基于虛擬現實技術的武術訓練動作模擬系統(tǒng)設計

王玉霞

摘 ?要： 針對傳統(tǒng)武術訓練動作模擬系統(tǒng)不含貼片式壓力傳感器，從而造成無法在系統(tǒng)中顯示出武術訓練動作的力量值的問題，設計一種基于虛擬現實技術的武術訓練動作模擬系統(tǒng)。硬件部分使用C8051F410單片機采集卡采集武術動作的力量值，單片機連接一款貼片式壓力傳感器，用來測量武術訓練者的關節(jié)力量值，選用采樣刷新率為1 600 Hz、鏡片材料為液晶材料的VR眼鏡，完成硬件部分的設計。軟件部分首先將武術動作轉換為一個四桿結構，計算結構對應的關節(jié)力量值，使用Java編程將得到的關節(jié)數據值轉化為代碼，完成系統(tǒng)軟件部分的設計。實驗結果表明，與傳統(tǒng)武術訓練動作模擬系統(tǒng)相比，基于虛擬現實技術的武術訓練動作模擬系統(tǒng)可以顯示出武術訓練動作的力量值，增強武術訓練者的訓練效果。

關鍵詞： 武術訓練; 動作模擬; 系統(tǒng)設計; 虛擬現實技術; 壓力傳感器; 力量值測量

中圖分類號： TN606?34; X524 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2020）12?0127?03

Abstract： The traditional Wushu training action simulation system does not contain the pressure sensor with patch type， resulting in the strength value of Wushu training action cannot be displayed in the system. A Wushu training action simulation system based on virtual reality technology is designed. In the hardware part， the acquisition card of C8051F410 single?chip microcomputer is used to collect the strength value of Wushu actions， and the single?chip microcomputer is connected with patch type pressure sensor to measure the joint strength value of Wushu trainers. The VR glasses with a sampling refresh rate of 1 600 Hz and lens material of liquid crystal are selected to complete the design of hardware part. In the software part， the Wushu action is transformed into a four?bar structure， the joint force value corresponding to the structure is calculated， and the obtained joint data value is transformed into code by Java programming to complete the design of the software part of the system. The experimental results show that， in comparison with the traditional Wushu training action simulation system， the Wushu training action simulation system based on virtual reality technology can show the strength value of Wushu training action and enhance the training effect of Wushu trainers.

Keywords： Wushu training; action simulation; system design; virtual reality technology; pressure sensor; strength value measurement

0 ?引 ?言

虛擬現實技術是將虛擬和現實結合的一項技術，從理論上講，虛擬現實技術就是利用現實生活中的數據，通過計算機技術產生電子信息，將其與各種輸出設備結合，使其轉化為能夠讓人們感受到的實景現象[1]。武術訓練動作模擬系統(tǒng)可以記錄武術訓練動作，將武術訓練分為基本功、基本動作和典型動作的整學零練再到整套訓練或是格斗訓練四個不同的層次[2]。循序漸進地引導武術學習者完成武術的訓練。本文設計基于虛擬現實技術的武術訓練動作模擬系統(tǒng)，可將傳授者的動作使用虛擬現實技術直接投放到武術學習者身邊，打造出一種 “一對一”式武術教學，提高武術學習者的學習效率[3]。

1 ?模擬系統(tǒng)硬件設計

1.1 ?設計采集設備

采集設備使用C8051F410單片機采集卡，利用采集卡上的串口功能，連接一個模擬外設，模擬外設設計一個12位ADC，保證24個外部輸入與200 Kb/s的可編程的轉換率[4]。采集卡內設兩個12位的電流輸出DAC、兩個比較器、一個欠壓檢測器，將電壓基準[5]設定為可編程電壓值1.5 V和2.2 V。數字外設部分設計24個I/O端口、4個通用16位計數器/定時器。使用硬件SMBus，SPI和UART串口。時鐘源部分內設置一個24.5 MHz的內部振蕩器，用來支持UART操作[6]。外部振蕩器選用外部時鐘， smaRTClock振蕩器選用32 kHz晶體諧振器。將片調試調整為全速、非侵入式的系統(tǒng)調試功能，選用支持斷點、觀察及修改儲存器的寄存器[7]。儲存器選用256 B+2 048 B RAM，使用64 B的電池后備。設計的C8051F410單片機采集卡如圖1所示。

