周文濤

摘要：在羽毛球比賽中運動員要不斷在運動場上進行跑動，進行高強度的體能消耗。所以運動員的步法就顯得尤為重要，步法的精準程度對比賽的勝負有著決定性的影響。正確的步法，能夠讓運動員在長時間的拉鋸戰(zhàn)中保存、維持體力，更好地應對對手各種刁鉆的落點變化。因此，步法訓練是羽毛球運動員的重點訓練項目。本文研究設計了一種基于表面肌電傳感器和慣性傳感器的羽毛球步法分析設備，實現(xiàn)在專業(yè)羽毛球步法訓練中對下肢肌肉發(fā)力情況、下肢運動模式的捕捉分析，通過對運動數(shù)據(jù)的定量分析達到更精準有效的步法訓練反饋。

Abstract： In badminton competitions， athletes must constantly run on the sports field to consume high-intensity physical energy. Therefore， the footwork of the athletes is particularly important. The accuracy of the footwork has a decisive influence on the outcome of the game. The correct footwork can enable athletes to preserve and maintain their physical strength in a long-term tug-of-war， and better respond to various tricky landing changes of the opponent. Therefore， footwork training is a key training item for badminton players. This article researches and designs a badminton gait analysis device based on surface electromyographic sensors and inertial sensors to realize the capture and analysis of lower limb muscle strength and lower limb movement patterns in professional badminton gait training. Through quantitative analysis of motion data， more accurate and effective footwork training feedback is achieved.

關鍵詞：羽毛球步法分析;肌電測量;動作捕捉

Key words： badminton footwork analysis;electromyography measurement;motion capture

中圖分類號：G847 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2020）01-0154-03

0 ?引言

羽毛球步法對于羽毛球運動員來說無疑是至關重要的，一個精準的球必須通過精準的步法來實現(xiàn)，就算一位羽毛球運動員擁有極其高超的手法都難以彌補步法的缺失。只有在球場上擁有快速精準的步法，才能制造出具有高精度、高威脅的擊球。因此，羽毛球的步法對于羽毛球運動員來說，重要性不言而喻。

羽毛球的步法講究快速和協(xié)調，從根本上來講，每一個精準的步法都是由下肢肌肉甚至全身肌肉的協(xié)調與發(fā)力做功才能完成。調研發(fā)現(xiàn)，目前的研究大多針對于單個步法動作進行分析和討論[1]。其中肌電信號在羽毛球運動學分析中的應用已經(jīng)較為成熟，但大多數(shù)研究以單個技術步驟的肌肉情況為主[2]。動作捕捉技術在體育運動中的應用也十分廣泛[3]，在羽毛球上主要以光學式動作捕捉完成對運動員完整過程技術動作的運動學分析，但這種方式對場地和設備的成本要求較高，不具有普適性[4]。由于這些限制，本文提出了一種基于表面肌電傳感器以及慣性傳感技術結合的步法分析設備，利用表面肌電傳感器完成對特定部位肌肉的肌電信號采集，并對肌電信號進行信號分析提取特征參數(shù)，從而定量分析運動員在完成技術動作過程中的肌肉發(fā)力順序、肌肉發(fā)力強度等信息。慣性導航傳感器用于構建動作捕捉系統(tǒng)，通過將動作捕捉單元固定于下肢Marker點處實現(xiàn)對運動員下肢動作模式的實時捕捉，在交互端同步還原動作場景從而更高效地發(fā)現(xiàn)技術動作的不足。該設備可以在今后的羽毛球專業(yè)步法研究訓練中提供更有效、更有針對性的訓練方法，從而指導運動員更高水平地完成比賽。

1 ?標準二步蹬跨步上網(wǎng)步法與人體下肢結構剖析

1.1 標準二步蹬跨步上網(wǎng)步法

目前羽毛球的步法主要可以分為跨步、跳步、墊步、交叉步、蹬步這幾種基礎步法及其相互組合的組合步法。如果按移動方向來進行劃分的話，以球場的中心位置為起點，可以分為前場步法、后場步法、兩側步法[5]。本文以標準二步蹬跨步前場上網(wǎng)步法為例，闡述羽毛球步法分析設備的總體設計。二步蹬跨步上網(wǎng)步法可以分為四個階段：出發(fā)步、墊步、跨步和緩沖蹬伸。技術動作的完整過程定位為：起動之后，左腳先朝球的方向邁一步，緊接著左腳用力后蹬，利用左腳的蹬力側身將右腳朝球的方向跨出一大步[6]。步法如圖1所示。

根據(jù)上述對標準二步蹬跨步上網(wǎng)步法的描述，可以看出為了實現(xiàn)對完整技術動作的全程跟蹤捕獲，需要獲得運動員三維空間中下肢的運動模式，并結合訓練及實戰(zhàn)表現(xiàn)與標準步法進行對比，獲得技術動作需要改進的方面，如雙腳腳掌之間的距離、跨步間距、蹬步時間、腳腕及膝關節(jié)旋轉角度等。

1.2 人體下肢結構剖析

為了實現(xiàn)步法技術動作中的下肢運動捕捉，首先需要對人體下肢結構進行分析與建模。Demuth等人定義了一個類似于人體自然骨骼結構的幾何特征樹形結構，根據(jù)該人體結構[7]，本文將人體下肢結構定義為root（腰部）、lhip（左髖關節(jié)）、rhip（右髖關節(jié)）、lknee（左膝關節(jié)）、rknee（右膝關節(jié)）、lankle（左腳踝）、rankle（右腳踝）、ltoes（左腳趾）、rtoes（右腳趾）9個節(jié)點及其剛性連接，如圖2所示。在以上9個節(jié)點處固定基于慣性傳感器的動作捕捉單元，實現(xiàn)步法技術動作全程的動作捕捉。

