CN102210925B - 一种基于数字化场地和机电信号的体育训练分析系统 - Google Patents
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Abstract
本发明创造涉及体育训练自动化领域，特别涉及一种基于数字化场地和机电信号的体育训练分析系统。系统包括活动式可拼装型数字化场地、便携式无线肌电仪、系统同步控制器、现场总线、计算机。根据训练要求拼装连接成不同长宽的正方形或者长方形构成活动式可拼装型数字化场地，获得运动员的步态信息；便携式无线肌电仪由多个肌电探头组成，获得运动员的肌电信号。计算机同步控制器分别和数字化场地以及肌电仪之间通讯。运动步态信息和肌电信号规整到同一时间轴上，获得人体表面肌电信号及人体步伐位置、压力分布特征，从而得到人体姿态参数与人体肌肉状态信息，用于分析肢体肌肉状态和步伐特征以及肢体姿态和局部肌肉力量、耐力之间的关系。
Description
所属领域本发明涉及体育训练自动化领域，特别涉及一种基于数字化场地和机电信号的体育训练分析系统。
技术背景
击剑、跆拳道、拳击、摔跤、举重等竞技体育项目都是世界传统运动，它们都是是世界奥运会的重要组成部分，我国在这些竞技体育项目中具有一定的优势，在多次比赛和奥运会上取得优异成绩，2008年奥运会中，我国在拳击、举重、柔道项目上获得了多枚金牌，此类竞技体育项目成为我国奥运会上夺金的一大亮点，但是相比其他我国强势项目来说，击剑、跆拳道、拳击、摔跤、举重等竞技体育项目起步较晚，优势并不明显，和世界其他此类项目强国相比，还存在较大的差距。
目前我国击剑、跆拳道、拳击、摔跤、举重等竞技体育项目的训练教学工具和研究方法都很缺乏，特别对于训练研究的普适性工具更是没有，基本上是单凭教练员的肉眼和经验来判断训练者动作准确与否，训练者学习难度较高，只能从宏观上了解自己的大致的学习训练情况，涉及到具体的技术参数就无法判断，缺乏客观的、科学的指导方法和训练依据，比如在摔跤项目上运动员的肢体肌肉暴发力和步伐特征、脚步转换点的蹬地力量、肢体肌肉强度和脚步压力分布之间的关系以及涉及肢体平稳性相关参数等，这些信息对教练员和运动员有着重要的意义，不仅有助于客观了解自己的错误劣势所在，从根本上解决学习训练中的遇到的各种问题，从而针对训练、改正，提高训练效果和竞技水平，更重要的是可以帮助对此类竞技运动形成一个客观的科学的认识和分析方法，深入研究运动生物力学特征，从而提供科学的训练指导，提高民族竞技水平。然而现阶段却没有有效的工具方法来帮助实现。
根据国家专利局检索中心专利查询，有针对类似竞技体育的一种击剑训练指导系统，申请号是：200410041091.X，公开号是：CN1593703A，包括剑靶、传感和引导单元、运动部件、导向机构、运动驱动单元、处理单元和计算机。剑靶做成模拟击剑姿势的仿人形，固定安装于运动部件上。传感和引导单元由发光器和感应器连接组成，按照击剑运动的规律分布于剑靶上的各有效击刺部位。运动部件、导向机构和运动驱动单元带动剑靶沿直线前后运动，模仿运动员在剑道上的前后移动。传感和引导单元、运动部件可在计算机编程控制下按指定的序列和时间点亮或运动，主动引导运动员进行击刺和步伐训练、攻防训练。其优点是可以解决目前击剑训练中存在的被动、盲目和训练效果难以评价的问题，为教练员制定训练计划提供了依据，但是无法获得运动员的肢体肌肉状况和步伐特征、位置、脚步压力分布之间的关系以及涉及肢体平稳性等相关参数，不能从根本上解析此类运动的本质特征，而目前迫切需要对此类竞技运动作出科学的分析评价。
