智能鞋墊的研發(fā)及在跑步中應(yīng)用研究

王夢囡，陳 宇，陳康桂

（廣東第二師范學(xué)院 體育學(xué)院，廣東 廣州 510303）

近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、人工智能、通信技術(shù)及傳感器技術(shù)的迅速發(fā)展，人們逐步把先進(jìn)的云計(jì)算監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用到跑步中，較為普遍的如智能運(yùn)動(dòng)手環(huán)、智能運(yùn)動(dòng)手表等，但監(jiān)測功能泛而不專，精確度也存在問題，在普通的跑步運(yùn)動(dòng)中能夠?qū)崿F(xiàn)一定的監(jiān)測功能，并不能全面、科學(xué)地監(jiān)測與分析跑步訓(xùn)練中的各種數(shù)據(jù)；在專業(yè)的跑步訓(xùn)練、跑步教學(xué)、步態(tài)分析中相關(guān)技術(shù)的研究與應(yīng)用也被逐步重視，更科學(xué)、更準(zhǔn)確的監(jiān)測方法及技術(shù)逐步被應(yīng)用。

1 研究的背景及意義

跑步對(duì)于普通大眾來說，只是潛意識(shí)里面認(rèn)為跑步有利于鍛煉身體，如果沒有科學(xué)的訓(xùn)練計(jì)劃、正確的跑步姿勢和知識(shí)，沒有運(yùn)動(dòng)損傷預(yù)防的意識(shí)，反而會(huì)帶來負(fù)面的效果。在科學(xué)運(yùn)動(dòng)、快樂運(yùn)動(dòng)的口號(hào)帶動(dòng)下，國內(nèi)外體育類院校、運(yùn)動(dòng)研究機(jī)構(gòu)、非盈利運(yùn)動(dòng)組織團(tuán)體等注重運(yùn)用科學(xué)技術(shù)手段來監(jiān)測與分析人體跑步的各項(xiàng)物理與生理數(shù)據(jù)，以便進(jìn)一步了解人體跑步中的狀態(tài)與存在的問題，各種常見的智能運(yùn)動(dòng)手表、智能運(yùn)動(dòng)手環(huán)、智能運(yùn)動(dòng)跑鞋等科技類產(chǎn)品被應(yīng)用到跑步的數(shù)據(jù)監(jiān)測與分析中來，但都存在一個(gè)通病就是數(shù)據(jù)的采集不夠全面和數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度不夠。

關(guān)于智能鞋墊的研究，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與傳感技術(shù)的發(fā)展，最早由國外的研究機(jī)構(gòu)與企業(yè)進(jìn)行研究與應(yīng)用；在國內(nèi)，近年來新材料的突破和慣性導(dǎo)航技術(shù)軍轉(zhuǎn)民的應(yīng)用，科研院校和科研機(jī)構(gòu)、科技企業(yè)也逐步投入研究。但基本上都是基于六軸傳感器的步態(tài)分析或者基于壓力傳感技術(shù)的步態(tài)分析層面研究，采集的數(shù)據(jù)不夠全面；本文著重采用壓感技術(shù)與六軸傳感器技術(shù)組合的方案進(jìn)行研究與應(yīng)用，解決了數(shù)據(jù)采集不全面和精度低的問題。基于柔性壓力傳感器與六軸傳感器的智能鞋墊研究不僅能應(yīng)用于糾正跑步姿態(tài)、制定科學(xué)有效的訓(xùn)練計(jì)劃、預(yù)防運(yùn)動(dòng)損傷上，對(duì)拓展應(yīng)用到步態(tài)分析、糖尿病足的診斷、兒童學(xué)步時(shí)的指導(dǎo)等領(lǐng)域也都有一定的推動(dòng)作用。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及存在問題

國外高等院校、科研機(jī)構(gòu)及科技企業(yè)對(duì)這一領(lǐng)域的研究起步比較早，并且取得了一定的研究成果，在運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練、教學(xué)仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)和臨床醫(yī)學(xué)等方面也得到了應(yīng)用；國外企業(yè)比較早地在市場上推出了相關(guān)應(yīng)用產(chǎn)品，例如步態(tài)分析儀、步態(tài)分析平臺(tái)、步態(tài)糾正儀器等。在國內(nèi)，慣性傳感技術(shù)的普及、新材料研究的突破等，全民跑步浪潮興起，跑姿分析、運(yùn)動(dòng)損傷分析等越來越受到重視，一大批創(chuàng)新型科技企業(yè)參與此領(lǐng)域的研究。

