王書海, 趙海浪, 武少廣, 陳書旺, 胡丹丹, 李 鑫

(河北科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，河北石家莊 050018)

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人體下肢運(yùn)動能力測評研究

王書海, 趙海浪, 武少廣, 陳書旺, 胡丹丹, 李 鑫

(河北科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，河北石家莊 050018)

人體在短距離奔跑及跳躍時(shí)，足底壓力的大小并不僅僅和體重相關(guān)，還反映了下肢運(yùn)動能力的強(qiáng)弱。為了能夠客觀評價(jià)下肢的運(yùn)動能力，設(shè)計(jì)了一套測試系統(tǒng)。采用壓力傳感器對足底壓力進(jìn)行測量，數(shù)據(jù)通過單片射頻收發(fā)器件NRF24L01無線模塊傳輸?shù)轿C(jī)中，記錄下不同測試條件下的壓力峰值。實(shí)驗(yàn)采集了12位測試者在慢走、快跑時(shí)的足底壓力，分析了足底壓力峰值與體重之間的關(guān)系。結(jié)果表明：壓力峰值與體重的比值較小的人，下肢運(yùn)動能力較弱一些；壓力峰值與體重的比值較大的人，下肢運(yùn)動能力較強(qiáng)一些。根據(jù)測評結(jié)果，可對人們的身體素質(zhì)提升提出相關(guān)建議，對處于成長期的青少年尤為重要。

數(shù)據(jù)處理；下肢；運(yùn)動能力；足底壓力；壓力傳感器

人體的下肢運(yùn)動能力一般是不相同的，足底壓力的大小與分布能夠反映人體腿、足的結(jié)構(gòu)、功能及整個(gè)身體姿勢控制等信息[1]。對正常人的下肢運(yùn)動能力分析是步態(tài)研究的熱點(diǎn)之一[2-4]。另外，人體在進(jìn)行劇烈運(yùn)動時(shí),下肢可能會產(chǎn)生一定的損傷，學(xué)生、軍人及運(yùn)動員是這類情況的高發(fā)人群[5-9]。然而，目前對下肢運(yùn)動能力分析存在以下問題:人體的生物力學(xué)極其復(fù)雜,不同學(xué)者、機(jī)構(gòu)的研究成果難以統(tǒng)一,甚至相互沖突；實(shí)驗(yàn)室研究結(jié)果不能完全應(yīng)用于臨床實(shí)踐；實(shí)驗(yàn)結(jié)果大多是小樣本資料,缺乏權(quán)威性等[10-15]。本文設(shè)計(jì)研發(fā)了一套下肢運(yùn)動能力測試系統(tǒng)，用于檢測人體下肢運(yùn)動能力強(qiáng)弱以及對下肢受傷后的恢復(fù)狀況作出評估。

1 系統(tǒng)介紹

1.1 整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用壓力傳感器構(gòu)建下肢蹬踏力測量裝置，采集奔跑時(shí)的壓力峰值，并且用無線收發(fā)模塊將多個(gè)測試點(diǎn)的測試數(shù)據(jù)傳輸至軟件系統(tǒng)，從而對人體下肢在快速奔跑時(shí)產(chǎn)生的壓力峰值進(jìn)行分析、處理以及存儲。

測試系統(tǒng)由硬件測試系統(tǒng)與軟件測試系統(tǒng)共同組成，硬件系統(tǒng)用于采集相關(guān)信息，軟件系統(tǒng)主要進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析。整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖Fig.1 Overall system design

1.2 硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用STM32F103以及STM32F411為處理器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與傳輸，可以縮短開發(fā)周期，實(shí)現(xiàn)高效的處理效率。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Hardware system structure

實(shí)驗(yàn)測試時(shí)，蹬踏力測試裝置安裝在跑道上。為避免繁瑣的傳輸線，因此采用無線技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)選用單片射頻收發(fā)器件NRF24L01無線模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，它內(nèi)置了頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器等。NRF24L01無線模塊可以同時(shí)滿足一對多個(gè)通道傳輸數(shù)據(jù)，正好適應(yīng)本系統(tǒng)測試中多個(gè)傳感器數(shù)據(jù)的傳輸。

