基于加速度传感器的人体运动信息采集系统设计(编辑修改稿)

基于加速度传感器的人体运动信息采集系统设计(编辑修改稿)内容摘要：

作用，运动生物力学研究的内容是人体运动中的机械运动规律。 人体运动的含义可以理解为人体整体、肢体位置的移动（位移），包括竞技体育运动、大众体育运动、日常活动和生产劳动 等。 运动生物力学应用生物学和力学的理论、方法，研究人体从事各种运动、活动和劳动的动作技术 , 使复杂的人体动作技术奠基于最基本的生物学和力学规律之上，并以数学、力学、生物学以及动作技术原理的形式加以定量描述 [8]。 人体运动、活动和劳动中的各种动作技术，可以通过运动生物力学方法进行测试研究，从而提高运动技术水平 [9]。 运动生物力学通过研究人体在运动中表现出的力、速度、加速度等参数与人体结构特性的关系，来揭示人体运动的基本规律，获得有价值的运动参数，从而进一步了解复杂的人体运动，为更深入地研究人体运动的相关技 术提供重要依据。 运动生物力学的基本运动参数 为了更准确地对人体运动进行研究分析，首先要对运动生物力学常用的基本运动参数进行了解。 运动生物力学常用的参数主要 有： 位置、位移 、 速度、加速度 、角位移、角速度、角加速度 、 力、功、功率、动量、冲量、动量 、 力矩、动量矩、冲量矩 、 动能、位能 、 质量、重量、重心 、 人体环节质量、重量、重心 、 躯干倾角 、着地角 、 离地角 、 前蹬角 、 后蹬角 、 腾起角 、 出手角 、 姿势角 、 攻角 、 稳定角 等。 对于人体运动的分析和描述都离不开以上运动生物力学参数，其中部分参数可通过仪器直接测量得到，另一 些参数则需要根据其它参数进行运算得到 [9]。 运动生物力学的测量方法 运动学方法中的平面定机摄影摄像测量方法、平面跟踪摄影摄像测量方法、立体定机摄影摄像测量方法、立体跟踪摄影摄像测量方法、红外光点摄像测量方法、激光测试仪测量方法、分段计时测量方法；动力学方法中的三维测力台测试方法、等速测力仪测试方法、 和 测力仪测力方法、 测力仪测力方法、赛艇多参数遥测分析系统测试方法、动态力的应变测试方法、人体运动能量测量方清华 大学 2020 届毕业设计说明书 第 8 页 共 39 页 法；生物学方法中的人体形态学测量方法、人体重心测量方法、肌电 测量方法、人体柔韧性测量方法、人体环节惯性参数测量方法、转动惯量测量方法等等。 此外，还有多机同步测量方法、神经网络模型分析方法、数学模型与计算机仿真方法以及运动生物力学测试资料的统计处理与分析方法等。 2． 2 人体生理结构及运动特点 要进行人体运动生物力学参数的测量及运动的相关研究，需要对人体的生理结构及运动特点有一定的了解。 人体是一个由 206 块形状各异的骨骼互相连接而构成的复杂有机体。 运动系统是由骨骼和固着在骨上的肌肉组成的。 在神经系统的支配下，肌肉发生收缩和舒张，牵动骨骼，使人体能够 进行各种运动，其实质是肢体围绕关节运动，因此可将人体看成多段刚体的组合，每段刚体之间由相应的关节连接，构成一个连接型刚体系统。 因为人体的所有运动都是通过关节的运动来实现的，所以最关键的是分析各个关节的自由度、相应的运动幅度以及多个关节之间的约束和联动。 人体关节、环节的运动 人体运动的基础是环节围绕关节轴的转动，通常说的关节和环节运动都是指环节绕关节轴的转动。 关节转动根据转轴种类和转动方向的不同，分为五种： 屈伸：肢体在矢状面内绕额状轴转动（运动）向前运动为屈，向后运动为伸。 水平屈伸 ：上臂在肩关节处和大腿在髋关节处外转 90 度后，绕垂直轴向前运动叫水平屈，向后运动叫水平伸。 外展内收：肢体在额状面内，绕矢状轴运动，远离正中面为外，靠近正中面为内收。 回旋：肢体在水平面内，绕其身的垂直轴旋转，如前臂由前向内的旋转叫旋内（或叫旋前），由前向外旋转叫旋外（或叫旋后）。 人体肢体通过环节围绕关节的各种运动的组合实现不同的基本动作，所以当 充分了解了各环节与关节的相对位置、角度的信息，即可推算出人体所处的姿态。 人体运动的特点 人体运动分析的主要目的是使计算机能够跟踪 、分类和识别人体运动。 在真实的世界中，人体的运动非常复杂，如果不做限制，任何人体部位的空间位置变化都可以被当做人体运动。 从认知的角度可以把人体运动分为三个不同层次：行为、行动、基本动作。 