù)水平

31、9。運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)通過(guò)研究人體在運(yùn)動(dòng)中表現(xiàn)出的力、速度、加速度等參數(shù)與人體結(jié)構(gòu)特性的關(guān)系，來(lái)揭示人體運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律，獲得有價(jià)值的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，從而進(jìn)一步了解復(fù)雜的人體運(yùn)動(dòng)，為更深入地研究人體運(yùn)動(dòng)的相關(guān)技術(shù)提供重要依據(jù)。2.1.1 運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的基本運(yùn)動(dòng)參數(shù)為了更準(zhǔn)確地對(duì)人體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行研究分析，首先要對(duì)運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)常用的基本運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行了解。運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)常用的參數(shù)主要有：位置、位移、速度、加速度、角位移、角速度、角加速度、力、功、功率、動(dòng)量、沖量、動(dòng)量、力矩、動(dòng)量矩、沖量矩、動(dòng)能、位能、質(zhì)量、重量、重心、人體環(huán)節(jié)質(zhì)量、重量、重心、軀干傾角、著地角、離地角、前蹬角、后蹬角、騰起角、出手角、姿勢(shì)角、攻角、穩(wěn)

32、定角等。對(duì)于人體運(yùn)動(dòng)的分析和描述都離不開(kāi)以上運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)參數(shù)，其中部分參數(shù)可通過(guò)儀器直接測(cè)量得到，另一些參數(shù)則需要根據(jù)其它參數(shù)進(jìn)行運(yùn)算得到9。2.1.2 運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的測(cè)量方法運(yùn)動(dòng)學(xué)方法中的平面定機(jī)攝影攝像測(cè)量方法、平面跟蹤攝影攝像測(cè)量方法、立體定機(jī)攝影攝像測(cè)量方法、立體跟蹤攝影攝像測(cè)量方法、紅外光點(diǎn)攝像測(cè)量方法、激光測(cè)試儀測(cè)量方法、分段計(jì)時(shí)測(cè)量方法；動(dòng)力學(xué)方法中的三維測(cè)力臺(tái)測(cè)試方法、等速測(cè)力儀測(cè)試方法、A.K.M和B.K.M測(cè)力儀測(cè)力方法、T.K.K測(cè)力儀測(cè)力方法、賽艇多參數(shù)遙測(cè)分析系統(tǒng)測(cè)試方法、動(dòng)態(tài)力的應(yīng)變測(cè)試方法、人體運(yùn)動(dòng)能量測(cè)量方法；生物學(xué)方法中的人體形態(tài)學(xué)測(cè)量方法、人體重心測(cè)量方法、

33、肌電測(cè)量方法、人體柔韌性測(cè)量方法、人體環(huán)節(jié)慣性參數(shù)測(cè)量方法、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)量方法等等。此外，還有多機(jī)同步測(cè)量方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型分析方法、數(shù)學(xué)模型與計(jì)算機(jī)仿真方法以及運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)測(cè)試資料的統(tǒng)計(jì)處理與分析方法等。22 人體生理結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)特點(diǎn) 要進(jìn)行人體運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)參數(shù)的測(cè)量及運(yùn)動(dòng)的相關(guān)研究，需要對(duì)人體的生理結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)有一定的了解。人體是一個(gè)由 206 塊形狀各異的骨骼互相連接而構(gòu)成的復(fù)雜有機(jī)體。運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)是由骨骼和固著在骨上的肌肉組成的。在神經(jīng)系統(tǒng)的支配下，肌肉發(fā)生收縮和舒張，牽動(dòng)骨骼，使人體能夠進(jìn)行各種運(yùn)動(dòng)，其實(shí)質(zhì)是肢體圍繞關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，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)

