一种运动数据处理方法、装置及存储介质

1.本公开涉及数据处理技术领域，尤其涉及一种运动数据处理方法、装置及存储介质。


背景技术：

2.运动生物力学是借助生物力学的理论，研究人体运动力学规律的一门科学，它融合了体育、运动力学、解剖学等多方面的知识。例如，高山速降滑雪作为一种重力驱动的高速运动，是典型的运动生物力学问题。在提升滑雪技巧的训练中，滑雪者和教练员必须面对力学问题的分析。运动生物力学方法的引入，将帮助我们从力学的角度剖析运动中的规律，为我国运动的腾飞注入新的科技力量。
3.相关技术中，对运动进行分析采用的动力学模型过于简化，运动捕捉不够精确，且没有考虑人体-运动工具的交互效果、运动工具-外界环境之间的力学作用，进而无法对运动过程中人体运动规律进行准确分析。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本公开提出了一种运动数据处理方法、装置、电子设备及存储介质。
5.根据本公开的一方面，提供了一种运动数据处理方法，所述方法包括：
6.获取可穿戴设备捕捉的运动数据，所述可穿戴设备配置有惯性式运动捕捉系统、定位系统及足底压力测量系统；
7.建立基于多体动力学的人体-运动工具交互耦合运动力学模型；所述人体-运动工具交互耦合运动力学模型包括：人体肌肉骨骼模型、运动工具-外界环境模型及空气阻力模型；其中，所述人体肌肉骨骼模型与所述运动工具通过运动约束相结合，所述运动工具-外界环境模型通过接触碰撞建模传导所述外界环境对于所述运动工具施加的力学响应，所述空气阻力模型用于计算空气对于所述人体肌肉骨骼模型的作用力；
8.根据所述人体-运动工具交互耦合运动力学模型对所述运动数据进行处理，得到仿真和/或复现结果；所述仿真和/或复现结果包括运动过程中不同时刻的人体肌肉骨骼受力、外界环境对人体的作用力；
9.对所述仿真和/或复现结果进行分析，以定量化评估运动水平、定量化分析技术动作及定量化评价人体-运动工具交互体验。
10.在一种可能的实现方式中，所述运动工具-外界环境模型包括：外界环境模型、运动工具模型、及运动工具与外界环境接触模型；其中，所述外界环境包括：地面或空气。
11.在一种可能的实现方式中，所述方法还包括：
12.在所述运动工具模型的两侧设定多个碰撞接触点；
13.构建法向碰撞力子模型，所述法向碰撞力子模型用于计算所述多个碰撞接触点中各碰撞接触点与所述外界环境模型之间的法向力；
14.构建摩擦力子模型，所述摩擦力子模型用于计算所述多个碰撞接触点中各碰撞接
触点与所述外界环境模型之间的摩擦力；
15.根据所述法向碰撞力子模型及所述摩擦力子模型，构建所述运动工具与外界环境接触模型。
16.在一种可能的实现方式中，所述方法还包括：
17.将所述人体肌肉骨骼模型划分为多个部位；
18.根据所述多个部位中各部位在冠状面内的投影面积，确定所述各部位对应的迎风面积；
19.根据所述各部位对应的迎风面积及空气阻力公式，构建所述空气阻力模型。
20.在一种可能的实现方式中，所述方法还包括：
21.采用变截面梁单元构建所述运动工具的有限元模型；所述运动工具包括：滑雪板、跑鞋或假肢；
22.根据所述运动工具的真实形貌，提取所述运动工具的几何参数；
23.根据所述几何参数、所述有限元模型中梁单元的数量及所述运动工具弹性模量，构建所述运动工具模型。
24.在一种可能的实现方式中，所述对所述仿真和/或复现结果进行分析，包括：
25.根据评价指标，对所述仿真和/或复现结果进行分析：所述评价指标包括定量化评估人体运动效能的动力学指标。
26.在一种可能的实现方式中，所述运动包括滑雪运动；所述评价指标包括：质心运动速度、质心运动轨迹、转弯半径、雪板扫雪面积、雪板夹角、过渡阶段占比、滑雪者前后平衡能力、滑雪者内侧与外侧的平衡能力、滑雪者过渡阶段技术的一个或多个。
27.在一种可能的实现方式中，所述运动数据包括：关节角度、质心运动轨迹、足底力分布数据中的一个或多个。
