基于加速度傳感器的人體運動信息采集系統(tǒng)設計

1、畢業(yè)設計說明書基于加速度傳感器的人體運動信息采集系統(tǒng)設計學生姓名： 學號： 學 院： 專 業(yè)： 指導教師： 2012 年 6 月基于加速度傳感器的人體運動信息采集系統(tǒng)設計摘要人類運動與人體健康息息相關，一直以來受到人們的廣泛關注，隨著運動生物力學、人體測量學的發(fā)展，人們對人體運動的研究日益深入。本文以運動生物力學理論為基礎，對人體運動參數(shù)的測量和分析方法進行了研究，主要目的在于探索運動生物力學參數(shù)之間的關系，通過運動生物力學參數(shù)的測量、分析揭示人體運動的規(guī)律，在人體姿態(tài)識別、體育訓練等方面提供理論指導。在對人體結構及人體運動的特點進行了介紹和總結的基礎上，為了便于人體運動研究，建立了人體運動的

2、棒狀模型及便于分析計算的人體坐標系。通過對常用人體運動參數(shù)測量方法的分析，提出了利用加速度參數(shù)進行運動測量和分析的方法。應用加速度傳感器實現(xiàn)了對肢體運動的測量，并利用加速度參數(shù)與速度、位移等參數(shù)之間的數(shù)學關系實現(xiàn)了對其它運動參數(shù)的求解，從而對人體運動的姿態(tài)、動作軌跡等進行分析。自行設計了運動采集系統(tǒng)，系統(tǒng)分為信號采集單元與數(shù)據(jù)處理單元兩個部分，以 ARM7、三軸加速度計ADXL330為核心，可實現(xiàn)最多5個傳感器網絡節(jié)點的信息采集及數(shù)據(jù)分析。在對系統(tǒng)完成性能測試的基礎上進行了運動測量的實驗，并將其應用到電腦游戲的控制中進行可靠性的測試，實驗結果驗證了利用運動信息采集系統(tǒng)對人體運動信息進行采集和分

3、析的方法是可行的。利用加速度參數(shù)對人體簡單運動進行分析的方法方便可行，但在復雜運動的分析中，則需要更多的信息進行綜合分析。因此，對于人體運動的研究，應綜合多種方法，盡可能獲取更多的信息，以使得人體運動分析更加科學、合理。 關鍵詞：運動生物力學，人體模型，運動信息采集，加速度傳感器，運動測量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、目的和意義錯誤！未定義書簽。1.1.1 課題研究背景錯誤！未定義書簽。1.1.2 課程研究目的及意義錯誤！未定義書簽。12 人體運動信息采集及應用的發(fā)展與現(xiàn)狀錯誤！未定義書簽。1.2.1 人類對人體運動研究的發(fā)展歷程21.2.2 人體運動信息的應用現(xiàn)狀31.2.3 有關人體運動信息研究的應用413 論文的主要工作和章節(jié)安排52人體運動信息采集與分析的理論基礎72

12、1 運動生物力學的相關理論72.1.1 運動生物力學的基本運動參數(shù)72.1.2 運動生物力學的測量方法722 人體生理結構及運動特點82.2.1 人體關節(jié)、環(huán)節(jié)的運動82.2.2 人體運動的特點823 人體運動模型的建立92.3.1 人體的棒狀模型92.3.2 人體運動坐標系的建立1024 小結123人體運動信息采集與分析的方法1331 人體運動信息采集的方法133.1.1 光學測量方法133.1.2 非電量電測法143.1.3 肌電信號測量法1432 基于加速度傳感器的運動信息采集與分析1533 小結164人體運動信息采集系統(tǒng)的設計1841 系統(tǒng)總體設計1842 系統(tǒng)硬件設計194.2.1

13、信號采集單元電路設計194.2.2 數(shù)據(jù)處理單元電路設計2343 系統(tǒng)軟件設計284.3.1 信號采集單元程序設計284.3.2 數(shù)據(jù)處理單元程序設計3044 本章小結335結論34附錄36參考文獻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世界的一種生物體，理所當然是與運動密切相關的，現(xiàn)有科學技術也明確的告訴我們，物質的運動時絕對的，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，都是無時無刻不在運動。而人類也在社會的不斷發(fā)展進步中，對運動的認識也在逐步深入，研究的范圍也在不斷拓展。隨著時代的發(fā)展，當代的人們對健康的更加關注及需求

14、，也推動著與其息息相關的人體運動研究的發(fā)展。從而使得人體運動測量學、人體運動生物力學等學科的研究也取得了巨大的進步。而且各種體育賽事已經深入到人類活動的每一個角落，體育競技的強度也在不斷提升，整個社會都在努力地尋求突破，需要掌握更多的人體運動信息，這也進一步促進了整個人類社會在這個領域的巨大投入。因此，對人體運動信息的研究也就成了現(xiàn)代科學研究的一項重要的學科，以人體的運動為研究對象，精確地獲取人體在運動過程中位移、速度、加速度、力以及肌電信號等，并進行處理以及分析，是現(xiàn)代生物醫(yī)學發(fā)展的重要推動力，也備受青睞及關注。1.1.2 課程研究目的及意義在研究人體運動時，我們實際上把人體當做一個物質的合

