柔性可穿戴传感器用于篮球技术动作监测及伤病预防的研究

程晓雯 杨勇

（云南师范大学 云南 昆明 650000）

引言

在篮球训练的诸多内容中，与篮球基本功相关的技术动作训练是极为重要的环节，篮球基本功是篮球运动员必须掌握的基本技能，是掌握全面复杂的篮球技术的基础，它存在于各项基本技术之中，比如，传接球技术、运球技术、投篮技术、防守技术、脚步移动等等。而上述的每个基础技术动作都是由身体各部位相互配合协调完成的，这些身体部位主要包含上肢（肩、臂、肘、手）、下肢（脚、腿、膝、臀）以及躯干（腰部、背部），篮球教练员在指导运动员基本功训练时需要对每个技术动作做出指正，也就需要对不同身体部位的动作都进行捕捉、还原，并与标准动作比较。但是目前，绝大多数职业和基层篮球训练都是采用视频分析法分析运动员的技术动作。视频法是最为直接的分析方法，不需要运动员佩戴任何特殊仪器，但受限于视频清晰度、遮挡与拍摄角度，在实际使用中存在诸多不便。而且，教练员在赛后需要逐帧观看运动员视频数据，只能凭借经验判断运动员技术动作好坏。为了解决上述问题，新兴的惯性动作捕捉方法是一种可替代方法。但传统的惯性传感器主要由加速度测量仪、磁力计和陀螺仪组成，这些部件都是刚性的，便携性和隐蔽性太差，不方便使用。

在当前“人工智能与体育实体竞技深度融合”政策的指导下，利用人工智能、大数据技术以及柔性传感技术对运动员每个基本技术动作进行实时监测、捕捉和反馈是技术训练极为关键的一步。近些年来，柔性可穿戴应变传感器得到了广泛的研究和利用，它们可以将运动时身体各关节部位的应变转变为电阻变化，从而可以分析出不同的运动状态。而且，相比于刚性惯性传感器，柔性应变传感器在柔性、穿戴舒适性、便捷性、响应速度方面更具优势，而且其应变的范围更适合于复杂的非平面表面。比如，人体的肘关节、膝关节等，因此在可穿戴运动姿态监测方面有着潜在的应用前景。在第一部分中，将重点阐述柔性可穿戴应变传感器应用于篮球基本技术动作监测方面的具体要求以及相关研究进展。

特别地，投篮是篮球运动中一项关键性技术，是最直接有效的得分手段；在第二部分，将单独阐述柔性触觉压力传感器及手指弯曲传感器应用于投篮手型指导与纠正。此外，大多数篮球训练动作都需要通过足部与地面相互作用达到维持、改变身体状态的效果，同时，经研究表明，膝关节运动损伤和足底病变是篮球运动中的主要运动损伤。因此，在第三部分，将单独阐述柔性足底压力传感器应用于足底压力监测和伤病预防。

1、柔性可穿戴应变传感器用于篮球基本技术动作监测

根据文献检索，现有的柔性可穿戴应变传感器大多是基于接触电阻机制，即通过各种柔性传感材料及相应微结构设计实现导电微结构的接触关系变化，以此形成传感器的可拉伸性和应变-电阻变化。常用的传感材料包括碳基材料（如，碳纳米管、石墨烯、碳化丝绸、炭黑等）或金属纳米线（金、银等），相应的微结构有类弹簧结构、岛隙结构、和类鱼鳞结构等。根据应变量大小，柔性应变传感器的监测范围主要有两类：肌肉小应变和关节大应变。具体为：监测面部肌肉产生的小应变可用于监测情绪变化；监测手臂、腿部、腹部肌肉等产生的小应变可用于监测运动中的肌肉疲劳度、心率变化、呼吸节律等；监测各身体部位关节处的大应变可用于动作姿态监测。本维度的研究内容主要是针对后者。

