专利名称：基于柔性阵列压力传感器的可拼装式数字化场地及步态训练的方法
技术领域：
本发明涉及体育训练自动化领域，尤其涉及基于柔性阵列压力传感器的可拼 装式数字化场地及步态训练的方法。
背景技术：
在体育运动项目训练和传统武术训练中，步法的训练是非常重要的，据统计， 在击剑、拳击、跆拳道项目上，针对步法的训练甚至占到总训练的40%左右，但 是提取步伐特征的工具却很缺乏，特别对于训练中心提取步伐特征的普适性工具 更是没有，有些项目甚至是单凭教练员的肉眼和经验来判断运动员动作准确与 否，运动员也只能从宏观上了解自己的训练情况，涉及到微观上的技术参数就无 从知晓了，比如在击剑项目上每一步的动作完成时、前后转换点的蹬地力量、以 及整个训练过程中的两脚之间的距离等这些参数对教练员和运动员都很有帮助， 但依靠现在的手段却很难实时获取。
根据国家专利局检索中心专利査询，有针对田径训练系统的基于数字跑道的 田径训练信息采集和反馈系统，申请号是200510095623.2，公开号是 CN1818569，其优点是是满足田径训练的需要，通过测量运动员在运动过程中跑 道的受力情况，获得运动员的歩长、步频、动作时序等技术参数，但是其针对性 太强，不能随着训练地点的转移而灵活地转移，很多涉及到提取歩法等参数的项 目，如武术、拳击、击剑等，完全可以利用数字跑道这样的系统来提取和分析， 固定的数字跑道无疑限制了它的应用，这样就希望有一种能提取这些参数公用平台。
发明内容
本发明的目的是提供基于柔性阵列压力传感器的可拼装式数字化场地及歩 态训练的方法，以达到实现提取动力学和运动学信息相结合，提高体育训练工具 的灵活性及智能化程度的目的。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为
基于柔性阵列压力传感器的可拼装式数字化场地，包括表面层(1)、传感器层(2)、传感器保护层(3)、理化层(4)、现场总线(6)、计算机(7)、显示屏 (8)、投影仪(9)，所述的表面层(1)、传感器层(2)、传感器保护层(3)和 理化层(4)依次叠放组成可拼装的数字化场地模块(5);其特征在于所述的 表面层(1)位于最顶层，传感器层(2)包括多个传感器单元，多个传感器单元 由行引线、列引线连接，置于表面层(1)和保护层(3)之间；行引线、列引线 连接到现场总线(6)上，各个传感器采集到的信号沿行引线、列引线，经滤波、 放大、A/D转换后，通过现场总线(6)传送给计算机(7)进行处理，计算机(7) 软件系统将处理过的数据传送到显示屏(8)进行显示；所述的数字化场地模块 (5)为一块或多块，可以任意地拆卸、组合。
所述的基于柔性阵列压力传感器的可拼装式数字化场地，其特征在于所述 的表面层(1)是地毯、PVC塑胶地板、实木地板或者是大理石地板；所述的传 感器层(2)是在高性能聚酯薄膜上印刷、套印Pd-Ag导体，碳基应变电阻，低
温包封介质，构成基本的惠斯通全桥/半桥/单点测试电路，并通过行引线与列引
线连接构成柔性力阵列和压力阵列；所述的传感器保护层(3)材料采用软质基 板，有效地保护传感器；所述的理化层(4)为隔离数字化场地和地面的硬质或 软质板层。
所述的基于柔性阵列压力传感器的可拼装式数字化场地，其特征在于所述 的理化层(4)厚度为25mm;传感器点阵密度1个/平方厘米。
所述的基于柔性阵列压力传感器的可拼装式数字化场地，其特征在于所述 的可拼装式数字化场地模块(5)可任意地拆卸、组合拼接成一个长形的击剑训 练可拼装式数字化场地，或者扇形的乒乓球训练可拼装式数字化场地，或者方形 的拳击可拼装式数字化场地，能够根据训练场地的变更而拆卸、运输、再拼接。
所述的基于柔性阵列压力传感器的可拼装式数字化场地，其特征在于所述
的现场总线(6)在通讯方式上采用基于嵌入式以太网的通讯组网方式。