無論國外研究還是國內(nèi)科研機(jī)構(gòu)，都著重研究此項(xiàng)技術(shù)在步態(tài)分析上的應(yīng)用，偏向醫(yī)療健康以及臨床應(yīng)用；而在運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練上尤其是跑步領(lǐng)域的應(yīng)用都偏少。

2.1 國外研究現(xiàn)狀

麻省理工學(xué)院Stacy J.Morris Bamberg等人利用慣性傳感器、壓力傳感器、彎曲傳感器以及電場強(qiáng)度傳感器設(shè)計(jì)了一套無線可穿戴式步態(tài)分析系統(tǒng)；除了實(shí)驗(yàn)室研究外，國外一些公司也研制出在市場應(yīng)用的足底測壓步態(tài)分析系統(tǒng)，如美國的Tekscan F-scan、德國的Novel Peder-X、美國的RUNVI等，其系統(tǒng)功能各有優(yōu)缺點(diǎn)，性能也不盡相同。美國RUNVI智能鞋墊采用了柔性壓力傳感器與慣性傳感器（陀螺儀+加速度）組合的方案，配置了先進(jìn)的CORE技術(shù)，在鞋墊上內(nèi)置壓力傳感器與慣性傳感器模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)跑步數(shù)據(jù)的采集并處理與分析，通過藍(lán)牙連接應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)無線傳輸，實(shí)現(xiàn)了跑步中各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的監(jiān)測、分析，自主研發(fā)的深度學(xué)習(xí)算法根據(jù)用戶的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)制定跑步運(yùn)動(dòng)計(jì)劃并能夠提出運(yùn)動(dòng)損傷預(yù)防的建議等。

2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)在該領(lǐng)域的研究相對(duì)較晚，除了實(shí)驗(yàn)室研究外，國內(nèi)在該領(lǐng)域展開投入與推動(dòng)的大部分都是創(chuàng)新型科技類創(chuàng)業(yè)公司；中科院電子所YUNDONG XUAN等人提出的一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的步態(tài)周期識(shí)別方法，在鞋底內(nèi)置陀螺儀傳感器與加速度傳感器進(jìn)行測量；中科院智能機(jī)械研究所利用壓力傳感器設(shè)計(jì)出一款用于步態(tài)觸覺特征分析的系統(tǒng)。除科研單位實(shí)驗(yàn)室外，關(guān)于這一領(lǐng)域的應(yīng)用研究國內(nèi)企業(yè)比國外企業(yè)更加開放與活躍，深圳市創(chuàng)感科技有限公司在智能鞋墊的研究、研發(fā)與推廣應(yīng)用上作出了一定的成果，創(chuàng)感科技在鞋墊夾層內(nèi)置慣性傳感器，通過藍(lán)牙無線傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸分析等，2016年發(fā)布了步姿專家智能鞋墊；安徽華米科技與李寧研究實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合研發(fā)智能跑鞋，在鞋底內(nèi)置慣性傳感器，并于2015年發(fā)布2款智能跑鞋。

2.3 智能鞋墊在跑步應(yīng)用中存在的問題

在國內(nèi)外的研究中，采用壓力傳感器與慣性傳感器組合方案的不多，大部分都是采用慣性傳感器方案或者壓力傳感器方案，采集的數(shù)據(jù)不全面，精度也不夠；上文提到的創(chuàng)感科技、華米科技等都是采用慣性傳感方案，若要達(dá)到市場使用的目的，須開發(fā)其他壓力傳感器等配合使用，但是這樣的開發(fā)成本昂貴，只適合科研機(jī)構(gòu)、臨床研究、教學(xué)仿真等使用，不適合普通人群使用。

在國內(nèi)的技術(shù)研究領(lǐng)域，在鞋墊中內(nèi)置柔性壓力傳感器以及慣性傳感器，能夠更加全面采集數(shù)據(jù)，通過融合算法提高數(shù)據(jù)精確度；但在鞋墊的材料上要求很高，在實(shí)際重復(fù)使用過程中需保證內(nèi)置到鞋墊內(nèi)的柔性壓力傳感器性能不受影響等。

本文是在以上問題的基礎(chǔ)上提出了基于柔性壓力傳感器與六軸傳感器的智能鞋墊研究與在跑步中的應(yīng)用。

3 技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的基本原理

基于柔性壓力傳感器與六軸傳感器的智能鞋墊是在鞋墊夾層內(nèi)置柔性壓力傳感器以及六軸傳感器（加速度傳感器+陀螺儀傳感器）；在運(yùn)動(dòng)過程中，腳底壓力作用到鞋墊上，柔性壓力傳感器檢測到腳底的壓力分布與壓力變化數(shù)據(jù)、六軸傳感器檢測到的運(yùn)動(dòng)速度以及落地狀態(tài)（角度）等數(shù)據(jù)，通過信號(hào)處理轉(zhuǎn)換模塊后（由選通電路、放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路等組成）數(shù)據(jù)傳送到微處理器MCU，微處理器MCU處理分析所接收的數(shù)據(jù)，緩存后通過無線藍(lán)牙傳輸?shù)缴衔粰C(jī)軟件或者移動(dòng)端應(yīng)用APP進(jìn)行顯示。

