智能滑雪板训练指导系统的研究

泽雅达，高 帆， 刘晓飞，卢壮旗

(北华大学 机械工程学院，吉林 吉林 132021)

当前滑雪运动缺少完整的评价体系，极大的影响了滑雪体验，限制了智能滑雪装备的发展[1].目前已有Motion Metrics推出的Carv滑雪智能检测系统，可以根据动作和足底压力数据为用户提供相应的分析和反馈[2].南斯拉夫学者Vukobratovic提出用于评价动态步行稳定性的零力矩点理论(Zero Moment Point，ZMP).即ZMP是地面上的一点，重力和惯性力对这一点的力矩水平分量为零，若其在运动者与地面的支撑面内，则其运动稳定[3].但其目前仅用于慢速行步于平面的机器人动态稳定性判定，对于在地形复杂的快速滑雪方面尚未有可靠的动态稳定性判定与指导评价系统.我国目前大力推行冰雪项目，急需智能化冰雪训练装备，本文基于ZMP判稳原理研究滑雪运动中的动态平衡判定决策方法，为新人滑雪者提供智能滑雪指导.

1 智能滑雪指导系统总体结构及工作原理

智能滑雪指导系统由信息采集计算单元、核心控制器单元、滑雪动态评价单元、人机交互单元组成.信息采集计算单元包括加速度计与陀螺仪，用于采集人体滑雪时腿部、腰部的状态信息，并算出ZMP坐标.动态评价单元以零力矩点位置为输入，根据自定义的滑雪动态评价函数，得到用户滑雪平衡状态，并给出滑雪评价.控制器单元依据采集到的用户各项运动数据，根据决策结果给出相应滑雪指导.人机交互单元将滑雪指导通过语音向用户传达.其结构图如图1所示.

图1 智能滑雪指导系统结构图

2 滑雪运动模型构建

将滑雪时的人体简化成若干个刚体连接成的运动链[4]如图2所示.

图2 人体运动链示意图

根据图2所示的运动姿态，则ZMP坐标满足如下关系：

(1)

其中：xi为第i个运动链与坐标系y轴的距离；yi为第i个运动链与坐标系x轴的距离；xZMP为人体在水平面x方向上的零力矩点坐标；yZMP为人体在水平面y方向上的零力矩点坐标；mi为第i个运动链的质量；ii为第i个运动链的转动惯量；ωi为第i个运动链的角速度；Ai为第i个运动链和角加速度；g为重力加速度.

由式(1)可得，零力矩点坐标为：

(2)

根据动态稳定性判据得：若ZMP坐标在支撑区域内，则滑行处于平衡状态.支撑区域是指因足部支撑所形成的区域[5].由于滑雪板上的雪鞋较实际人体脚掌稍大，故将支撑区域沿Y向填充.因滑雪时支撑面会随着地形不断变化，对其求水平面的支撑区域投影.定义支撑区域投影半径为零力矩点的最大平衡半径R.如图3所示：

图3 支撑面示意图

由普通人滑雪鞋大小取R为150 mm，则要求ZMP偏移半径r满足：

(3)

3 滑雪动态评价与指导实现

经过零力矩点计算后，得到零力矩点的坐标.由零力矩点相对于支撑平面区域的相对位置，定义平衡评价函数：

(4)

当人体零力矩点保持在平衡区域内时，用户能够调整身体姿态得到更好的平衡状态或滑行动作.不同的滑雪动作、滑雪姿态相对于水平面有相对应的零力矩点坐标，可以通过零力矩点坐标的移动曲线来评价人体的滑雪动作[6].设定滑雪指导动作为平衡下滑，则限制身体在X方向的倾斜角度为±20°，Y方向的倾斜角度为±30°，定义身体的期望倾斜角度函数：

(5)

其中，Zx(xZMP)为x轴方向上的期望倾斜角度函数，Zy(yZMP)为y轴方向上的期望倾斜角度函数.

由于在指导过程中，用户难以判断身体侧移的精确角度，所以需要将指导信息模糊化，根据式(5)定义模糊表如表1所示：

表1 x、y轴方向指导决策模糊表

依据上表决策输出，如当Zx(xZMP)=-8，Zy(yZMP)=-15时，指导信息为：身体侧向微微右倾，纵向前倾.

4 控制系统工作原理及软件流程

系统核心使用STM32F4 作为智能滑雪板的主控芯片.人体姿态信息经标定后的陀螺仪加速度计采集读入主控后[7]，主控根据多组传感器数据进行计算，求出人体的零力矩点的位置.根据零力矩点在支撑平面的相对位置，进行滑雪动态评价，并给出相对应的滑雪指导信息[8].控制流程如图4所示.

图4 控制系统程序流程图

5 实验测试及分析

构建滑道模拟滑雪采集数据进行多次试验，在试验者小腿、大腿和腰部佩戴好传感器采集设备，从滑道上滑下，捕捉、记录试验者的零力矩点的位置变化[9-10]，如图5所示：

采集数据点图5 零力矩点坐标图

连续实验十次，每次采集一百个零力矩点坐标，由式(4)计算出每一坐标的评价值，统计样本，得概率分布图如图6所示.由图可知，评价值样本大体呈现正态分布.其中90%的数据落在25%～75%之间，表明系统的训练指导效果良好.

滑雪评价指标/%图6 评价值分布图

6 结 论

依据零力矩点原理，开发设计了一种用于滑雪运动的智能评价指导系统.介绍了系统构成，论述了ZMP的计算方法，提出了滑雪动态评价与指导的实现方式.经过多次实验采样数据，根据实验决策结果可得该系统决策指导滑雪效果良好，为滑雪装备智能化研究提供新的思路.