用于人体大应变动作姿态监测的柔性可穿戴应变传感器要对身体部位关节处的应变进行实时监测，因此不能影响运动员穿着的舒适性。同时必须具有一定的拉伸性和弹性，通过分析检索出来的高质量文献发现，基于弹性针织物结构的柔性应变传感器可以完全满足上述需求，近些年来，集针织应变传感器为一体的弹性服装在实时运动监测方面的应用已经得到了广泛的关注和研究，这类传感器可以与运动服装集成从而减少与皮肤的接触，所采用的弹性针织物是指具有大应变和高度拉伸性的材料，可随人体肢体运动产生显著变形，加入导电纤维可将织物变形转换成电信号变化，从而实现运动监测。像在2015年，胡吉永等人便通过实验发现，聚吡咯导电织物适用于开发监测人体上肢肘关节运动的柔性惯性传感器，聚吡咯导电物不仅能吸附在织物表面，且被吸附在织物内部的每一根纤维表面，可反映所制备导电织物作为传感器敏感材料的稳定性。准静态运动的测试结果表明，导电织物的拉伸电阻变化及其方向性差异能用于表征人体上肢的弯曲、旋转运动及肢体运动的动态过程。类似地，温雯、方方等人将柔性织物应变传感器置入到弹性紧身运动服装上，并对柔性传感器进行应变—电阻试验，监测该传感器在关键的关节以及肌肉部位上的电阻变化情况，通过比较不同运动状态下电阻值的差异来表征人体在跑步动态过程中下肢的运动状态。

基于织物结构的应变传感器存在的最大问题就是由于织物在拉伸作用下会产生塑性变形，会使得工作稳定性较低，而且导电织物的响应在人体关节运动中均具有滞后性及波动性，会使得应变—电阻感测的准确性降低。为了改善织物传感器的上述问题并构建一种简单的可穿戴运动识别系统，李煜天等人制备了一种镀银锦纶型针织应变传感器，并进行了二维单向拉伸以及三维曲面的传感测试，包括灵敏度、滞后性、重复性、稳定性等传感性能指标。经测试表明，两种传感应变方式都具有良好的灵敏度、循环重复性及连续工作稳定性。在灵敏度和滞后性方面：三维曲面传感应变感测范围可以达到140%，在感测范围0-120%应变率内，传感器电阻变化率和应变呈正相关性，该有效范围是二维传感的两倍，而且三维传感响应时间更短；在稳定性方面：经过3000次循环重复拉伸回复试验后，应变传感器重现性良好，具有一定的长期稳定传感性能。由于这种良好的三维传感性能，该应变传感器对被测物体传感方向及物体表面形状限制较小，因此适用范围更广，可以满足各种复杂的传感场景需求。进一步地，制备了集成多区域针织应变传感器的高弹性运动裤，通过电阻数值特征、步行周期划分、多区域感测及机器学习等方式对人体跑步、走路、上、下台阶等步态运动进行了高准确度的识别，实现了应变传感器感测的同时输出对应运动状态，构建了一种简单的可穿戴运动动作/姿态识别系统，这为更全面、成熟的智能可穿戴设备和人体运动识别提供了极好的参考价值。对于篮球运动员，球衣球裤、篮球鞋、袜以及各种护具是平时的惯用穿着，因此未来的发展方向之一就是将针织物传感器与上述各类篮球运动装备集成，并不断改善传感器的滞后性和波动性等问题。此外，就目前来看，仅仅通过柔性应变传感器无法完成身体全方位的监测和捕捉，如果未来可以设计出各类柔性加速度传感器并与柔性应变传感器集成使用起来，相信在未来不久便会应用到动作捕捉系统中并广泛地应用到篮球运动员技术动作的训练指导中去。

