快速肢體運動(dòng)測量模塊設計與實(shí)現

　　隨著(zhù)微機電系統（MEMS）的快速發(fā)展[1]，人們已經(jīng)將加速器傳感器應用于體育運動(dòng)之中，用于獲取運動(dòng)員的速度和力量等信息［2］。但是在高擺速運動(dòng)場(chǎng)合，比如排球和小球運動(dòng)員揮臂擊球過(guò)程，足球運動(dòng)員的射門(mén)過(guò)程等，還應用較少。本文提及的高擺速運動(dòng)場(chǎng)合，無(wú)一例外地需要運動(dòng)者將手臂(或足)或球拍在短時(shí)間內以爆發(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、運動(dòng)員發(fā)力分析，可以評價(jià)運動(dòng)的爆發(fā)力大小，獲得定量的分析數據；2、可以測量出運動(dòng)員的擺速，作為運動(dòng)水平的評價(jià)參數之一；3、可以分析運動(dòng)員的加速發(fā)力過(guò)程，判斷發(fā)力的時(shí)機是否恰當，并糾正錯誤動(dòng)作。

　　最初人們利用攝影膠片攝取運動(dòng)圖像，然后逐張膠片進(jìn)行處理，整個(gè)分析過(guò)程復雜、周期長(cháng)、耗材價(jià)格高，而且無(wú)法得到擊球時(shí)的受力情況。本文采用運動(dòng)傳感器和的無(wú)線(xiàn)芯片，設計出一種實(shí)用的運動(dòng)員擺速測量裝置，根據該裝置，可以分析運動(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)合下應用G傳感器需要考慮以下問(wèn)題：1、實(shí)時(shí)性，由于運動(dòng)是在短時(shí)間內瞬間完成，要求能夠高速采樣，實(shí)時(shí)處理；2、可靠性，因為在高擺速下?lián)羟蛩查g，受到的沖擊力較大，因此對系統的可靠性要求較高。具體體現在以下幾點(diǎn)：一，對G傳感器的最大檢測G值有要求，人體的運動(dòng)加速度幅度可高達±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G傳感器的檢測軸向有要求，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)系統重量輕，體積小，不會(huì )對運動(dòng)帶來(lái)影響；四、對傳感器內部的采樣率有要求，由于系統測量在瞬間完成(0.5秒內)，因此希望內部采樣率足夠高，例如10KHz以上，這樣才能夠體現諸如小球運動(dòng)中撞擊瞬間受力情況。

　　根據以上因素，考慮選用FREESCALE的MMA7261Q，MMA7261Q由表面微機械電容性傳感單元(g單元)和一個(gè)CMOS信號調理的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)，導致上下電容值的變化，通過(guò)測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．系統結構

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

圖二：測量系統發(fā)射端

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

　　考慮到本加速度測量系統的一次測量過(guò)程通常在0.5秒(甚至在0.1秒)之內完成，而且，在運動(dòng)過(guò)程中的某些運動(dòng)參數，可能需要更短的時(shí)間內來(lái)測量，例如乒乓球運動(dòng)中，重量?jì)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內部具有11KHz的采樣模擬輸出輸出。

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

　　四．測量流程

　　在[6]中給出了手臂運動(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)旋轉自由度。實(shí)際中，需要對此作簡(jiǎn)化處理，將運動(dòng)手臂或球拍考慮為在一個(gè)平面中進(jìn)行，如果將傳感器適當安裝，使得其與運動(dòng)方向始終垂直，則可以只考慮Z軸的加速度即可。

　　系統的操作流程如下，上電啟動(dòng)后，先設置G傳感器最大值為±10g，然后設置AD采樣率和通道，并配置nRF2401子系統。為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，可以只檢測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，運動(dòng)者一次揮臂時(shí)間會(huì )在0.3秒之內完成，因此只檢測0.3秒，然后再次保持Gz=0約1秒鐘，重新測量。圖三為軟件處理流程圖。其中(a)為發(fā)射系統軟件處理流程，(b)為發(fā)射子系統發(fā)射過(guò)程，(c)為接收子系統接收過(guò)程。

　　接收到數據后，通過(guò)串口輸入到PC內部，由PC端軟件進(jìn)行處理。

(a)

(b) (c)

圖三 軟件處理流程

　　五數據處理

　　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，可以看出乒乓球對球拍產(chǎn)生的瞬間沖擊力。根據此圖，可以較容易地采用Trapezoid方法來(lái)求出運動(dòng)者的最大擺速和擊球時(shí)的擺速。

圖四 加速度測量結果

　　六．總結

　　快速肢體運動(dòng)在體育運動(dòng)界備受關(guān)注，但長(cháng)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)行快速肢體運動(dòng)的速度和力量數據采集，所設計的系統采用元件數目少，結構簡(jiǎn)潔，成本低廉，采樣速率可達到10Ksps以上，且功耗低，可以同時(shí)分析運動(dòng)者的速度和力量狀況，適合于在各種小球運動(dòng)及其他體育運動(dòng)項目中的快速肢體運動(dòng)測量。

　　[1] 李國厚，白林風(fēng)，　微機電系統的發(fā)展與應用，微計算機信息2003年第19卷第9期

　　[2] 余仁淵，陳其亮， 人體運動(dòng)感知系統之設計，機械工業(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