智能滑雪板訓練指導系統的研究

澤雅達，高 帆， 劉曉飛，盧壯旗

(北華大學 機械工程學院，吉林 吉林 132021)

當前滑雪運動缺少完整的評價體系，極大的影響了滑雪體驗，限制了智能滑雪裝備的發展[1].目前已有Motion Metrics推出的Carv滑雪智能檢測系統，可以根據動作和足底壓力數據為用戶提供相應的分析和反饋[2].南斯拉夫學者Vukobratovic提出用于評價動態步行穩定性的零力矩點理論(Zero Moment Point，ZMP).即ZMP是地面上的一點，重力和慣性力對這一點的力矩水平分量為零，若其在運動者與地面的支撐面內，則其運動穩定[3].但其目前僅用于慢速行步于平面的機器人動態穩定性判定，對于在地形復雜的快速滑雪方面尚未有可靠的動態穩定性判定與指導評價系統.我國目前大力推行冰雪項目，急需智能化冰雪訓練裝備，本文基于ZMP判穩原理研究滑雪運動中的動態平衡判定決策方法，為新人滑雪者提供智能滑雪指導.

1 智能滑雪指導系統總體結構及工作原理

智能滑雪指導系統由信息采集計算單元、核心控制器單元、滑雪動態評價單元、人機交互單元組成.信息采集計算單元包括加速度計與陀螺儀，用于采集人體滑雪時腿部、腰部的狀態信息，并算出ZMP坐標.動態評價單元以零力矩點位置為輸入，根據自定義的滑雪動態評價函數，得到用戶滑雪平衡狀態，并給出滑雪評價.控制器單元依據采集到的用戶各項運動數據，根據決策結果給出相應滑雪指導.人機交互單元將滑雪指導通過語音向用戶傳達.其結構圖如圖1所示.

圖1 智能滑雪指導系統結構圖

2 滑雪運動模型構建

將滑雪時的人體簡化成若干個剛體連接成的運動鏈[4]如圖2所示.

圖2 人體運動鏈示意圖

根據圖2所示的運動姿態，則ZMP坐標滿足如下關系：

(1)

其中：xi為第i個運動鏈與坐標系y軸的距離；yi為第i個運動鏈與坐標系x軸的距離；xZMP為人體在水平面x方向上的零力矩點坐標；yZMP為人體在水平面y方向上的零力矩點坐標；mi為第i個運動鏈的質量；ii為第i個運動鏈的轉動慣量；ωi為第i個運動鏈的角速度；Ai為第i個運動鏈和角加速度；g為重力加速度.

由式(1)可得，零力矩點坐標為：

(2)

根據動態穩定性判據得：若ZMP坐標在支撐區域內，則滑行處于平衡狀態.支撐區域是指因足部支撐所形成的區域[5].由于滑雪板上的雪鞋較實際人體腳掌稍大，故將支撐區域沿Y向填充.因滑雪時支撐面會隨著地形不斷變化，對其求水平面的支撐區域投影.定義支撐區域投影半徑為零力矩點的最大平衡半徑R.如圖3所示：

圖3 支撐面示意圖

由普通人滑雪鞋大小取R為150 mm，則要求ZMP偏移半徑r滿足：

(3)

3 滑雪動態評價與指導實現

經過零力矩點計算后，得到零力矩點的坐標.由零力矩點相對于支撐平面區域的相對位置，定義平衡評價函數：

(4)

當人體零力矩點保持在平衡區域內時，用戶能夠調整身體姿態得到更好的平衡狀態或滑行動作.不同的滑雪動作、滑雪姿態相對于水平面有相對應的零力矩點坐標，可以通過零力矩點坐標的移動曲線來評價人體的滑雪動作[6].設定滑雪指導動作為平衡下滑，則限制身體在X方向的傾斜角度為±20°，Y方向的傾斜角度為±30°，定義身體的期望傾斜角度函數：

(5)

其中，Zx(xZMP)為x軸方向上的期望傾斜角度函數，Zy(yZMP)為y軸方向上的期望傾斜角度函數.

由于在指導過程中，用戶難以判斷身體側移的精確角度，所以需要將指導信息模糊化，根據式(5)定義模糊表如表1所示：

表1 x、y軸方向指導決策模糊表

依據上表決策輸出，如當Zx(xZMP)=-8，Zy(yZMP)=-15時，指導信息為：身體側向微微右傾，縱向前傾.

4 控制系統工作原理及軟件流程

系統核心使用STM32F4 作為智能滑雪板的主控芯片.人體姿態信息經標定后的陀螺儀加速度計采集讀入主控后[7]，主控根據多組傳感器數據進行計算，求出人體的零力矩點的位置.根據零力矩點在支撐平面的相對位置，進行滑雪動態評價，并給出相對應的滑雪指導信息[8].控制流程如圖4所示.

圖4 控制系統程序流程圖

5 實驗測試及分析

構建滑道模擬滑雪采集數據進行多次試驗，在試驗者小腿、大腿和腰部佩戴好傳感器采集設備，從滑道上滑下，捕捉、記錄試驗者的零力矩點的位置變化[9-10]，如圖5所示：

采集數據點圖5 零力矩點坐標圖

連續實驗十次，每次采集一百個零力矩點坐標，由式(4)計算出每一坐標的評價值，統計樣本，得概率分布圖如圖6所示.由圖可知，評價值樣本大體呈現正態分布.其中90%的數據落在25%～75%之間，表明系統的訓練指導效果良好.

滑雪評價指標/%圖6 評價值分布圖

6 結 論

依據零力矩點原理，開發設計了一種用于滑雪運動的智能評價指導系統.介紹了系統構成，論述了ZMP的計算方法，提出了滑雪動態評價與指導的實現方式.經過多次實驗采樣數據，根據實驗決策結果可得該系統決策指導滑雪效果良好，為滑雪裝備智能化研究提供新的思路.