15、成體，通過人體的外部運動表現(xiàn)出來信息，去分析人體的內部運動，諸如腦部的運動：思維、決策等形成完成外部動作的指令的過程等。而且我們必須由外到內的去分析研究，分析兩者之間的聯(lián)系及紐帶，這樣才能更好地認識人體自身，獲得足夠的科學依據(jù)，來為人類社會的發(fā)展做出應有的貢獻?？偹苤?，人體的構造十分的復雜，故而對人體運動學的研究也就要涉及的很多的學科，要找到這些學科如運動學、動力學、人體解剖學等諸多學科的交叉，采集人體運動信息，以及在各種力的作用下，人體內部器官系統(tǒng)力學與人體進行局部或者整體運動時，人體在時間和空間的位置，姿勢、運動狀態(tài)等的變化規(guī)律，繼而進行分析研究1。在對人體運動信息的研究過程中，最關鍵的

16、一環(huán)就是對人體運動信息的檢測和采集，而人體運動檢測技術囊括了醫(yī)學、物理學、數(shù)學、計算機科學等諸多學科，又與虛擬現(xiàn)實技術、建模技術、計算機動畫技術、模式識別技術、人機交互技術、數(shù)據(jù)可視化技術、及傳感器技術息息相關。相應的，人體運動學的應用領域也是十分的廣闊，主要包括在以下幾個領域2：醫(yī)學保健領域，主要應用于對人體運動功能及損傷做出更直接有效地評估，分析受損原因，以利于更好地救治及預防3；體育領域，可以通過對運動員運動時所蘊藏的生物力學信息探測分析來塑造運動技術的標準模式，找到運動技術最佳的途徑，從而改善訓練的方式，使運動員能夠在運動技術上有所突破，更有力地參與到競技比賽中，獲得更加優(yōu)異的成績；教

17、育交流領域，可以通過對肢體語言所傳達的信息去分析人體的內部活動，甚至可以解決與聾啞人的交流問題；虛擬現(xiàn)實領域，主要應用于人與虛擬現(xiàn)實環(huán)境的交互，將真實生活中的人體運動映射到虛擬環(huán)境。因此，對人體運動信息的采集無論是在理論研究還是實際應用中都有著非常廣泛的應用和非常重大的意義。1.2 人體運動信息采集及應用的發(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，古希臘的哲學家己經有了描述分析人體運動的記載，但真正意義上的人體運動研究是和人體解剖學的完善及力學的發(fā)展分不開的。法國物理學家笛卡爾在17世紀初曾經嘗試著將人體看作機器，并從純力學的觀點建立了一個十分復雜的人體結構模型，甚至包括神

18、經系統(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專家豐富這種理論分析方法并取得成就。與笛卡爾同時代的意大利解剖學家博雷利將解剖學和力學結合起來，比較系統(tǒng)地研究了動物和人體的運動，并完成了學術著作論動物的運動一書。至此，人體運動的研究基本處在力學原理性分析階段。十九世紀末，意大利科學家列奧納多達芬奇從人體解剖和力學的角度，研究了人體的各種姿勢和運動，其中對人體步態(tài)的力學研究和近代人體運動學研究相仿，首先提出了“一切能夠運動的生物體都遵循力學定律而運動”的重要觀點。1.2.1 人類對人體運動研究的發(fā)展歷程人體運動研究從力學原理性分析階段進入實驗測量階段的早期學者是法國生理學家韋伯兄弟

19、。他們在1836年用時鐘計時的方法測量了人在走路過程中的時間空間特征，并得出了步速和身體支撐時間成反比關系的結論。他們的法國同行繆勒(G.Muller)用同樣的方法測量了人體走和跑時下肢支撐期和擺動期的時間和比例關系，此時的人體運動測量手段應該說很簡陋4。后來攝影影像技術的引入，使運動測量手段有了很大的飛躍。1877年，美國攝影師麥布里奇(E.Muybridge)用24臺照相機拍攝了馬奔跑的連續(xù)照片，后來他又拍攝了人體走、跑等動作的連續(xù)照片，并在1901年發(fā)表了專著運動中的人體運動圖像，從而奠定了影像測量方法的基礎。幾年后，馬勒(Maler)、德美尼(Demeni)等提出了運動軌跡定位照相法和

20、連續(xù)光點照相法，這些方法直到現(xiàn)在仍被用來研究人體運動。20世紀30年代英國生理學家希爾(A.V.Hill)開展了關于肌力的研究，取青蛙的縫匠肌為試樣，通過測量肌肉在縮短過程中的肌張力、肌肉縮短速度、肌肉產生的熱量及肌肉維持痙攣狀態(tài)所需的熱量，并按照熱力學第一定律建立了與實驗結果一致的希爾方程。從此，人體運動生物力學的一個重要領域：肌力與肌肉的生理特性的相關研究逐漸發(fā)展起來。20世紀后半葉以來，計算機及電子技術的飛速發(fā)展以及傳感技術、優(yōu)化技術等智能分析技術的應用帶來更為準確便捷的現(xiàn)代測量技術。繼阿馬爾(Amaer)研制了第一臺兩分量測力臺，使運動生物力學進入在體動力學測量后，萊曼德(Reymon