28.在一种可能的实现方式中，所述仿真和/或复现结果还包括：关节角度、足底力、关节力矩或肌肉激活度中的一个或多个。
29.根据本公开的另一方面，提供了一种运动数据处理装置，包括：
30.获取模块，用于获取可穿戴设备捕捉的运动数据，所述可穿戴设备配置有惯性式运动捕捉系统、定位系统及足底压力测量系统；
31.建模模块，用于建立基于多体动力学的人体-运动工具交互耦合运动力学模型；所述人体-运动工具交互耦合运动力学模型包括：人体肌肉骨骼模型、运动工具-外界环境模型及空气阻力模型；其中，所述人体肌肉骨骼模型与所述运动工具通过运动约束相结合，所述运动工具-外界环境模型通过接触碰撞建模传导所述外界环境对于所述运动工具施加的力学响应，所述空气阻力模型用于计算空气对于所述人体肌肉骨骼模型的作用力；
32.处理模块，用于根据所述人体-运动工具交互耦合运动力学模型对所述运动数据进行处理，得到仿真和/或复现结果；所述仿真和/或复现结果包括运动过程中不同时刻的人体肌肉骨骼受力、外界环境对人体的作用力；
33.分析模块，用于对所述仿真和/或复现结果进行分析，以定量化评估运动水平、定量化分析技术动作及定量化评价人体-运动工具交互体验。
34.在一种可能的实现方式中，所述运动工具-外界环境模型包括：外界环境模型、运动工具模型、及运动工具与外界环境接触模型；其中，所述外界环境包括：地面或空气。
35.在一种可能的实现方式中，所述建模模块还用于：在所述运动工具模型的两侧设定多个碰撞接触点；构建法向碰撞力子模型，所述法向碰撞力子模型用于计算所述多个碰撞接触点中各碰撞接触点与所述外界环境模型之间的法向力；构建摩擦力子模型，所述摩擦力子模型用于计算所述多个碰撞接触点中各碰撞接触点与所述外界环境模型之间的摩擦力；根据所述法向碰撞力子模型及所述摩擦力子模型，构建所述运动工具与外界环境接触模型。
36.在一种可能的实现方式中，所述建模模块还用于：将所述人体肌肉骨骼模型划分为多个部位；根据所述多个部位中各部位在冠状面内的投影面积，确定所述各部位对应的迎风面积；根据所述各部位对应的迎风面积及空气阻力公式，构建所述空气阻力模型。
37.在一种可能的实现方式中，所述建模模块还用于：采用变截面梁单元构建所述运动工具的有限元模型；所述运动工具包括：滑雪板、跑鞋或假肢；根据所述运动工具的真实形貌，提取所述运动工具的几何参数；根据所述几何参数、所述有限元模型中梁单元的数量及所述运动工具弹性模量，构建所述运动工具模型。
38.在一种可能的实现方式中，所述分析模块还用于：根据评价指标，对所述仿真和/或复现结果进行分析：所述评价指标包括定量化评估人体运动效能的动力学指标。
39.在一种可能的实现方式中，所述运动包括滑雪运动；所述评价指标包括：质心运动速度、质心运动轨迹、转弯半径、雪板扫雪面积、雪板夹角、过渡阶段占比、滑雪者前后平衡能力、滑雪者内侧与外侧的平衡能力、滑雪者过渡阶段技术的一个或多个。
40.在一种可能的实现方式中，所述运动数据包括：关节角度、质心运动轨迹、足底力分布数据中的一个或多个。
41.在一种可能的实现方式中，所述仿真和/或复现结果还包括：关节角度、足底力、关节力矩或肌肉激活度中的一个或多个。
42.根据本公开的另一方面，提供了一种电子设备，包括：处理器；用于存储处理器可执行指令的存储器；其中，所述处理器被配置为在执行所述存储器存储的指令时，实现上述方法。
43.根据本公开的另一方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，其中，所述计算机程序指令被处理器执行时实现上述方法。
44.根据本公开的另一方面，提供了一种计算机程序产品，包括计算机可读代码，或者承载有计算机可读代码的非易失性计算机可读存储介质，当所述计算机可读代码在电子设备的处理器中运行时，所述电子设备中的处理器执行上述方法。
