奧運(yùn)冠軍使用的小型無線傳感器

在2004年雅典奧運(yùn)會(huì)和2011年大邱世界田徑錦標(biāo)賽上，室伏廣治摘得了鏈球項(xiàng)目的金牌。他旋轉(zhuǎn)身體投擲鏈球的動(dòng)作就像古希臘雕塑一樣優(yōu)美，就像進(jìn)入了藝術(shù)的世界。

他不僅是世界頂級(jí)運(yùn)動(dòng)員，還有另一個(gè)身份。那就是分析運(yùn)動(dòng)員動(dòng)作以提高技能和防止受傷的“運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)”研究者。他還有一項(xiàng)把自己當(dāng)成實(shí)驗(yàn)對(duì)象的研究。那就是訓(xùn)練方法的“聽覺反饋法”。目前他正與日本慶應(yīng)義塾大學(xué)研究生院的太田憲（政策與媒體研究科特聘副教授）的研發(fā)小組共同進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

聽覺反饋法顧名思義就是將運(yùn)動(dòng)員身體的運(yùn)動(dòng)情況通過外部的聲音實(shí)時(shí)反饋給運(yùn)動(dòng)員的方法。室伏等人所從事的鏈球投擲研究將投擲鏈球時(shí)身體旋轉(zhuǎn)的加速情況轉(zhuǎn)換成聲音。放在附近的揚(yáng)聲器隨著鏈球的旋轉(zhuǎn)，即身體旋轉(zhuǎn)的加速，發(fā)出“嘣……嘣……”的聲音。運(yùn)動(dòng)員可以在投擲過程中根據(jù)該聲音檢查加速是否到位等。

體育領(lǐng)域掀起電子革命

在該系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用的是安裝在鏈球線部分的小型運(yùn)動(dòng)傳感器。該傳感器能夠測(cè)量線方向的加速度和旋轉(zhuǎn)方向的角速度。傳感器的測(cè)量值無線傳輸給附近的控制器裝置，轉(zhuǎn)換成與測(cè)量值相應(yīng)的聲音，由揚(yáng)聲器傳播出去。

圖1：利用小型傳感器測(cè)量運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)

與室伏等人用于測(cè)量的小型傳感器為同款的小型傳感器和聽覺反饋用控制器裝置。均由日本LOGICAL PRODUCT公司開發(fā)。

現(xiàn)在，體育界掀起了可謂“電子革命”的變化。室伏的嘗試只不過是其中的一個(gè)例子。智能手機(jī)等便攜終端的快速普及已開始為過去一直蒙著神秘面紗的運(yùn)動(dòng)員身體動(dòng)作量化作出貢獻(xiàn)。

過去，檢測(cè)運(yùn)動(dòng)員動(dòng)作的實(shí)驗(yàn)大多采用昂貴的大型裝置。比如，在身體各部位佩帶反射光的標(biāo)記物以拍攝動(dòng)作的動(dòng)作捕捉裝置及采用內(nèi)置的應(yīng)變儀和壓電傳感器測(cè)量運(yùn)動(dòng)時(shí)施加在地板上的力的測(cè)力板。

現(xiàn)在，能測(cè)量加速度、角速度及位置等的帶有無線通信功能的小型運(yùn)動(dòng)傳感器在該領(lǐng)域即將全面普及。小型傳感器的優(yōu)點(diǎn)是只需戴在身上即可實(shí)時(shí)捕捉動(dòng)作。測(cè)量場(chǎng)所便可以由特殊的“實(shí)驗(yàn)室”改為進(jìn)行實(shí)際訓(xùn)練和比賽的“運(yùn)動(dòng)場(chǎng)”。日本慶應(yīng)義塾大學(xué)的太田憲指出：“隨著傳感器小型化、無線通信技術(shù)發(fā)展以及智能手機(jī)和平板終端的普及，越來越多的新訓(xùn)練方法得以實(shí)現(xiàn)。意義重大”。

