人體下肢運動能力測評研究

王書海, 趙海浪, 武少廣, 陳書旺, 胡丹丹, 李 鑫

(河北科技大學信息科學與工程學院，河北石家莊 050018)

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人體下肢運動能力測評研究

王書海, 趙海浪, 武少廣, 陳書旺, 胡丹丹, 李 鑫

(河北科技大學信息科學與工程學院，河北石家莊 050018)

人體在短距離奔跑及跳躍時，足底壓力的大小并不僅僅和體重相關，還反映了下肢運動能力的強弱。為了能夠客觀評價下肢的運動能力，設計了一套測試系統。采用壓力傳感器對足底壓力進行測量，數據通過單片射頻收發器件NRF24L01無線模塊傳輸到微機中，記錄下不同測試條件下的壓力峰值。實驗采集了12位測試者在慢走、快跑時的足底壓力，分析了足底壓力峰值與體重之間的關系。結果表明：壓力峰值與體重的比值較小的人，下肢運動能力較弱一些；壓力峰值與體重的比值較大的人，下肢運動能力較強一些。根據測評結果，可對人們的身體素質提升提出相關建議，對處于成長期的青少年尤為重要。

數據處理；下肢；運動能力；足底壓力；壓力傳感器

人體的下肢運動能力一般是不相同的，足底壓力的大小與分布能夠反映人體腿、足的結構、功能及整個身體姿勢控制等信息[1]。對正常人的下肢運動能力分析是步態研究的熱點之一[2-4]。另外，人體在進行劇烈運動時,下肢可能會產生一定的損傷，學生、軍人及運動員是這類情況的高發人群[5-9]。然而，目前對下肢運動能力分析存在以下問題:人體的生物力學極其復雜,不同學者、機構的研究成果難以統一,甚至相互沖突；實驗室研究結果不能完全應用于臨床實踐；實驗結果大多是小樣本資料,缺乏權威性等[10-15]。本文設計研發了一套下肢運動能力測試系統，用于檢測人體下肢運動能力強弱以及對下肢受傷后的恢復狀況作出評估。

1 系統介紹

1.1 整體系統設計

本設計采用壓力傳感器構建下肢蹬踏力測量裝置，采集奔跑時的壓力峰值，并且用無線收發模塊將多個測試點的測試數據傳輸至軟件系統，從而對人體下肢在快速奔跑時產生的壓力峰值進行分析、處理以及存儲。

測試系統由硬件測試系統與軟件測試系統共同組成，硬件系統用于采集相關信息，軟件系統主要進行數據處理分析。整體系統設計如圖1所示。

圖1 整體系統設計圖Fig.1 Overall system design

1.2 硬件設計

本設計采用STM32F103以及STM32F411為處理器實現數據的采集與傳輸，可以縮短開發周期，實現高效的處理效率。系統結構如圖2所示。

圖2 硬件系統結構Fig.2 Hardware system structure

實驗測試時，蹬踏力測試裝置安裝在跑道上。為避免繁瑣的傳輸線，因此采用無線技術進行數據傳輸。系統選用單片射頻收發器件NRF24L01無線模塊進行數據傳輸，它內置了頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調制器等。NRF24L01無線模塊可以同時滿足一對多個通道傳輸數據，正好適應本系統測試中多個傳感器數據的傳輸。

壓力傳感器所采集到的數據用24位A/D轉換器芯片HX711進行A/D轉換，該芯片集成了包括穩壓電源、片內時鐘振蕩器等其他同類型芯片所需要的外圍電路，具有集成度高、響應速度快、抗干擾性強等優點[16-20]。

1.3 軟件設計

軟件測試系統包括登錄界面、信息預處理界面、測試界面以及數據庫操作界面，從而構建完整的軟件系統，如圖3所示。上位機采用C++書寫，便于維護與升級。信息預處理界面主要輸入測試者的姓名、年齡、身高等相關信息，以便日后查詢與數據對比。測試界面主要顯示硬件系統采集的相關數據信息。數據庫界面主要用于數據的存儲以及歷史數據的查詢與修改。

圖3 軟件構架Fig.3 Software architecture

2 實驗過程

本測試系統對情況相似人群(大學三年級學生)進行實驗，對實驗采集的大量數據進行分析。將測試板裝在跑道下面，設置固定的加速距離，獲取測試者在全力奔跑時對測試板的蹬踏力。為保證數據的精確性，對每個測試人員進行多次測試，然后對采集的峰值取平均值，進一步縮小測試所帶來的誤差。上位機可通過無線傳輸接收壓力數據，實時監測快速奔跑時的壓力峰值，并進行處理及分析。圖4為測試時壓力峰值獲取軟件界面。

圖4 壓力峰值獲取軟件界面Fig.4 Pressure peak acquisition software interface

3 實驗數據分析

測試者為大學三年級學生，年齡為(21±1)歲，體重為55～75 kg。每人進行30次實驗，采集水平慢速行走與快速奔跑時腳底產生的壓力峰值。將壓力峰值取平均值，然后再與體重進行對比。測試數據分別如表1和表2所示。

