体育新大陆(一):奥运冠军使用的小型无线传感器

2012-07-25 18:17:00来源: 日经电子

  在2004年雅典奥运会和2011年大邱世界田径锦标赛上,室伏广治摘得了链球项目的金牌。他旋转身体投掷链球的动作就像古希腊雕塑一样优美,就像进入了艺术的世界。

  他不仅是世界顶级运动员,还有另一个身份。那就是分析运动员动作以提高技能和防止受伤的“运动生物力学”研究者。他还有一项把自己当成实验对象的研究。那就是训练方法的“听觉反馈法”。目前他正与日本庆应义塾大学研究生院的太田宪(政策与媒体研究科特聘副教授)的研发小组共同进行实验。

  听觉反馈法顾名思义就是将运动员身体的运动情况通过外部的声音实时反馈给运动员的方法。室伏等人所从事的链球投掷研究将投掷链球时身体旋转的加速情况转换成声音。放在附近的扬声器随着链球的旋转,即身体旋转的加速,发出“嘣……嘣……”的声音。运动员可以在投掷过程中根据该声音检查加速是否到位等。

体育领域掀起电子革命

  在该系统中发挥重要作用的是安装在链球线部分的小型运动传感器。该传感器能够测量线方向的加速度和旋转方向的角速度。传感器的测量值无线传输给附近的控制器装置,转换成与测量值相应的声音,由扬声器传播出去。

 
图1:利用小型传感器测量运动员的运动
与室伏等人用于测量的小型传感器为同款的小型传感器和听觉反馈用控制器装置。均由日本LOGICAL PRODUCT公司开发。

  现在,体育界掀起了可谓“电子革命”的变化。室伏的尝试只不过是其中的一个例子。智能手机等便携终端的快速普及已开始为过去一直蒙着神秘面纱的运动员身体动作量化作出贡献。

  过去,检测运动员动作的实验大多采用昂贵的大型装置。比如,在身体各部位佩带反射光的标记物以拍摄动作的动作捕捉装置及采用内置的应变仪和压电传感器测量运动时施加在地板上的力的测力板。

  现在,能测量加速度、角速度及位置等的带有无线通信功能的小型运动传感器在该领域即将全面普及。小型传感器的优点是只需戴在身上即可实时捕捉动作。测量场所便可以由特殊的“实验室”改为进行实际训练和比赛的“运动场”。日本庆应义塾大学的太田宪指出:“随着传感器小型化、无线通信技术发展以及智能手机和平板终端的普及,越来越多的新训练方法得以实现。意义重大”。

  与顶级运动员同步,普通体育爱好者之间也在推动体育数字化。最近1年,美国耐克及德国阿迪达斯等知名体育用品厂家正致力于体育用品“数字化”。顶级运动员和体育爱好者正在共同催生“数字体育”新市场。

  室伏等人在实验中所采用的运动传感器的开发企业位于福冈市,是已成立18年的日本LOGICAL PRODUCT公司。该公司主要开发无线及传感器相关技术。20多名员工大部分是技术人员。

  一直开发桥梁监视用传感器网络技术等的LOGICAL PRODUCT公司涉足体育领域源于一个偶然的机会。那是在2008年。正在寻找具有无线功能的运动传感器的太田宪在展会上发现了该公司的无线模块。该公司正好也在探索该模块的用途,太田宪的一席话“人体运动测量领域有需求”正中该公司的下怀。

  LOGICAL PRODUCT代表董事社长辻卓则回忆说:“太田跟我说‘想要既便宜又耐摔的小型传感器’。我当时觉得很难实现”。“但又觉得挑战新领域很有意思”(辻卓则)。

  2009年底制成的首款小型传感器外形尺寸为55mm×40mm×20mm。后来还开发出了体积大约减半至40mm×30mm×20mm的产品。是一款9轴运动传感器,采用了2.4GHz自主协议的无线通信技术,并分别内置了3轴的加速度传感器、角速度传感器及地磁传感器。最新款配备了16bit的A-D转换功能,能够以1k采样/秒的速度测量数据。

些许的过高配置也会带来致命伤

  无线通信之所以采用自主协议,是因为如果采用“蓝牙”等标准技术,通信方面的过高配置有可能给实时测量带来障碍。要追踪运动员的运动,需要以毫秒单位测量控制。在数据处理及通信中出现过高配置时,测量结果的反馈时间就有可能出现偏差。

  室伏等人研究的实时反馈用途有最终目标。那就是建立在教练等测量者不在场的情况下运动员一个人也能够训练的环境。因此,实时性极其重要。LOGICAL PRODUCT公司负责传感器开发的无线传感业务部部长泽田泰辅表示:“测量开始和停止的时间等稍微差一点,运动员就会感到不舒服。为减少这种压力,需要尽量减小通信处理需要占用的资源”。

  LOGICAL PRODUCT公司的小型传感器的应用领域现在已经扩展到链球项目以外。游泳、网球、棒球及足球等项目均已采用。产品品种也相应的增加。高速型产品包括可测量的角速度最高为6000dps的产品和加速度最高为250G的产品。“能够测量网球球拍、乒乓球球拍、棒球球棒的挥动以及花样滑冰跳落时的撞击等”(泽田)。

  可精密测量运动员身体动作的传感器技术,今后可能会作为技术开发的“火车头”开拓出新的应用领域。比如,日本九州尖端科学技术研究所(ISIT)正在与LOGICAL PRODUCT公司共同推进研发可对人体姿势进行推测并实现可视化的技术。这是一项计划用于康复和看护一线的研究。

  这项技术组合使用LOGICAL PRODUCT公司的9轴运动传感器以及采用美国微软公司图像距离传感器的运动输入传感器“Kinect”。推断出通过Kinect技术得到的身体骨架等位置,并使其运动与身上安装的小型传感器的测量结果同步。由此通过三维图形使身体动作实现可视化。实际的身体动作实现可视化后,可以在视觉上反馈给康复者。据此进行训练,思路跟体育训练相同。

  此前也曾出现过采用相机为康复提供帮助的技术,不过存在需要解决的课题。当进入身体背面等死角时,相机就无法拍到身体动作,而且曲臂等相机难以拍到的运动不在少数。距离图像传感器也存在此类问题,不过组合使用运动传感器后,死角明显减少。

  负责研究工作的ISIT生活支援信息化技术研究室研究员吉永崇认为,“将传感器的测量结果与测量肌肉运动的肌电仪结果组合使用后,可视化效果会更高。随着智能手机和平板电脑的普及,或许能以低成本建立起即使没有分析专家,康复患者自己也可确认结果的环境”。

全面开辟“新大陆”

  LOGICAL PRODUCT公司的泽田指出:“类似康复这样的缓慢动作,要求相应缓慢的测量精度”。他还表示,“在康复动作中,体育领域的测量技术知识也可以发挥作用。因为是处理人体动作这个物理现象,所以与测量现场的沟通不可缺少。不断地使体育领域的力学意义与传感器的测量联动,有助于积累经验技术”。

  今后要将运动传感器、无线通信技术和可视化技术应用到极限,将其潜力全部发挥出来。将这些技术应用于其他领域的许多启示应该都蕴藏在体育领域中。当然,处于运动生涯巅峰的顶级运动员从运动中获得的知识也完全可以应用于普通体育爱好者使用的消费类电子服务中。

  在数字体育领域,全球都在全面致力于开辟“新大陆”。这是一个前人尚未涉足的领域。率先进行开拓并积累了经验技术的先驱者将获得很大的优势。大量的开拓者正在进行这种开发竞争。

关键字:使用  小型  无线

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/szds/2012/0725/article_4362.html
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