與頂級(jí)運(yùn)動(dòng)員同步，普通體育愛好者之間也在推動(dòng)體育數(shù)字化。最近1年，美國(guó)耐克及德國(guó)阿迪達(dá)斯等知名體育用品廠家正致力于體育用品“數(shù)字化”。頂級(jí)運(yùn)動(dòng)員和體育愛好者正在共同催生“數(shù)字體育”新市場(chǎng)。

室伏等人在實(shí)驗(yàn)中所采用的運(yùn)動(dòng)傳感器的開發(fā)企業(yè)位于福岡市，是已成立18年的日本LOGICAL PRODUCT公司。該公司主要開發(fā)無線及傳感器相關(guān)技術(shù)。20多名員工大部分是技術(shù)人員。

一直開發(fā)橋梁監(jiān)視用傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的LOGICAL PRODUCT公司涉足體育領(lǐng)域源于一個(gè)偶然的機(jī)會(huì)。那是在2008年。正在尋找具有無線功能的運(yùn)動(dòng)傳感器的太田憲在展會(huì)上發(fā)現(xiàn)了該公司的無線模塊。該公司正好也在探索該模塊的用途，太田憲的一席話“人體運(yùn)動(dòng)測(cè)量領(lǐng)域有需求”正中該公司的下懷。

LOGICAL PRODUCT代表董事社長(zhǎng)辻卓則回憶說：“太田跟我說‘想要既便宜又耐摔的小型傳感器’。我當(dāng)時(shí)覺得很難實(shí)現(xiàn)”。“但又覺得挑戰(zhàn)新領(lǐng)域很有意思”（辻卓則）。

2009年底制成的首款小型傳感器外形尺寸為55mm×40mm×20mm。后來還開發(fā)出了體積大約減半至40mm×30mm×20mm的產(chǎn)品。是一款9軸運(yùn)動(dòng)傳感器，采用了2.4GHz自主協(xié)議的無線通信技術(shù)，并分別內(nèi)置了3軸的加速度傳感器、角速度傳感器及地磁傳感器。最新款配備了16bit的A-D轉(zhuǎn)換功能，能夠以1k采樣/秒的速度測(cè)量數(shù)據(jù)。

些許的過高配置也會(huì)帶來致命傷

無線通信之所以采用自主協(xié)議，是因?yàn)槿绻捎?ldquo;藍(lán)牙”等標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，通信方面的過高配置有可能給實(shí)時(shí)測(cè)量帶來障礙。要追蹤運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)，需要以毫秒單位測(cè)量控制。在數(shù)據(jù)處理及通信中出現(xiàn)過高配置時(shí)，測(cè)量結(jié)果的反饋時(shí)間就有可能出現(xiàn)偏差。

室伏等人研究的實(shí)時(shí)反饋用途有最終目標(biāo)。那就是建立在教練等測(cè)量者不在場(chǎng)的情況下運(yùn)動(dòng)員一個(gè)人也能夠訓(xùn)練的環(huán)境。因此，實(shí)時(shí)性極其重要。LOGICAL PRODUCT公司負(fù)責(zé)傳感器開發(fā)的無線傳感業(yè)務(wù)部部長(zhǎng)澤田泰輔表示：“測(cè)量開始和停止的時(shí)間等稍微差一點(diǎn)，運(yùn)動(dòng)員就會(huì)感到不舒服。為減少這種壓力，需要盡量減小通信處理需要占用的資源”。

LOGICAL PRODUCT公司的小型傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域現(xiàn)在已經(jīng)擴(kuò)展到鏈球項(xiàng)目以外。游泳、網(wǎng)球、棒球及足球等項(xiàng)目均已采用。產(chǎn)品品種也相應(yīng)的增加。高速型產(chǎn)品包括可測(cè)量的角速度最高為6000dps的產(chǎn)品和加速度最高為250G的產(chǎn)品。“能夠測(cè)量網(wǎng)球球拍、乒乓球球拍、棒球球棒的揮動(dòng)以及花樣滑冰跳落時(shí)的撞擊等”（澤田）。

