快速肢体运动测量模块设计与实现
一．前言
随着微机电系统（MEMS）的快速发展[1]，人们已经将加速器传感器应用于体育运动之中，用于获取运动员的速度和力量等信息［2］。但是在高摆速运动场合，比如排球和小球运动员挥臂击球过程，足球运动员的射门过程等，还应用较少。本文提及的高摆速运动场合，无一例外地需要运动者将手臂(或足)或球拍在短时间内以爆发力的方式获得加速度，并且在击球时得到一个反向加速度。研究此过程的意义在于：1、运动员发力分析，可以评价运动的爆发力大小，获得定量的分析数据；2、可以测量出运动员的摆速，作为运动水平的评价参数之一；3、可以分析运动员的加速发力过程，判断发力的时机是否恰当，并纠正错误动作。
最初人们利用摄影胶片摄取运动图像，然后逐张胶片进行处理，整个分析过程复杂、周期长、耗材价格高，而且无法得到击球时的受力情况。本文采用运动传感器和的无线芯片，设计出一种实用的运动员摆速测量装置，根据该装置，可以分析运动员的发力过程和击球瞬间的摆速值。
二．加速度传感器的选型
高摆速场合下应用G传感器需要考虑以下问题：1、实时性，由于运动是在短时间内瞬间完成，要求能够高速采样，实时处理；2、可靠性，因为在高摆速下击球瞬间，受到的冲击力较大，因此对系统的可靠性要求较高。具体体现在以下几点：一，对G传感器的最大检测G值有要求，人体的运动加速度幅度可高达±12G［3］，一般而言，采用±10G的加速度传感器可以满足需要；二，对G传感器的检测轴向有要求，由于装配和实际使用的需要，最好选择Z向的G传感器；三、轻便性，要求整个系统重量轻，体积小，不会对运动带来影响；四、对传感器内部的采样率有要求，由于系统测量在瞬间完成(0.5秒内)，因此希望内部采样率足够高，例如10KHz以上，这样才能够体现诸如小球运动中撞击瞬间受力情况。
根据以上因素，考虑选用FREESCALE的MMA7261Q，MMA7261Q由表面微机械电容性传感单元(g单元)和一个CMOS信号调理的ASIC组成的单片集成电路。它可以模型化为两个静止的板中间夹一块活动的板[4]，如图一所示。由于中间夹板的移动，导致上下电容值的变化，通过测量电容值可以确定中间夹板的移动，从而得出芯片所受到的加速度。
三．系统结构
图二为发射系统框图，其中nRF24E1为NORDIC公司的整合有8051内核的2.4GHz RF收发器，具有10位速度高达100 kSPS的ADC［5］。整个系统可以采用一颗3V钮扣电池，例如CR2025(150mAh)，在在以0DB功率发射情况下，可以连续使用8-9个小时。
接收端亦采用nRF24E1，通过RS232连接到PC机（要求装有实时操作系统），由串口直接供电。
考虑到本加速度测量系统的一次测量过程通常在0.5秒(甚至在0.1秒)之内完成，而且，在运动过程中的某些运动参数，可能需要更短的时间内来测量，例如乒乓球运动中，重量仅为2.5g，直径4.0cm球和球拍接角时间最短的仅为千分之一秒，因此要求有较高的采样率。MMA7261Q内部具有11KHz的采样
nRF24E1的AD转换与CPU时钟/32同步(125到625kHz)，每个时钟周期产生2位采样转换值，完全可以满足需要。在设计时，需要将AD采样率设置为大于10Ksps。
四．测量流程
在[6]中给出了手臂运动学模型。其中单手将刚体从某个方位移动到另一方位，此方位具有6个自由度：3个位移自由度和3个旋转自由度。实际中，需要对此作简化处理，将运动手臂或球拍考虑为在一个平面中进行，如果将传感器适当安装，使得其与运动方向始终垂直，则可以只考虑Z轴的加速度即可。
系统的操作流程如下，上电启动后，先设置G传感器最大值为±10g，然后设置AD采样率和通道，并配置nRF2401子系统。为了简单起见，可以只检测Z向的加速度。启动发射之前，保持Gz=0约1秒钟，然后挥动手臂，则Gz0，此时启动发射。一般而言，运动者一次挥臂时间会在0.3秒之内完成，因此只检测0.3秒，然后再次保持Gz=0约1秒钟，重新测量。图三为软件处理流程图。其中(a)为发射系统软件处理流程，(b)为发射子系统发射过程，(c)为接收子系统接收过程。
接收到数据后，通过串口输入到PC内部，由PC端软件进行处理。
五数据处理
图四为某位业余乒乓球爱好者挥臂击球过程的曲线拟合图，图中的极值点是球与球拍接触造成，可以看出乒乓球对球拍产生的瞬间冲击力。根据此图，可以较容易地采用Trapezoid方法来求出运动者的最大摆速和击球时的摆速。
六．总结
快速肢体运动在体育运动界备受关注，但长期以来都是借助高速摄像进行研究，其成本高，且无法分析运动者的受力状况。本文作者创新点在于