表1 水平慢速行走時的測試數據Tab.1 Test data for horizontal and slow walking

表2 快速奔跑時的測試數據Tab.2 Test data for fast running

根據表中的數據，可以得到水平慢速行走和快速奔跑時壓力與體重之間的關系，如圖5所示。

圖5 壓力與體重的比值Fig.5 Ratio of pressure and weight

1)比值分析

實驗表明人在水平慢速行走時，足底產生的壓力與自身體重比值為1.0～1.1，而且不同測試者的腳底產生的壓力峰值與自身體重之比基本相同，并不能體現出明顯的差別。因此，通過測試者在慢速行走時的腳底壓力峰值并不能反映出人體下肢運動能力的強弱。

當不同的測試者在快速奔跑時，足底產生的壓力峰值與體重的比值有較明顯的差別。人在慢速行走時，壓力與體重的比值最大差為0.02；而在快速奔跑時，壓力與體重的比值最大差為0.3。快速奔跑時的壓力峰值與體重差別較大。

2)比值與下肢運動能力分析

快速奔跑時，壓力峰值與體重的比值反映出不同人的下肢運動能力不同。快速奔跑時的壓力峰值是關鍵的判斷指標，其腳底壓力峰值的大小反映出下肢運動能力的強弱。人在快速奔跑時，腳底產生的壓力與自身體重之比為1.1～1.5；年齡、身高相似的人，在快速奔跑時腳底的壓力峰值也有所不同，反映了下肢運動能力的強弱。壓力峰值與體重的比值較小的人，下肢運動能力較弱一些；壓力峰值與體重的比值較大的人，下肢運動能力較強一些。

根據測試結果進行推斷，下肢受傷后還沒有完全恢復時，人的下肢運動能力減弱，在快速奔跑時足底的壓力并不能達到正常時的水平，從而可以通過受傷后的不同階段奔跑時的壓力峰值比較，進一步判斷受傷后的恢復情況，因此，本測試系統可以用來檢測下肢受傷后的恢復狀況。

4 結 論

傳統設備難以捕捉壓力峰值，而本實驗設備采樣頻率為100 Hz，能夠實時采集人體快速奔跑時的腳底壓力數據，進而得到壓力平均峰值。將腳底平均運動壓力值與體重值進行比較，得到一個下肢運動能力評估指標，以此判斷測試者下肢運動能力的強弱。根據分析結果能夠對人們的身體素質提升提出相關建議，對于正在成長的青少年尤為重要。在下肢受損并接受治療的恢復階段，對下肢運動能力狀況的測試結果分析，有助于監測恢復狀況。該系統數據的分析結果對臨床診斷、疾患程度測定和術后療效評價等均具有重要意義。

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鄭 重 聲 明

近期，有人為謀取私利，利用虛假網站，冒用河北科技大學學報編輯部的名義征集《河北科技大學學報》和《河北工業科技》的稿件。此舉不僅嚴重影響了我編輯部的聲譽，給作者帶來了損失，還在社會上造成了不良影響。

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(河北科技大學學報編輯部)

Research of human legs motion ability assessment

WANG Shuhai, ZHAO Hailang, WU Shaoguang, CHEN Shuwang, HU Dandan, LI Xin

(School of Information Science and Engineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang, Hebei 050018, China)

When a person is running or jumping in a short distance, the plantar pressure is not only related to the weight, but also reflects the strength of the lower limb exercise capacity. A testing system for the human lower limb exercise capacity is designed. The plantar pressure measurement is completed by the pressure sensors. The experimental data are transmitted by the single-chip RF transceiver device, which is the NRF24L01 wireless module. The peak pressure under different test conditions are recorded and stored. The plantar pressure values are collected when the experimenters are at rest, walking or running. The relationship between the body weight with the average plantar pressure peak is analyzed. The ratio of the peak pressure value and the weight is smaller, the lower limb exercise capacity is weaker. The ratio of the peak pressure value and the body weight is greater, the ability of the lower limb movement is stronger. The results can give some suggestions on people’s physical fitness, especially for teenagers in the growth stage.

data processing；lower limb; athletic ability; plantar pressure; pressure sensor

1008-1534(2016)06-0474-05

2016-05-24;

2016-09-04；責任編輯：陳書欣

全國大學生創新創業訓練計劃項目(201510082035)

王書海(1968—)，男，河北滄州人，副教授，主要從事電子測量技術方面的研究。

陳書旺教授。E-mail：chenshw2015@163.com

A

10.7535/hbgykj.2016yx06006

王書海,趙海浪,武少廣,等.人體下肢運動能力測評研究[J].河北工業科技,2016,33(6):474-478. WANG Shuhai, ZHAO Hailang, WU Shaoguang, et al.Research of human legs motion ability assess ment[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology,2016,33(6):474-478.