圖：美國(guó)加利福尼亞州圣荷西。在這座城市的運(yùn)動(dòng)場(chǎng)里，一位日本運(yùn)動(dòng)員正在進(jìn)行“實(shí)驗(yàn)”。他就是在本屆倫敦奧運(yùn)會(huì)上獲得了銅牌的鏈球選手室伏廣治。

　　室伏進(jìn)入投擲圈，慢慢掄起鏈球開始旋轉(zhuǎn)。隨著旋轉(zhuǎn)越來越快，放置在旁邊的揚(yáng)聲器“嗡嗡”發(fā)出聲響。鏈球箭一般離開室伏的手掌，飛向遠(yuǎn)處。

　　室伏在這里進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的目的是確認(rèn)新訓(xùn)練方法的有效性。鏈球的鏈條部分上安裝了檢測(cè)鏈條方向加速度和旋轉(zhuǎn)角速度的傳感器。傳感器的檢測(cè)值通過無線傳輸?shù)礁浇?a target="_blank">控制器裝置，根據(jù)檢測(cè)值的不同，揚(yáng)聲器將播放出不同的聲音。室伏可以根據(jù)聲音，在投擲動(dòng)作中判斷鏈球旋轉(zhuǎn)的加速是否足夠。

　　這種名為“聽覺反饋法”的方法是室伏與慶應(yīng)義塾大學(xué)研究生院的太田憲（政策和媒體研究科特聘副教授）以及仰木裕嗣（同副教授）合作開發(fā)的。其實(shí)，室伏不僅是一位運(yùn)動(dòng)員，還是身兼中京大學(xué)副教授一職的研究學(xué)者。其專業(yè)領(lǐng)域是分析運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)作，以提高運(yùn)動(dòng)技能、預(yù)防傷病的“生物運(yùn)動(dòng)力學(xué)”。這一次，室伏親自充當(dāng)實(shí)驗(yàn)對(duì)象，加入到了與太田等人的合作研究之列。

　　使看不到的動(dòng)作可視化

　　室伏等人的嘗試代表著生物運(yùn)動(dòng)力學(xué)的研究正在發(fā)生著的變化。也就是利用電子技術(shù)，使過去難以檢測(cè)的運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)作可視化（圖1）。

　　圖1：過去看不到的身體動(dòng)作顯露出來

　　過去難以實(shí)現(xiàn)、需要大型系統(tǒng)的身體動(dòng)作檢測(cè)變得簡(jiǎn)單。傳感器等電子技術(shù)推動(dòng)著檢測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展。

　　在投擲鏈球時(shí)，選手會(huì)感覺到鏈條方向的加速張力。但左右鏈球飛行距離的旋轉(zhuǎn)方向的角速度卻感覺不到。只有在鏈球上安裝動(dòng)作傳感器，角速度才能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)定量，并且反饋給選手。這是一個(gè)通過電子技術(shù)，捕捉運(yùn)動(dòng)員需要的動(dòng)作信息的一個(gè)范例。

　　室伏等人的嘗試只是一個(gè)例子。捕捉運(yùn)動(dòng)員絕妙動(dòng)作的嘗試此前也曾經(jīng)有過，但還有很多至今還不得其解之處。如今，使其定量化的嘗試開始出現(xiàn)。

　　其研究方向大致有三個(gè)。（1）檢測(cè)運(yùn)動(dòng)員各個(gè)動(dòng)作部位，擴(kuò)大運(yùn)動(dòng)檢測(cè)的應(yīng)用范圍；（2）把身體動(dòng)作與肌肉、肌腱等體內(nèi)組織的運(yùn)動(dòng)掛鉤，借此提高訓(xùn)練效果；（3）對(duì)比賽中選手和球的動(dòng)作進(jìn)行整體定量化，掌握實(shí)戰(zhàn)時(shí)的表現(xiàn)。本文將分別介紹目前在這些方面的舉措及其背后的關(guān)鍵技術(shù)。

　　小型傳感器技術(shù)活躍的舞臺(tái)

　　（1）的主角由小型傳感器技術(shù)承擔(dān)。檢測(cè)動(dòng)作的除了加速度傳感器、角速度（陀螺儀）傳感器、地磁傳感器之外，還有集成在同一封裝內(nèi)的慣性傳感器。使用距離圖像傳感器和GPS的例子也不在少數(shù)。