2、柔性可穿戴指尖触觉及手指弯曲传感器用于投篮手型纠正

投篮是篮球运动中一项关键性技术，是最直接有效的得分手段。在一场篮球比赛中，队员运用各种专门、合理的动作以及运用任何进攻战术的最终目的都是为了创造更好、更多的投篮机会，并将球投进对方篮筐。在诸多的投篮姿势中，最常用的是单手肩上投篮和双手胸前投篮，但无论哪种投篮姿势，都对身体姿势和持球手法有一致的要求。通过研究调查发现，青少年篮球运动员在投篮训练时普遍都存在着投篮动作不规范的问题，传统的教学方式很难在有限的时间内达到理想的教学效果。那么，为了改善投篮动作不规范的问题并提高投篮命中率，需要对篮球运动员投篮时的身体姿势和持球手法都进行实时地追踪、监测并反馈。

近些年来，用于指导纠正投篮动作的辅助器材和技术不断地被提出，一些辅助器材比如投篮姿势定型带、ShotLoc投篮手型矫正器、腕力训练手套等等，可以帮助运动员掌握正确的投篮手型，固定投篮动作，增强投篮动作的稳定性，但它们都是非智能训练产品，无法完成训练监测、反馈、追踪等一系列行为，是较为僵化的训练产品；虚拟仿真训练模式及VR技术，能够为运动员提供虚拟的训练环境，可以解决硬件设施缺乏的问题，但其使用成本较高，使用者佩戴时间较久会有晕眩和头痛等负面影响；利用第一部分内容提出的柔性可穿戴应变传感器可以对运动员投篮时的身体姿态进行实时地、科学地监测和捕捉，但如果想要获取手部的一些具体的科学性数据，比如手指的发力程度及弯曲程度等，并对投篮手型进行更科学的纠正，将能够和手指更好贴合的柔性可穿戴指尖压力触觉及弯曲传感器应用起来是一种切实可行的解决方法。

聂宝清等人研发了一种基于微液滴的柔性指尖触觉传感器，该传感器由三层柔性层组成，具有极好的机械柔韧性，同时通过引入高介电微滴使得灵敏度提升至2.72MHz N-1，并在0-1.56 N的周期性载荷下具有优异的信号再现性。因此，将该传感器粘附于运动员惯用手的五个手指上可以高精度地获得各个手指尖与篮球之间的接触力感应，并通过读取数据进行比较以获得投篮时手指的发力程度，从而对投篮手型进行科学精确的指正。黄文、李奕奕等人制备了一种具有表面微结构的PDMS为衬底的柔性石墨烯传感器，该柔性传感器对正向压力变化同样具有较高的灵敏度（GF-8-23，0.1%-0.25%应变），而且通过将导电石墨烯材料填充进具有微沟道的弹性 PDMS基底，该传感器获得了更大的拉伸范围，因此不仅可以精确地获得指尖对篮球的接触力响应，还可以应用于对传感器拉伸性要求较高的肘关节和膝关节的运动监测。薛晓敏、张陵等人设计并制备了一种高灵敏度、大测量范围和低阈值的三层离子皮肤手指关节角度传感器。该传感器由多个硅橡胶薄膜和高保水性的离子凝胶电极构成，因此具有柔软、高度可拉伸的特性，而且三层介电层的设计也使得该传感器的灵敏度是单层离子皮肤手指关节角度传感器的3.5倍，并且该手指关节角度传感器的电容变化量与关节角度具有良好的线性关系，可以监测手指关节从展平状态到完全弯曲状态的各个角度，阈值在1°以下，因此该传感器可以应用于监测运动员投篮时惯用手的手指关节弯曲程度。上述的柔性指尖触觉传感器和柔性手指关节角度传感器都具有柔软轻薄的特点，不会影响手指关节的运动，而且制作简单，易批量生产，如果未来可以将二者集成使用，市场上很大可能会出现可以对投篮动作进行实时监测、反馈、追踪的价格低廉的新型投篮训练产品。