45.通过本公开，集成惯性式运动捕捉系统、定位系统及足底压力测量系统，完整、同步地捕捉运动员的运动数据(例如运动轨迹、足底力分布和关节角度)；通过耦合运动工具-外界环境模型、空气阻力模型及人体肌肉骨骼模型建立基于多体动力学的人体-运动工具交互耦合运动力学模型，该人体-运动工具交互耦合运动力学模型并非是三个子模型(即运动工具-外界环境模型、空气阻力模型及人体肌肉骨骼模型)的简单叠加，而是通过运动约束将人体肌肉骨骼模型与运动工具相结合，通过接触碰撞建模传导外界环境对于运动工具施加的力学响应，通过空气阻力模型计算出空气对于人体的作用力，从而实现三个子模型的耦合仿真计算；这样，综合考虑人体姿态和运动工具、外界环境的相互作用，可以真实地反映运动情况，从而可以对运动的力学过程，如：质心运动、肢体运动、关节力矩、肌肉力、地
面摩擦、风阻等在任意时刻的特点进行全信息的仿真和展示；例如，该模型可以仿真/复现得到运动中每一时刻的人体肌肉骨骼受力、外界环境对人体的作用力等全方位的力学仿真和/或复现结果(全息力学仿真和/或复现结果)，实现准确地动力学仿真；进而对这些仿真和/或复现结果进行分析，以定量化评估运动水平、定量化分析技术动作及定量化评价人体-运动工具交互体验，从而实现客观、科学的人体运动效能测评。
46.根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本公开的其它特征及方面将变得清楚。
附图说明
47.包含在说明书中并且构成说明书的一部分的附图与说明书一起示出了本公开的示例性实施例、特征和方面，并且用于解释本公开的原理。
48.图1示出了根据本公开一实施例的一种可穿戴式运动力学捕捉设备10的结构图。
49.图2示出了根据本公开一实施例的一种惯性式运动捕捉系统101中测量节点的分布示意图。
50.图3示出根据本公开一实施例的右脚足底压力鞋垫中传感器分布示意图。
51.图4示出了根据本公开一实施例的一种可穿戴式运动力学捕捉设备10的示意图。
52.图5示出根据本公开一实施例的一种运动数据处理方法的流程图。
53.图6示出根据本公开一实施例的一种人体-滑雪板交互耦合运动力学模型的示意图。
54.图7(a)-(c)示出根据本公开一实施例的一种仿真和/或复现结果与实测数据对比的示意图。
55.图8示出根据本公开一实施例的一个周期滑雪转弯仿真的示意图。
56.图9示出根据本公开一实施例构建的雪地模型的示意图。
57.图10示出根据本公开一实施例的一种运动工具模型的建模的流程图。
58.图11示出了根据本公开一实施例拟合的滑雪板模型的正面轮廓线的示意图。
59.图12示出了根据本公开一实施例拟合的滑雪板模型的厚度分布曲线图。
60.图13示出了根据本公开一实施例拟合的滑雪板模型的梁单元节点的示意图。
61.图14(a)-(b)示出根据本公开一实施例的一种三点弯实验的示意图。
62.图15示出根据本公开一实施例的一种雪板振动测试实验设备的示意图。
63.图16示出根据本公开一实施例的一种运动工具与外界环境接触模型的建模的流程图。
64.图17示出了根据本公开一实施例构建的单个滑雪板上的碰撞接触点的示意图。
65.图18示出根据本公开一实施例的一种空气阻力模型的建模的流程图。
66.图19示出了根据本公开一实施例的人体部位划分的示意图。
67.图20示出根据本公开一实施例的一种运动数据处理装置的结构图。
68.图21示出根据本公开一实施的一种电子设备1900的框图。
具体实施方式
69.以下将参考附图详细说明本公开的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同
的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
70.在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。