壓力傳感器所采集到的數(shù)據(jù)用24位A/D轉(zhuǎn)換器芯片HX711進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，該芯片集成了包括穩(wěn)壓電源、片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器等其他同類型芯片所需要的外圍電路，具有集成度高、響應(yīng)速度快、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[16-20]。

1.3 軟件設(shè)計(jì)

軟件測試系統(tǒng)包括登錄界面、信息預(yù)處理界面、測試界面以及數(shù)據(jù)庫操作界面，從而構(gòu)建完整的軟件系統(tǒng)，如圖3所示。上位機(jī)采用C++書寫，便于維護(hù)與升級。信息預(yù)處理界面主要輸入測試者的姓名、年齡、身高等相關(guān)信息，以便日后查詢與數(shù)據(jù)對比。測試界面主要顯示硬件系統(tǒng)采集的相關(guān)數(shù)據(jù)信息。數(shù)據(jù)庫界面主要用于數(shù)據(jù)的存儲以及歷史數(shù)據(jù)的查詢與修改。

圖3 軟件構(gòu)架Fig.3 Software architecture

2 實(shí)驗(yàn)過程

本測試系統(tǒng)對情況相似人群(大學(xué)三年級學(xué)生)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對實(shí)驗(yàn)采集的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。將測試板裝在跑道下面，設(shè)置固定的加速距離，獲取測試者在全力奔跑時(shí)對測試板的蹬踏力。為保證數(shù)據(jù)的精確性，對每個(gè)測試人員進(jìn)行多次測試，然后對采集的峰值取平均值，進(jìn)一步縮小測試所帶來的誤差。上位機(jī)可通過無線傳輸接收壓力數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測快速奔跑時(shí)的壓力峰值，并進(jìn)行處理及分析。圖4為測試時(shí)壓力峰值獲取軟件界面。

圖4 壓力峰值獲取軟件界面Fig.4 Pressure peak acquisition software interface

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

測試者為大學(xué)三年級學(xué)生，年齡為(21±1)歲，體重為55～75 kg。每人進(jìn)行30次實(shí)驗(yàn)，采集水平慢速行走與快速奔跑時(shí)腳底產(chǎn)生的壓力峰值。將壓力峰值取平均值，然后再與體重進(jìn)行對比。測試數(shù)據(jù)分別如表1和表2所示。

表1 水平慢速行走時(shí)的測試數(shù)據(jù)Tab.1 Test data for horizontal and slow walking

表2 快速奔跑時(shí)的測試數(shù)據(jù)Tab.2 Test data for fast running

根據(jù)表中的數(shù)據(jù)，可以得到水平慢速行走和快速奔跑時(shí)壓力與體重之間的關(guān)系，如圖5所示。

圖5 壓力與體重的比值Fig.5 Ratio of pressure and weight

1)比值分析

實(shí)驗(yàn)表明人在水平慢速行走時(shí)，足底產(chǎn)生的壓力與自身體重比值為1.0～1.1，而且不同測試者的腳底產(chǎn)生的壓力峰值與自身體重之比基本相同，并不能體現(xiàn)出明顯的差別。因此，通過測試者在慢速行走時(shí)的腳底壓力峰值并不能反映出人體下肢運(yùn)動能力的強(qiáng)弱。

當(dāng)不同的測試者在快速奔跑時(shí)，足底產(chǎn)生的壓力峰值與體重的比值有較明顯的差別。人在慢速行走時(shí)，壓力與體重的比值最大差為0.02；而在快速奔跑時(shí)，壓力與體重的比值最大差為0.3。快速奔跑時(shí)的壓力峰值與體重差別較大。