发明内容本发明的目的在于：针对目前击剑、跆拳道、拳击、摔跤、举重等体育竞技训练的缺陷，提出一种基于数字化场地和肌电信号的体育训练分析系统。根据获得的表面肌电信号信息和运动生物力学等信息，提供科学的分析指导方法，提高运动员的训练水平。
本发明的技术方案是：一种基于数字化场地和机电信号的体育训练分析系统，包括活动式可拼装型数字化场地、便携式无线肌电仪、系统同步控制器、现场总线、计算机，其特征在于：
多块数字化场地模块根据训练要求拼装连接成不同长宽的正方形或者长方形构成活动式可拼装型数字化场地，活动式可拼装型数字化场地的各个数字化场地模块通过现场总线汇集到CAN卡后连接到系统同步控制器，系统同步控制器和计算机相连接；便携式无线肌电仪由多个肌电探头、高韧性连接导线、肌电信号盒组成，肌电信号盒内含数据预处理模块和数据无线发射接收装置，通过和系统同步控制器内的无线模块通讯，进而实现和计算机的连接；计算机控制系统同步控制器分别通过CAN总线和无线通讯的方式实现和活动式可拼装型数字化场地以及便携式无线肌电仪之间的通讯，通过发送同步信号精确同步活动式拼装型数字化场地和便携式无线肌电仪的系统时间，系统时间确认同步后，计算机控制系统同步控制器发出系统工作开始控制信号，活动式拼装型数字化场地获得运动员的步态信息通过现场总线、CAN卡和系统同步控制器传送到计算机，运动员的机电信号由肌电探头采集获得，通过高韧性连接导线传送到肌电信号盒，进行数据预处理后以无线发射的方式传送到系统同步控制器的无线模块，进而传送到计算机；系统工作过程中由系统同步控制器和计算机共同完成对整个系统的运行控制和训练运动过程中采集数据的传输控制、系统各个设备之间的同步校正控制。
所述的活动式拼装型数字化场地是由多块正方形数字化场地模块拼装组合而成，各个数字化场地模块之间采用凸出、凹陷的嵌入式结构固定，电源和信号总线通过伸缩式接头连接，以实现数字化场地模块之间的紧密结合；
所述的便携式无线肌电仪使用时其肌电探头利用胶带黏贴固定在所测部位的皮肤上，高韧性连接导线选用质量轻、直径小、韧性高的漆包线。
所述的系统同步控制器包括数据转换传输控制电路、同步信号的发生、同步控制电路和无线发射接收电路。
所述的活动式数字化场地获得的运动步态信息和便携式无线肌电仪获得的机电信号规整到同一时间轴上，用于获得人体肢体肌肉状态、姿态控制和步态的相关关系以及与运动步伐信息、肢体运动信息相关的各种体育训练分析。
本发明相对于现有技术的有益效果是：
其一，针对现有在此类竞技体育上改进训练的方法均是基于在训练器材自动化、精确度上的改进，本发明提出基于数字化场地和机电信号的体育训练分析系统，可以获得人体不同部位的表面肌电信号及人体步伐位置、压力分布特征，从而得到人体姿态稳定性参数与人体肌肉状态信息，采用数字化场地结合肌电信号的方法，将活动式数字化场地获得的运动步态信息和便携式无线肌电仪获得的表面肌电信号规整到同一时间轴上，用于客观分析肢体肌肉状态和步伐特征，肢体姿态控制和局部肌肉力量、耐力之间的关系，不仅仅为击剑、跆拳道、拳击、摔跤等竞技体育项目的学习训练提供了客观的科学指导依据，对于从本质上分析理解运动生物力学也具有重要的现实意义。
其二，利用便携式无线肌电仪获得的表面肌电信号是在肌肉表面通过表面电极引导记录下来的神经肌肉活动时的一维时间序列信号，其变化与参与活动的运动单位数量、活动模式和代谢状态等因素有关，能够实时地、准确地在非损伤的状态下反映肌肉的活动和功能状态，从而得到不同的运动过程中肢体不同部位肌肉的能量活动状态等信息，简便易行，无创伤，对技术动作的干扰小，易于被受试者接受。
其三，利用活动式数字化场地获得的运动步态信息和肌电信号的记录和分析具有良好的实时性和局部性，可以直接分析肌肉的用力状况及其他特征，分析得到的运动员在不同的运动过程中，不同部位的肌群对于成功完成动作以及相应姿态稳定性控制的“贡献”大小，可以针对具体的体育项目训练要求加强训练相关肌肉的强度、耐力等，从而提高训练的目的性和训练效率。