71.另外，为了更好的说明本公开，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本公开同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本公开的主旨。
72.相关技术中，滑雪研究的特点是从实测数据出发，建立力学模型进行分析。存在以下三方面的问题：1)滑雪力学模型效果不佳：例如建立了二维的滑雪模型，即将滑雪视为仅在矢状面上的运动，而滑雪转弯过程中，滑雪者在冠状面内的姿态至关重要，二维的滑雪力学模型则忽略了这些关键信息；再例如，将人体简化为质点、单刚体，或者仅仅几个刚体，忽视了滑雪者在运动过程中肢体的复杂动作从而无法描述滑雪中肢体大动作的驱动特征；目前大部分仿真将人体的运动与运动工具的力学特征割裂开来，而滑雪本身的技术动作实施离不开滑雪器材的辅助，因此没有将人体姿态和雪板、雪面相互作用综合考虑的模型无法真实地反映滑雪过程。2)运动的捕捉不够准确：基于滑雪者实际动作的研究多数都是利用光学式运动捕捉系统在室外环境进行的；而在雪场环境下，光学标记点的反光效果下降，且飞溅的雪花会遮挡视线，导致动作捕获精度下降；摄像机只能捕获滑雪过程中的一两个转弯动作，而不能完整捕捉全部的运动。此外，对于在室内的滑雪机或滑雪模拟器上进行的运动捕获，根据不同水平的滑雪者和教练员的反馈，真实雪场的环境是室内模拟不能代替的。3)对于运动的研究和评价指标比较单一：且多着眼于运动学参数(关节角度、雪板立刃角度等等)；例如，在已有的评价高山滑雪的技术指标中，大部分依赖于教练的主观判断，无法得到客观、定量化的数据。在定量化评价方法中，大部分研究只涉及关节角度等运动学指标，而没有对于关节力矩、肌肉激活度、滑行中雪板所受摩擦力等动力学参数的研究。
73.为了解决上述技术问题，本公开实施例提供了一种运动数据处理的技术方案(详细描述参见下文)。
74.下面首先对本公开实施例可能适用的应用场景进行示例性说明。
75.图1示出了根据本公开一实施例的一种可穿戴式运动力学捕捉设备10的结构图，如图1所示，该可穿戴式运动力学捕捉设备10配置有惯性式运动捕捉系统101、定位系统102、足底压力测量系统103。
76.示例性地，惯性式运动捕捉系统101可以由多个测量节点组成；举例来说，图2示出了根据本公开一实施例的一种惯性式运动捕捉系统101中测量节点的分布示意图，如图2所示，可以在人体设置17个测量节点，分别位于头、左肩、右肩、背部、左上臂、右上臂、左小臂、右小臂、左手、右手、腰部、左大腿、右大腿、左小腿、右小腿、左脚和右脚；每个测量节点可以配置一个由加速度计、陀螺仪和磁力计组成的惯性测量单元(inertial measurement unit，imu)传感器；在测量节点上定义x、y、z三个方向坐标轴，加速度计能够检测测量节点处沿三轴的加速度大小和方向；陀螺仪通过测量空间坐标系内陀螺仪转子的垂直轴与固定方向之间的夹角，从而计算角速度；磁力计根据地磁信息，可测量出测量节点与东西南北四个方向的夹角；通过对上述计算得到的夹角、角速度和加速度的数据融合，imu传感器最终可以输出所在测量节点的三轴姿态角度(即人体运动姿态)以及位移。
77.惯性式运动捕捉系统101便于穿戴、成本较低、测试环境不受限制，对于大动作的捕捉其精度和可用性的综合效果可以很好地满足要求；可以有效应用于滑雪、网球、足球、游泳、跑步、竞走、曲棍球和冰球等多种体育运动场景；通过惯性式运动捕捉系统101可以捕捉运动员(如滑雪运动员)全身或者身体某些部位的运动学数据。示例性地，惯性式运动捕捉系统101可以包括配置有多个imu传感器的运动紧身内衣、紧身裤等运动服饰；其中，imu传感器可以固定安装在上述运动服饰上，例如，imu传感器可以通过自粘绑带固定在运动服饰上；从而避免在运动员运动的过程中由于imu传感器滑动所带来的对捕捉运动数据的影响。