21、d)在伽伐尼(Galvani)論在肌肉運動中的電力的基礎上，創(chuàng)立了肌電測量技術。阿馬爾和埃弗特曼(Elftman)基于人體運動效率，創(chuàng)立了力能學測量技術，后人從此技術進一步發(fā)展了肌力優(yōu)化技術和能量優(yōu)化技術。高速攝影技術、傳感測量技術以及同步測量技術應用于運動生物力學的測量后，使得人體運動生物力學測量的研究進入了三維運動學和空間力學研究的層面上，為全面研究人體運動效能提供了良好的保證。與此同時，多剛體動力學和計算力學的在解決人體運動學問題的同時，獲得了實驗技術的支持。1.2.2 人體運動信息的應用現(xiàn)狀以測量及同步測量技術為標志的現(xiàn)代運動生物力學測量技術，己經使得人體的運動測量可實現(xiàn)實時化、可視化

22、以及三維空間范圍內的測量分析。雖然現(xiàn)代測量技術為運動生物力學的發(fā)展提供了強有力的催化劑，但是我們應該認識到研究生物運動的力學問題，根本上取決于測量研究技術以及分析技術。學術界的研究者己經意識到現(xiàn)代測量技術應用于人體運動分析的局限性源于對人體運動力學的本質認識還不夠深入。運動生物力學的測量技術還依賴于其他學科，如計算機技術、電子測量技術、人體生理學等相關學科的發(fā)展。當代高科技理論與技術對運動訓練領域全面、深入的滲透和介入已成為當今競平的體育訓練和大賽中，運動員的整套動作都將被詳細記錄，用于賽后技體育發(fā)展的主要趨勢。目前在體育訓練中，有著相對成熟的訓練規(guī)律和方法，但是人體的個體差異性較大，如何能夠

23、科學地運用這些規(guī)律就要求對運動員的訓練要因人而異，這就要求對人體運動的相關信息進行盡可能詳細的采集和分析58。國外將加速度傳感器應用于體育訓練的研究比較領先。較早有Carlijn V.C.Bouten等人，采用壓阻式三軸加速度傳感器測量人體運動加速度與能量消耗的關系。實現(xiàn)對人體在坐、行走等日?；顒又羞\動加速度的測量，進而由實驗獲得加速度值與人體運動能量消耗的關系。從其測量結果分析來說，加速度值能反映被測人體一定的運動強度。利用加速度傳感器輸出值與人體站、坐、走、跑、跳、騎等日常生活運動能量消耗之間的關系，結合相關皮膚溫度、心率等測量傳感器，經相關算法軟件分析及實驗標定等6。這種設備能用于對運動

24、員訓練強度實時檢測、分析，從而為運動員體能訓練提供可行、準確、實時的測量，用以指導體能訓練。國內也有很多單位在此方面進行了深入的研究，如西安市第四軍醫(yī)大學，生物醫(yī)學工程系的焦純、楊國勝等人利用三維加速度傳感器設計并研制了一種訓練強度監(jiān)測儀7用于評估士兵訓練狀況和訓練效率。在考慮人體運動加速度幅值、頻率的有效范圍下，為實現(xiàn)對靜、穩(wěn)態(tài)和動態(tài)激勵都有較好的響應，其選用了具有頻帶寬、靈敏度高、內置防震裝置、性價比較高的壓阻式加速度傳感器，即ICSENSOR公司生產的3個3031型單軸加速度傳感器，并通過正交組合成三維加速度傳感器，及相應的電路信號處理、運動數(shù)據(jù)記錄與分析處理等實現(xiàn)對訓練現(xiàn)場的運動等進行

25、記錄與評估。1.2.3 有關人體運動信息研究的應用在骨科醫(yī)療和康復領域中，為了評價殘疾、診斷疾病和鑒定康復的效果，客觀而有效的方法就是進行步態(tài)分析和人體其它部位的功能評定。一般在醫(yī)學臨床上，應用加速度傳感器測量來實現(xiàn)對患有腿部關節(jié)、運動障礙等疾病的病人進行輔助診斷、治療的研究報告（包括對患者的步態(tài)、坐姿、姿態(tài)等的辨析等）。因為測量人體行走時有關肢體運動狀態(tài)等物理量，可以幫助我們分析人體一些部位（特別是關節(jié)）的運動功能，進而為醫(yī)療康復等提供一定的參考依據(jù)。 加速度傳感器應用于醫(yī)學臨床上對患者運動功能檢測的資料較多，例如將加速度傳感器捆綁在患者的手臂、腰背等部位，或者再加以結合其它的測量手段來對患

26、者運動功能實現(xiàn)檢測與治療診斷7。在運動生理力學研究方面，人體運動的計算機仿真是更高層次的研究內容，是研究人體運動規(guī)律的有效手段；并具有很高的理論和實際應用價值，如用于碰撞的仿真、分析人的運動特征、醫(yī)療中腦神經外科診斷以及步態(tài)研究等。當然研究人體運動的手段和方法很多，其中實驗方法是一個非常有前景的研究方法，充分利用實驗所獲得的測試數(shù)據(jù)，可以簡化人體建模的復雜性，縮短研究周期，模擬人體運動的實例。通常采用運動生物力學測試手段，可以得到相關人體運動的數(shù)據(jù)，當然還要借助于影像儀、多維測力臺、肌電儀等設備。但要獲取全面的人體運動測試數(shù)據(jù)，必須綜合利用這些設備，因此人體運動信息的采集、應用、研究的發(fā)展很大