附图说明下面结合附图和实施例对本发明专利做进一步的说明。
图1是活动式数字化场地模块结构示意图；
图2是活动式数字化场地整体效果图；
图3是便携式无线肌电仪构成图；
图4是系统工作流程图；
图1中，1、连接凹孔；2、接头插孔；3、伸缩式接头插孔；4、连接凹孔；5、连接铁钉；6、伸缩式接头插孔；7、伸缩式接头插孔；8、连接铁钉；
图2中，9、活动式数字化场地；10、现场总线；11、CAN卡；12、系统同步控制器；13计算机；
图3中，14、表面肌电电极；15、高韧性连接导线；16、便携式无线肌电仪；17、肌电信号盒；12、系统同步控制器；
图1是活动式数字化场地模块结构示意图。在图1中，每块活动式数字化场地模块四周分别加工有二个接头插孔(2、3、6、7)，孔内分别含有伸缩式电源接头和伸缩式总线接头，二侧面分别加工二个连接凹孔(1、4)和二个连接铁钉(5、8)，加工有二个连接凹孔(1、4)的相对侧面为连接铁钉，加工有二个连接铁钉(5、8)的相对侧面为连接凹孔；拼装时先将伸缩式电源接头和伸缩式总线接头拉出相接，再将相邻模块的连接凹孔(1、4)和连接铁钉(5、8)相互嵌入连接，多块数字化场地模块拼装连接构成训练需要形状的数字化场地(9)。
图2是活动式数字化场地整体效果图；在图2中，多块数字化场地模块拼装连接构成活动式数字化场地(9)，其通讯方式采取现场总线(10)连接，现场总线(10)通过CAN卡(11)连接到系统同步控制器(12)，活动式数字化场地(9)的同步控制信号以及采集数据的传输通过现场总线(10)和CAN卡(11)与系统同步控制器(12)进行数据传输，最终由计算机(13)完成数据分析处理；动式数字化场地(9)和便携式无线肌电仪(16)构的工作全过程的同步校正控制以及数据采集、传输、存储、分析由计算机(13)控制同步控制器(12)控制整个系统完成。
图3是便携式无线肌电仪构成图；在图3中，表面肌电电极(14)通过高韧性连接导线(15)连接到肌电信号盒(17)、肌电信号盒(17)中集成了机电信耗预处理模块以及无线模块、肌电信号盒(17)通过无线传输的方式和系统同步控制器(12)之间通讯；
图4是系统工作的流程图，打开计算机(13)，上电开启活动式数字化场地(9)、系统同步控制器(12)和便携式无线肌电仪(16)，由计算机(13)向活动式数字化场地(9)、系统同步控制器(12)和便携式无线肌电仪(16)发出初始化指令，完成硬件的初始化工作，进而控制系统同步控制器(12)发出同步控制指令，完成系统同步工作，在计算机(13)和系统同步控制器(12)的共同控制下，活动式数字化场地(9)、便携式无线肌电仪(16)、成数据的采集、传输，最终发送到计算机(13)进行存储和数据分析处理，运动员和教练员根据所的信息进行分析判断，用于指导训练提高成绩。
具体实施方式
实施例：实际使用时，先将训练研究对象相应的所研究部位用酒精擦拭干净，用胶带将表面肌电电极紧紧固定在皮肤表面，肌电信号盒置于训练研究对象的口袋中，高韧性连接导线的长度足够长到以不影响训练研究对象的运动为准，开启计算机、系统同步控制器、便携式无线肌电仪和活动式数字化场地完成上电初始化后进行系统同步，系统准备好工作后，运动员在活动式数字化场地上运动，由活动式数字化场地中的柔性传感器阵列采集记录运动员的脚步形状、位置、压力分布等步伐特征信息，通过现场总线将采集到的数据经过CAN卡和系统同步控制器输到计算机，与此同时，便携式无线肌电仪将采集到的表面肌电信号传送到肌电信号盒进行数据的预处理，并通过无线模块传送到系统同步控制器的无线接收模块，最终传送到计算机存储分析，计算机将活动式数字化场地采集到的运动员的步伐特征信息和便携式无线肌电仪将采集到的表面肌电信号以及他们的系统时间信息规整到同一时间轴上，得到运动员任意时刻的步伐特征和相应的肌肉状态，完成基于具体运动项目的参数定义、训练模型的构建、相关部位肌肉的力量、收缩变化、负荷以及持续时间的动态变化、步态特征的分析和特征参数的提取，完成相应的运动生物力学分析。