其中，基本动作是运动的最基本单元，它可以用人体关节在一段时清华 大学 2020 届毕业设计说明书 第 9 页 共 39 页 间内的时空轨迹表示。 行动是定义在基本动作之上的运动。 它是一些基本动作的组合。 而行为主要指包含与特定环境相关的确切语意的行动。 行动和行为最主要的是感知和理性认识的区别。 在体育领域，对于人体运动的研究最为深入和广泛。 所有的体育运动被分为田径、体操、球类、游泳、滑冰和武术 等大的项目。 在这些项目中，有人体静止的平衡运动，也有位置发生变化的位移运动。 从纯力学观点来说，除了平衡运动以外，对于位移运动，大致可以分为平动和转动两类。 平动是人体由一个地方到另一个地方的运动，人体平动时，其内部所引的任何一条直线总是跟原来的方向平行的。 转动是人体围绕着转动轴所做的运动。 人体转动时，其内部各点都围绕同一个中心做圆周运动或转过一段弧线。 人体平动可以分为直线运动和曲线运动。 曲线运动可以分为一般曲线运动和圆周运动。 当我们把解剖学和力学结合起来分析人体运动时，不仅要考虑到人体运动的力学特征，还要考 虑到人体运动的解剖学特征，因此，我们把人体运动分为以维持平衡为主的静力性运动和变化复杂的动力性运动。 静力性运动包括支点在人体重心上方的上支撑平衡运动，和支点在人体重心下方的下支撑平衡运动。 各种悬垂动作，属于支点在人体重心上方的上支撑平衡运动；站立、手倒立、体操后桥等动作，属于支点在人体重心下方的下支撑平衡运动。 2． 3 人体运动模型的建立 进行人体运动分析，建立适合研究需求的人体模型是十分关键的一个步骤。 建立人体模型后，可以通过三维测量技术，如多维摄像系统，生物力测量系统等得到的人体的运动数据 （往往是特征点或标志点等的空间坐标），分析处理人体运动信息。 人体的棒状模型 目前，绝大多数人体建模系统都以“棒状人”概念 [10]为基础建立其骨骼系统，即将关节看成关节点，将关节之间的骨头看成是链，这样将人体躯干与四肢以铰链形式连接起来。 图 是 棒状人体模型示意图当分析人体各种动作时，注意力就集中在对于姿式的分析上，这时候，人体各部分之间的相对位置就显的尤为重要。 特定时刻各个关节点的位置连接起来，就能形成形象的棒图，这是分析人体运动的基础，可以认清华 大学 2020 届毕业设计说明书 第 10 页 共 39 页 为是简化的人体运动模型。 图 棒状人体模型示意图 人体运动坐标系的建立 人体运动可以分解成各肢体的特征点在空间中位置的变化过程。 要定量地描述人体的运动就必须定义一个坐标系，通过分析肢体的各特征点在此坐标系中的位移过程，可以得到人体的运动情况。 在人体运动的研究领域，建立坐标系有多种方法，如绝对坐标系、相对坐标系、极坐标系等。 以上肢为例，手臂的运动是靠肩关节、肘关节和腕关节的活动来实现的，所以手臂运动的检测就可以转换为相邻肢体环节间相对空间角度的检测，得到了相邻环节间的角度，就可以推出其空间位置关系。 同理，如果我们 检测出各环节的空间位置关系，同样可以得到各关节的角度信息。 图 为手臂运动的模型。 模型的建立是将手臂各个环节独立化，即每个环节基于其父环节建立坐标系，在进行运动的检测时只需要考虑该环节与父环节之间关节的运动情况。 若确定肩关节的坐标，并假设人体不发生移动，这样，只需测量三个旋转量就能确定大臂的运动姿态。 确定了大臂的位置以后，就可以用附着在大臂上的相对坐标系，根据小臂绕 X轴和 Z轴的旋转量，确定小臂的运动姿态。 同理，可以根据固着在小臂上的坐标系，确定手腕的运动姿态，这样，只需要对大臂绕肩关节垂直旋转、大臂绕肩 关节的水平旋转、大臂绕肩关节的扭转、小臂绕肘关节的弯曲、小臂绕肘关节的扭转及手腕绕腕关节的弯曲六种运动进行测量就能确定整个手臂的运动姿态。 清华 大学 2020 届毕业设计说明书 第 11 页 共 39 页 图 手臂运动的模型 虽然建立相对坐标系有利于人体运动的分析，但是人体的运动一般是 各关节、环节联动，而相对坐标系计算的方法是要基于一个基坐标，向最 末端环节依次进行坐标的变换，这便给运动的分析带来不便，并且在进行坐标变换及分析计算时，由于采集精度、误差等原因，都会带来一定的偏差，这样，经过的关节、环节越多，其偏差积累也会越大。 在某些具体的运动分析中，可能只关心 肢体某一点的运动过程，对于其父关节及以上关节的运动关注意义不大。 本文在参考了大量文献的基础上，以人体运动空间建立绝对坐标系，如图 3所示。 