　　在過去，捕捉運(yùn)動(dòng)員動(dòng)作廣泛使用的是動(dòng)作捕捉裝置、測(cè)力板等大型裝置（圖2）。動(dòng)作捕捉裝置的使用方式是在身體各個(gè)部位配置反射光線的標(biāo)記，通過拍攝反射光來捕捉對(duì)象的動(dòng)作。測(cè)力板則是內(nèi)置應(yīng)變計(jì)和壓電傳感器的薄板，檢測(cè)的對(duì)象是運(yùn)動(dòng)時(shí)施加到地面的力。

　　圖2：使身體動(dòng)作可視化

　　在過去，廣泛用來捕捉運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)時(shí)身體動(dòng)作的方法是動(dòng)作捕捉。（攝影：Vicon Motion Systems銷售代理商Inter-Reha）

　　這些裝置基本都是在專用設(shè)施內(nèi)使用，而且存在能夠捕捉運(yùn)動(dòng)員動(dòng)作的范圍（檢測(cè)范圍）過小的限制。例如，1枚測(cè)力板的標(biāo)準(zhǔn)尺寸為50cm×50cm×10cm左右，重量甚至高達(dá)40kg。

　　與之相比，小型傳感器輕巧，只需佩戴在身體上即可實(shí)時(shí)捕捉動(dòng)作。有望使檢測(cè)身體動(dòng)作的場(chǎng)所從“實(shí)驗(yàn)室”轉(zhuǎn)向?qū)嶋H訓(xùn)練和比賽的“場(chǎng)地”。

　　運(yùn)動(dòng)員身體動(dòng)作的自由度高，力和加速度的動(dòng)態(tài)范圍也比較大。也就是說，作為傳感器的檢測(cè)對(duì)象，其難度非常之大。但傳感器技術(shù)如今正在踏實(shí)地跨越這一難關(guān)。

　　專門選擇單軸傳感器

　　室伏等人在投擲鏈球的實(shí)驗(yàn)中使用的動(dòng)作傳感器就是此類技術(shù)之一。開發(fā)商是從事無線和傳感器相關(guān)技術(shù)開發(fā)的Logical Product。

　　開發(fā)的契機(jī)源于2008年。當(dāng)時(shí)，慶應(yīng)義塾大學(xué)的太田正在尋找配備無線功能的動(dòng)作傳感器，在展會(huì)上，他發(fā)現(xiàn)了Logical Product的無線模塊。而該公司當(dāng)時(shí)正巧也在探索模塊的用途，與太田“人體動(dòng)作檢測(cè)領(lǐng)域有需求”的想法不謀而合。回顧當(dāng)時(shí)，Logical Product代表董事社長(zhǎng)辻卓則也表示“當(dāng)時(shí)就覺得很有意思”。

　　該公司的傳感器小巧，能夠進(jìn)行高精度檢測(cè)。內(nèi)置使用2.4GHz頻帶的自主協(xié)議無線通信技術(shù)以及同為3軸的加速度傳感器、陀螺儀傳感器和地磁傳感器。配備16bit的A-D變換功能，能夠以1k采樣/秒的速度檢測(cè)數(shù)據(jù)。

　　加速度傳感器與陀螺儀傳感器都是由3個(gè)單軸傳感器組成的模塊。因?yàn)榘?軸和6軸集成到1個(gè)封裝中的傳感器雖多，但目前S/N的性能還達(dá)不到要求。“在其他軸的信號(hào)的影響下，S/N會(huì)降低。與3軸單封裝的傳感器相比，由單軸傳感器組成的動(dòng)作傳感器的S/N要高10～20倍”（Logical Product無線傳感事業(yè)部事業(yè)部長(zhǎng)澤田泰輔）。在組合單軸傳感器時(shí)，內(nèi)嵌傳感器的印刷布線基板采用立體配置，防止了各傳感器的正交關(guān)系出現(xiàn)偏差。

　　之所以通信采用自主協(xié)議，是因?yàn)?a href="http://www.asorrir.com/tags/藍(lán)牙/" target="_blank">藍(lán)牙等標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)在實(shí)時(shí)檢測(cè)時(shí)，選手的動(dòng)作與檢測(cè)結(jié)果反饋的時(shí)間存在偏差。“如果考慮到單人使用，使動(dòng)作開始和停止的時(shí)間容易對(duì)應(yīng)會(huì)變得非常重要”（澤田）。

　　除了投擲鏈球之外，這種傳感器在游泳、網(wǎng)球、棒球、足球等領(lǐng)域也曾得到采用。該公司的動(dòng)作傳感器中，高速產(chǎn)品能夠檢測(cè)的最大角速度為6000dps，最大加速度為250G。借助這樣的性能，“網(wǎng)球和乒乓球球拍、棒球球棒的揮動(dòng)，花樣滑冰跳躍時(shí)落地的沖擊力都能夠檢測(cè)”。

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