基于测试数据的分析结果用于揭示人体运动生物力学特征并给予运动员科学的训练指导。
Claims (5)
1.一种基于数字化场地和机电信号的体育训练分析系统，包括活动式可拼装型数字化场地(9)、便携式无线肌电仪(16)、系统同步控制器(12)、现场总线(10)、计算机(13)，其特征在于：
多块数字化场地模块根据训练要求拼装连接成不同长宽的正方形或者长方形构成活动式可拼装型数字化场地(9)，活动式可拼装型数字化场地(9)的各个数字化场地模块通过现场总线(10)汇集到CAN卡(11)后连接到系统同步控制器(12)，系统同步控制器(12)和计算机(13)相连接；便携式无线肌电仪(16)由多个肌电探头(14)、高韧性连接导线(15)、肌电信号盒(17)组成，肌电信号盒(17)内含数据预处理模块和数据无线发射接收装置，通过和系统同步控制器(12)内的无线模块通讯，进而实现和计算机(13)的连接；计算机(13)控制系统同步控制器(12)分别通过CAN总线和无线通讯的方式实现和活动式可拼装型数字化场地(9)以及便携式无线肌电仪(16)之间的通讯，通过发送同步信号精确同步活动式拼装型数字化场地(9)和便携式无线肌电仪(16)的系统时间，系统时间确认同步后，计算机(13)控制系统同步控制器(12)发出系统工作开始控制信号，活动式拼装型数字化场地(9)获得运动员的步态信息通过现场总线(10)、CAN卡(11)和系统同步控制器(12)传送到计算机(13)，运动员的机电信号由肌电探头(14)采集获得，通过高韧性连接导线(15)传送到肌电信号盒(17)，进行数据预处理后以无线发射的方式传送到系统同步控制器(12)的无线模块，进而传送到计算机(13)；系统工作过程中由系统同步控制器(12)和计算机(13)共同完成对整个系统的运行控制和训练运动过程中采集数据的传输控制、系统各个设备之间的同步校正控制。
2.根据权利要求1所述的一种基于数字化场地和机电信号的体育训练分析系统，其特征是：所述的活动式拼装型数字化场地(9)是由多块正方形数字化场地模块拼装组合而成，各个数字化场地模块之间采用凸出、凹陷的嵌入式结构固定，电源和信号总线通过伸缩式接头连接，以实现数字化场地模块之间的紧密结合。
3.根据权利要求1所述的一种基于数字化场地和机电信号的体育训练分析系统，其特征是：所述的便携式无线肌电仪(16)使用时其肌电探头(14)利用胶带黏贴固定在所测部位的皮肤上，高韧性连接导线(15)选用质量轻、直径小、韧性高的漆包线。
4.根据权利要求1所述的一种基于数字化场地和机电信号的体育训练分析系统，其特征是：所述的系统同步控制器(12)包括数据转换传输控制电路、同步信号的发生、同步控制电路和无线发射接收电路。
5.根据权利要求1所述的一种基于数字化场地和机电信号的体育训练分析系统，其特征是：所述的活动式数字化场地(9)获得的运动步态信息和便携式无线肌电仪(16)获得的机电信号规整到同一时间轴上，用于获得人体肢体肌肉状态、姿态控制和步态的相关关系以及与运动步伐信息、肢体运动信息相关的各种体育训练分析。
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