78.示例性地，定位系统102可以包括高精度全球定位系统(global positioning system，gps)、北斗卫星导航系统(beidou navigation satellite system，bds)或格洛纳斯(global navigation satellite system，glonass)等。在运动员运动的过程中，采用定位系统102同步采集运动员的人体质心运动轨迹，与上述惯性式运动捕捉系统101测量的人体运动姿态相结合，得到人体完整的运动数据。举例来说，定位系统102可以为高精度实时动态载波相位差分技术(real-time kinematic，rtk)组合导航整机。
79.示例性地，足底压力测量系统103可以为足底压力测量鞋垫，该足底压力鞋垫具有质量轻(可忽略不计)、穿戴方便、鲁棒性高等优势，将该足底压力鞋垫安装在运动员的鞋子内，在运动员运动过程中，可以测量运动员足底的压力。举例来说，图3示出根据本公开一实施例的右脚足底压力鞋垫中传感器分布示意图；如图3所示，足底压力鞋垫上分布有16个压力传感器，可以测量对应区域的法向力，左脚足底压力鞋垫(图中未示出)中传感器的分布情况与右脚足底压力鞋垫中传感器分布对称。
80.作为一个示例，该可穿戴式运动力学捕捉设备10还可以配置有数据采集系统104，该数据采集系统104具有接收上述惯性式运动捕捉系统101、定位系统102、足底压力测量系统103采集的数据，以及对数据进行处理的能力。例如，数据采集系统104可以为便携式平板电脑(还可以配置一个可放置平板电脑的背包)、手机等。作为另一个示例，惯性式运动捕捉系统101、定位系统102、足底压力测量系统103均可以配置为具有数据采集及数据处理的能力。
81.举例来说，以滑雪运动为例，图4示出了根据本公开一实施例的一种可穿戴式滑雪运动力学捕捉设备10的示意图，如图4所示，运动员为滑雪运动员，该滑雪运动员穿戴的滑雪服上配置有经过磁校准的imu传感器及高精度全球定位系统，该滑雪运动员所穿着的滑雪鞋内平整安装有合适尺寸的足底压力测量鞋垫，该滑雪运动员身背放置有平板电脑(还可以连接有数据接收器)的背包，该平板电脑的时间与卫星时间同步；笔记本电脑、数据接收器等不适合低温环境的设备还可以粘贴一次性加热模块；这样，在该滑雪运动员进行滑雪运动的过程中，可穿戴式滑雪运动力学捕捉设备10可以同步捕捉该滑雪运动员的运动数据。
82.图5示出根据本公开一实施例的一种运动数据处理方法的流程图。该方法可以由处理器、服务器等具有数据处理能力的设备执行，如图5所示，该方法可以包括以下步骤：
83.步骤501、获取可穿戴设备捕捉的运动数据，所述可穿戴设备配置有惯性式运动捕捉系统、定位系统及足底压力测量系统。
84.示例性地，可穿戴设备还可以配置有数据采集系统。例如，可穿戴设备可以为上述
图1或图4所示的可穿戴式运动力学捕捉设备10；利用该可穿戴式运动力学捕捉系统10，可以实现捕捉运动员进行运动过程中的运动数据。
85.示例性地，运动数据可以包括运动员(或称受试者)运动过程中的运动学数据及力学数据。例如，可以包括：全身关节角度、质心运动轨迹、足底力(足底压力)分布数据中的一个或多个；作为一个示例，在运动员运动的过程中，可以通过惯性式运动捕捉系统捕捉运动员的全身关节角度、通过定位系统捕捉运动员的质心运动轨迹、通过足底压力测量系统捕捉运动员的足底力分布数据。
86.该步骤中，可以获取佩戴有可穿戴设备的运动员，在运动过程中的运动数据。举例来说，在运动员进行运动的过程中，可以利用配置有17个测量节点的惯性式运动捕捉系统采集该运动员全身各关节的运动角度数据，同时使用全球定位系统获得该运动员的人体三维运动轨迹，并采用分布有16个压力传感器的足底压力测量鞋垫测量该运动员足底力的分布数据(包括左右脚的足底力)。以滑雪运动为例，运动员可以利用上述图2所示的惯性式运动捕捉系统101采集该运动员全身各关节的运动角度数据，该运动员穿着的滑雪板上安装有如上述图3所示的足底压力鞋垫，在运动员滑雪的过程中，可以测量该运动员足底力的分布数据。