27、程度上要依賴于人體運動測試和感知技術?？偟膩碚f，加速度傳感器所獲取的信息能為人體運動的仿真研究提供可靠、準確的原始信息數(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容：其一，人體運動信息采集的原理和方法。采集人體運動信息，關鍵是要根據(jù)人體運動的特點，建立人體運動的模型，要考察人體的運動特點，需要從運動與控制等多個角度來體現(xiàn)生命系統(tǒng)的部分特征。人體的運動是一種復雜的，靈活的多自由度運動。其二，加速度傳感器的原理及應用。加速度傳感器是一種能夠測量加速力的電子設備，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、熱傳導式、隧道式、光纖式、熱對流式等。無論采用

28、哪種工作方式，加速度傳感器的工作原理都是相似的，將由慣性作用產生的機械運動或變形轉換為電信號的變化。其三，運動信息采集系統(tǒng)的設計。運動信息采集系統(tǒng)的硬件設計分成兩個部分，即信號采集單元和數(shù)據(jù)處理單元。其中信息采集部分安裝于肢體的各個測量點，由多個加速度計網絡節(jié)點和一個主機組成，每個節(jié)點由一個單片機控制，節(jié)點與主機之間通過I2C總線通訊。本文的主要內容和章節(jié)安排如下：第一章：緒論。簡單闡述人體運動信息獲取技術的研究情況，主要對人體運動加速度信息獲取方法和研究現(xiàn)狀進行了分析，最后提出了本課題研究意義和研究任務。第二章：人體運動信息采集與分析的理論基礎。首先闡述運動生物力學的相關理論，確定血藥測量的

29、一些運動信息參數(shù)，繼而分析得出其測量方法。然后是了解人體的生理結構和及其運動特點，最終建立人體的運動模型。第三章：人體運動信息采集與分析的方法。較為詳細的論述人體運動信息采集的各種方法，并分析它們之間的優(yōu)缺點。并舉例討論基于加速度傳感器的人體運動信息采集的運動分析，就是利用相應的測量手段，測量、采集人體運動的部分生物力學參數(shù)，并對這些參數(shù)進行相關分析和處理以得到更多的運動信息。第四章：人體運動信息采集系統(tǒng)的設計。首先對本課題的系統(tǒng)總體設計進行概述，給出系統(tǒng)任務。為了對人體運動進行較為深入的研究和實驗，研制基于加速度傳感器的運動信息采集系統(tǒng)，本章對于系統(tǒng)的功能、軟件、硬件的構成，做了詳細的介紹。

30、第五章：結論。2 人體運動信息采集與分析的理論基礎21 運動生物力學的相關理論 運動生物力學的發(fā)展，對人體運動測量學起到了巨大的推動作用，運動生物力學研究的內容是人體運動中的機械運動規(guī)律。人體運動的含義可以理解為人體整體、肢體位置的移動（位移），包括競技體育運動、大眾體育運動、日?；顒雍蜕a勞動等。運動生物力學應用生物學和力學的理論、方法，研究人體從事各種運動、活動和勞動的動作技術, 使復雜的人體動作技術奠基于最基本的生物學和力學規(guī)律之上，并以數(shù)學、力學、生物學以及動作技術原理的形式加以定量描述8。人體運動、活動和勞動中的各種動作技術，可以通過運動生物力學方法進行測試研究，從而提高運動技術水平

31、9。運動生物力學通過研究人體在運動中表現(xiàn)出的力、速度、加速度等參數(shù)與人體結構特性的關系，來揭示人體運動的基本規(guī)律，獲得有價值的運動參數(shù)，從而進一步了解復雜的人體運動，為更深入地研究人體運動的相關技術提供重要依據(jù)。2.1.1 運動生物力學的基本運動參數(shù)為了更準確地對人體運動進行研究分析，首先要對運動生物力學常用的基本運動參數(shù)進行了解。運動生物力學常用的參數(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、動量、沖量、動量、力矩、動量矩、沖量矩、動能、位能、質量、重量、重心、人體環(huán)節(jié)質量、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、姿勢角、攻角、穩(wěn)

32、定角等。對于人體運動的分析和描述都離不開以上運動生物力學參數(shù)，其中部分參數(shù)可通過儀器直接測量得到，另一些參數(shù)則需要根據(jù)其它參數(shù)進行運算得到9。2.1.2 運動生物力學的測量方法運動學方法中的平面定機攝影攝像測量方法、平面跟蹤攝影攝像測量方法、立體定機攝影攝像測量方法、立體跟蹤攝影攝像測量方法、紅外光點攝像測量方法、激光測試儀測量方法、分段計時測量方法；動力學方法中的三維測力臺測試方法、等速測力儀測試方法、A.K.M和B.K.M測力儀測力方法、T.K.K測力儀測力方法、賽艇多參數(shù)遙測分析系統(tǒng)測試方法、動態(tài)力的應變測試方法、人體運動能量測量方法；生物學方法中的人體形態(tài)學測量方法、人體重心測量方法、

