人体下肢运动能力测评研究

王书海, 赵海浪, 武少广, 陈书旺, 胡丹丹, 李 鑫

(河北科技大学信息科学与工程学院，河北石家庄 050018)



人体下肢运动能力测评研究

王书海, 赵海浪, 武少广, 陈书旺, 胡丹丹, 李 鑫

(河北科技大学信息科学与工程学院，河北石家庄 050018)

人体在短距离奔跑及跳跃时，足底压力的大小并不仅仅和体重相关，还反映了下肢运动能力的强弱。为了能够客观评价下肢的运动能力，设计了一套测试系统。采用压力传感器对足底压力进行测量，数据通过单片射频收发器件NRF24L01无线模块传输到微机中，记录下不同测试条件下的压力峰值。实验采集了12位测试者在慢走、快跑时的足底压力，分析了足底压力峰值与体重之间的关系。结果表明：压力峰值与体重的比值较小的人，下肢运动能力较弱一些；压力峰值与体重的比值较大的人，下肢运动能力较强一些。根据测评结果，可对人们的身体素质提升提出相关建议，对处于成长期的青少年尤为重要。

数据处理；下肢；运动能力；足底压力；压力传感器

人体的下肢运动能力一般是不相同的，足底压力的大小与分布能够反映人体腿、足的结构、功能及整个身体姿势控制等信息[1]。对正常人的下肢运动能力分析是步态研究的热点之一[2-4]。另外，人体在进行剧烈运动时,下肢可能会产生一定的损伤，学生、军人及运动员是这类情况的高发人群[5-9]。然而，目前对下肢运动能力分析存在以下问题:人体的生物力学极其复杂,不同学者、机构的研究成果难以统一,甚至相互冲突；实验室研究结果不能完全应用于临床实践；实验结果大多是小样本资料,缺乏权威性等[10-15]。本文设计研发了一套下肢运动能力测试系统，用于检测人体下肢运动能力强弱以及对下肢受伤后的恢复状况作出评估。

1 系统介绍

1.1 整体系统设计

本设计采用压力传感器构建下肢蹬踏力测量装置，采集奔跑时的压力峰值，并且用无线收发模块将多个测试点的测试数据传输至软件系统，从而对人体下肢在快速奔跑时产生的压力峰值进行分析、处理以及存储。

测试系统由硬件测试系统与软件测试系统共同组成，硬件系统用于采集相关信息，软件系统主要进行数据处理分析。整体系统设计如图1所示。

图1 整体系统设计图Fig.1 Overall system design

1.2 硬件设计

本设计采用STM32F103以及STM32F411为处理器实现数据的采集与传输，可以缩短开发周期，实现高效的处理效率。系统结构如图2所示。

图2 硬件系统结构Fig.2 Hardware system structure

实验测试时，蹬踏力测试装置安装在跑道上。为避免繁琐的传输线，因此采用无线技术进行数据传输。系统选用单片射频收发器件NRF24L01无线模块进行数据传输，它内置了频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等。NRF24L01无线模块可以同时满足一对多个通道传输数据，正好适应本系统测试中多个传感器数据的传输。

压力传感器所采集到的数据用24位A/D转换器芯片HX711进行A/D转换，该芯片集成了包括稳压电源、片内时钟振荡器等其他同类型芯片所需要的外围电路，具有集成度高、响应速度快、抗干扰性强等优点[16-20]。

1.3 软件设计

软件测试系统包括登录界面、信息预处理界面、测试界面以及数据库操作界面，从而构建完整的软件系统，如图3所示。上位机采用C++书写，便于维护与升级。信息预处理界面主要输入测试者的姓名、年龄、身高等相关信息，以便日后查询与数据对比。测试界面主要显示硬件系统采集的相关数据信息。数据库界面主要用于数据的存储以及历史数据的查询与修改。

图3 软件构架Fig.3 Software architecture

2 实验过程

本测试系统对情况相似人群(大学三年级学生)进行实验，对实验采集的大量数据进行分析。将测试板装在跑道下面，设置固定的加速距离，获取测试者在全力奔跑时对测试板的蹬踏力。为保证数据的精确性，对每个测试人员进行多次测试，然后对采集的峰值取平均值，进一步缩小测试所带来的误差。上位机可通过无线传输接收压力数据，实时监测快速奔跑时的压力峰值，并进行处理及分析。图4为测试时压力峰值获取软件界面。

图4 压力峰值获取软件界面Fig.4 Pressure peak acquisition software interface

3 实验数据分析

测试者为大学三年级学生，年龄为(21±1)岁，体重为55～75 kg。每人进行30次实验，采集水平慢速行走与快速奔跑时脚底产生的压力峰值。将压力峰值取平均值，然后再与体重进行对比。测试数据分别如表1和表2所示。

