可移動式數字化跑道系統研發與應用

張勝年，劉 宇，楊先軍

1 前言

目前，人體運動的運動學信息獲取主要依托于影像學技術［1，5］。通過對運動影像解析獲取人體運動的空間位移參量、運動時間序列并由此派生出人體運動的時空特征參量。以影像解析為基本手段的人體運動學信息獲取工作量比較大，在信息反饋上存在著時間上的滯后性；且受場景變化和標定系統的約束，只能針對關鍵技術、獲取人體運動的局部過程信息；在較大范圍或全程技術的運動信息獲取以及運動訓練中的快速反饋方面存在著一定的局限性。

人體運動動力學信息獲取主要依托傳感技術。通過三維測力平臺獲取人體運動的三維動力參量［4，5］；利用陣列傳感技術獲取人體站立或運動過程中足底壓力分布特征參量，進而計算人體足底觸壓一維合力及其壓力中心。現代傳感技術的發展，不僅使人體運動動力測量做到了精確、靈敏、穩定、高頻響應，而且，通過計算機技術應用做到實時反饋與進程再現。

基于傳感技術獲取人體運動時的足底觸壓信息，完成人體運動學信息測量，并實現運動學信息的實時測量與反饋，這是運動生物力學在研究方法上的重要發展與突破。

鑒于上述，上海體育學院運動技能研究中心與中國科學院合肥智能機械研究所協作，在已有研究的基礎上［2］，進一步設計并開發了可移動式數字化跑道系統。本系統包括以超大規模印刷電路而成的柔性陣列觸壓傳感器為基礎的跑道系統、數據采集系統、計算分析系統及檔案管理系統。可精確獲得運動區域的運動員運動過程中任意時刻的足底觸壓信息：足底與地面接觸形狀（接觸圖像時間序列）、足底觸壓位移向量及時域；計算運動員的步長、步頻、動作時序（著地時刻、離地時刻、騰空時間）、即時速度及某一設定區域的平均速度等；據此分析運動員的技術節奏特征。同時，本系統包含高速影像、表面肌電儀及測力臺同步驅動接口，可使相關科研儀器同步運行，同步獲取人體運動中的其他各項參數。

2 系統硬件結構與實現

跑道系統主要由大規模柔性傳感器陣列、掃描電路單元、計算機等組成。

2.1 傳感器

由于本系統主要用于跳遠、撐竿跳高、短跑等直線性跑動的多運動項目的測量與評價，因此，要求系統除了具備良好的感應靈敏度及分辨率外，還應具備良好的穩定性能。本系統選用中國科學院合肥智能機械研究所研制的柔性陣列壓力傳感器，采用絲網印刷工藝技術在高性能聚酯薄膜上印刷、套印Pd-Ag導體，碳基應變電阻，低溫包封介質，構成基本的惠斯通全橋/半橋/單點測試電路，從而構成柔性力陣列和壓力陣列，傳感器點陣密度最高可達每平方厘米9點。此傳感器的特點是：重復性好（＜±2.5％FSR）、靈敏度高（根據不同應用場合可調整）、溫度影響（0.36％/℃）；輸入電壓：+5V。柔性陣列傳感器結構如圖1所示，陣列觸覺傳感器采集節點體系結構如圖2所示，印刷電路實物如圖3所示。

圖1 印刷式結構的陣列設計圖

圖2 陣列觸覺傳感器采集節點體系結構示意圖

2.2 系統機械結構

本系統采用銷栓式設計，實現可拼裝式結構，拼裝簡潔、方便（圖4）。

2.3 系統硬件達到的技術指標

1）空間分辨率：1cm；2）采樣頻率：可以通過軟件設置為200Hz、100Hz、50Hz；3）數據傳輸速率：1Mbps；4）誤差問題：距離誤差＜1cm。

圖3 陣列觸覺傳感器實物照片圖

3 系統軟件

3.1 軟件界面

本系統是基于數字跑道而開發的多項目應用與分析的開放系統軟件，包括4個模塊，即實時采集、數據分析、數據報表和檔案管理（圖5）。

圖5 系統界面示意圖

3.1.1 實時采集

跑道數據的產生來源于陣列傳感器的壓力采樣。一個壓力點從壓力產生到壓力完全釋放稱為一個壓力點的生命周期。當人體跑動時足底觸壓跑道激活一組壓力點，對于每一個壓力點，采用如下數據結構來代表一個具體的壓力點：

Struct RealData ｛ int iNodeId；//代表這個壓力點所處的跑道塊編號。int iPressureValue；//代表這個壓力點的具體壓力值。int iRowNo；//代表這個壓力點在該跑道塊中的行編號。int iColNo；//代表這個壓力點在該跑道塊中的列編號。int iTimeId；//代表這個壓力點形成時的時間戳。｝

完成一次測試后，所有的壓力點數據由底層硬件A/D采樣并經CAN總線上傳至計算機并存入數據庫，并進行數據處理。系統界面包括位置信息、數據處理信息和測力臺數據（圖6）。