33、肌電測量方法、人體柔韌性測量方法、人體環(huán)節(jié)慣性參數(shù)測量方法、轉動慣量測量方法等等。此外，還有多機同步測量方法、神經網絡模型分析方法、數(shù)學模型與計算機仿真方法以及運動生物力學測試資料的統(tǒng)計處理與分析方法等。22 人體生理結構及運動特點 要進行人體運動生物力學參數(shù)的測量及運動的相關研究，需要對人體的生理結構及運動特點有一定的了解。人體是一個由 206 塊形狀各異的骨骼互相連接而構成的復雜有機體。運動系統(tǒng)是由骨骼和固著在骨上的肌肉組成的。在神經系統(tǒng)的支配下，肌肉發(fā)生收縮和舒張，牽動骨骼，使人體能夠進行各種運動，其實質是肢體圍繞關節(jié)運動，因此可將人體看成多段剛體的組合，每段剛體之間由相應的關節(jié)連接，構

34、成一個連接型剛體系統(tǒng)。因為人體的所有運動都是通過關節(jié)的運動來實現(xiàn)的，所以最關鍵的是分析各個關節(jié)的自由度、相應的運動幅度以及多個關節(jié)之間的約束和聯(lián)動。 2.2.1 人體關節(jié)、環(huán)節(jié)的運動人體運動的基礎是環(huán)節(jié)圍繞關節(jié)軸的轉動，通常說的關節(jié)和環(huán)節(jié)運動都是指環(huán)節(jié)繞關節(jié)軸的轉動。關節(jié)轉動根據(jù)轉軸種類和轉動方向的不同，分為五種：屈伸：肢體在矢狀面內繞額狀軸轉動（運動）向前運動為屈，向后運動為伸。水平屈伸：上臂在肩關節(jié)處和大腿在髖關節(jié)處外轉90度后，繞垂直軸向前運動叫水平屈，向后運動叫水平伸。外展內收：肢體在額狀面內，繞矢狀軸運動，遠離正中面為外，靠近正中面為內收?；匦褐w在水平面內，繞其身的垂直軸旋轉，如

35、前臂由前向內的旋轉叫旋內（或叫旋前），由前向外旋轉叫旋外（或叫旋后）。人體肢體通過環(huán)節(jié)圍繞關節(jié)的各種運動的組合實現(xiàn)不同的基本動作，所以當充分了解了各環(huán)節(jié)與關節(jié)的相對位置、角度的信息，即可推算出人體所處的姿態(tài)。2.2.2 人體運動的特點 人體運動分析的主要目的是使計算機能夠跟蹤、分類和識別人體運動。在真實的世界中，人體的運動非常復雜，如果不做限制，任何人體部位的空間位置變化都可以被當做人體運動。從認知的角度可以把人體運動分為三個不同層次：行為、行動、基本動作。其中，基本動作是運動的最基本單元，它可以用人體關節(jié)在一段時間內的時空軌跡表示。行動是定義在基本動作之上的運動。它是一些基本動作的組合。而行

36、為主要指包含與特定環(huán)境相關的確切語意的行動。行動和行為最主要的是感知和理性認識的區(qū)別。在體育領域，對于人體運動的研究最為深入和廣泛。所有的體育運動被分為田徑、體操、球類、游泳、滑冰和武術等大的項目。在這些項目中，有人體靜止的平衡運動，也有位置發(fā)生變化的位移運動。從純力學觀點來說，除了平衡運動以外，對于位移運動，大致可以分為平動和轉動兩類。平動是人體由一個地方到另一個地方的運動，人體平動時，其內部所引的任何一條直線總是跟原來的方向平行的。轉動是人體圍繞著轉動軸所做的運動。人體轉動時，其內部各點都圍繞同一個中心做圓周運動或轉過一段弧線。人體平動可以分為直線運動和曲線運動。曲線運動可以分為一般曲線運

37、動和圓周運動。當我們把解剖學和力學結合起來分析人體運動時，不僅要考慮到人體運動的力學特征，還要考慮到人體運動的解剖學特征，因此，我們把人體運動分為以維持平衡為主的靜力性運動和變化復雜的動力性運動。靜力性運動包括支點在人體重心上方的上支撐平衡運動，和支點在人體重心下方的下支撐平衡運動。各種懸垂動作，屬于支點在人體重心上方的上支撐平衡運動；站立、手倒立、體操后橋等動作，屬于支點在人體重心下方的下支撐平衡運動。23 人體運動模型的建立 進行人體運動分析，建立適合研究需求的人體模型是十分關鍵的一個步驟。建立人體模型后，可以通過三維測量技術，如多維攝像系統(tǒng)，生物力測量系統(tǒng)等得到的人體的運動數(shù)據(jù)（往往是特

38、征點或標志點等的空間坐標），分析處理人體運動信息。 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為基礎建立其骨骼系統(tǒng)，即將關節(jié)看成關節(jié)點，將關節(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。圖2.1是棒狀人體模型示意圖當分析人體各種動作時，注意力就集中在對于姿式的分析上，這時候，人體各部分之間的相對位置就顯的尤為重要。特定時刻各個關節(jié)點的位置連接起來，就能形成形象的棒圖，這是分析人體運動的基礎，可以認為是簡化的人體運動模型。 圖2.1 棒狀人體模型示意圖2.3.2 人體運動坐標系的建立人體運動可以分解成各肢體的特征點在空間中位置的變化過程。要定量地