87.在一种可能的实现方式中，在可穿戴设备捕捉运动数据之前，可以对可穿戴设备进行校准；例如，可以对惯性式运动捕捉系统进行校准，以惯性式运动捕捉系统配置有多个imu传感器为例，在捕捉运动数据前可以进行欧拉角零点校准，如可以在运动员佩戴该可穿戴设备的情况下，保持“t”型姿态的情况下，即双臂侧平举与地面平行、手心向下、双腿并拢脚尖平行向前，保持3秒钟。
88.在一种可能的实现方式中，可以对可穿戴设备中不同设备之间进行时间同步，从而保证各设备之间采集的数据保持时间同步。作为一个示例，可以在运动员佩戴该可穿戴设备的情况下，运动员保持直立姿态，并小幅度抬起右脚3秒钟之后放下，紧接着抬起左脚3秒钟之后放下，从而实现惯性式运动捕捉系统与足底压力测量系统的时间同步；通过卫星为数据采集系统授时(即：数据采集系统与定位系统实现时间同步)，分别在数据采集开始和结束时，截取数据采集系统的时间实现惯性式运动捕捉系统和定位系统的时间同步。
89.步骤502、建立基于多体动力学的人体-运动工具交互耦合运动力学模型。
90.其中，所述人体-运动工具交互耦合运动力学模型包括：人体肌肉骨骼模型、运动工具-外界环境模型及空气阻力模型；其中，所述人体肌肉骨骼模型与所述运动工具通过运动约束相结合，所述运动工具-外界环境模型通过接触碰撞建模传导所述外界环境对于所述运动工具施加的力学响应，所述空气阻力模型用于计算空气对于所述人体肌肉骨骼模型的作用力。该人体-运动工具交互耦合运动力学模型并非是三个子模型(即运动工具-外界环境模型、空气阻力模型及人体肌肉骨骼模型)的简单叠加，而是通过运动约束将人体肌肉骨骼模型与运动工具相结合，通过接触碰撞建模传导外界环境对于运动工具施加的力学响应，通过空气阻力模型计算出空气对于人体的作用力，从而实现三个子模型的耦合仿真计算；这样，综合考虑人体姿态和运动工具、外界环境的相互作用，可以真实地反映运动情况，从而可以对运动的力学过程，如：质心运动、肢体运动、关节力矩、肌肉力、地面摩擦、风阻等在任意时刻的特点进行全信息的仿真和展示。
91.以运动为滑雪运动为例，人体-滑雪板交互耦合运动力学模型可以包括：人体肌肉
骨骼模型、滑雪板-雪地模型及空气阻力模型。
92.示例性地，所述运动工具-外界环境模型包括：外界环境模型、运动工具模型、及运动工具与外界环境接触模型。运动工具可以指运动员运动的过程中所穿戴的与外界环境发生接触的工具，例如，滑雪板、滑冰鞋、滑板、跑鞋、假肢等等。外界环境可以包括地面或空气等运动工具所接触的环境。以运动为滑雪运动为例，滑雪的运动力学过程一方面取决于人体的姿态，另一方面取决于人体受到的外力，包括滑雪板与地面之间的作用力和空气阻力，滑雪板是滑雪过程中地面与人体之间作用力的传递媒介；滑雪运动的本质为运动员通过合理地操控雪板，从而控制滑雪运动轨迹的过程，因此，通过滑雪板-雪地模型能够更好地理解滑雪过程中地面作用力的传递机制。
93.步骤503、根据所述人体-运动工具交互耦合运动力学模型对所述运动数据进行处理，得到仿真和/或复现结果；
94.其中，所述仿真和/或复现结果包括运动过程中不同时刻的人体肌肉骨骼受力、外界环境对人体的作用力等全方位的力学仿真和/或复现结果(全息力学仿真和/或复现结果)。
95.示例性地，仿真和/或复现结果可以包括：关节角度、足底力、关节力矩或肌肉激活度中的一个或多个。例如，仿真和/或复现结果可以包括关节力矩、肌肉激活度等生物力学参数。
