專利名稱：一種基于數字化場地和機電信號的體育訓練分析系統的制作方法
一種基于數字化場地和機電信號的體育訓練分析系統所屬領域本發明涉及體育訓練自動化領域，特別涉及一種基于數字化場地和機電信號的體育訓練分析系統。
背景技術：
擊劍、跆拳道、拳擊、摔跤、舉重等競技體育項目都是世界傳統運動，它們都是是世界奧運會的重要組成部分，我國在這些競技體育項目中具有一定的優勢，在多次比賽和奧運會上取得優異成績，2008年奧運會中，我國在拳擊、舉重、柔道項目上獲得了多枚金牌，此類競技體育項目成為我國奧運會上奪金的一大亮點，但是相比其他我國強勢項目來說，擊劍、跆拳道、拳擊、摔跤、舉重等競技體育項目起步較晚，優勢并不明顯，和世界其他此類項目強國相比，還存在較大的差距。目前我國擊劍、跆拳道、拳擊、摔跤、舉重等競技體育項目的訓練教學工具和研究方法都很缺乏，特別對于訓練研究的普適性工具更是沒有，基本上是單憑教練員的肉眼和經驗來判斷訓練者動作準確與否，訓練者學習難度較高，只能從宏觀上了解自己的大致的學習訓練情況，涉及到具體的技術參數就無法判斷，缺乏客觀的、科學的指導方法和訓練依據，比如在摔跤項目上運動員的肢體肌肉暴發力和步伐特征、腳步轉換點的蹬地力量、肢體肌肉強度和腳步壓力分布之間的關系以及涉及肢體平穩性相關參數等，這些信息對教練員和運動員有著重要的意義，不僅有助于客觀了解自己的錯誤劣勢所在，從根本上解決學習訓練中的遇到的各種問題，從而針對訓練、改正，提高訓練效果和競技水平，更重要的是可以幫助對此類競技運動形成一個客觀的科學的認識和分析方法，深入研究運動生物力學特征，從而提供科學的訓練指導，提高民族競技水平。然而現階段卻沒有有效的工具方法來幫助實現。根據國家專利局檢索中心專利查詢，有針對類似競技體育的一種擊劍訓練指導系統，申請號是:200410041091. X，公開號是:CN1593703A,包括劍靶、傳感和引導單元、運動部件、導向機構、運動驅動單元、處理單元和計算機。劍靶做成模擬擊劍姿勢的仿人形，固定安裝于運動部件上。傳感和引導單元由發光器和感應器連接組成，按照擊劍運動的規律分布于劍靶上的各有效擊刺部位。運動部件、導向機構和運動驅動單元帶動劍靶沿直線前后運動，模仿運動員在劍道上的前后移動。傳感和引導單元、運動部件可在計算機編程控制下按指定的序列和時間點亮或運動，主動引導運動員進行擊刺和步伐訓練、攻防訓練。其優點是可以解決目前擊劍訓練中存在的被動、盲目和訓練效果難以評價的問題，為教練員制定訓練計劃提供了依據，但是無法獲得運動員的肢體肌肉狀況和步伐特征、位置、腳步壓力分布之間的關系以及涉及肢體平穩性等相關參數，不能從根本上解析此類運動的本質特征， 而目前迫切需要對此類競技運動作出科學的分析評價。發明內容本發明的目的在于針對目前擊劍、跆拳道、拳擊、摔跤、舉重等體育競技訓練的缺陷，提出一種基于數字化場地和肌電信號的體育訓練分析系統。根據獲得的表面肌電信號信息和運動生物力學等信息，提供科學的分析指導方法，提高運動員的訓練水平。本發明的技術方案是一種基于數字化場地和機電信號的體育訓練分析系統，包括活動式可拼裝型數字化場地、便攜式無線肌電儀、系統同步控制器、現場總線、計算機，其特征在于多塊數字化場地模塊根據訓練要求拼裝連接成不同長寬的正方形或者長方形構成活動式可拼裝型數字化場地，活動式可拼裝型數字化場地的各個數字化場地模塊通過現場總線匯集到CAN卡后連接到系統同步控制器，系統同步控制器和計算機相連接；便攜式無線肌電儀由多個肌電探頭、高韌性連接導線、肌電信號盒組成，肌電信號盒內含數據預處理模塊和數據無線發射接收裝置，通過和系統同步控制器內的無線模塊通訊，進而實現和計算機的連接；計算機控制系統同步