39、描述人體的運動就必須定義一個坐標系，通過分析肢體的各特征點在此坐標系中的位移過程，可以得到人體的運動情況。在人體運動的研究領域，建立坐標系有多種方法，如絕對坐標系、相對坐標系、極坐標系等。以上肢為例，手臂的運動是靠肩關節(jié)、肘關節(jié)和腕關節(jié)的活動來實現(xiàn)的，所以手臂運動的檢測就可以轉換為相鄰肢體環(huán)節(jié)間相對空間角度的檢測，得到了相鄰環(huán)節(jié)間的角度，就可以推出其空間位置關系。同理，如果我們檢測出各環(huán)節(jié)的空間位置關系，同樣可以得到各關節(jié)的角度信息。圖2.2為手臂運動的模型。模型的建立是將手臂各個環(huán)節(jié)獨立化，即每個環(huán)節(jié)基于其父環(huán)節(jié)建立坐標系，在進行運動的檢測時只需要考慮該環(huán)節(jié)與父環(huán)節(jié)之間關節(jié)的運動情況。若確定

40、肩關節(jié)的坐標，并假設人體不發(fā)生移動，這樣，只需測量三個旋轉量就能確定大臂的運動姿態(tài)。確定了大臂的位置以后，就可以用附著在大臂上的相對坐標系，根據(jù)小臂繞X軸和Z軸的旋轉量，確定小臂的運動姿態(tài)。同理，可以根據(jù)固著在小臂上的坐標系，確定手腕的運動姿態(tài)，這樣，只需要對大臂繞肩關節(jié)垂直旋轉、大臂繞肩關節(jié)的水平旋轉、大臂繞肩關節(jié)的扭轉、小臂繞肘關節(jié)的彎曲、小臂繞肘關節(jié)的扭轉及手腕繞腕關節(jié)的彎曲六種運動進行測量就能確定整個手臂的運動姿態(tài)。 圖2.2 手臂運動的模型雖然建立相對坐標系有利于人體運動的分析，但是人體的運動一般是各關節(jié)、環(huán)節(jié)聯(lián)動，而相對坐標系計算的方法是要基于一個基坐標，向最末端環(huán)節(jié)依次進行坐標的

41、變換，這便給運動的分析帶來不便，并且在進行坐標變換及分析計算時，由于采集精度、誤差等原因，都會帶來一定的偏差，這樣，經過的關節(jié)、環(huán)節(jié)越多，其偏差積累也會越大。在某些具體的運動分析中，可能只關心肢體某一點的運動過程，對于其父關節(jié)及以上關節(jié)的運動關注意義不大。本文在參考了大量文獻的基礎上，以人體運動空間建立絕對坐標系，如圖3所示。以被測人體運動的空間為基礎建立一個直角坐標系，每一個所關注的肢體端點，即關節(jié)在坐標系中的三個正交軸上都會有一個投影。由于人體關節(jié)和環(huán)節(jié)的約束性，根據(jù)每一個關節(jié)的坐標位置，即可推算出該環(huán)節(jié)在空間中的姿態(tài)及位置。絕對坐標系最大的好處是，如果只關注圖2.3中被測人體右前臂的運動

42、過程，則只需測量其右肘和右腕關節(jié)的運動軌跡，減少了無關的運算。如果需要監(jiān)測人體整體運動，只需在基于由10個環(huán)節(jié)組成的棒狀模型的基礎上，進行12個點的測量就可完成運動的分析。測量點的位置分別為：頭、左肩、右肩、左肘、右肘、左腕、右腕、髖關節(jié)、左膝、右膝、左踝、右踝。 圖2.3 人體運動的絕對坐標系24 小結人體是具有特定形態(tài)結構的活體，運動形式多樣，動作結構不一，各肢體協(xié)調動作，其運動過程相當復雜。要想全面地揭示人體一系列運動現(xiàn)象的本質，需要應用多種學科知識進行綜合分析和研究。運動生物力學、人體解剖學、電子信息技術的發(fā)展促進了人體運動分析的進步，各學科的發(fā)展提高了人體運動分析的技術，提出了更為科

43、學的分析方法。要對人體運動進行科學合理的分析，就要對運動生物力學和人體運動的特點有著較為深入的了解。人體運動分析涉及速度、加速度、力等多項基本運動參數(shù)，大部分運動參數(shù)之間存在著數(shù)學函數(shù)關系。例如，對加速度參數(shù)進行積分運算即可得到速度、位移等信息。人體運動主要是人體各環(huán)節(jié)圍繞關節(jié)的運動。人體各類關節(jié)很多，在運動分析過程中，一般要根據(jù)人體運動的特點對人體進行簡化，并結合實際應用建立適合的數(shù)學模型。本章根據(jù)當前人體運動分析主流的棒狀人模型，建立了由10個環(huán)節(jié)構成的人體棒狀模型。由于人體運動的主要表現(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程及簡化運算，建立了基于人體運動空間的絕

44、對坐標系。絕對坐標系的建立減少了不必要的計算及因測量誤差帶來的積累偏差。 3 人體運動信息采集與分析的方法人體運動信息采集與分析是指運用某種手段跟蹤、捕捉人體的運動，獲得人體運動的部分參數(shù)，并對這些參數(shù)進行分析和處理，從而得以重建人體的結構和姿態(tài)或進行其它的應用。人體在運動過程中所表現(xiàn)出來的運動信息主要體現(xiàn)在身體位置、關節(jié)角度、身體和肢體的位移、速度和加速度、力的大小和方向、動態(tài)力的變化速率等方面。對這些信息進行測量并利用生物運動學技術進行分析，可以對人體在運動中的狀態(tài)進行評價。人體運動分析的過程主要由運動的跟蹤測量、信號處理、數(shù)據(jù)分析所組成11。31 人體運動信息采集的方法隨著科學技術的發(fā)展

