智能滑雪板訓(xùn)練指導(dǎo)系統(tǒng)的研究

澤雅達(dá)，高 帆， 劉曉飛，盧壯旗

(北華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，吉林 吉林 132021)

當(dāng)前滑雪運(yùn)動(dòng)缺少完整的評(píng)價(jià)體系，極大的影響了滑雪體驗(yàn)，限制了智能滑雪裝備的發(fā)展[1].目前已有Motion Metrics推出的Carv滑雪智能檢測(cè)系統(tǒng)，可以根據(jù)動(dòng)作和足底壓力數(shù)據(jù)為用戶(hù)提供相應(yīng)的分析和反饋[2].南斯拉夫?qū)W者Vukobratovic提出用于評(píng)價(jià)動(dòng)態(tài)步行穩(wěn)定性的零力矩點(diǎn)理論(Zero Moment Point，ZMP).即ZMP是地面上的一點(diǎn)，重力和慣性力對(duì)這一點(diǎn)的力矩水平分量為零，若其在運(yùn)動(dòng)者與地面的支撐面內(nèi)，則其運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定[3].但其目前僅用于慢速行步于平面的機(jī)器人動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性判定，對(duì)于在地形復(fù)雜的快速滑雪方面尚未有可靠的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性判定與指導(dǎo)評(píng)價(jià)系統(tǒng).我國(guó)目前大力推行冰雪項(xiàng)目，急需智能化冰雪訓(xùn)練裝備，本文基于ZMP判穩(wěn)原理研究滑雪運(yùn)動(dòng)中的動(dòng)態(tài)平衡判定決策方法，為新人滑雪者提供智能滑雪指導(dǎo).

1 智能滑雪指導(dǎo)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及工作原理

智能滑雪指導(dǎo)系統(tǒng)由信息采集計(jì)算單元、核心控制器單元、滑雪動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)單元、人機(jī)交互單元組成.信息采集計(jì)算單元包括加速度計(jì)與陀螺儀，用于采集人體滑雪時(shí)腿部、腰部的狀態(tài)信息，并算出ZMP坐標(biāo).動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)單元以零力矩點(diǎn)位置為輸入，根據(jù)自定義的滑雪動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)函數(shù)，得到用戶(hù)滑雪平衡狀態(tài)，并給出滑雪評(píng)價(jià).控制器單元依據(jù)采集到的用戶(hù)各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，根據(jù)決策結(jié)果給出相應(yīng)滑雪指導(dǎo).人機(jī)交互單元將滑雪指導(dǎo)通過(guò)語(yǔ)音向用戶(hù)傳達(dá).其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示.

圖1 智能滑雪指導(dǎo)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 滑雪運(yùn)動(dòng)模型構(gòu)建

將滑雪時(shí)的人體簡(jiǎn)化成若干個(gè)剛體連接成的運(yùn)動(dòng)鏈[4]如圖2所示.

圖2 人體運(yùn)動(dòng)鏈?zhǔn)疽鈭D

根據(jù)圖2所示的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，則ZMP坐標(biāo)滿(mǎn)足如下關(guān)系：

(1)

其中：xi為第i個(gè)運(yùn)動(dòng)鏈與坐標(biāo)系y軸的距離；yi為第i個(gè)運(yùn)動(dòng)鏈與坐標(biāo)系x軸的距離；xZMP為人體在水平面x方向上的零力矩點(diǎn)坐標(biāo)；yZMP為人體在水平面y方向上的零力矩點(diǎn)坐標(biāo)；mi為第i個(gè)運(yùn)動(dòng)鏈的質(zhì)量；ii為第i個(gè)運(yùn)動(dòng)鏈的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ωi為第i個(gè)運(yùn)動(dòng)鏈的角速度；Ai為第i個(gè)運(yùn)動(dòng)鏈和角加速度；g為重力加速度.