以被测人体运动的空间为基础建立一个直角坐标系，每一个所关注的肢体端点，即关节在坐标系中的三个正交轴上都会有一个投影。 由于人体关节和环节的约束性，根据每一个关节的坐标位置，即可推算出该环节在空间中的姿态及位置。 绝对坐标系最大的好处是，如果只关注图 ，则只需测量其右肘和右腕关节的运动轨迹，减少了无关的运算。 如果需要监测人体整体运动，只需在基于由 10个环节组成的棒状模型的基础上，进行 12 个点的测量就可完成运动的分析。 测量点的位置分别为：头、左肩、右肩、左肘、右肘、左腕、右腕、髋关节、左膝、右膝、左踝、右踝。 图 人体运动的绝对坐标系 清华 大学 2020 届毕业设计说明书 第 12 页 共 39 页 2． 4 小结 人体是具有特定形态结构的活体，运动形式多样，动作结构不一，各肢体协调动作，其运动过程相当复杂。 要想全面地揭示人体一系列运动现象的本质，需要应用多种学科知识进行综合分析和研究。 运动生物力学、人体解剖学、电子信息技术的发展促进了人体运动分析的进步，各学科的发展提高了人体运动分析的技术，提出了 更为科学的分析方法。 要对人体运动进行科学合理的分析，就要对运动生物力学和人体运动的特点有着较为深入的了解。 人体运动分析涉及速度、加速度、力等多项基本运动参数，大部分运动参数之间存在着数学函数关系。 例如，对加速度参数进行积分运算即可得到速度、位移等信息。 人体运动主要是人体各环节围绕关节的运动。 人体各类关节很多，在运动分析过程中，一般要根据人体运动的特点对人体进行简化，并结合实际应用建立适合的数学模型。 本章根据当前人体运动分析主流的棒状人模型，建立了由 10个环节构成的人体棒状模型。 由于人体运动的主要表现为肢体 在空间中的位置变化，因此，为了研究分析肢体在空间中变化过程及简化运算，建立了基于人体运动空间的绝对坐标系。 绝对坐标系的建立减少了不必要的计算及因测量误差带来的积累偏差。 清华 大学 2020 届毕业设计说明书 第 13 页 共 39 页 3 人体运动信息采集与分析的方法 人体运动信息采集与分析是指运用某种手段跟踪、捕捉人体的运动，获得人体运动的部分参数，并对这些参数进行分析和处理，从而得以重建人体的结构和姿态或进行其它的应用。 人体在运动过程中所表现出来的运动信息主要体现在 身体位置 、关节角度、身体和肢体的位移、速度和加速度、力的大小和方向、动态力的变化 速率等方面。 对这些信息进行测量并利用生物运动学技术进行分析，可以对人体在运动中的状态进行评价。 人体运动分析的过程主要由运动的跟踪测量、信号处理、数据分析所组成 [11]。 3． 1 人体运动信息采集的方法 随着科学技术的发展，越来越多的高新技术被应用到人体运动信息采集的研究中，目前人体运动信息采集的主要方法有：光学测量方法 、 非电量电测法 、 生物电信号测量法。 光学测量方法 为了对采集到的图像 信息进行分析，需要对其进行数字化处理，对于高速摄影所得到的运动信息一般通过影片解析仪，完成影片的数字化过程，图 4所示为影片数字化原理的示意图。 如图 中所示，分析放影机将摄影机所拍摄到的图像 放大后投影到数字化板上，然后用游标键盘取出需要的坐标值（ x,y）输入到计算机中存储或进行数据处理。 图 影片数字化原理 清华 大学 2020 届毕业设计说明书 第 14 页 共 39 页 通过上述的原理介绍可知，一台摄影机只能对物体或人体运动进行平面分析，而且当遇到遮挡或进行旋转动作时，只能对测量点进行估算。 若要准确地反映事物的运动特征，必须进行三维立体分析。 原则上要通过两台摄影机从不同角度同步进行拍摄，这样就能把物体或人体运动的空间特征描述出来。 采用多台摄影机同步工作在技术上存在一定难度，一般常用的方法有两种： 定点三维正交法； 定点三维直接线性变换法。 完成拍摄后的数字化过程也更为复杂，在数据处理过程中需要对两台摄影机的的数据进行正交合成，一般通过专用的影像解析软件 [12]系统来完成。 以上介绍的高速摄影和摄像方法，可以对人体不施加任何约束，是正式比赛时可行的方法，但是为了从画面中获取关节点的位置信息，就需要在数字化仪上对着进行逐帧分析，光电技术开始被应用于运动检测中。 目前得到广泛应用的产品主要有 SELSPOT 系统、 VICON 系统和 COD 系统。 非电量电测法 非电量电测法是把传感器或传感元件固定在被测物上，然后把被测物的力学参数由传感器转换为模拟电量，通过放大器将微弱。