可精密測(cè)量運(yùn)動(dòng)員身體動(dòng)作的傳感器技術(shù)，今后可能會(huì)作為技術(shù)開發(fā)的“火車頭”開拓出新的應(yīng)用領(lǐng)域。比如，日本九州尖端科學(xué)技術(shù)研究所（ISIT）正在與LOGICAL PRODUCT公司共同推進(jìn)研發(fā)可對(duì)人體姿勢(shì)進(jìn)行推測(cè)并實(shí)現(xiàn)可視化的技術(shù)。這是一項(xiàng)計(jì)劃用于康復(fù)和看護(hù)一線的研究。

這項(xiàng)技術(shù)組合使用LOGICAL PRODUCT公司的9軸運(yùn)動(dòng)傳感器以及采用美國(guó)微軟公司圖像距離傳感器的運(yùn)動(dòng)輸入傳感器“Kinect”。推斷出通過Kinect技術(shù)得到的身體骨架等位置，并使其運(yùn)動(dòng)與身上安裝的小型傳感器的測(cè)量結(jié)果同步。由此通過三維圖形使身體動(dòng)作實(shí)現(xiàn)可視化。實(shí)際的身體動(dòng)作實(shí)現(xiàn)可視化后，可以在視覺上反饋給康復(fù)者。據(jù)此進(jìn)行訓(xùn)練，思路跟體育訓(xùn)練相同。

此前也曾出現(xiàn)過采用相機(jī)為康復(fù)提供幫助的技術(shù)，不過存在需要解決的課題。當(dāng)進(jìn)入身體背面等死角時(shí)，相機(jī)就無法拍到身體動(dòng)作，而且曲臂等相機(jī)難以拍到的運(yùn)動(dòng)不在少數(shù)。距離圖像傳感器也存在此類問題，不過組合使用運(yùn)動(dòng)傳感器后，死角明顯減少。

負(fù)責(zé)研究工作的ISIT生活支援信息化技術(shù)研究室研究員吉永崇認(rèn)為，“將傳感器的測(cè)量結(jié)果與測(cè)量肌肉運(yùn)動(dòng)的肌電儀結(jié)果組合使用后，可視化效果會(huì)更高。隨著智能手機(jī)和平板電腦的普及，或許能以低成本建立起即使沒有分析專家，康復(fù)患者自己也可確認(rèn)結(jié)果的環(huán)境”。

全面開辟“新大陸”

LOGICAL PRODUCT公司的澤田指出：“類似康復(fù)這樣的緩慢動(dòng)作，要求相應(yīng)緩慢的測(cè)量精度”。他還表示，“在康復(fù)動(dòng)作中，體育領(lǐng)域的測(cè)量技術(shù)知識(shí)也可以發(fā)揮作用。因?yàn)槭翘幚砣梭w動(dòng)作這個(gè)物理現(xiàn)象，所以與測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)的溝通不可缺少。不斷地使體育領(lǐng)域的力學(xué)意義與傳感器的測(cè)量聯(lián)動(dòng)，有助于積累經(jīng)驗(yàn)技術(shù)”。

今后要將運(yùn)動(dòng)傳感器、無線通信技術(shù)和可視化技術(shù)應(yīng)用到極限，將其潛力全部發(fā)揮出來。將這些技術(shù)應(yīng)用于其他領(lǐng)域的許多啟示應(yīng)該都蘊(yùn)藏在體育領(lǐng)域中。當(dāng)然，處于運(yùn)動(dòng)生涯巔峰的頂級(jí)運(yùn)動(dòng)員從運(yùn)動(dòng)中獲得的知識(shí)也完全可以應(yīng)用于普通體育愛好者使用的消費(fèi)類電子服務(wù)中。

在數(shù)字體育領(lǐng)域，全球都在全面致力于開辟“新大陸”。這是一個(gè)前人尚未涉足的領(lǐng)域。率先進(jìn)行開拓并積累了經(jīng)驗(yàn)技術(shù)的先驅(qū)者將獲得很大的優(yōu)勢(shì)。大量的開拓者正在進(jìn)行這種開發(fā)競(jìng)爭(zhēng)。