34、成一個(gè)連接型剛體系統(tǒng)。因?yàn)槿梭w的所有運(yùn)動(dòng)都是通過(guò)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，所以最關(guān)鍵的是分析各個(gè)關(guān)節(jié)的自由度、相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)幅度以及多個(gè)關(guān)節(jié)之間的約束和聯(lián)動(dòng)。 2.2.1 人體關(guān)節(jié)、環(huán)節(jié)的運(yùn)動(dòng)人體運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)是環(huán)節(jié)圍繞關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，通常說(shuō)的關(guān)節(jié)和環(huán)節(jié)運(yùn)動(dòng)都是指環(huán)節(jié)繞關(guān)節(jié)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)根據(jù)轉(zhuǎn)軸種類和轉(zhuǎn)動(dòng)方向的不同，分為五種：屈伸：肢體在矢狀面內(nèi)繞額狀軸轉(zhuǎn)動(dòng)（運(yùn)動(dòng)）向前運(yùn)動(dòng)為屈，向后運(yùn)動(dòng)為伸。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(yùn)動(dòng)叫水平屈，向后運(yùn)動(dòng)叫水平伸。外展內(nèi)收：肢體在額狀面內(nèi)，繞矢狀軸運(yùn)動(dòng)，遠(yuǎn)離正中面為外，靠近正中面為內(nèi)收?；匦褐w在水平面內(nèi)，繞其身的垂直軸旋轉(zhuǎn)，如

35、前臂由前向內(nèi)的旋轉(zhuǎn)叫旋內(nèi)（或叫旋前），由前向外旋轉(zhuǎn)叫旋外（或叫旋后）。人體肢體通過(guò)環(huán)節(jié)圍繞關(guān)節(jié)的各種運(yùn)動(dòng)的組合實(shí)現(xiàn)不同的基本動(dòng)作，所以當(dāng)充分了解了各環(huán)節(jié)與關(guān)節(jié)的相對(duì)位置、角度的信息，即可推算出人體所處的姿態(tài)。2.2.2 人體運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn) 人體運(yùn)動(dòng)分析的主要目的是使計(jì)算機(jī)能夠跟蹤、分類和識(shí)別人體運(yùn)動(dòng)。在真實(shí)的世界中，人體的運(yùn)動(dòng)非常復(fù)雜，如果不做限制，任何人體部位的空間位置變化都可以被當(dāng)做人體運(yùn)動(dòng)。從認(rèn)知的角度可以把人體運(yùn)動(dòng)分為三個(gè)不同層次：行為、行動(dòng)、基本動(dòng)作。其中，基本動(dòng)作是運(yùn)動(dòng)的最基本單元，它可以用人體關(guān)節(jié)在一段時(shí)間內(nèi)的時(shí)空軌跡表示。行動(dòng)是定義在基本動(dòng)作之上的運(yùn)動(dòng)。它是一些基本動(dòng)作的組合。而行

36、為主要指包含與特定環(huán)境相關(guān)的確切語(yǔ)意的行動(dòng)。行動(dòng)和行為最主要的是感知和理性認(rèn)識(shí)的區(qū)別。在體育領(lǐng)域，對(duì)于人體運(yùn)動(dòng)的研究最為深入和廣泛。所有的體育運(yùn)動(dòng)被分為田徑、體操、球類、游泳、滑冰和武術(shù)等大的項(xiàng)目。在這些項(xiàng)目中，有人體靜止的平衡運(yùn)動(dòng)，也有位置發(fā)生變化的位移運(yùn)動(dòng)。從純力學(xué)觀點(diǎn)來(lái)說(shuō)，除了平衡運(yùn)動(dòng)以外，對(duì)于位移運(yùn)動(dòng)，大致可以分為平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)兩類。平動(dòng)是人體由一個(gè)地方到另一個(gè)地方的運(yùn)動(dòng)，人體平動(dòng)時(shí)，其內(nèi)部所引的任何一條直線總是跟原來(lái)的方向平行的。轉(zhuǎn)動(dòng)是人體圍繞著轉(zhuǎn)動(dòng)軸所做的運(yùn)動(dòng)。人體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，其內(nèi)部各點(diǎn)都圍繞同一個(gè)中心做圓周運(yùn)動(dòng)或轉(zhuǎn)過(guò)一段弧線。人體平動(dòng)可以分為直線運(yùn)動(dòng)和曲線運(yùn)動(dòng)。曲線運(yùn)動(dòng)可以分為一般曲線運(yùn)