45、，越來越多的高新技術被應用到人體運動信息采集的研究中，目前人體運動信息采集的主要方法有：光學測量方法、非電量電測法、生物電信號測量法。3.1.1 光學測量方法為了對采集到的圖像信息進行分析，需要對其進行數(shù)字化處理，對于高速攝影所得到的運動信息一般通過影片解析儀，完成影片的數(shù)字化過程，圖4所示為影片數(shù)字化原理的示意圖。如圖3.1中所示，分析放影機將攝影機所拍攝到的圖像放大后投影到數(shù)字化板上，然后用游標鍵盤取出需要的坐標值（x,y）輸入到計算機中存儲或進行數(shù)據(jù)處理。圖3.1 影片數(shù)字化原理 通過上述的原理介紹可知，一臺攝影機只能對物體或人體運動進行平面分析，而且當遇到遮擋或進行旋轉動作時，只能對測

46、量點進行估算。若要準確地反映事物的運動特征，必須進行三維立體分析。原則上要通過兩臺攝影機從不同角度同步進行拍攝，這樣就能把物體或人體運動的空間特征描述出來。采用多臺攝影機同步工作在技術上存在一定難度，一般常用的方法有兩種：1、定點三維正交法；2、定點三維直接線性變換法。完成拍攝后的數(shù)字化過程也更為復雜，在數(shù)據(jù)處理過程中需要對兩臺攝影機的的數(shù)據(jù)進行正交合成，一般通過專用的影像解析軟件12系統(tǒng)來完成。以上介紹的高速攝影和攝像方法，可以對人體不施加任何約束，是正式比賽時可行的方法，但是為了從畫面中獲取關節(jié)點的位置信息，就需要在數(shù)字化儀上對著進行逐幀分析，光電技術開始被應用于運動檢測中。目前得到廣泛應

47、用的產品主要有SELSPOT系統(tǒng)、VICON系統(tǒng)和COD系統(tǒng)。3.1.2 非電量電測法非電量電測法是把傳感器或傳感元件固定在被測物上，然后把被測物的力學參數(shù)由傳感器轉換為模擬電量，通過放大器將微弱的模擬電量放大并調理后經模數(shù)轉換器轉換為數(shù)字量后進行計算機處理。其原理框圖如圖3.2所示。傳感器或傳感原件力學參量放大器A/D轉換計算機輸出設備圖3.2 非電量電測法原理框圖在人體運動測量中，用于將力學參量轉換成電量的傳感器或傳感裝置主要有：測角儀、位移傳感器、力傳感器、慣性傳感器等。3.1.3 肌電信號測量法肌電測量包括有損傷測量和無損傷測量兩大類。運動實踐中的肌電測量大多采用無損傷類的表面肌電遙測

48、技術，描記出肌肉活動中的電信號變化過程，稱之為肌電圖。利用肌電圖可以說明：(1)某塊肌肉或一塊肌肉的哪些部分參與活動；(2)運動中所測各塊肌肉參與活動的時間；(3)運動中所測各塊肌肉收縮時間的長短和收縮強度。肌電圖在體育運動中應用比較廣泛，用肌電圖研究肌肉的不同狀態(tài)、肌肉之間的協(xié)調程度、收縮類型及強度、判斷肌肉疲勞程度及損傷、評定肌肉素質等等都有比較成功的例子。當人體進行運動時，相應的肌肉會收縮、變形，肌肉收縮所產生的微弱肌電信號被電極檢測到，測量裝置的信號處理放大環(huán)節(jié)會對此信號進行放大和濾波，去除干擾并得到有用的肌電信號，再經過A/D轉換環(huán)節(jié)，則得到數(shù)字量的數(shù)據(jù)，測量裝置的CPU對此數(shù)據(jù)再進

49、行相關的分析和處理，即可得出運動過程中相關肌肉作用的結論13。32 基于加速度傳感器的運動信息采集與分析人體的運動最終以肢體在空間中姿態(tài)、位置的變化來體現(xiàn)，對于運動過程的儲多信息如加速度、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)信息可通過對其積分得到，下面以人體前臂運動的信息測量為例，說明加速度傳感器在人體運動信息采集中的應用方法。人體前臂在運動過程中始終和豎直方向(或水平方向)成一定的角度關系。通過固定于前臂上的三軸加速度傳感器的各個軸與重力方向(豎直向下)之間的夾角就可以檢測出人體前臂的運動姿態(tài)。在進行前臂運動檢測時，首先將傳感器固定于前臂上，隨著前臂的運動

