電動跑步機(jī)上步態(tài)特征獲取系統(tǒng)的設(shè)計

楊先軍，李春麗，夏 懿，劉建強(qiáng)，王俊青，3，孫怡寧*

(1.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)自動化系，合肥230027;2.安徽省仿生感知與先進(jìn)機(jī)器人技術(shù)重點實驗室，中國科學(xué)院合肥智能機(jī)械研究所，合肥230031;3.中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院，合肥230031)

跑是人體水平位移的一種基本運動形式，是支撐相與擺動相交替、蹬與擺相配合的周期性運動[1]，跑步機(jī)因其速度的穩(wěn)定性及步數(shù)測量的無限制性，近年來被廣泛用于走和跑過程中步態(tài)特征的研究[2－5]。中科院合肥智能機(jī)械研究所運動與健康信息技術(shù)研究中心研發(fā)的柔性陣列壓力傳感器已應(yīng)用于數(shù)字跑道和數(shù)字跑鞋等領(lǐng)域，基于柔性陣列傳感器研制的數(shù)字跑道能實時檢測田徑運動員訓(xùn)練時腳底與跑道接觸的形狀和時間等信息，從而獲取運動員的步長、步頻和動作時序等信息[6－8]?；谌嵝躁嚵袀鞲衅鞯臄?shù)字跑鞋，將傳感器內(nèi)置于鞋內(nèi)，采集運動員的足底壓力，應(yīng)用于競走運動中，實現(xiàn)了多角度觀測運動員技術(shù)動作的目的[9]。本文提出一種新的方案，將研制的柔性陣列壓力傳感器應(yīng)用到跑步機(jī)上，結(jié)合跑步機(jī)和柔性陣列壓力傳感器的優(yōu)點，為在跑步機(jī)上獲取運動員的步態(tài)信息提供了方便。同時，分析不同速度下的步態(tài)特征，為進(jìn)一步研究如何在電動跑步機(jī)上實現(xiàn)速度自適應(yīng)控制提供了很好的參考。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)包括主電機(jī)驅(qū)動模塊、升降模塊、心率模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和平板電腦等部分。平板電腦作為上位機(jī)，通過人機(jī)交互界面對跑步過程進(jìn)行控制，并完成數(shù)據(jù)的存儲、分析和顯示等。心率模塊實時監(jiān)測鍛煉者跑步過程中的心率;主電機(jī)驅(qū)動模塊接受上位機(jī)命令，驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動;升降模塊接受上位機(jī)命令控制跑步機(jī)跑臺的坡度，跑板固定在跑臺上;數(shù)據(jù)采集模塊包括數(shù)據(jù)采集電路及柔性陣列壓力傳感器，實時獲取鍛煉者跑步過程中足底與跑臺之間的接觸力信息及時序并發(fā)送至上位機(jī)，通過上位機(jī)軟件分析計算步態(tài)參數(shù).系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2 數(shù)據(jù)采集與分析

2.1 數(shù)據(jù)采集部分構(gòu)成

柔性陣列壓力傳感器采用上下兩層結(jié)構(gòu)，在上下層接觸表面形成接觸電阻，其接觸電阻隨接觸面積和接觸壓力增大成準(zhǔn)線性減小，通過檢測電路檢測出接觸電阻的變化值，經(jīng)過標(biāo)定矩陣解算后就可以計算出相對應(yīng)敏感單元或相應(yīng)區(qū)域的壓力值[10]。由4 800個壓力敏感點按行列方式印刷構(gòu)成傳感器陣列固定在跑步機(jī)的跑板上側(cè)，測量面積為120 cm×40 cm，采樣頻率 Fs為 100 Hz[11]，如圖 2 所示。

圖2 柔性陣列壓力傳感器

基于柔性陣列傳感器的數(shù)據(jù)采集模塊早期采用CAN通信方式，但隨著采樣頻率的增加、數(shù)據(jù)量的增大，CAN通信方式出現(xiàn)帶寬不夠，數(shù)據(jù)受限等問題，所以改為采用Ethernet通信方式，基于TCP/IP協(xié)議客戶端和服務(wù)器模式，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)傳輸。流式套接字的優(yōu)點在于它提供面向連接、可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，且按發(fā)送順序接收數(shù)據(jù)。為此，我們在程序應(yīng)用中采用流式套接字，保證接收到的數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。實際應(yīng)用中上位機(jī)作為服務(wù)器，以STM32F單片機(jī)為控制核心的柔性陣列傳感器的數(shù)據(jù)采集電路作為客戶端。數(shù)據(jù)采集電路采用二次測量法[7]對傳感器進(jìn)行掃描，采集當(dāng)前時間戳下對應(yīng)的每一個壓力點的壓力值，然后按照如下數(shù)據(jù)格式，對壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行組包并通過網(wǎng)口進(jìn)行發(fā)送。

