電動(dòng)跑步機(jī)上步態(tài)特征獲取系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

楊先軍，李春麗，夏 懿，劉建強(qiáng)，王俊青，3，孫怡寧*

(1.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)自動(dòng)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)科學(xué)院合肥智能機(jī)械研究所，合肥230031;3.中國(guó)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(yùn)動(dòng)形式，是支撐相與擺動(dòng)相交替、蹬與擺相配合的周期性運(yùn)動(dòng)[1]，跑步機(jī)因其速度的穩(wěn)定性及步數(shù)測(cè)量的無(wú)限制性，近年來(lái)被廣泛用于走和跑過(guò)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(yùn)動(dòng)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(shí)時(shí)檢測(cè)田徑運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練時(shí)腳底與跑道接觸的形狀和時(shí)間等信息，從而獲取運(yùn)動(dòng)員的步長(zhǎng)、步頻和動(dòng)作時(shí)序等信息[6－8]。基于柔性陣列傳感器的數(shù)字跑鞋，將傳感器內(nèi)置于鞋內(nèi)，采集運(yùn)動(dòng)員的足底壓力，應(yīng)用于競(jìng)走運(yùn)動(dòng)中，實(shí)現(xiàn)了多角度觀測(cè)運(yùn)動(dòng)員技術(shù)動(dòng)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(diǎn)，為在跑步機(jī)上獲取運(yùn)動(dòng)員的步態(tài)信息提供了方便。同時(shí)，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(dòng)跑步機(jī)上實(shí)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(dòng)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(guò)人機(jī)交互界面對(duì)跑步過(guò)程進(jìn)行控制，并完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、分析和顯示等。心率模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鍛煉者跑步過(guò)程中的心率;主電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊接受上位機(jī)命令，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng);升降模塊接受上位機(jī)命令控制跑步機(jī)跑臺(tái)的坡度，跑板固定在跑臺(tái)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(shí)時(shí)獲取鍛煉者跑步過(guò)程中足底與跑臺(tái)之間的接觸力信息及時(shí)序并發(fā)送至上位機(jī)，通過(guò)上位機(jī)軟件分析計(jì)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(guò)檢測(cè)電路檢測(cè)出接觸電阻的變化值，經(jīng)過(guò)標(biāo)定矩陣解算后就可以計(jì)算出相對(duì)應(yīng)敏感單元或相應(yīng)區(qū)域的壓力值[10]。由4 800個(gè)壓力敏感點(diǎn)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(cè)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(wèn)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(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。流式套接字的優(yōu)點(diǎn)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?cè)诔绦驊?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(shí)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(cè)量法[7]對(duì)傳感器進(jìn)行掃描，采集當(dāng)前時(shí)間戳下對(duì)應(yīng)的每一個(gè)壓力點(diǎn)的壓力值，然后按照如下數(shù)據(jù)格式，對(duì)壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行組包并通過(guò)網(wǎng)口進(jìn)行發(fā)送。

其中Time表示采集時(shí)刻的時(shí)間戳;Node表示壓力墊編號(hào);bSta是備用信息;Col表示列號(hào);Row行號(hào)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(guò)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(guò)程中，由于震動(dòng)和電磁干擾等原因可能會(huì)產(chǎn)生一些雜點(diǎn)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(hào)。因此，在進(jìn)行步態(tài)特征提取前需要對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪。因?yàn)椴杉降臄?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(duì)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(gè)結(jié)構(gòu)元素對(duì)目標(biāo)圖像先進(jìn)行腐蝕運(yùn)算，再進(jìn)行膨脹運(yùn)算的過(guò)程稱為開運(yùn)算[13]，原圖經(jīng)過(guò)開運(yùn)算之后，能夠去除孤立的小點(diǎn)、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(huì)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(duì)目標(biāo)圖像X的開運(yùn)算數(shù)學(xué)表達(dá)式為:X·B=(XΘB)⊕B。

然而，本設(shè)計(jì)中每一幀所包含的只是有效數(shù)據(jù)點(diǎn)，組合成圖像之后，像素點(diǎn)較少，開運(yùn)算并不能很好的濾去雜點(diǎn)。因此，基于開運(yùn)算的思想，本文采用一種簡(jiǎn)單的基于窗口內(nèi)有效值個(gè)數(shù)的去噪算法，算法原理是依次掃描某一個(gè)時(shí)間戳下的所有數(shù)據(jù)點(diǎn)，如果圍繞某一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的3×3的數(shù)據(jù)窗口中有效數(shù)據(jù)點(diǎn)(指壓力值＞0)的個(gè)數(shù)少于某一個(gè)值(目前是4個(gè))，那么就認(rèn)為該數(shù)據(jù)點(diǎn)是雜點(diǎn)，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(zhǎng)、步頻和騰空時(shí)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(zhǎng)、步頻、騰空時(shí)間及支撐時(shí)間這四個(gè)指標(biāo)來(lái)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(jì)算出整個(gè)支撐期間的區(qū)域范圍，然后把最后一幀的時(shí)間戳(IDend)減去第一幀的時(shí)間戳(IDstart)乘以采樣時(shí)間即為支撐時(shí)間Ton(ms)，即

在跑步機(jī)上，步長(zhǎng)SL(Step Longty)定義為每步的時(shí)間間隔乘以這段時(shí)間間隔內(nèi)的平均速度加上前后兩次腳跟著地點(diǎn)的距離之差[5]，即當(dāng)前腳著地時(shí)刻IDcurstart減去前一只腳離地時(shí)刻IDpreend乘以這段時(shí)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(diǎn)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(shí)間間隔的倒數(shù)[6]，即

騰空時(shí)間Toff(ms)是指從腳離地瞬間起到另一腳著地瞬間的時(shí)間[1]，即

3.2 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

以一名39歲的男性長(zhǎng)跑運(yùn)動(dòng)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(shí)驗(yàn)開始后，待受試者速度穩(wěn)定，在不知會(huì)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(shí)驗(yàn)。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(duì)比，結(jié)果如表1和圖4所示。

表1 不同速度下的測(cè)試結(jié)果

圖4 不同速度下參數(shù)對(duì)比

由以上測(cè)試結(jié)果可以看出，隨著速度的增加，單腳支撐時(shí)間在逐漸減小，單腳騰空時(shí)間在逐漸增加;該受試者在8 km/h速度時(shí)，步長(zhǎng)比較小、步頻都比較低，10 km/h速度下的步長(zhǎng)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(zhǎng)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(guò)增加步長(zhǎng)來(lái)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(shì)與以往的研究結(jié)果是一致的[5，14]，進(jìn)而說(shuō)明了該系統(tǒng)的傳感原理、實(shí)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(jì)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(zhǎng)、步頻、騰空時(shí)間及支撐時(shí)間這四個(gè)指標(biāo)來(lái)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(guò)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(huì)通過(guò)調(diào)整步頻和步長(zhǎng)以達(dá)到設(shè)定的跑步機(jī)跑速[14]。同時(shí)，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(dòng)跑步機(jī)上實(shí)現(xiàn)速度自適應(yīng)控制提供了很好的參考。

由于實(shí)驗(yàn)對(duì)象及實(shí)驗(yàn)條件的限制，測(cè)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(shí)驗(yàn)對(duì)象的選取(區(qū)別普通人和運(yùn)動(dòng)員、選取不同年齡段)、低速下的特征提取、長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)動(dòng)之后動(dòng)作的變形等，后續(xù)研究將對(duì)這些方面進(jìn)行改進(jìn)。

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