50、狀態(tài)改變，傳感器輸出的變化信號經處理后可以得到前臂的運動姿態(tài)改變的參數(shù)。以簡單平面運動為例，待測者肘關節(jié)置于桌面上不動，前臂繞肘關節(jié)做豎直平面的屈肘動作，加速度傳感器安裝于腕關節(jié)，注意在運動過程中，應保持其位置不變。在以上約束條件下，當前臂不動時，只需檢測當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 重力加速度對傳感器作用示意圖當傳感器保持相對靜止時，會受到重力的作用，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，此加速度信號在三個軸上的輸出分量取決于三個敏感軸與重力方向的夾角。圖3.3所示為傳感器相對靜止時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，此時傳感器三個軸輸出的電壓信號分別為：式中： vx、vy、vz表示加速度計 X、Y、Z 三個軸所輸出的電壓信號，k 表示加速度計的靈敏度，k 表示加速度計的靈敏度，g表示重力加速度，V0表示加速度為0時，加速度計輸出的電壓。對上式求反函數(shù)可得到：從而可以求手臂的空間姿態(tài)。結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剛體，將肘關節(jié)視為支點，手臂運動則可看成是剛體圍繞支點的平面運動。繼而可以通過一系列數(shù)學運算對瞬時的加速度、速度、力等參數(shù)進行分析。33 小結 運動分析就是利用相應的測量手段，測量、采集人體運動的部分生物力學參數(shù)，并對這些參數(shù)進行相關分析和處

52、理以得到更多的運動信息，從而在相應的領域得以應用。進行運動分析的首要環(huán)節(jié)便是運動參數(shù)的采集，如果不能準確地將人體運動的生物力學參數(shù)進行采集，數(shù)據(jù)的分析、處理及應用也就無從談起。隨著科學技術的進步，運動信息的采集方法和手段日益發(fā)展完善，技術趨于先進，采集精度和可靠性也隨之提高。目前主要的運動采集方法有：高速攝影、錄像解析、光電檢測、非電量電測肌電信息檢測等方法。各種不同的采集方法適用于不同的場合及研究目的，在正式體育比賽中對運動員進行動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影響到運動員的動作，而其它的采集方式均需要在肢體上安裝檢測裝置或標記點，會影響運動員的動作發(fā)揮。而在側重

53、力學參數(shù)采集的場合，非電量電測法則更受青睞，這種方法是利用傳感元件將人的機械運動轉換成電信號，并加以處理，與圖像采集方式相比，非電量電測法在數(shù)據(jù)處理上要較圖像處理簡單，由于非電量電測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動信息。由于加速度參數(shù)在經過相關積分計算，可以很容易得到如速度、位移等參數(shù)，本章重點介紹了基于加速度傳感器的運動檢測方法。加速度傳感器在不同的應用領域、面對不同的檢測對象，其應用方法也有所區(qū)別，以人體上臂運動為例，介紹了利用加速度傳感器測量和分析人體運動的方法。由于地心引力所產生的重力加速度在一定范圍內可視為常量，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肢體的姿態(tài)。如果對傳感器各敏感軸所輸出的數(shù)據(jù)經矢量合成后不等于重力加速度，則說明此時被測肢體處于運動狀態(tài)，通過對不同軸上加速度的大小進行分析可以得到肢體運動的方向，速度大小等信息。4 人體運動信息采集系統(tǒng)的設計運動信息采集系統(tǒng)利用人體運動的非電量電測法，利用加速度傳感器采集人體運動時的加速度參數(shù)，系統(tǒng)通過對采集到的加速度數(shù)據(jù)進行處理、分析，可得到肢體在空間運動的相關信息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)總體設計運動信息采集系統(tǒng)由信號采集單元和數(shù)據(jù)處理單元兩部分組成，其整體

55、結構如圖4.1所示，其中信號采集單元由一個主機和5個從機組成傳感網絡，從機作為傳感網絡的節(jié)點，以三軸加速度傳感器ADXL330為核心器件，并設計信號調理等電路，利用MSP430單片機作為控制器，5個從機根據(jù)測量需求分別被安裝于人體的監(jiān)測點上，信號采集單元的主機通過I2C總線控制5個從機進行加速度信號的采集，并將各從機所采集到的數(shù)據(jù)集中，以無線通信的方式將其傳送至數(shù)據(jù)處理單元15。 圖4.1運動信息采集系統(tǒng)結構示意圖在對人體運動信息進行采集測量時，首先可根據(jù)具體應用進行功能設定，然后將信號采集單元的從機分別安裝于肢體不同的特征點上，如圖4.2所示。圖4.2 信號采集單元從機安裝示意圖42 系統(tǒng)硬

56、件設計運動信息采集系統(tǒng)的硬件電路設計主要包括兩部分內容：即信號采集單元電路設計和數(shù)據(jù)處理單元電路設計，下面對兩部分電路設計分別進行介紹。4.2.1信號采集單元電路設計信號采集單元的作用是實時同步采集被測點的三維加速度信息，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。信號采集單元是由一個主機和多個從機組成的主從式傳感網絡，在進行測量時，從機將被安裝于人體的被測點上，信號采集單元的所有從機，通過I2C總線受控于主機。 1）加速度傳感器的選型由于設計本系統(tǒng)主要的目的是采集人體運動的加速度信號，所以需要選擇一款合適的加速度傳感器作為加速度信號的獲取元件，傳感器的選型要以人體運動時產生的加速度信號

57、的特點為依據(jù)16。在正常情況下，人體運動加速度的頻率和幅度都較低，加速度頻率的極大值出現(xiàn)在跑或跳的運動中。運動加速度的幅度：在行走運動中加速度的幅度在垂直方向上均大于側向和前后向，而且從人體的頭部到腳部，幅度越來越大，頻譜逐漸向較高頻率移動。行走時，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，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