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MEMS传感器技术登上运动舞台
2012-08-16 14:24:04   来源:微迷   评论:0   点击:

利用MEMS传感器技术,使得过去难以实现、需要大型系统的身体动作检测变简单,让运动员的动作可视化。检测动作的MEMS传感器通常包括加速度计、陀螺仪、地磁传感器,此外使用距离图像传感器和GPS的例子也不在少数。

美国加利福尼亚州圣荷西。在这座城市的运动场里,一位日本运动员正在进行“实验”。他就是在本届伦敦奥运会上获得了铜牌的链球选手室伏广治。

室伏进入投掷圈,慢慢抡起链球开始旋转。随着旋转越来越快,放置在旁边的扬声器“嗡嗡”发出声响。链球箭一般离开室伏的手掌,飞向远处。

室伏在这里进行实验的目的是确认新训练方法的有效性。链球的链条部分上安装了检测链条方向加速度和旋转角速度的传感器。传感器的检测值通过无线传输到附近的控制器装置,根据检测值的不同,扬声器将播放出不同的声音。室伏可以根据声音,在投掷动作中判断链球旋转的加速是否足够。

这种名为“听觉反馈法”的方法是室伏与庆应义塾大学研究生院的太田宪(政策和媒体研究科特聘副教授)以及仰木裕嗣(同副教授)合作开发的。其实,室伏不仅是一位运动员,还是身兼中京大学副教授一职的研究学者。其专业领域是分析运动员的动作,以提高运动技能、预防伤病的“生物运动力学”。这一次,室伏亲自充当实验对象,加入到了与太田等人的合作研究之列。

使看不到的动作可视化

室伏等人的尝试代表着生物运动力学的研究正在发生着的变化。也就是利用MEMS传感器技术,使过去难以检测的运动员的动作可视化(图1)。

  MEMS传感器等电子技术推动着运动检测系统的发展  

图1 过去看不到的身体动作显露出来

过去难以实现、需要大型系统的身体动作检测变得简单。MEMS传感器等电子技术推动着检测系统的发展。

在投掷链球时,选手会感觉到链条方向的加速张力。但左右链球飞行距离的旋转方向的角速度却感觉不到。只有在链球上安装MEMS传感器,角速度才能够实现实时定量,并且反馈给选手。这是一个通过传感器技术,捕捉运动员需要的动作信息的一个范例。

室伏等人的尝试只是一个例子。捕捉运动员绝妙动作的尝试此前也曾经有过,但还有很多至今还不得其解之处。如今,使其定量化的尝试开始出现。

其研究方向大致有三个。(1)检测运动员各个动作部位,扩大运动检测的应用范围;(2)把身体动作与肌肉、肌腱等体内组织的运动挂钩,借此提高训练效果;(3)对比赛中选手和球的动作进行整体定量化,掌握实战时的表现。本文将分别介绍目前在这些方面的举措及其背后的关键技术。

MEMS传感器技术活跃的舞台

图1的主角由MEMS传感器技术承担。检测动作的MEMS传感器包括加速度计、陀螺仪、地磁传感器,此外使用距离图像传感器和GPS的例子也不在少数。

在过去,捕捉运动员动作广泛使用的是动作捕捉装置、测力板等大型装置(图2)。动作捕捉装置的使用方式是在身体各个部位配置反射光线的标记,通过拍摄反射光来捕捉对象的动作。测力板则是内置应变计和压电传感器的薄板,检测的对象是运动时施加到地面的力。

      使身体动作可视化      

图2 使身体动作可视化

在过去,广泛用来捕捉运动员运动时身体动作的方法是动作捕捉。(摄影:Vicon Motion Systems销售代理商Inter-Reha)

这些装置基本都是在专用设施内使用,而且存在能够捕捉运动员动作的范围(检测范围)过小的限制。例如,1枚测力板的标准尺寸为50cm×50cm×10cm左右,重量甚至高达40kg。

与之相比,MEMS传感器轻巧,只需佩戴在身体上即可实时捕捉动作。有望使检测身体动作的场所从“实验室”转向实际训练和比赛的“场地”。

运动员身体动作的自由度高,力和加速度的动态范围也比较大。也就是说,作为传感器的检测对象,其难度非常之大。但传感器技术如今正在踏实地跨越这一难关。

专门选择单轴传感器

室伏等人在投掷链球的实验中使用的动作传感器就是此类技术之一。开发商是从事无线和传感器相关技术开发的Logical Product。

开发的契机源于2008年。当时,庆应义塾大学的太田正在寻找配备无线功能的动作传感器,在展会上,他发现了Logical Product的无线模块。而该公司当时正巧也在探索模块的用途,与太田“人体动作检测领域有需求”的想法不谋而合。回顾当时,Logical Product代表董事社长辻卓则也表示“当时就觉得很有意思”。

该公司的传感器小巧,能够进行高精度检测。内置使用2.4GHz频带的自主协议无线通信技术以及同为3轴的加速度计、陀螺仪和地磁传感器。配备16bit的A-D变换功能,能够以1k采样/秒的速度检测数据。

加速度计与陀螺仪都是由3个单轴传感器组成的模块。因为把3轴和6轴集成到1个封装中的传感器虽多,但目前S/N的性能还达不到要求。“在其他轴的信号的影响下,S/N会降低。与3轴单封装的传感器相比,由单轴传感器组成的动作传感器的S/N要高10~20倍。”(Logical Product无线传感事业部事业部长泽田泰辅)。在组合单轴传感器时,内嵌传感器的印刷布线基板采用立体配置,防止了各传感器的正交关系出现偏差。

之所以通信采用自主协议,是因为蓝牙等标准技术在实时检测时,选手的动作与检测结果反馈的时间存在偏差。“如果考虑到单人使用,使动作开始和停止的时间容易对应会变得非常重要”。

除了投掷链球之外,这种传感器在游泳、网球、棒球、足球等领域也曾得到采用。该公司的MEMS传感器中,高速产品能够检测的最大角速度为6000dps,最大加速度为250G。借助这样的性能,“网球和乒乓球球拍、棒球球棒的挥动,花样滑冰跳跃时落地的冲击力都能够检测”。

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