所述的基于柔性阵列压力传感器的可拼装式数字化场地系统进行步态训练
的方法，其特征在于包括以下歩骤
(1) 、运动员训练时，根据训练所需要场地的大小，选择合适个数的数字化 场地模块(5)，并将所选择的数字化场地模块(5)拼接构成训练用数字化场地；
(2) 、计算机(7)根据运动员选择的某套动作，从数据库中调出基准的歩法图像，通过投影仪(9)将基准的步法图像投射在训练用数字化场地上，运动 员依照投射在数字化场地上的步法开始训练；
(3)、运动员脚与表面层(1)进行接触后，给表面层(1) 一定的压力，压 力信号经过表面层(1)被传感器层(2)中的传感器所感应到，传感器将压力信 号转化为数字信号，各个传感器采集到的信号沿行引线、列引线，经滤波、放大、 A/D转换后，通过现场总线(6)传送给计算机(7)进行处理，得到运动员每一 步的受力中心点、脚与数字化产地的接触时间、腾空时间、两脚的距离、步法等 步态信息；并从显示屏(8)输出这些步态信息方便运动员实时观看，使运动员 实时进行纠正。
所述的进行步态训练的方法，其特征在于所述的计算机(7)根据运动员 训练时的步态信息，显示需要提醒运动员注意的技术参数通过显示屏(8)显示 出来供运动员査看，计算机(8)专家系统根据步态信息给出训练建议和调整训 练方案，供运动员和教练员参考。
所述的进行步态训练的方法，其特征在于在运动员训练前，运动员在数字 化场地上先做出一套他熟记的动作，传感器将压力信号转化为数字信号，各个传 感器采集到的信号沿行引线、列引线，经滤波、放大、A/D转换后，通过现场总 线(6)传送给计算机(7)进行处理，得到运动员每一步的受力中心点、脚与数 字化产地的接触时间、腾空时间、两脚的距离、歩法等歩态信息，计算机(7) 比较所述的歩态信息与计算机中存储、设定的歩伐信息的相似度，决定是否接受 该运动员在数字化场地进行训练；如接受，则依次进行所述的步骤(2)、 (3); 如不接受，则计算机(7)不工作。
本发明相对于现有技术有益效果是
其一，本发明的技术实现装置是可拼装式数字化场地模块由表面层、传感 器层、传感器保护层和理化层组成；表面层位于最顶层，传感器层中的多个传感 器单元由行引线、列引线连接，置于表面层和保护层之间；行引线、列引线连接 到现场总线上，采集到的信号沿行引线、列引线，经滤波、放大、A/D转换后， 通过现场总线传送给计算机进行处理，计算机处理过的信息通过显示屏进行显 示、动作回放；
本发明可拼装式数字化场地模块能够根据训练项目的特点拼接，可以拼接成
6一个长形的击剑训练数字化场地，也可以模仿乒乓球训练场地拼接成扇形数字化 场地，也可以拼接成方形的拳击训练数字化场地等，实现形状、训练场地面积的 可重组性，也可以根据训练场地的变更而拆卸、运输、再拼接，实现训练场地的 可择性，从而适用于需要提取步伐特征的任何场合，成为一种提取步伐特征的普 适性工具。
其二，本发明的技术方案是开启计算机，初始化硬件，计算机根据运动员 选择的某套动作从数据库中调出，通过投影仪将步法投射在可拼装式数字化场地 上，运动员依照投射在可拼装式数字化场地上的步法开始训练，可拼装式数字化 场地模块中柔性阵列压力传感器单元采集到压力信号，信号沿行引线、列引线， 经滤波、放大、A/D转换后，通过现场总线连接到计算机进行处理，得到运动员 每一步的受力中心点、脚与活动数字化产地的接触时间、腾空时间，记录下来， 通过计算机地处理，计算机将训练情况以及训练中需要提醒运动员注意的技术参 数通过显示屏显示出来供运动员查看，使运动员实时进行纠正，计算机专家系统 根据参数信息给出训练建议和调整训练方案，供运动员和教练员参考；
本发明在现场总线通讯方式上采用基于嵌入式以太网的通讯组网方式，在较 远距离上能够满足实时性的要求；