控制器分別通過CAN總線和無線通訊的方式實現和活動式可拼裝型數字化場地以及便攜式無線肌電儀之間的通訊，通過發送同步信號精確同步活動式拼裝型數字化場地和便攜式無線肌電儀的系統時間，系統時間確認同步后，計算機控制系統同步控制器發出系統工作開始控制信號，活動式拼裝型數字化場地獲得運動員的步態信息通過現場總線、CAN卡和系統同步控制器傳送到計算機，運動員的機電信號由肌電探頭采集獲得，通過高韌性連接導線傳送到肌電信號盒，進行數據預處理后以無線發射的方式傳送到系統同步控制器的無線模塊，進而傳送到計算機；系統工作過程中由系統同步控制器和計算機共同完成對整個系統的運行控制和訓練運動過程中采集數據的傳輸控制、 系統各個設備之間的同步校正控制。所述的活動式拼裝型數字化場地是由多塊正方形數字化場地模塊拼裝組合而成， 各個數字化場地模塊之間采用凸出、凹陷的嵌入式結構固定，電源和信號總線通過伸縮式接頭連接，以實現數字化場地模塊之間的緊密結合；所述的便攜式無線肌電儀使用時其肌電探頭利用膠帶黏貼固定在所測部位的皮膚上，高韌性連接導線選用質量輕、直徑小、韌性高的漆包線。所述的系統同步控制器包括數據轉換傳輸控制電路、同步信號的發生、同步控制電路和無線發射接收電路。所述的活動式數字化場地獲得的運動步態信息和便攜式無線肌電儀獲得的機電信號規整到同一時間軸上，用于獲得人體肢體肌肉狀態、姿態控制和步態的相關關系以及與運動步伐信息、肢體運動信息相關的各種體育訓練分析。本發明相對于現有技術的有益效果是其一，針對現有在此類競技體育上改進訓練的方法均是基于在訓練器材自動化、 精確度上的改進，本發明提出基于數字化場地和機電信號的體育訓練分析系統，可以獲得人體不同部位的表面肌電信號及人體步伐位置、壓力分布特征，從而得到人體姿態穩定性參數與人體肌肉狀態信息，采用數字化場地結合肌電信號的方法，將活動式數字化場地獲得的運動步態信息和便攜式無線肌電儀獲得的表面肌電信號規整到同一時間軸上，用于客觀分析肢體肌肉狀態和步伐特征，肢體姿態控制和局部肌肉力量、耐力之間的關系，不僅僅為擊劍、跆拳道、拳擊、摔跤等競技體育項目的學習訓練提供了客觀的科學指導依據，對于從本質上分析理解運動生物力學也具有重要的現實意義。其二，利用便攜式無線肌電儀獲得的表面肌電信號是在肌肉表面通過表面電極引導記錄下來的神經肌肉活動時的一維時間序列信號，其變化與參與活動的運動單位數量、 活動模式和代謝狀態等因素有關，能夠實時地、準確地在非損傷的狀態下反映肌肉的活動和功能狀態，從而得到不同的運動過程中肢體不同部位肌肉的能量活動狀態等信息，簡便
4易行，無創傷，對技術動作的干擾小，易于被受試者接受。其三，利用活動式數字化場地獲得的運動步態信息和肌電信號的記錄和分析具有良好的實時性和局部性，可以直接分析肌肉的用力狀況及其他特征，分析得到的運動員在不同的運動過程中，不同部位的肌群對于成功完成動作以及相應姿態穩定性控制的“貢獻” 大小，可以針對具體的體育項目訓練要求加強訓練相關肌肉的強度、耐力等，從而提高訓練的目的性和訓練效率。


下面結合附圖和實施例對本發明專利做進一步的說明。圖1是活動式數字化場地模塊結構示意圖；圖2是活動式數字化場地整體效果圖；圖3是便攜式無線肌電儀構成圖；圖4是系統工作流程圖；圖1中，1、連接凹孔；2、接頭插孔；3、伸縮式接頭插孔；4、連接凹孔；5、連接鐵釘； 6、伸縮式接頭插孔；7、伸縮式接頭插孔；8、連接鐵釘；圖2中，9、活動式數字化場地；10、現場總線；11、CAN卡；12、系統同步控制器；13 計算機；圖3中，14、表面肌電電極；15、高韌性連接導線；16、便攜式無線肌電儀；17、肌電信號盒；12、系統同步控制器；圖1是活動式數字化場地模塊結構示意圖。在圖1中，每塊活動式數字化場地模塊四周分別加工有二個接頭插孔0、3、6、7)，孔內分別含有伸縮式電源接頭和伸縮式總線接頭，二側面分別加工二個連接凹孔(1、4)和二個連接鐵釘(5、8)，加工有二個連接凹孔 (1、4)的相對側面為連接鐵釘，加工有二個連接鐵釘(5、8)的相對側面為連接凹孔；拼裝時先將伸縮式電源接頭和伸縮式總線接頭拉出相接，再將相鄰模塊的連接凹孔(1、4)和連接
