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動作捕捉在運動科學領域的應用

體育科學、康復/運動醫學、運動訓練、體育教育、機械工程、心理學、人機工效等相關學科研究成果在近些年不斷深化發展、推陳出新。而運動科學領域研究中,全面瞭解人體運動方式,獲取精確的運動資料是十分重要的。

運動資料分類介紹

研究中獲取的運動資料主要分為以下三類——運動學引數、動力學引數,以及肌電引數。

運動學引數

包含位置、速度、加速度、角度、距離、姿態等資料,例如人體運動時關節屈伸、內收外展、旋內旋外,跑步運動中步長步速步頻引數等。

這類資料所來源的動作通常運動速度較快,在極短時間內有較大的位置變化,因而其資料採集需要兼顧高精度與高取樣頻率。

紅外光學動作捕捉技術能夠高精度低延遲地獲取這些資料資訊,如籃球投籃過程中肩肘腕關節的角度變化、擊劍運動員的動作穩定性、或是跳高跳遠運動員在起跳過程中的身體姿態,這些較難獲取的運動學引數,都可以使用紅外光學動作捕捉技術進行獲取。

動力學引數

主要研究運動時力與力之間的相互作用,獲取運動力學訊號,如測力臺內部安裝多個壓阻式感測器,獲取平臺不同部位壓力變化,可以採集人行走、跑步時的動力學資料。

肌電引數

肌肉收縮時的生物電引數,可以用來了解人體運動肌肉負荷強度、神經功能狀態。如使用表面肌電儀可測量肌肉收縮時伴隨的電訊號,並生成肌電圖,是在體表無創檢測肌肉活動的重要方法。

運動分析整合系統

人體運動過程中同時伴隨著地反力、關節間作用力、以及肌肉收縮放鬆的變化。如果要同時採集這些運動資料進行高效研究分析,就需要將測量不同資料的裝置進行整合,形成運動分析整合系統。

比如人在從高處跳至地面的過程中,身體會伴隨屈膝的緩衝動作,隨著緩衝動作的進行,地面反作用力、人體踝、膝關節間作用力,以及下肢多個肌肉的刺激程度也在不斷變化。

這時整合使用能捕捉人體姿態資料的紅外光學動作捕捉系統,能反映地反力等動力學資料的測力裝置,以及反映肌肉刺激強度的肌電裝置,將三者資料進行同步採集,便能很高效地進行獲取和分析。

NOKOV度量三維運動分析系統是針對多種運動資料獲取的成熟解決方案,同時包含紅外光學動作捕捉系統、三維測力平臺、以及表面肌電儀。根據不同專案需求,可針對性定製方案,進行資料的同步高效採集。

NOKOV度量三維運動分析系統應用例項

南方科技大學機械工程學院

使用12個NOKOV度量動作捕捉鏡頭組成的動作捕捉系統,結合三維測力臺、表面肌電儀、足底壓力測量儀裝置搭建運動分析整合系統,分析人體走路、爬梯時的步態引數等運動學資料,解決機器人和人體自然運動之間的相容性問題,進行機器人動力假肢的相關研究。

案例詳情:https://www.nokov.com/support/case_studies_detail/research-and-development-of-Biomechatronics-Robots.html

太原理工大學體育學院

採用12個鏡頭組成的光學動作捕捉系統與兩塊測力臺,進行籃球運動員的動作分析,採集籃球、跑步等多項運動的運動學與動力學引數。

案例詳情:https://www.nokov.com/support/case_studies_detail/Application-of-Motion-Capture-in-Motion-Digitization.html

利用運動分析整合系統建立資料庫,動作捕捉技術獲取的人體三維運動姿態資料,在軟體中繫結人體模型,最終可用於生成標準籃球動作的教學模型動畫,通過同一動作的區域性分段對比,能夠快速查找出不足之處,便於矯正。

上海海濟斯健康管理諮詢有限公司

上海海濟斯健康管理諮詢有限公司使用8個NOKOV度量動作捕捉鏡頭,結合測力臺與表面肌電儀,獲得人體關節座標及軀幹間的相對位姿關係,瞭解人體的健康狀態,完成了人體靜態體姿分析系統的開發。

案例詳情:https://www.nokov.com/support/case_studies_detail/Development-of-body-posture-evaluation-system.html