37、動(dòng)和圓周運(yùn)動(dòng)。當(dāng)我們把解剖學(xué)和力學(xué)結(jié)合起來(lái)分析人體運(yùn)動(dòng)時(shí)，不僅要考慮到人體運(yùn)動(dòng)的力學(xué)特征，還要考慮到人體運(yùn)動(dòng)的解剖學(xué)特征，因此，我們把人體運(yùn)動(dòng)分為以維持平衡為主的靜力性運(yùn)動(dòng)和變化復(fù)雜的動(dòng)力性運(yùn)動(dòng)。靜力性運(yùn)動(dòng)包括支點(diǎn)在人體重心上方的上支撐平衡運(yùn)動(dòng)，和支點(diǎn)在人體重心下方的下支撐平衡運(yùn)動(dòng)。各種懸垂動(dòng)作，屬于支點(diǎn)在人體重心上方的上支撐平衡運(yùn)動(dòng)；站立、手倒立、體操后橋等動(dòng)作，屬于支點(diǎn)在人體重心下方的下支撐平衡運(yùn)動(dòng)。23 人體運(yùn)動(dòng)模型的建立 進(jìn)行人體運(yùn)動(dòng)分析，建立適合研究需求的人體模型是十分關(guān)鍵的一個(gè)步驟。建立人體模型后，可以通過(guò)三維測(cè)量技術(shù)，如多維攝像系統(tǒng)，生物力測(cè)量系統(tǒng)等得到的人體的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)（往往是特

38、征點(diǎn)或標(biāo)志點(diǎn)等的空間坐標(biāo)），分析處理人體運(yùn)動(dòng)信息。 2.3.1 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(chǔ)建立其骨骼系統(tǒng)，即將關(guān)節(jié)看成關(guān)節(jié)點(diǎn)，將關(guān)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(lái)。圖2.1是棒狀人體模型示意圖當(dāng)分析人體各種動(dòng)作時(shí)，注意力就集中在對(duì)于姿式的分析上，這時(shí)候，人體各部分之間的相對(duì)位置就顯的尤為重要。特定時(shí)刻各個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)的位置連接起來(lái)，就能形成形象的棒圖，這是分析人體運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)，可以認(rèn)為是簡(jiǎn)化的人體運(yùn)動(dòng)模型。 圖2.1 棒狀人體模型示意圖2.3.2 人體運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系的建立人體運(yùn)動(dòng)可以分解成各肢體的特征點(diǎn)在空間中位置的變化過(guò)程。要定量地

39、描述人體的運(yùn)動(dòng)就必須定義一個(gè)坐標(biāo)系，通過(guò)分析肢體的各特征點(diǎn)在此坐標(biāo)系中的位移過(guò)程，可以得到人體的運(yùn)動(dòng)情況。在人體運(yùn)動(dòng)的研究領(lǐng)域，建立坐標(biāo)系有多種方法，如絕對(duì)坐標(biāo)系、相對(duì)坐標(biāo)系、極坐標(biāo)系等。以上肢為例，手臂的運(yùn)動(dòng)是靠肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié)的活動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，所以手臂運(yùn)動(dòng)的檢測(cè)就可以轉(zhuǎn)換為相鄰肢體環(huán)節(jié)間相對(duì)空間角度的檢測(cè)，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。同理，如果我們檢測(cè)出各環(huán)節(jié)的空間位置關(guān)系，同樣可以得到各關(guān)節(jié)的角度信息。圖2.2為手臂運(yùn)動(dòng)的模型。模型的建立是將手臂各個(gè)環(huán)節(jié)獨(dú)立化，即每個(gè)環(huán)節(jié)基于其父環(huán)節(jié)建立坐標(biāo)系，在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的檢測(cè)時(shí)只需要考慮該環(huán)節(jié)與父環(huán)節(jié)之間關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)情況。若確定