本发明中的软件系统包括数据库、运动效果评测、个体运动方案设计专家系 统，能够通过个人信息和运动信息给出综合的评价，这样运动员可以实时地正确 地认识自己的训练效果，专家系统根据训练情况反馈给运动员的下一阶段训练重 点和训练方案，这样运动员就可以实时地进行调整；
本发明还可以应用在模式识别领域，根据其步伐特征做出识别做出其身份判 别，计算机上软件系统包括数据库、步态识别系统，用户先在可拼装式数字化场 地上其熟记的一套动作，其步伐的接触形状、受力点、受力时间、歩伐的顺序等 一系列特征都记录在计算机的数据库中，当用户再次在可拼装式数字化场地上做 出这一套动作时，其歩伐的上述特征被采集、记录下来，由计算机的步态识别系 统进行对比识别，给出用户前后两套动作的相似度，根据这个相似度给定判定结 果。
图l是本发明的层次机构示意图。图2是本发明的一个组合形成的一种数字化场地。 图3是本发明应用在击剑项目上的一种实例。 图4是本发明应用在训练系统的系统流程图。
具体实施例方式
基于柔性阵列压力传感器的可拼装式数字化场地，包括表面层l、传感器层 2、传感器保护层3、理化层4、现场总线6、计算机7、显示屏8、投影仪9，表 面层l、传感器层2、传感器保护层3和理化层4依次叠放组成可拼装的数字化 场地模块5;表面层l位于最顶层，传感器层2包括多个传感器单元，多个传感 器单元由行引线、列引线连接，置于表面层1和保护层3之间；行引线、列引线 连接到现场总线6上，各个传感器采集到的信号沿行引线、列引线，经滤波、放 大、A/D转换后，通过现场总线6传送给计算机7进行处理，计算机7软件系统 将处理过的数据传送到显示屏8进行显示；所述的数字化场地模块5为一块或多 块，可以任意地拆卸、组合。
表面层1是地毯、PVC塑胶地板、实木地板或者是大理石地板；传感器层2 是在高性能聚酯薄膜上印刷、套印Pd-Ag导体，碳基应变电阻，低温包封介质， 构成基本的惠斯通全桥/半桥/单点测试电路，并通过行引线与列引线连接构成柔 性力阵列和压力阵列；传感器保护层3材料采用软质基板，有效地保护传感器； 理化层4为隔离数字化场地和地面的硬质或软质板层。
理化层4厚度为25mm;传感器点阵密度1个/平方厘米。 可拼装式数字化场地模块5可任意地拆卸、组合拼接成一个长形的击剑训练 可拼装式数字化场地，或者扇形的乒乓球训练可拼装式数字化场地，或者方形的 拳击可拼装式数字化场地，能够根据训练场地的变更而拆卸、运输、再拼接。 现场总线6在通讯方式上采用基于嵌入式以太网的通讯组网方式。 基于柔性阵列压力传感器的可拼装式数字化场地系统进行步态训练的方法，
包括以下步骤
a、 运动员训练时，根据训练所需要场地的大小，选择合适个数的数字化场 地模块5，并将所选择的数字化场地模块5拼接构成训练用数字化场地；
b、 计算机7根据运动员选择的某套动作，从数据库中调出基准的歩法图像， 通过投影仪9将基准的步法图像投射在训练用数字化场地上，运动员依照投射在数字化场地上的步法开始训练；
C、运动员脚与表面层1进行接触后，给表面层l一定的压力，压力信号经 过表面层1被传感器层2中的传感器所感应到，各个传感器采集到的信号沿行引 线、列引线，经滤波、放大、A/D转换后，通过现场总线6传送给计算机7进行 处理，得到运动员每一步的受力中心点、脚与数字化产地的接触时间、腾空时间、 两脚的距离、步法等步态信息；并从显示屏8输出这些步态信息方便运动员实时 观看，使运动员实时进行纠正。
计算机7根据运动员训练时的步态信息，显示需要提醒运动员注意的技术参 数通过显示屏8显示出来供运动员査看，计算机8专家系统根据步态信息给出训 练建议和调整训练方案，供运动员和教练员参考。