2 ?羽毛球步法分析設備的總體設計

2.1 總體設計

為了實現(xiàn)羽毛球兩步蹬跨步上網(wǎng)步法的記錄與分析，主要考慮將步法的記錄分為動作模式的記錄與肌電信號測量兩部分，實現(xiàn)實時的慣性信息和肌電信號采集，根據(jù)慣性信息來還原下肢的動作模式[8]。動作模式記錄主要由慣導傳感器以及相關單元共同完成，而肌電信號測量主要由表面肌電傳感器以及相關設備共同完成?；诩‰姾蛻T導的羽毛球步法分析設備總體框架結構如圖3所示，肌電信號采集、慣性信息采集、電源管理及數(shù)字處理系統(tǒng)主要涉及到硬件電路的涉及，數(shù)據(jù)處理主要為軟件和算法的設計[9]。其中肌電信號采集單元與慣性信息采集單元分別設置了獨立工作的Arduino Mini主控板，負責各自的肌電和慣性數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)采集模塊采用無線網(wǎng)絡組網(wǎng)進行數(shù)據(jù)傳輸，這樣可以保證運動員在佩戴設備進行訓練時技術動作不會受到數(shù)據(jù)連接線的限制，避免因運動受阻導致的動作變形從而影響分析結果。在數(shù)據(jù)處理端，通過對下肢結構中9個節(jié)點的慣性信息進行處理，從而重構出完成兩步蹬跨步上網(wǎng)步法過程中的下肢三維姿態(tài)，并分析肌電信號提取得到表征肌肉發(fā)力順序、發(fā)力強度、疲勞程度等信息的特征參數(shù)，最后反饋到用戶界面從而實現(xiàn)定量的科學訓練方法。

2.2 下肢運動捕捉方案

下肢運動捕捉方案主要完成對下肢結構Marker點的實時慣性信息采集，測量單元由MPU6050串口9軸傳感器、Arduino Mini嵌入式主控板和USR-C322嵌入式WIFI模塊所構成，結構框架如圖4所示。采集單元的整體體積可限制在40mm×20mm×10mm以內，使得采集單元十分小巧，方便部署固定在相關的肢體節(jié)點上。MPU6050傳感器內置了三軸MEMS陀螺儀、三軸MEMS加速度計及三軸磁力計，因此能提供一個完整的九軸融合數(shù)據(jù)輸出到主I2C端口[10]。Arduino Mini主控板主要完成對慣性傳感器九軸數(shù)據(jù)的預處理，包括卡爾曼濾波和傳感器與測量節(jié)點之間的位置誤差消除等，然后控制WIFI模塊完成數(shù)據(jù)的無線傳輸。

2.3 肌肉發(fā)力測量方案

肌電信號的產(chǎn)生是人體自主運動時，神經(jīng)肌肉興奮而釋放生物電的結果，是肌肉電活動在時間和空間上綜合的特性顯示。作為產(chǎn)生肌肉力的電信號根源，肌電信息反映了肌肉的功能狀態(tài)，因此，肌電信號可以用于人體的肌肉運動判斷，感知人體的運動狀態(tài)并對未來的動作做預測分析[11]。

根據(jù)大腿肌肉的分布，可以得出完成兩步蹬跨步上網(wǎng)步法過程中主要涉及到的動作肌肉為：股直?。ㄗ?右）、股二頭?。ㄗ?右）、脛骨前?。ㄗ?右）、腓腸?。ㄗ?右）[12]。確認測量肌肉部位后在運動員的相關肌肉上固定肌電信息采集單元，測量完成技術動作過程中的肌肉相關參數(shù)從而分析技術動作完成質量，肌電信號采集單元框架結構如圖5所示。表面肌電傳感器完成從肌肉電位變化到肌電信號的轉換，并通過Arduino Mini主控板完成如信號降噪、濾波等預處理操作，最后由嵌入式WIFI模塊通過無線網(wǎng)絡將信號數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)處理端，進行信號的特征參數(shù)提取，獲得可以表征肌肉發(fā)力順序、肌肉發(fā)力強度、疲勞程度等信息的定量參數(shù)。

3 ?總結與展望

本文主要針對專業(yè)的羽毛球步法訓練，設計了一套可以進行定量化科學分析的設備。設備基于表面肌電傳感器和慣性傳感器分別實現(xiàn)對肌肉活動情況、下肢運動模式的捕捉分析，其中基于慣性傳感器的動作捕捉可以在實現(xiàn)系統(tǒng)功能的前提下最大化成本節(jié)省，因此相比于主流的光學動作捕捉，本文提出的方法具備更強的普適性及推廣性。在肌電測量方面，本文提出的方案還有很多可以深入研究的點，例如表面肌電信號的信號特征研究[13]、肌電傳感器的電路設計等方面。從應用價值和實際意義的角度出發(fā)，本文的設計具備廣闊的市場應用，在各類的專業(yè)級業(yè)余級體育訓練及醫(yī)療康復領域都有巨大的發(fā)展?jié)摿?，因此是具有實在應用意義的研究。

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