鐵釘(5、8)相互嵌入連接，多塊數字化場地模塊拼裝連接構成訓練需要形狀的數字化場地 ⑶。圖2是活動式數字化場地整體效果圖；在圖2中，多塊數字化場地模塊拼裝連接構成活動式數字化場地(9)，其通訊方式采取現場總線(10)連接，現場總線(10)通過CAN卡 (11)連接到系統同步控制器(12)，活動式數字化場地(9)的同步控制信號以及采集數據的傳輸通過現場總線(10)和CAN卡(11)與系統同步控制器(1 進行數據傳輸，最終由計算機(13)完成數據分析處理；動式數字化場地(9)和便攜式無線肌電儀(16)構的工作全過程的同步校正控制以及數據采集、傳輸、存儲、分析由計算機(1 控制同步控制器(12)控制整個系統完成。圖3是便攜式無線肌電儀構成圖；在圖3中，表面肌電電極(14)通過高韌性連接導線(1 連接到肌電信號盒(17)、肌電信號盒(17)中集成了機電信耗預處理模塊以及無線模塊、肌電信號盒(17)通過無線傳輸的方式和系統同步控制器(12)之間通訊；圖4是系統工作的流程圖，打開計算機(13)，上電開啟活動式數字化場地(9)、系統同步控制器(1 和便攜式無線肌電儀(16)，由計算機(1 向活動式數字化場地(9)、系統同步控制器(1 和便攜式無線肌電儀(16)發出初始化指令，完成硬件的初始化工作，進而控制系統同步控制器(12)發出同步控制指令，完成系統同步工作，在計算機(13)和系統同步控制器(1 的共同控制下，活動式數字化場地(9)、便攜式無線肌電儀(16)、成數據的采集、傳輸，最終發送到計算機(1 進行存儲和數據分析處理，運動員和教練員根據所的信息進行分析判斷，用于指導訓練提高成績。
具體實施例方式
實施例實際使用時，先將訓練研究對象相應的所研究部位用酒精擦拭干凈，用膠帶將表面肌電電極緊緊固定在皮膚表面，肌電信號盒置于訓練研究對象的口袋中，高韌性連接導線的長度足夠長到以不影響訓練研究對象的運動為準，開啟計算機、系統同步控制器、便攜式無線肌電儀和活動式數字化場地完成上電初始化后進行系統同步，系統準備好工作后，運動員在活動式數字化場地上運動，由活動式數字化場地中的柔性傳感器陣列采集記錄運動員的腳步形狀、位置、壓力分布等步伐特征信息，通過現場總線將采集到的數據經過CAN卡和系統同步控制器輸到計算機，與此同時，便攜式無線肌電儀將采集到的表面肌電信號傳送到肌電信號盒進行數據的預處理，并通過無線模塊傳送到系統同步控制器的無線接收模塊，最終傳送到計算機存儲分析，計算機將活動式數字化場地采集到的運動員的步伐特征信息和便攜式無線肌電儀將采集到的表面肌電信號以及他們的系統時間信息規整到同一時間軸上，得到運動員任意時刻的步伐特征和相應的肌肉狀態，完成基于具體運動項目的參數定義、訓練模型的構建、相關部位肌肉的力量、收縮變化、負荷以及持續時間的動態變化、步態特征的分析和特征參數的提取，完成相應的運動生物力學分析?；跍y試數據的分析結果用于揭示人體運動生物力學特征并給予運動員科學的訓練指導。
權利要求