40、肩關(guān)節(jié)的坐標(biāo)，并假設(shè)人體不發(fā)生移動(dòng)，這樣，只需測(cè)量三個(gè)旋轉(zhuǎn)量就能確定大臂的運(yùn)動(dòng)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(duì)坐標(biāo)系，根據(jù)小臂繞X軸和Z軸的旋轉(zhuǎn)量，確定小臂的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。同理，可以根據(jù)固著在小臂上的坐標(biāo)系，確定手腕的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，這樣，只需要對(duì)大臂繞肩關(guān)節(jié)垂直旋轉(zhuǎn)、大臂繞肩關(guān)節(jié)的水平旋轉(zhuǎn)、大臂繞肩關(guān)節(jié)的扭轉(zhuǎn)、小臂繞肘關(guān)節(jié)的彎曲、小臂繞肘關(guān)節(jié)的扭轉(zhuǎn)及手腕繞腕關(guān)節(jié)的彎曲六種運(yùn)動(dòng)進(jìn)行測(cè)量就能確定整個(gè)手臂的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)。 圖2.2 手臂運(yùn)動(dòng)的模型雖然建立相對(duì)坐標(biāo)系有利于人體運(yùn)動(dòng)的分析，但是人體的運(yùn)動(dòng)一般是各關(guān)節(jié)、環(huán)節(jié)聯(lián)動(dòng)，而相對(duì)坐標(biāo)系計(jì)算的方法是要基于一個(gè)基坐標(biāo)，向最末端環(huán)節(jié)依次進(jìn)行坐標(biāo)的

41、變換，這便給運(yùn)動(dòng)的分析帶來(lái)不便，并且在進(jìn)行坐標(biāo)變換及分析計(jì)算時(shí)，由于采集精度、誤差等原因，都會(huì)帶來(lái)一定的偏差，這樣，經(jīng)過(guò)的關(guān)節(jié)、環(huán)節(jié)越多，其偏差積累也會(huì)越大。在某些具體的運(yùn)動(dòng)分析中，可能只關(guān)心肢體某一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，對(duì)于其父關(guān)節(jié)及以上關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)關(guān)注意義不大。本文在參考了大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，以人體運(yùn)動(dòng)空間建立絕對(duì)坐標(biāo)系，如圖3所示。以被測(cè)人體運(yùn)動(dòng)的空間為基礎(chǔ)建立一個(gè)直角坐標(biāo)系，每一個(gè)所關(guān)注的肢體端點(diǎn)，即關(guān)節(jié)在坐標(biāo)系中的三個(gè)正交軸上都會(huì)有一個(gè)投影。由于人體關(guān)節(jié)和環(huán)節(jié)的約束性，根據(jù)每一個(gè)關(guān)節(jié)的坐標(biāo)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(duì)坐標(biāo)系最大的好處是，如果只關(guān)注圖2.3中被測(cè)人體右前臂的運(yùn)動(dòng)

42、過(guò)程，則只需測(cè)量其右肘和右腕關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)軌跡，減少了無(wú)關(guān)的運(yùn)算。如果需要監(jiān)測(cè)人體整體運(yùn)動(dòng)，只需在基于由10個(gè)環(huán)節(jié)組成的棒狀模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)行12個(gè)點(diǎn)的測(cè)量就可完成運(yùn)動(dòng)的分析。測(cè)量點(diǎn)的位置分別為：頭、左肩、右肩、左肘、右肘、左腕、右腕、髖關(guān)節(jié)、左膝、右膝、左踝、右踝。 圖2.3 人體運(yùn)動(dòng)的絕對(duì)坐標(biāo)系24 小結(jié)人體是具有特定形態(tài)結(jié)構(gòu)的活體，運(yùn)動(dòng)形式多樣，動(dòng)作結(jié)構(gòu)不一，各肢體協(xié)調(diào)動(dòng)作，其運(yùn)動(dòng)過(guò)程相當(dāng)復(fù)雜。要想全面地揭示人體一系列運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象的本質(zhì)，需要應(yīng)用多種學(xué)科知識(shí)進(jìn)行綜合分析和研究。運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)、人體解剖學(xué)、電子信息技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了人體運(yùn)動(dòng)分析的進(jìn)步，各學(xué)科的發(fā)展提高了人體運(yùn)動(dòng)分析的技術(shù)，提出了更為科