柔性壓力傳感器分布在腳底前部及腳后跟底部，用來檢測壓力數(shù)據(jù)的分布及數(shù)據(jù)的變化，柔性材料通過一定的加工工藝內(nèi)置到鞋墊的夾層；加速度傳感器與陀螺儀傳感器集成到電路板上，結(jié)合人體工學(xué)通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)置到鞋墊足弓位置，以達(dá)到體驗(yàn)舒適度最佳。

4 智能鞋墊的功能實(shí)現(xiàn)及在跑步中的應(yīng)用

基于此技術(shù)研究的智能鞋墊是在傳統(tǒng)的鞋墊基礎(chǔ)上增加了一些新的功能，傳統(tǒng)的鞋墊一般分為功能鞋墊與普通鞋墊；功能鞋墊是根據(jù)人體工學(xué)及生物運(yùn)動(dòng)力學(xué)的原理從物理層面采用特殊材料設(shè)計(jì)研制的用于輔助矯正功能，普通鞋墊就是我們正常市場銷售的鞋墊。而智能鞋墊是在通過計(jì)算機(jī)信息技術(shù)、傳感器技術(shù)、傳輸技術(shù)等一系列先進(jìn)技術(shù)集成的能夠科學(xué)采集、定量分析跑步、行走過程中各項(xiàng)生理參數(shù)并為實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)改善、制定訓(xùn)練計(jì)劃、步態(tài)分析、運(yùn)動(dòng)損傷預(yù)防、疲勞警醒等提供科學(xué)的數(shù)據(jù)支撐；結(jié)合強(qiáng)大的自主學(xué)習(xí)算法以及云計(jì)算平臺(tái)，其能夠根據(jù)使用者的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行深度學(xué)習(xí)并提供更加科學(xué)的訓(xùn)練計(jì)劃等。

4.1 觸地時(shí)間、騰空時(shí)間統(tǒng)計(jì)與觸地騰空比分析

觸地時(shí)間指跑步時(shí)每一步腳掌落在地面上的時(shí)間（單位：ms）；騰空時(shí)間指跑步時(shí)腳掌同時(shí)在空中的時(shí)間（單位：ms）；觸地騰空比值指觸地時(shí)間除以騰空時(shí)間。智能鞋墊能夠自動(dòng)識(shí)別到跑步時(shí)狀態(tài)，即每一步是觸地或者騰空；并統(tǒng)計(jì)觸地時(shí)間與騰空時(shí)間，系統(tǒng)通過跑步訓(xùn)練過程的觸地騰空比分析運(yùn)動(dòng)人員的狀態(tài)以及制定訓(xùn)練計(jì)劃等。

當(dāng)觸地騰空比＞1，代表觸地時(shí)間高于騰空時(shí)間；當(dāng)觸地騰空比=1，代表觸地時(shí)間等于騰空時(shí)間；當(dāng)觸地騰空比＜1，代表觸地時(shí)間低于騰空時(shí)間；觸地騰空比越小，表示跑步過程中騰空落地轉(zhuǎn)換的時(shí)間越短，跑姿輕巧流暢，跑步效率越高。

4.2 步頻監(jiān)測統(tǒng)計(jì)、膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)負(fù)荷監(jiān)測分析在運(yùn)動(dòng)損傷預(yù)防上的應(yīng)用

步頻，即腳步的頻率，競走或跑步時(shí)兩腿在單位時(shí)間內(nèi)交替的次數(shù)。是決定走、跑速度的重要因素之一。通常用“步/s”表示。競走步頻可達(dá)3.5～3.7步/s；短跑步頻可達(dá)4.6～5.1步/s。

在跑步中，步頻越高會(huì)將人體重量分擔(dān)到更多的步伐中，使得每一步變得更加輕巧，腿部負(fù)擔(dān)變小，運(yùn)動(dòng)損傷發(fā)生的幾率越低；通過智能鞋墊監(jiān)測并統(tǒng)計(jì)平均步頻分析，并制定相對(duì)應(yīng)的訓(xùn)練計(jì)劃與訓(xùn)練方案來提高跑步的平均步頻以達(dá)到預(yù)防運(yùn)動(dòng)損傷或者把運(yùn)動(dòng)過程中的損傷降到最低的目的。