1.一種基于數字化場地和機電信號的體育訓練分析系統，包括活動式可拼裝型數字化場地(9)、便攜式無線肌電儀(16)、系統同步控制器(12)、現場總線(10)、計算機(13)其特征在于多塊數字化場地模塊根據訓練要求拼裝連接成不同長寬的正方形或者長方形構成活動式可拼裝型數字化場地(9)，活動式可拼裝型數字化場地(9)的各個數字化場地模塊通過現場總線(10)匯集到CAN卡(11)后連接到系統同步控制器(12)，系統同步控制器(12) 和計算機(1 相連接；便攜式無線肌電儀(16)由多個肌電探頭(14)、高韌性連接導線 (15)、肌電信號盒(17)組成，肌電信號盒(17)內含數據預處理模塊和數據無線發射接收裝置，通過和系統同步控制器(1 內的無線模塊通訊，進而實現和計算機(1 的連接；計算機(13)控制系統同步控制器(12)分別通過CAN總線和無線通訊的方式實現和活動式可拼裝型數字化場地(9)以及便攜式無線肌電儀(16)之間的通訊，通過發送同步信號精確同步活動式拼裝型數字化場地(9)和便攜式無線肌電儀(16)的系統時間，系統時間確認同步后，計算機(13)控制系統同步控制器(12)發出系統工作開始控制信號，活動式拼裝型數字化場地(9)獲得運動員的步態信息通過現場總線(10)、CAN卡(11)和系統同步控制器 (12)傳送到計算機(13)，運動員的機電信號由肌電探頭(14)采集獲得，通過高韌性連接導線(15)傳送到肌電信號盒(17)，進行數據預處理后以無線發射的方式傳送到系統同步控制器(12)的無線模塊，進而傳送到計算機(13)；系統工作過程中由系統同步控制器(12) 和計算機(1 共同完成對整個系統的運行控制和訓練運動過程中采集數據的傳輸控制、 系統各個設備之間的同步校正控制。
2.根據權利1所述的一種基于數字化場地和機電信號的體育訓練分析系統其特征是 所述的活動式拼裝型數字化場地(9)是由多塊正方形數字化場地模塊拼裝組合而成，各個數字化場地模塊之間采用凸出、凹陷的嵌入式結構固定，電源和信號總線通過伸縮式接頭連接，以實現數字化場地模塊之間的緊密結合；
3.根據權利1所述的一種基于數字化場地和機電信號的體育訓練分析系統其特征是 所述的便攜式無線肌電儀(16)使用時其肌電探頭(14)利用膠帶黏貼固定在所測部位的皮膚上，高韌性連接導線(1 選用質量輕、直徑小、韌性高的漆包線。
4.根據權利1所述的一種基于數字化場地和機電信號的體育訓練分析系統其特征是 所述的系統同步控制器(1 包括數據轉換傳輸控制電路、同步信號的發生、同步控制電路和無線發射接收電路。
5.根據權利1所述的一種基于數字化場地和機電信號的體育訓練分析系統其特征是 所述的活動式數字化場地(9)獲得的運動步態信息和便攜式無線肌電儀(16)獲得的機電信號規整到同一時間軸上，用于獲得人體肢體肌肉狀態、姿態控制和步態的相關關系以及與運動步伐信息、肢體運動信息相關的各種體育訓練分析。
全文摘要
本發明創造涉及體育訓練自動化領域，特別涉及一種基于數字化場地和機電信號的體育訓練分析系統。系統包括活動式可拼裝型數字化場地、便攜式無線肌電儀、系統同步控制器、現場總線、計算機。根據訓練要求拼裝連接成不同長寬的正方形或者長方形構成活動式可拼裝型數字化場地，獲得運動員的步態信息；便攜式無線肌電儀由多個肌電探頭組成，獲得運動員的肌電信號。計算機同步控制器分別和數字化場地以及肌電儀之間通訊。運動步態信息和肌電信號規整到同一時間軸上，獲得人體表面肌電信號及人體步伐位置、壓力分布特征，從而得到人體姿態參數與人體肌肉狀態信息，用于分析肢體肌肉狀態和步伐特征以及肢體姿態和局部肌肉力量、耐力之間的關系。
文檔編號A63B69/00GK102210925SQ20101014256
公開日2011年10月12日 申請日期2010年4月8日 優先權日2010年4月8日
發明者劉宇, 孫怡寧, 張勝年, 楊先軍, 閭堅強 申請人:上海體育學院