43、學(xué)的分析方法。要對(duì)人體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行科學(xué)合理的分析，就要對(duì)運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)和人體運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)有著較為深入的了解。人體運(yùn)動(dòng)分析涉及速度、加速度、力等多項(xiàng)基本運(yùn)動(dòng)參數(shù)，大部分運(yùn)動(dòng)參數(shù)之間存在著數(shù)學(xué)函數(shù)關(guān)系。例如，對(duì)加速度參數(shù)進(jìn)行積分運(yùn)算即可得到速度、位移等信息。人體運(yùn)動(dòng)主要是人體各環(huán)節(jié)圍繞關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)。人體各類關(guān)節(jié)很多，在運(yùn)動(dòng)分析過(guò)程中，一般要根據(jù)人體運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)對(duì)人體進(jìn)行簡(jiǎn)化，并結(jié)合實(shí)際應(yīng)用建立適合的數(shù)學(xué)模型。本章根據(jù)當(dāng)前人體運(yùn)動(dòng)分析主流的棒狀人模型，建立了由10個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成的人體棒狀模型。由于人體運(yùn)動(dòng)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(guò)程及簡(jiǎn)化運(yùn)算，建立了基于人體運(yùn)動(dòng)空間的絕

44、對(duì)坐標(biāo)系。絕對(duì)坐標(biāo)系的建立減少了不必要的計(jì)算及因測(cè)量誤差帶來(lái)的積累偏差。 3 人體運(yùn)動(dòng)信息采集與分析的方法人體運(yùn)動(dòng)信息采集與分析是指運(yùn)用某種手段跟蹤、捕捉人體的運(yùn)動(dòng)，獲得人體運(yùn)動(dòng)的部分參數(shù)，并對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行分析和處理，從而得以重建人體的結(jié)構(gòu)和姿態(tài)或進(jìn)行其它的應(yīng)用。人體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所表現(xiàn)出來(lái)的運(yùn)動(dòng)信息主要體現(xiàn)在身體位置、關(guān)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(dòng)態(tài)力的變化速率等方面。對(duì)這些信息進(jìn)行測(cè)量并利用生物運(yùn)動(dòng)學(xué)技術(shù)進(jìn)行分析，可以對(duì)人體在運(yùn)動(dòng)中的狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)。人體運(yùn)動(dòng)分析的過(guò)程主要由運(yùn)動(dòng)的跟蹤測(cè)量、信號(hào)處理、數(shù)據(jù)分析所組成11。31 人體運(yùn)動(dòng)信息采集的方法隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展

45、，越來(lái)越多的高新技術(shù)被應(yīng)用到人體運(yùn)動(dòng)信息采集的研究中，目前人體運(yùn)動(dòng)信息采集的主要方法有：光學(xué)測(cè)量方法、非電量電測(cè)法、生物電信號(hào)測(cè)量法。3.1.1 光學(xué)測(cè)量方法為了對(duì)采集到的圖像信息進(jìn)行分析，需要對(duì)其進(jìn)行數(shù)字化處理，對(duì)于高速攝影所得到的運(yùn)動(dòng)信息一般通過(guò)影片解析儀，完成影片的數(shù)字化過(guò)程，圖4所示為影片數(shù)字化原理的示意圖。如圖3.1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(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)或進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。圖3.1 影片數(shù)字化原理 通過(guò)上述的原理介紹可知，一臺(tái)攝影機(jī)只能對(duì)物體或人體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行平面分析，而且當(dāng)遇到遮擋或進(jìn)行旋轉(zhuǎn)動(dòng)作時(shí)，只能對(duì)測(cè)