在运动员训练前，运动员在数字化场地上先做出一套他熟记的动作，传感器 将压力信号转化为数字信号，各个传感器采集到的信号沿行引线、列引线，经滤 波、放大、A/D转换后，通过现场总线6传送给计算机7进行处理，得到运动员 每一步的受力中心点、脚与数字化产地的接触时间、腾空时间、两脚的距离、步 法等歩态信息，计算机7比较所述的步态信息与计算机中存储、设定的步伐信息 的相似度，决定是否接受该运动员在数字化场地进行训练；如接受，则依次进行 步骤b、 c;如不接受，则计算机7不工作。
实施例1:
以击剑运动为例，参见图3， 14块块可拼装式数字化场地模块5组成一个 14mX1.6m的可拼装式数字化场地10，计算机7软件系统数据库存储多种击剑 路数的步法，记录有每一歩的受力中心点、受力时间、腾空时间、两脚在固定点 的抖动频率、动作完成时、前后转换点的蹬地力量等信息，当运动员在可拼装式 数字化场地练习击剑某种套路时，预先在数据库中找出这种套路的记录，通过投 影仪9的投影光线13把歩伐12标定在数字化场地；
开启计算机7，初始化硬件，运动员ll开始练习，运动员ll按照既已标定 的步伐依次进行训练，可拼装式数字化场地模块5柔性阵列压力传感器单元2 得到压力信号，信号沿通过行引线、列引线，经滤波、放大、A/D转换后，通过 现场总线6连接到计算机7上，计算机7会根据这套路数的节奏通过投影仪9 依次投影相应的歩伐12，计算机7把每一歩的技术要领通过显示屏显示出来，
9运动员11根据这些步法及技术要领进行训练，这样运动员11每一步的受力中心 点、受力时间、腾空时间、两脚在固定点的抖动频率、动作完成时、前后转换点 的蹬地力量等信息都被记录下来，计算机7软件系统评测此运动员练习情况，并 能够给出此运动员每一步的受力中心点、受力时间、腾空时间、两脚在固定点的 抖动频率、动作完成时、前后转换点的蹬地力量，选手据此能够调整其姿势，完 成训练后，运动员还可以通过计算机7中进行动作回放，从宏观上把握训练要领， 提高训练质量。
实施例2:
以电子锁为例，可以利用电子锁用户的步伐特征作为开锁信号，电子锁连接
到计算机主机，计算机主机通过现场总线6连接可拼装式数字化场地模块5，参 见图l、图2，先让电子锁用户在可拼装式数字化场地模块5做出一套他熟记的 动作，记录其步伐特征到数据库，步伐特征包括每一步脚与地面的接触形状、受 力中心点、受力时间、腾空时间，数字化场地模块5表面层1材料选用和周围地 板一样的材料，可以选用六块数字化场地模块，成3X2的矩形，当用户需要开 锁时，先在可拼装式数字化场地模块5上做出用户存在数据库中的一套动作，可 拼装式数字化场地模块5采集这套动作的歩伐特征，计算机7将用户的步伐特征 与数据库中的步伐特征进行对比得到一个相似度，这个相似度必须达到按照软件 设定的相似度电子锁方可自动打开，为了提高安全性能，电子锁用户可以更换存 在计算机数据库中的动作。
权利要求
1、基于柔性阵列压力传感器的可拼装式数字化场地，包括表面层(1)、传感器层(2)、传感器保护层(3)、理化层(4)、现场总线(6)、计算机(7)、显示屏(8)、投影仪(9)，所述的表面层(1)、传感器层(2)、传感器保护层(3)和理化层(4)依次叠放组成可拼装的数字化场地模块(5)；其特征在于所述的表面层(1)位于最顶层，传感器层(2)包括多个传感器单元，多个传感器单元由行引线、列引线连接，置于表面层(1)和保护层(3)之间；行引线、列引线连接到现场总线(6)上，各个传感器采集到的信号沿行引线、列引线，经滤波、放大、A/D转换后，通过现场总线(6)传送给计算机(7)进行处理，计算机(7)软件系统将处理过的数据传送到显示屏(8)进行显示；所述的数字化场地模块(5)为一块或多块，可以任意地拆卸、组合。
2、 根据权利要求1所述的基于柔性阵列压力传感器的可拼装式数字化场地， 其特征在于所述的表面层(1)是地毯、PVC塑胶地板、实木地板或者是大理 石地板；所述的传感器层(2)是在高性能聚酯薄膜上印刷、套印Pd-Ag导体， 碳基应变电阻，低温包封介质，构成基本的惠斯通全桥/半桥/单点测试电路，并 通过行引线与列引线连接构成柔性力阵列和压力阵列；所述的传感器保护层(3) 材料采用软质基板，有效地保护传感器；所述的理化层(4)为隔离数字化场地 和地面的硬质或软质板层。