表1 水平慢速行走时的测试数据Tab.1 Test data for horizontal and slow walking

表2 快速奔跑时的测试数据Tab.2 Test data for fast running

根据表中的数据，可以得到水平慢速行走和快速奔跑时压力与体重之间的关系，如图5所示。

图5 压力与体重的比值Fig.5 Ratio of pressure and weight

1)比值分析

实验表明人在水平慢速行走时，足底产生的压力与自身体重比值为1.0～1.1，而且不同测试者的脚底产生的压力峰值与自身体重之比基本相同，并不能体现出明显的差别。因此，通过测试者在慢速行走时的脚底压力峰值并不能反映出人体下肢运动能力的强弱。

当不同的测试者在快速奔跑时，足底产生的压力峰值与体重的比值有较明显的差别。人在慢速行走时，压力与体重的比值最大差为0.02；而在快速奔跑时，压力与体重的比值最大差为0.3。快速奔跑时的压力峰值与体重差别较大。

2)比值与下肢运动能力分析

快速奔跑时，压力峰值与体重的比值反映出不同人的下肢运动能力不同。快速奔跑时的压力峰值是关键的判断指标，其脚底压力峰值的大小反映出下肢运动能力的强弱。人在快速奔跑时，脚底产生的压力与自身体重之比为1.1～1.5；年龄、身高相似的人，在快速奔跑时脚底的压力峰值也有所不同，反映了下肢运动能力的强弱。压力峰值与体重的比值较小的人，下肢运动能力较弱一些；压力峰值与体重的比值较大的人，下肢运动能力较强一些。

根据测试结果进行推断，下肢受伤后还没有完全恢复时，人的下肢运动能力减弱，在快速奔跑时足底的压力并不能达到正常时的水平，从而可以通过受伤后的不同阶段奔跑时的压力峰值比较，进一步判断受伤后的恢复情况，因此，本测试系统可以用来检测下肢受伤后的恢复状况。

4 结 论

传统设备难以捕捉压力峰值，而本实验设备采样频率为100 Hz，能够实时采集人体快速奔跑时的脚底压力数据，进而得到压力平均峰值。将脚底平均运动压力值与体重值进行比较，得到一个下肢运动能力评估指标，以此判断测试者下肢运动能力的强弱。根据分析结果能够对人们的身体素质提升提出相关建议，对于正在成长的青少年尤为重要。在下肢受损并接受治疗的恢复阶段，对下肢运动能力状况的测试结果分析，有助于监测恢复状况。该系统数据的分析结果对临床诊断、疾患程度测定和术后疗效评价等均具有重要意义。

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近期，有人为谋取私利，利用虚假网站，冒用河北科技大学学报编辑部的名义征集《河北科技大学学报》和《河北工业科技》的稿件。此举不仅严重影响了我编辑部的声誉，给作者带来了损失，还在社会上造成了不良影响。

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(河北科技大学学报编辑部)

Research of human legs motion ability assessment

WANG Shuhai, ZHAO Hailang, WU Shaoguang, CHEN Shuwang, HU Dandan, LI Xin

(School of Information Science and Engineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang, Hebei 050018, China)

When a person is running or jumping in a short distance, the plantar pressure is not only related to the weight, but also reflects the strength of the lower limb exercise capacity. A testing system for the human lower limb exercise capacity is designed. The plantar pressure measurement is completed by the pressure sensors. The experimental data are transmitted by the single-chip RF transceiver device, which is the NRF24L01 wireless module. The peak pressure under different test conditions are recorded and stored. The plantar pressure values are collected when the experimenters are at rest, walking or running. The relationship between the body weight with the average plantar pressure peak is analyzed. The ratio of the peak pressure value and the weight is smaller, the lower limb exercise capacity is weaker. The ratio of the peak pressure value and the body weight is greater, the ability of the lower limb movement is stronger. The results can give some suggestions on people’s physical fitness, especially for teenagers in the growth stage.

data processing；lower limb; athletic ability; plantar pressure; pressure sensor

1008-1534(2016)06-0474-05

2016-05-24;

2016-09-04；责任编辑：陈书欣

全国大学生创新创业训练计划项目(201510082035)

王书海(1968—)，男，河北沧州人，副教授，主要从事电子测量技术方面的研究。

陈书旺教授。E-mail：chenshw2015@163.com

A

10.7535/hbgykj.2016yx06006

王书海,赵海浪,武少广,等.人体下肢运动能力测评研究[J].河北工业科技,2016,33(6):474-478. WANG Shuhai, ZHAO Hailang, WU Shaoguang, et al.Research of human legs motion ability assess ment[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology,2016,33(6):474-478.