2)比值與下肢運(yùn)動能力分析

快速奔跑時(shí)，壓力峰值與體重的比值反映出不同人的下肢運(yùn)動能力不同?？焖俦寂軙r(shí)的壓力峰值是關(guān)鍵的判斷指標(biāo)，其腳底壓力峰值的大小反映出下肢運(yùn)動能力的強(qiáng)弱。人在快速奔跑時(shí)，腳底產(chǎn)生的壓力與自身體重之比為1.1～1.5；年齡、身高相似的人，在快速奔跑時(shí)腳底的壓力峰值也有所不同，反映了下肢運(yùn)動能力的強(qiáng)弱。壓力峰值與體重的比值較小的人，下肢運(yùn)動能力較弱一些；壓力峰值與體重的比值較大的人，下肢運(yùn)動能力較強(qiáng)一些。

根據(jù)測試結(jié)果進(jìn)行推斷，下肢受傷后還沒有完全恢復(fù)時(shí)，人的下肢運(yùn)動能力減弱，在快速奔跑時(shí)足底的壓力并不能達(dá)到正常時(shí)的水平，從而可以通過受傷后的不同階段奔跑時(shí)的壓力峰值比較，進(jìn)一步判斷受傷后的恢復(fù)情況，因此，本測試系統(tǒng)可以用來檢測下肢受傷后的恢復(fù)狀況。

4 結(jié) 論

傳統(tǒng)設(shè)備難以捕捉壓力峰值，而本實(shí)驗(yàn)設(shè)備采樣頻率為100 Hz，能夠?qū)崟r(shí)采集人體快速奔跑時(shí)的腳底壓力數(shù)據(jù)，進(jìn)而得到壓力平均峰值。將腳底平均運(yùn)動壓力值與體重值進(jìn)行比較，得到一個(gè)下肢運(yùn)動能力評估指標(biāo)，以此判斷測試者下肢運(yùn)動能力的強(qiáng)弱。根據(jù)分析結(jié)果能夠?qū)θ藗兊纳眢w素質(zhì)提升提出相關(guān)建議，對于正在成長的青少年尤為重要。在下肢受損并接受治療的恢復(fù)階段，對下肢運(yùn)動能力狀況的測試結(jié)果分析，有助于監(jiān)測恢復(fù)狀況。該系統(tǒng)數(shù)據(jù)的分析結(jié)果對臨床診斷、疾患程度測定和術(shù)后療效評價(jià)等均具有重要意義。

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(河北科技大學(xué)學(xué)報(bào)編輯部)

Research of human legs motion ability assessment

WANG Shuhai, ZHAO Hailang, WU Shaoguang, CHEN Shuwang, HU Dandan, LI Xin

(School of Information Science and Engineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang, Hebei 050018, China)

When a person is running or jumping in a short distance, the plantar pressure is not only related to the weight, but also reflects the strength of the lower limb exercise capacity. A testing system for the human lower limb exercise capacity is designed. The plantar pressure measurement is completed by the pressure sensors. The experimental data are transmitted by the single-chip RF transceiver device, which is the NRF24L01 wireless module. The peak pressure under different test conditions are recorded and stored. The plantar pressure values are collected when the experimenters are at rest, walking or running. The relationship between the body weight with the average plantar pressure peak is analyzed. The ratio of the peak pressure value and the weight is smaller, the lower limb exercise capacity is weaker. The ratio of the peak pressure value and the body weight is greater, the ability of the lower limb movement is stronger. The results can give some suggestions on people’s physical fitness, especially for teenagers in the growth stage.

data processing；lower limb; athletic ability; plantar pressure; pressure sensor

1008-1534(2016)06-0474-05

2016-05-24;

2016-09-04；責(zé)任編輯：陳書欣

全國大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201510082035)

王書海(1968—)，男，河北滄州人，副教授，主要從事電子測量技術(shù)方面的研究。

陳書旺教授。E-mail：chenshw2015@163.com

A

10.7535/hbgykj.2016yx06006

王書海,趙海浪,武少廣,等.人體下肢運(yùn)動能力測評研究[J].河北工業(yè)科技,2016,33(6):474-478. WANG Shuhai, ZHAO Hailang, WU Shaoguang, et al.Research of human legs motion ability assess ment[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology,2016,33(6):474-478.