46、量點(diǎn)進(jìn)行估算。若要準(zhǔn)確地反映事物的運(yùn)動(dòng)特征，必須進(jìn)行三維立體分析。原則上要通過(guò)兩臺(tái)攝影機(jī)從不同角度同步進(jìn)行拍攝，這樣就能把物體或人體運(yùn)動(dòng)的空間特征描述出來(lái)。采用多臺(tái)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：1、定點(diǎn)三維正交法；2、定點(diǎn)三維直接線性變換法。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)程中需要對(duì)兩臺(tái)攝影機(jī)的的數(shù)據(jù)進(jìn)行正交合成，一般通過(guò)專用的影像解析軟件12系統(tǒng)來(lái)完成。以上介紹的高速攝影和攝像方法，可以對(duì)人體不施加任何約束，是正式比賽時(shí)可行的方法，但是為了從畫(huà)面中獲取關(guān)節(jié)點(diǎn)的位置信息，就需要在數(shù)字化儀上對(duì)著進(jìn)行逐幀分析，光電技術(shù)開(kāi)始被應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)檢測(cè)中。目前得到廣泛應(yīng)

47、用的產(chǎn)品主要有SELSPOT系統(tǒng)、VICON系統(tǒng)和COD系統(tǒng)。3.1.2 非電量電測(cè)法非電量電測(cè)法是把傳感器或傳感元件固定在被測(cè)物上，然后把被測(cè)物的力學(xué)參數(shù)由傳感器轉(zhuǎn)換為模擬電量，通過(guò)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(jì)算機(jī)處理。其原理框圖如圖3.2所示。傳感器或傳感原件力學(xué)參量放大器A/D轉(zhuǎn)換計(jì)算機(jī)輸出設(shè)備圖3.2 非電量電測(cè)法原理框圖在人體運(yùn)動(dòng)測(cè)量中，用于將力學(xué)參量轉(zhuǎn)換成電量的傳感器或傳感裝置主要有：測(cè)角儀、位移傳感器、力傳感器、慣性傳感器等。3.1.3 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)纱箢悺＿\(yùn)動(dòng)實(shí)踐中的肌電測(cè)量大多采用無(wú)損傷類的表面肌電遙測(cè)

48、技術(shù)，描記出肌肉活動(dòng)中的電信號(hào)變化過(guò)程，稱之為肌電圖。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。肌電圖在體育運(yùn)動(dòng)中應(yīng)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(diào)程度、收縮類型及強(qiáng)度、判斷肌肉疲勞程度及損傷、評(píng)定肌肉素質(zhì)等等都有比較成功的例子。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)

49、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。32 基于加速度傳感器的運(yùn)動(dòng)信息采集與分析人體的運(yùn)動(dòng)最終以肢體在空間中姿態(tài)、位置的變化來(lái)體現(xiàn)，對(duì)于運(yùn)動(dòng)過(guò)程的儲(chǔ)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(guò)對(duì)其積分得到，下面以人體前臂運(yùn)動(dòng)的信息測(cè)量為例，說(shuō)明加速度傳感器在人體運(yùn)動(dòng)信息采集中的應(yīng)用方法。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。通過(guò)固定于前臂上的三軸加速度傳感器的各個(gè)軸與重力方向(豎直向下)之間的夾角就可以檢測(cè)出人體前臂的運(yùn)動(dòng)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)

50、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)。以簡(jiǎn)單平面運(yùn)動(dòng)為例，待測(cè)者肘關(guān)節(jié)置于桌面上不動(dòng)，前臂繞肘關(guān)節(jié)做豎直平面的屈肘動(dòng)作，加速度傳感器安裝于腕關(guān)節(jié)，注意在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，應(yīng)保持其位置不變。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)。圖3.3 重力加速度對(duì)傳感器作用示意圖當(dāng)傳感器保持相對(duì)靜止時(shí)，會(huì)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(hào)，此加速度信號(hào)在三個(gè)軸上的輸出分量取決于三個(gè)敏感軸與重力方向的夾角。圖3.3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 、