其中Time表示采集時刻的時間戳;Node表示壓力墊編號;bSta是備用信息;Col表示列號;Row行號數(shù)據(jù)，__ELEMENT_SIZE__代表行單元數(shù)。

2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

跑步過程中，雙腳依次交替地踏在跑板上，數(shù)據(jù)采集部分采集單腳支撐期間的所有幀數(shù)據(jù)，發(fā)送至上位機(jī)分析軟件。訓(xùn)練者在跑步機(jī)上跑的過程中，由于震動和電磁干擾等原因可能會產(chǎn)生一些雜點數(shù)據(jù);另外，傳感器回彈速度不夠快也有可能產(chǎn)生干擾信號。因此，在進(jìn)行步態(tài)特征提取前需要對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪。因為采集到的數(shù)據(jù)形式上與灰度視頻數(shù)據(jù)非常相似，因此，可以借鑒視頻和圖像數(shù)據(jù)處理中的去噪算法對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪預(yù)處理[12]。

在形態(tài)學(xué)的處理中，使用同一個結(jié)構(gòu)元素對目標(biāo)圖像先進(jìn)行腐蝕運算，再進(jìn)行膨脹運算的過程稱為開運算[13]，原圖經(jīng)過開運算之后，能夠去除孤立的小點、毛刺和小的連通區(qū)域，去除小物體、平滑較大物體的邊界，也不會明顯改變其面積。設(shè)X為目標(biāo)圖像，B為結(jié)構(gòu)元素，則結(jié)構(gòu)元素B對目標(biāo)圖像X的開運算數(shù)學(xué)表達(dá)式為:X·B=(XΘB)⊕B。

然而，本設(shè)計中每一幀所包含的只是有效數(shù)據(jù)點，組合成圖像之后，像素點較少，開運算并不能很好的濾去雜點。因此，基于開運算的思想，本文采用一種簡單的基于窗口內(nèi)有效值個數(shù)的去噪算法，算法原理是依次掃描某一個時間戳下的所有數(shù)據(jù)點，如果圍繞某一個數(shù)據(jù)點的3×3的數(shù)據(jù)窗口中有效數(shù)據(jù)點(指壓力值＞0)的個數(shù)少于某一個值(目前是4個)，那么就認(rèn)為該數(shù)據(jù)點是雜點，予以剔除。

圖3 去噪的結(jié)果

3 應(yīng)用示例

3.1 參數(shù)獲取

步長、步頻和騰空時間是進(jìn)行跑步技術(shù)分析比較敏感和有效的指標(biāo)[14]，本文從步長、步頻、騰空時間及支撐時間這四個指標(biāo)來分析訓(xùn)練者在跑步機(jī)上跑步的步態(tài)特征。將每只腳支撐期間所有幀的數(shù)據(jù)區(qū)域疊加，計算出整個支撐期間的區(qū)域范圍，然后把最后一幀的時間戳(IDend)減去第一幀的時間戳(IDstart)乘以采樣時間即為支撐時間Ton(ms)，即

在跑步機(jī)上，步長SL(Step Longty)定義為每步的時間間隔乘以這段時間間隔內(nèi)的平均速度加上前后兩次腳跟著地點的距離之差[5]，即當(dāng)前腳著地時刻IDcurstart減去前一只腳離地時刻IDpreend乘以這段時間內(nèi)的速度V(km/h)，所得結(jié)果減去當(dāng)前腳、前一只腳腳跟著地點的距離之差(Dcur－Dpre)即

步頻SF(Step Frequency)是1 min內(nèi)行走的步數(shù)，指從一只腳的腳后跟著地IDcurstart到另一只腳的腳跟著地IDprestart的時間間隔的倒數(shù)[6]，即

騰空時間Toff(ms)是指從腳離地瞬間起到另一腳著地瞬間的時間[1]，即

3.2 實驗及結(jié)果

以一名39歲的男性長跑運動員(體重70 kg，身高175 cm)為例，我們分析了不同速度下的步態(tài)特征。為了保證受試者姿態(tài)自然，實驗開始后，待受試者速度穩(wěn)定，在不知會受試者的情況下開始數(shù)據(jù)采集[15]，每一速度下采集完成后，休息5 min之后再進(jìn)行下一速度下的實驗。在不同速度下采集受試者穩(wěn)定狀態(tài)下80步的步態(tài)信息，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和對比，結(jié)果如表1和圖4所示。