為更加精細地采集到武術訓練動作的力量值，在壓力采集卡上，設計采集壓力的貼片式壓力傳感模塊，規(guī)格尺寸選用0.5 cm×0.5 cm、厚度為0.20～1.25 mm。傳感器的壓力感測范圍為1～100 N，壓力感測精度為0.5 N。實際貼片式壓力傳感器如圖2所示。

貼片式壓力傳感器與數據采集卡連接后，設計支持采集卡運行的電源模塊，將電源輸入口設計為AC 100～240 V、50/60 Hz，輸出口為DC 9 V、600 mA。傳感采集卡設計完畢后，再設計一款虛擬現實眼鏡，支持武術訓練者日常訓練時使用[8]。

1.2 ?設計虛擬現實VR眼鏡

眼鏡選用采樣刷新率為1 600 Hz、內含螺旋儀、16位加速器的6軸運動傳感器，鏡片選用38 mm的高透鏡片。調整眼鏡的可視場角，將鏡片的透光率調整為93%，支持600°近視以及200°遠視，將頭圍尺寸控制在525～630 mm之間[9]，分辨率調整為單眼為1 600×1 440。設計的VR眼鏡如圖3所示。

VR眼鏡使用一個多路復合的方式，將武術動作顯示在武術訓練者的視野中，鏡片材質選用液晶材料[10]。貼片式壓力傳感器會安裝在武術訓練者的關鍵發(fā)力部位上，VR眼鏡此時會呈現出武術訓練者的動作，以及根據壓力傳感器傳輸出來的力量數值，判斷訓練者的武術動作是否達到標準，將武術動作的力量數值使用軟件呈現在VR眼鏡的視野中[11]。

2 ?模擬系統(tǒng)軟件設計

2.1 ?計算武術動作的關節(jié)力量值

3 ?實 ?驗

3.1 ?實驗準備

實驗準備武術虛擬現實的軟硬件環(huán)境如表1所示。

使用如表1所示的軟硬件環(huán)境搭建如圖5所示的虛擬現實環(huán)境。

使用一種傳統(tǒng)的武術訓練動作模擬系統(tǒng)與基于虛擬現實技術的武術訓練模擬系統(tǒng)來模擬武術動作，對比兩種系統(tǒng)能否顯示出武術動作的各關節(jié)的力量值。

3.2 ?實驗結果分析

兩種武術訓練動作模擬系統(tǒng)得到的實驗結果如圖6所示。

由實驗圖6可知，傳統(tǒng)的武術訓練動作模擬系統(tǒng)只可以模擬出動作，無法顯示出武術訓練動作的關節(jié)力量值，武術訓練者無法感受到訓練動作的力量，不利于訓練者訓練武術動作。而基于虛擬現實技術的武術訓練動作模擬系統(tǒng)不光將武術動作予以虛擬顯示，還在各個重要的關節(jié)部位顯示出了武術動作的力量值，更方便武術訓練者掌握武術動作標準，為武術訓練帶來積極的教學作用。

4 ?結 ?語

隨著虛擬現實技術應用范圍的不斷擴大，逐步應用到武術訓練動作模擬系統(tǒng)中。傳統(tǒng)的武術訓練動作模擬系統(tǒng)在實際運用時，只呈現出武術動作，無法顯示武術動作中人體關節(jié)的力量值。針對這一不足，在原有的技術上，基于虛擬現實技術的武術訓練動作模擬系統(tǒng)設計一款貼片式壓力傳感器，安裝在武術訓練者上，讓武術訓練者以VR眼鏡作為審視標準，檢查自身的武術動作是否達到最理想的力量值，增強武術訓練者的學習效果。

參考文獻

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