51、，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：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。對(duì)上式求反函數(shù)可得到：從而可以求手臂的空間姿態(tài)。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)。繼而可以通過(guò)一系列數(shù)學(xué)運(yùn)算對(duì)瞬時(shí)的加速度、速度、力等參數(shù)進(jìn)行分析。33 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

52、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。進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析的首要環(huán)節(jié)便是運(yùn)動(dòng)參數(shù)的采集，如果不能準(zhǔn)確地將人體運(yùn)動(dòng)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(wú)從談起。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。目前主要的運(yùn)動(dòng)采集方法有：高速攝影、錄像解析、光電檢測(cè)、非電量電測(cè)肌電信息檢測(cè)等方法。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。而在側(cè)重

53、力學(xué)參數(shù)采集的場(chǎng)合，非電量電測(cè)法則更受青睞，這種方法是利用傳感元件將人的機(jī)械運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并加以處理，與圖像采集方式相比，非電量電測(cè)法在數(shù)據(jù)處理上要較圖像處理簡(jiǎn)單，由于非電量電測(cè)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(yùn)動(dòng)信息。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。加速度傳感器在不同的應(yīng)用領(lǐng)域、面對(duì)不同的檢測(cè)對(duì)象，其應(yīng)用方法也有所區(qū)別，以人體上臂運(yùn)動(dòng)為例，介紹了利用加速度傳感器測(cè)量和分析人體運(yùn)動(dòng)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(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

54、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)。如果對(duì)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(shuō)明此時(shí)被測(cè)肢體處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，通過(guò)對(duì)不同軸上加速度的大小進(jìn)行分析可以得到肢體運(yùn)動(dòng)的方向，速度大小等信息。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。41 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)信息采集系統(tǒng)由信號(hào)采集單元和數(shù)據(jù)處理單元兩部分組成，其整體

55、結(jié)構(gòu)如圖4.1所示，其中信號(hào)采集單元由一個(gè)主機(jī)和5個(gè)從機(jī)組成傳感網(wǎng)絡(luò)，從機(jī)作為傳感網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)，以三軸加速度傳感器ADXL330為核心器件，并設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理等電路，利用MSP430單片機(jī)作為控制器，5個(gè)從機(jī)根據(jù)測(cè)量需求分別被安裝于人體的監(jiān)測(cè)點(diǎn)上，信號(hào)采集單元的主機(jī)通過(guò)I2C總線控制5個(gè)從機(jī)進(jìn)行加速度信號(hào)的采集，并將各從機(jī)所采集到的數(shù)據(jù)集中，以無(wú)線通信的方式將其傳送至數(shù)據(jù)處理單元15。 圖4.1運(yùn)動(dòng)信息采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖在對(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4.2所示。圖4.2 信號(hào)采集單元從機(jī)安裝示意圖42 系統(tǒng)硬

56、件設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)信息采集系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)主要包括兩部分內(nèi)容：即信號(hào)采集單元電路設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)處理單元電路設(shè)計(jì)，下面對(duì)兩部分電路設(shè)計(jì)分別進(jìn)行介紹。4.2.1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。信號(hào)采集單元是由一個(gè)主機(jī)和多個(gè)從機(jī)組成的主從式傳感網(wǎng)絡(luò)，在進(jìn)行測(cè)量時(shí)，從機(jī)將被安裝于人體的被測(cè)點(diǎn)上，信號(hào)采集單元的所有從機(jī)，通過(guò)I2C總線受控于主機(jī)。 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)

57、的特點(diǎn)為依據(jù)16。在正常情況下，人體運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)中。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)。行走時(shí)，垂直方向的加速度幅度為-0.3g0.8g，而水平方向上頭部為-0.2g0.2g，腰部為-0.3g0.4g。在脛骨，垂直方向上加速度的幅度為-1.7g3.3g，而水平方向上為-2.1g2.3g，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 0.8Hz5Hz，而其峰值出現(xiàn)在腳部接觸到地面的時(shí)刻16。較高的頻率成分均是由腳和地面的沖擊力所造成的，并