表1 不同速度下的測試結(jié)果

圖4 不同速度下參數(shù)對比

由以上測試結(jié)果可以看出，隨著速度的增加，單腳支撐時間在逐漸減小，單腳騰空時間在逐漸增加;該受試者在8 km/h速度時，步長比較小、步頻都比較低，10 km/h速度下的步長和8 km/h的速度相差不大、但步頻提高了很多，而在12 km/h速度下的步長和步頻都有所提高，14 km/h速度下的步頻和12 km/h速度下的步頻相差不大，主要是通過增加步長來適應(yīng)跑步機(jī)當(dāng)前的速度。圖4表明獲取的參數(shù)范圍及趨勢與以往的研究結(jié)果是一致的[5，14]，進(jìn)而說明了該系統(tǒng)的傳感原理、實現(xiàn)方式及參數(shù)獲取算法都是正確的。

4 結(jié)論與展望

將柔性陣列壓力傳感技術(shù)應(yīng)用到跑步機(jī)上，設(shè)計了一種新的在跑步機(jī)上獲取步態(tài)特征的系統(tǒng)，從步長、步頻、騰空時間及支撐時間這四個指標(biāo)來分析訓(xùn)練者在跑步機(jī)上跑步的步態(tài)特征，該系統(tǒng)可以很好的獲取訓(xùn)練者的步態(tài)特征。通過研究不同速度下訓(xùn)練者的步態(tài)特征，發(fā)現(xiàn)訓(xùn)練者會通過調(diào)整步頻和步長以達(dá)到設(shè)定的跑步機(jī)跑速[14]。同時，訓(xùn)練者在不同速度下調(diào)整的方式是不同的，因此，該研究為今后在電動跑步機(jī)上實現(xiàn)速度自適應(yīng)控制提供了很好的參考。

由于實驗對象及實驗條件的限制，測試結(jié)果并不能代表所有人的特征，本文還有需要改進(jìn)的地方，如實驗對象的選取(區(qū)別普通人和運動員、選取不同年齡段)、低速下的特征提取、長時間運動之后動作的變形等，后續(xù)研究將對這些方面進(jìn)行改進(jìn)。

[1]李鴻江.田徑[M].2版，北京:高等教育出版社，2008.

[2]Alain Belli，Phong Bui，Antoine Berger，et al.A Treadmill Ergometer for Three-Dimensional Ground Reaction Forces Measurement During Walking[J].Journal of Biomechanics，2001，34:105－112.

[3]Verkerke G J，Hof A L，Zijlstra W.Determining the Centre of Pressure during Walking and Running using an Instrumented Treadmill[J].Journal of Biomechanics，2005，38:1881－1885.

[4]Patrick O Riley，Gabriele Paolini，Ugo Della Croce，et al.A Kinematic and Kinetic Comparison of Overground and Treadmill Walking in Healthy Subjects[J].Gait＆ Posture，2007，26:17－24.

[5]Kimberlee Jordan，John H Challis，KarlM Newell.Speed Influences on the Scaling Behavior of Gait Cycle Fluctuations during Treadmill Running[J].Human Movement Science，2007，26:87－102.

[6]撖濤，楊先軍，馬祖長，等.基于數(shù)字跑道的田徑訓(xùn)練信息采集和反饋系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].體育科學(xué)，2008，28(9):70－73.

[7]趙蘭迎.基于數(shù)字跑道的田徑訓(xùn)練信息采集和發(fā)饋系統(tǒng)[D].中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2007.

[8]趙蘭迎，孫怡寧，周旭.基于CPLD的田徑訓(xùn)練運動學(xué)信息采集系統(tǒng)[J].自動化與儀器儀表，2007(1):25－26，73.

[9]馬霄珂.基于柔性傳感器的數(shù)字運動鞋信息反饋系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用研究[D].中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2009.

[10]楊先軍.柔性力敏傳感及其應(yīng)用技術(shù)研究[D].中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2012.

[11]劉志，楊先軍，姚志明，等.電子步道在步態(tài)時空參數(shù)測量中的可靠性[J].傳感技術(shù)學(xué)報，2010，23(7):913－917.

[12]劉世法，周旭，孫怡寧，等.一種新型均值濾波器及在壓力分布中的應(yīng)用[J].計算機(jī)應(yīng)用，2009，29(6):1728－1730，1747.

[13]劉海波，沈晶，郭聳，等.Visual C++數(shù)字圖像處理技術(shù)詳解[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[14]周華.優(yōu)秀中長跑運動員途中跑的步態(tài)和步態(tài)特征的研究[D].山東體育學(xué)院，2007.

[15]王人成，朱德有，莫明軍，等.行走和跑步兩種步態(tài)模式的實驗分析[J].中國康復(fù)醫(yī)學(xué)雜志，2002，17(4):233－235.