体育论文_体育工程中的先进传感技术研究

文章摘要:研究目的:体育科学离不开各类运动数据的采集与分析,先进的传感技术是数据采集与分析的基础,是运动生理学、运动生物力学、运动训练、运动心理、运动医学等人体科学研究中各种信息采集与分析的基本前提和支撑。现代体育科学研究尤其是体育工程技术已经开始朝着智能化、精准化、多维度、实时性、快速性、柔性化、无创性等方向发展,因此,对于传感技术的要求越来越高。因此,本研究团队结合自主研究成果,在本文中对目前的传感技术前沿研究进行分析。研究方法:现代传感技术的研究涉及到材料、机械、电子、信息等多个学科的交叉融合,因此,本研究团队结合以上学科,开展了一系列先进传感技术的研究。（1）智能材料与结构满足人体柔软多变的环境、与人体自然融合的柔性传感技术渐渐成为研究人体运动、健康、医疗的必然趋势和前沿研究热点。该类传感器具有柔韧、可弯曲、可拉伸、可回复等特性,改变了传统无机固体器件刚性的物理形态,极大地促进了人机共融。（2）嵌入式技术嵌入式系统是一种以应用为中心,以计算机技术为基础,软硬件可裁剪,对功能、可靠性、成本、体积、功耗等要求严格的专用计算机系统。（3）人工智能技术通过数据挖掘和深度学习,可以分析传感器所获取的人体运动中各种大量数据,识别各种运动模式、进行健康风险分析与预测、提供交互式理解、进行准确量化和预测运动行为等。（4）可视化技术运动数据和分析结果的可视化技术包括图表、图形、图像、三维模型、虚拟现实等技术。可以帮助运动中的技术分析、提高运动中人机交互性、运动分析结果的直观显示等。研究结果:基于以上技术,本团队研制了多种运动学及力学传感器,相关技术研究介绍如下:（1）可穿戴——多信息融合智能手套针对手功能各类信息的评估,本团队研发了一套穿戴式的多信息融合智能手套,集成了惯性传感器、压力传感器、肌电传感器,可分析中风患者手功能多种信息。（2）可视化——基于智能手套的手部运动生物力学研究本团队开发的一套集成压力传感器与弯曲传感器的智能手套,可测量各个关节弯曲数据以及手掌抓握物体时各个区域的压力数据,并可分别将手指弯曲数据和压力数据进行图像的可视化显示。（3）虚拟化——基于智能指环的手功能虚拟现实训练系统本团队将传感技术与虚拟现实技术相结合,构建了一种用于基于智能指环的手功能虚拟现实训练系统。每根手指佩戴有基于惯性传感器的智能指环,可检测手指运动姿态数据,该数据可传输至虚拟现实系统场景用于手功能训练。（4）贴附式——基于贴附式动作捕捉系统的运动生物力学研究为避免基于数据手套类的采集方式可能出现的传感器与手部位置滑动、累积误差、影响手感等问题,本团队开发了一种贴附式手部精细动作惯性动作捕捉系统,并用于乒乓球、羽毛球、网球的运动生物力学研究。（5）柔性化——石墨烯柔性可拉伸弯曲传感器为实现传感器的柔性化,本团队开发了一种基于石墨烯薄膜的柔性可拉伸弯曲传感器,可对人体各个关节的运动学信息进行捕捉,具有良好的可延展性、生物相容性、高分辨率与良好的线性度。（6）多模态——融合运动学、动力学的柔性传感器本团队研发的双模态柔性手指动作感知系统集成了检测手指姿态数据的柔性惯性传感器与检测指尖分布式压力数据的石墨烯柔性压力传感器,实现了手指姿态数据和指尖压力数据的双模态融合,具有良好的柔顺性、延展性、生物相容性和手势识别准确率。（7）织物式——多用途柔性石墨烯织物传感器本团队通过在平纹弹力缎上还原氧化石墨烯制备了一种高性能的柔性织物应变传感器,具有优异的灵敏度、量程、耐久性与稳定性。可直接贴附于人体皮肤,实现人体关节运动、声音语言、脉搏状态、呼吸频率等多种生理信息的检测或识别。（8）多维度——可穿戴足底阵列式多维测力系统本团队开发了一种可穿戴足底阵列式三维测力系统,可对足底各个区域的三维受力进行实时测量和分析,具有可穿戴性,不受空间范围限制。可弥补传统足底压力测量方式的缺陷和空白,实现足底受力检测的精细性、多维度、动态性的全息实时智能感知。（9）智能化——基于机器学习的手部力学触觉识别本团队通过直接在柔性电路板上发泡石墨烯气凝胶,开发了超灵敏的石墨烯气凝胶阵列触觉传感器,并完成了包括超轻物质密度辨识、人手压力分布检测、超小型字母图案触摸识别等人工智能应用。可用于手部精细运动生物力学分析、人体触觉运动生理学研究、运动康复评定、盲人触觉辅助、残疾人智能假肢等方面。该研究成果在《Science》子刊Science Advances上发表。研究结论:传感器是各类信息获取的基础,是体育科学发展的关键技术和依托。本团队结合新材料、机械、电子、信息等多个学科技术,开发了具有可穿戴、可视化、虚拟化、贴附式、柔性化、多模态、织物式、多维度、智能化的多种先进传感技术,可用于运动生物力学分析、人体运动生理学研究、运动康复评定、智能假肢等方面,具有较高的后续应用价值与产业化潜能。

文章来源：《传感技术学报》 网址: http://www.cgjsxb.cn/qikandaodu/2022/0425/627.html