快速肢體運動測量模塊設計與實現

?　一．前言

　　隨著微機電系統（MEMS）的快速發展[1]，人們已經將加速度傳感器應用于體育運動之中，用于獲取運動員的速度和力量等信息［2］。但是在高擺速運動場合，比如排球和小球運動員揮臂擊球過程，足球運動員的射門過程等，還應用較少。本文提及的高擺速運動場合，無一例外地需要運動者將手臂(或足)或球拍在短時間內以爆發力的方式獲得加速度，并且在擊球時得到一個反向加速度。研究此過程的意義在于：1、運動員發力分析，可以評價運動的爆發力大小，獲得定量的分析數據；2、可以測量出運動員的擺速，作為運動水平的評價參數之一；3、可以分析運動員的加速發力過程，判斷發力的時機是否恰當，并糾正錯誤動作。

　　最初人們利用攝影膠片攝取運動圖像，然后逐張膠片進行處理，整個分析過程復雜、周期長、耗材價格高，而且無法得到擊球時的受力情況。本文采用運動傳感器和的無線芯片，設計出一種實用的運動員擺速測量裝置，根據該裝置，可以分析運動員的發力過程和擊球瞬間的擺速值。

　　二．加速度傳感器的選型

　　高擺速場合下應用G傳感器需要考慮以下問題：1、實時性，由于運動是在短時間內瞬間完成，要求能夠高速采樣，實時處理；2、可靠性，因為在高擺速下擊球瞬間，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：一，對G傳感器的最大檢測G值有要求，人體的運動加速度幅度可高達±12G［3］，一般而言，采用±10G的加速度傳感器可以滿足需要；二，對G傳感器的檢測軸向有要求，由于裝配和實際使用的需要，最好選擇Z向的G傳感器；三、輕便性，要求整個系統重量輕，體積小，不會對運動帶來影響；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靜止的板中間夾一塊活動的板[4]，如圖一所示。由于中間夾板的移動，導致上下電容值的變化，通過測量電容值可以確定中間夾板的移動，從而得出芯片所受到的加速度。

圖一：簡化的加速變換模型

　　三．系統結構

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

圖二：測量系統發射端

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

　　考慮到本加速度測量系統的一次測量過程通常在0.5秒(甚至在0.1秒)之內完成，而且，在運動過程中的某些運動參數，可能需要更短的時間內來測量，例如乒乓球運動中，重量僅為2.5g，直徑4.0cm球和球拍接角時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時鐘/32同步(125到625kHz)，每個時鐘周期產生2位采樣轉換值，完全可以滿足需要。在設計時，需要將AD采樣率設置為大于10Ksps。

　　四．測量流程

　　在[6]中給出了手臂運動學模型。其中單手將剛體從某個方位移動到另一方位，此方位具有6個自由度：3個位移自由度和3個旋轉自由度。實際中，需要對此作簡化處理，將運動手臂或球拍考慮為在一個平面中進行，如果將傳感器適當安裝，使得其與運動方向始終垂直，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。為了簡單起見，可以只檢測Z向的加速度。啟動發射之前，保持Gz=0約1秒鐘，然后揮動手臂，則Gz>0，此時啟動發射。一般而言，運動者一次揮臂時間會在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)為發射系統軟件處理流程，(b)為發射子系統發射過程，(c)為接收子系統接收過程。

　　接收到數據后，通過串口輸入到PC內部，由PC端軟件進行處理。

(a)

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

圖三? 軟件處理流程

　　五數據處理

　　圖四為某位業余乒乓球愛好者揮臂擊球過程的曲線擬合圖，圖中的極值點是球與球拍接觸造成，可以看出乒乓球對球拍產生的瞬間沖擊力。根據此圖，可以較容易地采用Trapezoid方法來求出運動者的最大擺速和擊球時的擺速。

圖四 加速度測量結果

　　六．總結

　　快速肢體運動在體育運動界備受關注，但長期以來都是借助高速攝像進行研究，其成本高，且無法分析運動者的受力狀況。本文作者創新點在于，采用高速采樣的加速度傳感器和射頻芯片進行快速肢體運動的速度和力量數據采集，所設計的系統采用元件數目少，結構簡潔，成本低廉，采樣速率可達到10Ksps以上，且功耗低，可以同時分析運動者的速度和力量狀況，適合于在各種小球運動及其他體育運動項目中的快速肢體運動測量。