圖6 系統實時采集界面示意圖

3.1.2 數據處理分析

原始數據預處理：

1.干擾處理：主要是對測試中的一些意外事件進行處理，如在測試過程中有非相關人員踏上數字跑道等，對于這類噪聲通常可以通過沿著時間軸或者坐標軸設置一些合理的閾值來加以消除。

2.系統噪聲濾波：這類噪聲通常來源于柔性傳感器陣列本身，如測試中由于陣列傳感器某一局點受力過大導致一些傳感點的壓阻值無法正常恢復，對于這類噪聲在頻率上設置一些合理的閾值得以消除。

對預處理后的數據進行沿時間序列、位置序列快速排序，并將排序后的數據聚類，系統將同類數據識別為一個腳印。

假設跑道的坐標系設置如圖7所示，那么，每一個數據點的沿X方向的具體坐標，可以根據如下公式來計算：

X=（iNodeI d-1）×80+iRow I d（cm）

圖7 數字跑道的坐標系示意圖

其中，iNodeId是該數據點所處的跑道塊編號，該編號從1開始，一直到60。而iRowId則是該數據點在這一跑道塊中的行號。這兩個值都是底層硬件采樣分析得到的。

系統依據數據點聚類識別的足印進行運動學參數分析，根據運動員跑步過程中的運動學特征，提取了幾個關鍵參數（表1）。

表1 參數提取的基本原理一覽表

數據處理模塊不僅對采集數據進行系統分析與計算，并實現圖表顯示與存貯（圖8）。

3.1.3 數據報表

將分析以后保存好的數據以報表的形式生成，并且可以放在想要存放的位置。生成的報表幾乎包括運動員所有的運動學數據。

在這個模塊中，報表的生成有兩種模式：單日訓練和單次訓練。單次訓練就是將運動員一次測試數據都生成報表（表2）；單日訓練則將運動員當日訓練的中的測試依次生成報表。

3.1.4 檔案管理

檔案管理采用項目分類、隊別分層的個人信息記錄的結構管理。運動員檔案管理包括運動員多方面的個人信息，如年齡、身高、體重、訓練年限、運動成績及基本測試資料檔案等（圖9）。

圖8 系統的采集參數示意圖

表2 運動測試基本參數一覽表

圖9 運動員檔案管理界面示意圖

3.2 系統主要功能與應用

1.運動參數實時反饋：依據采集系統獲取的足底觸壓位置序列、時間序列信息以及測量臺獲取的動力信息，分析系統計算基本評價參量，以報表與圖示形式再現運動進程及起跳特點。教練員通過系統反饋資料隨時了解運動員的基本技術參數及其運動特征。系統即時反饋信息主要是對跳遠運動技術分析的常規指標［6，9］，如全程每一步的步幅、步時（支撐與騰空時）、即時速度，步頻、步頻指數與步長指數、起跳的上板誤差等（表2）；系統的測力臺可以提供起跳時的動態動力曲線（圖8），教練員現場了解起跳的動力特征。

2.運動員技術穩定性測試：助跑節奏控制及其穩定性是跳遠運動員訓練中的基本內容［3，7，8］，也是比賽中運動員能夠較準確攻板創造最佳成績的重要保障。本系統應用于跳遠運動員全程技術訓練，通過對訓練課中多次試跳基本數據參數進行技術穩定性比較，探討運動員個體最佳節奏模式及運動節奏的穩定性，以強化最佳節奏模式訓練；并且，教練員可即時了解到運動員試跳中出現節奏紊亂的特征變化，提示教練員在全程技術訓練中如何安排運動員全程技術訓練的間歇及訓練量，以保障訓練效果的最佳化。

3.技術診斷：對運動員的實時訓練數據進行分析，提取特征參量，診斷其技術優點與缺陷，以利技術調整與改進。如表2中的資料，該運動員約在16m內完成加速度階段，其速度保持距離約為18m；起跳前的加速度與速度保持能力較強；最后三步的技術節奏表現出“平—短—平”（平：保持速度階段平均步長）的技術特征，使起跳過程中的用力特征如圖8所示，上板制動強，而起跳時第二蹬伸波峰沒有形成，表明起跳快速蹬伸不足的技術缺陷。

4.運動模型建立：通過個體運動員檔案的建立以形成項目數據庫，可以探討優秀運動員一般運動模型或個體運動員最佳技術模式。

4 總結

本系統的研發實現了通過觸壓信息獲取運動學參數及即時反饋與診斷的設計思路，隨著應用研究工作進一步開展，通過信息處理技術對數據的挖掘，對提高運動訓練的效果、探討運動員的運動模式與技術改進將有著理論與實踐意義。

移動式數字化跑道的多機同步驅動接口實現了數字化跑道、測力臺、高速攝影機、表現肌電設備的同步驅動，為田徑多項目的綜合性科學研究提供了重要保障。

移動式數字化跑道的獨特的結構設計和較長的使用壽命使之不僅是一部科學研究設備，更是一部新型的訓練設備，對運動員全程技術單次、多次重復技術監控，對強化技術穩定性有著很強的實用性。

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