3、柔性可穿戴足底压力传感器用于足底压力监测和伤病预防

近些年来，严重影响篮球运动员职业生涯的重大伤病基本都发生在膝关节、脚踝部和足部，熟悉的比如科比布莱恩特、凯文杜兰特、易建联等明星都是遭遇跟腱断裂，德里克罗斯、德文韦德、布兰登罗伊等明星都是遭遇半月板撕裂等。造成这些重大伤病的原因无不与平时长期高强度、超负荷的上场比赛有关，由于动作不当或者外力的促使，长期累积造成了过度损伤；另一方面，篮球运动员进行训练以及运动时的大多数动作都需要通过足部与地面相互作用达到维持、改变身体状态的效果。因此，通过实时采集足底各部位的压力参数变化并进行比较、研究，以获取不同疲劳程度中运动员的足底压力特征以及变化趋势，可以达到长期监控运动负荷并达到预防运动损伤的目的。

目前，常用的体量化的足底压力测试板、测试台等系统灵活性差、不能进行实时监测，考虑到人体足部各骨骼和关节复杂的曲面以及实际运动中足部的扭转、跳跃等动作的变化，选用的传感器需要能够与各部位都完美、灵活地贴合，同时要有足够的柔韧性和高压力灵敏度，以新型纺织材料为基础的柔性压力传感器能够兼容上述优点，并与微型信号处理与无线传输模块共同集成嵌入到球袜、鞋垫或球鞋中形成柔性可穿戴足底压力监测系统可以达到实时采集和反馈人体步态信息的目的。

近些年来，很多复合导电材料已经大量研发和应用，特别是由导电填料和聚合物基体材料组成导电高分子复合材料，不仅耦合了导电填料的导电性和聚合物基体材料的柔韧性，还具有成型工艺多样化、可设计性强等优点。在众多的制备方法中，选择性激光烧结（SLS）技术是一种新兴的技术，其相比激光刻蚀法、牺牲模板法、浸涂法、丝网印刷法等传统的制备方法，具有工艺简单、快速、精度高，可用材料种类丰富，材料利用率高的优点。不仅能够増加孔壁上导电填料的接触几率，提高柔性压力传感器的灵敏度，还能快速恢复传感器的弹性变形，提高快速响应能力，而且可个性化定制加工各种复杂的异形结构，满足了灵活制备贴合人体足部的柔性压力传感器件的需求。因此，激光烧结技术可以成为大规模制备柔性足底压力传感器的最有效方法。Xiaoniu Yang教授团队通过选择性激光烧结技术制备了一种具有高灵敏度和宽线性范围的电阻式柔性压力传感器，该传感器主要由还原氧化物石墨烯 （rGO）涂层和柔性叉指电极（IDE）两部分组成，由于独特的粉末烧结工艺产生的不规则和多级微观结构，传感器在100 kPa的宽线性范围内表现出 55 kPa-1的高灵敏度，并且在高压范围内保持良好的灵敏度(＞10 kPa-1)（100-400 kPa），这是柔性压力传感器的最佳结果之一，并对原地行走和奔跑状态下前脚掌和后跟的压力进行了监测。庄煜等人研制了一种以碳纳米管粉末为导电填料、热塑性聚氨酯粉末为基体的激光烧结材料，制备了柔性压力敏感元件，系统地研究了这种压力敏感元件在外压作用下电阻响应规律及其机理，进一步地，采用逆向工程技术并结合激光烧结工艺制备出一种贴合人体足部的一体化柔性压力敏感鞋垫，并将其用于检测了不同运动状态时人体足底的压力分布。上述研发的柔性足底压力传感器与篮球鞋、垫、袜等装备集成起来时，进行足底压力监测时的效果可以达到最佳，目前这方面的研究较为成熟，未来可以考虑批量生产以及更多功能集成。

4、总结

随着人工智能技术、柔性加工、集成微电子等技术的不断进步，柔性可穿戴传感器及其形成的完整的运动训练监测系统也必将逐渐成熟，其在多维篮球运动训练方面已有功能的性能有待进一步改善和提高，更多新型功能也有待进一步开发和拓展。在竞技职业化方面，必将职业篮球运动员不断突破成绩，在大众化方面，帮助篮球爱好者建立合理的健康篮球运动计划，为青少年运动员培养与选拔提供更精确的参考与指导，不断加快建设体育强国。