由式(1)可得，零力矩點(diǎn)坐標(biāo)為：

(2)

根據(jù)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性判據(jù)得：若ZMP坐標(biāo)在支撐區(qū)域內(nèi)，則滑行處于平衡狀態(tài).支撐區(qū)域是指因足部支撐所形成的區(qū)域[5].由于滑雪板上的雪鞋較實(shí)際人體腳掌稍大，故將支撐區(qū)域沿Y向填充.因滑雪時(shí)支撐面會(huì)隨著地形不斷變化，對(duì)其求水平面的支撐區(qū)域投影.定義支撐區(qū)域投影半徑為零力矩點(diǎn)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(mǎn)足：

(3)

3 滑雪動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)與指導(dǎo)實(shí)現(xiàn)

經(jīng)過(guò)零力矩點(diǎn)計(jì)算后，得到零力矩點(diǎn)的坐標(biāo).由零力矩點(diǎn)相對(duì)于支撐平面區(qū)域的相對(duì)位置，定義平衡評(píng)價(jià)函數(shù)：

(4)

當(dāng)人體零力矩點(diǎn)保持在平衡區(qū)域內(nèi)時(shí)，用戶(hù)能夠調(diào)整身體姿態(tài)得到更好的平衡狀態(tài)或滑行動(dòng)作.不同的滑雪動(dòng)作、滑雪姿態(tài)相對(duì)于水平面有相對(duì)應(yīng)的零力矩點(diǎn)坐標(biāo)，可以通過(guò)零力矩點(diǎn)坐標(biāo)的移動(dòng)曲線(xiàn)來(lái)評(píng)價(jià)人體的滑雪動(dòng)作[6].設(shè)定滑雪指導(dǎo)動(dòng)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(shù)：

(5)

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

由于在指導(dǎo)過(guò)程中，用戶(hù)難以判斷身體側(cè)移的精確角度，所以需要將指導(dǎo)信息模糊化，根據(jù)式(5)定義模糊表如表1所示：

表1 x、y軸方向指導(dǎo)決策模糊表

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

4 控制系統(tǒng)工作原理及軟件流程

系統(tǒng)核心使用STM32F4 作為智能滑雪板的主控芯片.人體姿態(tài)信息經(jīng)標(biāo)定后的陀螺儀加速度計(jì)采集讀入主控后[7]，主控根據(jù)多組傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，求出人體的零力矩點(diǎn)的位置.根據(jù)零力矩點(diǎn)在支撐平面的相對(duì)位置，進(jìn)行滑雪動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)，并給出相對(duì)應(yīng)的滑雪指導(dǎo)信息[8].控制流程如圖4所示.

圖4 控制系統(tǒng)程序流程圖

5 實(shí)驗(yàn)測(cè)試及分析

構(gòu)建滑道模擬滑雪采集數(shù)據(jù)進(jìn)行多次試驗(yàn)，在試驗(yàn)者小腿、大腿和腰部佩戴好傳感器采集設(shè)備，從滑道上滑下，捕捉、記錄試驗(yàn)者的零力矩點(diǎn)的位置變化[9-10]，如圖5所示：

采集數(shù)據(jù)點(diǎn)圖5 零力矩點(diǎn)坐標(biāo)圖

連續(xù)實(shí)驗(yàn)十次，每次采集一百個(gè)零力矩點(diǎn)坐標(biāo)，由式(4)計(jì)算出每一坐標(biāo)的評(píng)價(jià)值，統(tǒng)計(jì)樣本，得概率分布圖如圖6所示.由圖可知，評(píng)價(jià)值樣本大體呈現(xiàn)正態(tài)分布.其中90%的數(shù)據(jù)落在25%～75%之間，表明系統(tǒng)的訓(xùn)練指導(dǎo)效果良好.

滑雪評(píng)價(jià)指標(biāo)/%圖6 評(píng)價(jià)值分布圖

6 結(jié) 論

依據(jù)零力矩點(diǎn)原理，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了一種用于滑雪運(yùn)動(dòng)的智能評(píng)價(jià)指導(dǎo)系統(tǒng).介紹了系統(tǒng)構(gòu)成，論述了ZMP的計(jì)算方法，提出了滑雪動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)與指導(dǎo)的實(shí)現(xiàn)方式.經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)采樣數(shù)據(jù)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)決策結(jié)果可得該系統(tǒng)決策指導(dǎo)滑雪效果良好，為滑雪裝備智能化研究提供新的思路.