世界上短跑冠軍的步頻一般在4.3～4.8步/s；博爾特的步頻為4.3步/s（258步/min），蘇炳添的步頻4.8步/s（288步/min）；而馬拉松運(yùn)動(dòng)中，步頻一般在200步/min左右，馬拉松冠軍基普喬格步頻為185步/min，高橋尚子步頻為215步/min。

由此可見，不管是短跑冠軍還是馬拉松冠軍，他們的步幅和步頻都高于普通人很多，這就是差別所在，短短的幾毫米距離可能就成為了比賽成敗的關(guān)鍵。通過智能鞋墊實(shí)時(shí)監(jiān)測統(tǒng)計(jì)并分析步頻的變化，根據(jù)教練的專業(yè)知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)來制定科學(xué)提高步頻的訓(xùn)練計(jì)劃以達(dá)到提高跑步成績的目的，更加科學(xué)的訓(xùn)練能有效降低跑步中的運(yùn)動(dòng)損傷。

4.3 步態(tài)分析在跌倒危險(xiǎn)性、身體平衡測試及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中的作用

智能鞋墊內(nèi)置壓力傳感器能夠監(jiān)測到跑步過程中腳底壓力的大小以及變化并還原出腳底受力分布圖譜，同時(shí)進(jìn)行步態(tài)分析反映出當(dāng)前跑步受力狀態(tài)以及糾正方案。

在跑步訓(xùn)練中因個(gè)體差異，身體的平衡性也不盡相同；平衡性指的是平衡力與平衡性，在跑步中身體重心是前傾的，當(dāng)身體的重心超過可支撐的范圍，身體的調(diào)節(jié)機(jī)制就能夠通過快速邁出支撐腳來調(diào)節(jié)重心來保持平衡；左右腳不斷地交替輪換支撐動(dòng)作連續(xù)性，在這個(gè)過程中，身體必須保持平衡或者必須在平衡的范圍內(nèi)，否則，一方面會(huì)影響到跑步訓(xùn)練的效率與成績，另一方面會(huì)造成身體失衡帶來跌倒的危險(xiǎn)，造成運(yùn)動(dòng)損傷。

步態(tài)分析能夠反饋出兩腳受力分布，直觀地告知跑步者或者教練科學(xué)的壓力數(shù)據(jù)；教練通過專業(yè)知識(shí)及教訓(xùn)經(jīng)驗(yàn)給予科學(xué)的指導(dǎo)建議。同時(shí)，自主深度學(xué)習(xí)算法能夠根據(jù)訓(xùn)練數(shù)據(jù)分析不斷更新更加科學(xué)的、更加智能的訓(xùn)練計(jì)劃與方案。

5 結(jié)束語

基于柔性壓力傳感器與六軸傳感器的智能鞋墊研究及在跑步中的應(yīng)用，通過先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)以及深度學(xué)習(xí)算法采集跑步時(shí)各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)參數(shù)并進(jìn)行分析，為跑步人員、跑步訓(xùn)練指導(dǎo)者和教練提供科學(xué)的參考依據(jù)，進(jìn)而全面了解跑步運(yùn)動(dòng)員的狀態(tài)以便制定科學(xué)的訓(xùn)練計(jì)劃與方案；在提高跑步運(yùn)動(dòng)的成績與效率、運(yùn)動(dòng)損傷預(yù)防、步態(tài)分析等方面進(jìn)行研究與應(yīng)用。這個(gè)領(lǐng)域的研究成果在體驗(yàn)訓(xùn)練中有廣泛的應(yīng)用前景，特別是在跑步訓(xùn)練中，可作為跑步訓(xùn)練教練的輔助教學(xué)工具，更加科學(xué)地為教練制定各項(xiàng)培訓(xùn)計(jì)劃與方案提供有力的數(shù)據(jù)支撐。

隨著國內(nèi)大量創(chuàng)新型科技企業(yè)投入此領(lǐng)域的研究與研發(fā)，柔性壓力傳感器與六軸傳感器的發(fā)展更加快速，相關(guān)技術(shù)在體育運(yùn)動(dòng)上的應(yīng)用更加普及，有著廣泛的市場前景與應(yīng)用前景。但也存在需要解決的問題，例如柔性材料韌性及使用壽命問題、傳感器的精度問題和數(shù)據(jù)采集全面問題等。

運(yùn)動(dòng)損傷預(yù)防、步態(tài)分析與人工智能自主深度學(xué)習(xí)是體育運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域研究與應(yīng)用的方向；先進(jìn)技術(shù)與設(shè)備的輔助，能夠給體育運(yùn)動(dòng)員、教練員以及研究人員提供更加科學(xué)的參考依據(jù)。