3、 根据权利要求1所述的基于柔性阵列压力传感器的可拼装式数字化场地， 其特征在于所述的理化层(4)厚度为25mm;传感器点阵密度1个/平方厘米。
4、 根据权利要求1所述的基于柔性阵列压力传感器的可拼装式数字化场地， 其特征在于所述的可拼装式数字化场地模块(5)可任意地拆卸、组合拼接成 一个长形的击剑训练可拼装式数字化场地，或者扇形的乒乓球训练可拼装式数字 化场地，或者方形的拳击可拼装式数字化场地，能够根据训练场地的变更而拆卸、 运输、再拼接。
5、 根据权利要求1所述的基于柔性阵列压力传感器的可拼装式数字化场地， 其特征在于所述的现场总线(6)在通讯方式上采用基于嵌入式以太网的通讯 组网方式。
6、 利用权利要求1所述的基于柔性阵列压力传感器的可拼装式数字化场地系统进行步态训练的方法，其特征在于包括以下步骤a、 运动员训练时，根据训练所需要场地的大小，选择合适个数的数字化场 地模块(5)，并将所选择的数字化场地模块(5)拼接构成训练用数字化场地；b、 计算机(7)根据运动员选择的某套动作，从数据库中调出基准的步法图 像，通过投影仪(9)将基准的步法图像投射在训练用数字化场地上，运动员依 照投射在数字化场地上的步法开始训练；C、运动员脚与表面层(1)进行接触后，给表面层(1) 一定的压力，压力 信号经过表面层(1)被传感器层(2)中的传感器所感应到，各个传感器采集到 的信号沿行引线、列引线，经滤波、放大、A/D转换后，通过现场总线(6)传 送给计算机(7)进行处理，得到运动员每一步的受力中心点、脚与数字化产地 的接触时间、腾空时间、两脚的距离、步法等步态信息；并从显示屏(8)输出 这些步态信息方便运动员实时观看，使运动员实时进行纠正。
7、 根据权利要求6所述的进行步态训练的方法，其特征在于所述的计算 机(7)根据运动员训练时的步态信息，显示需要提醒运动员注意的技术参数通 过显示屏(8)显示出来供运动员査看，计算机(8)专家系统根据步态信息给出 训练建议和调整训练方案，供运动员和教练员参考。
8、 根据权利要求6所述的进行步态训练的方法，其特征在于在运动员训练前，运动员在数字化场地上先做出一套他熟记的动作，传感器将压力信号转化为数字信号，各个传感器采集到的信号沿行引线、列引线，经滤波、放大、A/D 转换后，通过现场总线(6)传送给计算机(7)进行处理，得到运动员每一歩的 受力中心点、脚与数字化产地的接触时间、腾空时间、两脚的距离、步法等步态 信息，计算机(7)比较所述的歩态信息与计算机中存储、设定的步伐信息的相 似度，决定是否接受该运动员在数字化场地进行训练；如接受，则依次进行所述 的歩骤(2)、 (3);如不接受，则计算机(7)不工作。
全文摘要
本发明涉及基于柔性阵列压力传感器的可拼装式数字化场地及步态训练的方法，通过获取包括运动员的脚底与可拼装式数字化场地中的柔性阵列压力传感器单元接触的压力信息得到运动员包括动作时序、动作频率、位置标定、受力中心点、受力时间、腾空时间在内的参数。使用本发明的有益效果为在较远距离上能够满足实时性的要求；可拼装式数字化场地模块能够任意地拆卸、组合，能在多种体育训练项目上提取步伐特征；运动员通过运动效果评测系统、专家系统正确的认识自己的训练效果，实时地进行调整训练计划。本发明还可以应用在模式识别领域。
文档编号G09B9/00GK101590315SQ20091011711
公开日2009年12月2日 申请日期2009年6月23日 优先权日2009年6月23日
发明者志 刘, 旭 周, 孙怡宁, 张晓翟, 戚功美, 杨先军, 杨新刚, 王昌喜, 马祖长 申请人:中国科学院合肥物质科学研究院