96.考虑到采用单一模型或者部分模型的仿真方式无法准确地进行仿真，例如，单一采用人体肌肉骨骼模型无法得到足底与外界环境之间的反力，再例如，单一采用滑雪板模型，无法得到人体的姿态等等，该步骤中，将上述获取的运动数据导入人体-运动工具交互耦合运动力学模型，由于人体-运动工具交互耦合运动力学模型耦合运动工具-外界环境模型、空气阻力模型及人体肌肉骨骼模型，综合考虑了人体姿态和运动工具、外界环境的相互作用，人体-运动工具交互耦合运动力学模型可以自主与外界环境发生接触并产生外界环境作用力，真实地反映运动情况，这样，通过人体-运动工具交互耦合运动力学模型进行多体动力学仿真计算，实现准确地动力学仿真；举例来说，可以将滑雪运动过程中采集的运动数据导入人体-滑雪板交互耦合运动力学模型，人体-滑雪板交互耦合运动力学模型与雪地发生接触并产生地面作用力，进而实现转弯运动等，从而完成对滑雪转弯运动的仿真。
97.作为一个示例，以运动为滑雪运动为例，图6示出根据本公开一实施例的一种人体-滑雪板交互耦合运动力学模型的示意图，如图6所示，人体-滑雪板交互耦合运动力学模型可以包括：人体肌肉骨骼模型(即图6中
①
)、滑雪板模型(即图6中
②
)、滑雪板与雪地接触模型(即图6中
③
)及空气阻力模型(即图6中
④
)；可以将将上述步骤501所获取的运动数据作为输入，得到仿真和/或复现结果(如关节力矩、肌肉激活度)；这样，耦合了滑雪板模型、滑雪板与雪地接触模型、空气阻力模型及人体肌肉骨骼模型，可以对高山滑雪运动的力学过程，如：质心运动、肢体运动、关节转矩、肌肉力、地面摩擦、风阻在任意时刻的特点进行全信息的模拟和展示；人体-滑雪板交互耦合运动力学模型中增加了滑雪板模型、滑雪板与雪地接触模型以及空气阻力模型，通过耦合滑雪板模型、滑雪板与雪地接触模型以及空气阻力模型，综合考虑人体姿态和雪板、雪面相互作用，能够更好地反映真实的滑雪工况，有效解决了滑雪运动的力学解算问题，实现准确地动力学仿真。
98.考虑到在高山滑雪运动中，滑雪转弯是滑雪运动的一项重要技术，示例性地，针对
滑雪转弯仿真，可以将获取的上述实测部分关节的滑雪运动数据(包括骨盆旋转、躯干、上肢和下肢的运动数据)以及质点运动轨迹(即雪地平面内的骨盆位移)代入人体-滑雪板交互耦合运动力学模型，仿真出滑雪运动员在滑雪转弯时的生物力学特征，包括足底力、关节力矩和肌肉激活度等。
99.示例性地，可以预先建立运动力学仿真平台，该运动力学仿真平台可以包括人体-运动工具交互耦合运动力学模型以及多体动力学求解器。利用该平台仿真对上述运动数据进行处理，得到仿真和/或复现结果。例如，可以将通过惯性式运动捕捉系统捕捉的运动员的全身关节角度输入到人体-运动工具交互耦合运动力学模型中，借助多体动力学求解器，仿真出运动员与雪面的作用形式，从而得到运动员的运动轨迹。再例如，利用多体动力学求解器和“正向肌肉-逆向骨骼”肌肉力优化算法(forward-muscular inverse-skeletal dynamics framework；fmis)，仿真计算出滑雪者的关节力矩和肌肉激活度，即肌肉骨骼系统的内力。
100.在一种可能的实现方式中，人体-运动工具交互耦合运动力学模型为经过可靠性验证的模型。以人体-滑雪板交互耦合运动力学模型为例，图7(a)-(c)示出根据本公开一实施例的一种仿真和/或复现结果(simulation)与实测数据(experiment)对比的示意图，可以预先将实测运动学数据(包括骨盆旋转、躯干、上肢和下肢的运动学数据)导入人体-滑雪板交互耦合运动力学模型，以初速度为0开始仿真总时长(time)为35秒的运动，图8示出根据本公开一实施例的一个周期滑雪转弯仿真的示意图，即上述图7所示的仿真出的35秒的运动中截取的一个滑雪s型转弯周期。如图7(a)所示为仿真的运动轨迹与实测的运动轨迹的对比；如图7(b)所示为仿真的转弯半径与实测的转弯半径的对比，表1为仿真的转弯半径与实测的转弯半径的t-检验表；如图7(c)所示为仿真的足底力比值与实测的足底力比值的对比；通过图7(a)-(c)及表1，进行运动轨迹、转弯半径以及足底力与实际测量值的对比，其中，将仿真的数据和实测的滑雪者质心运动轨迹、足底力比值进行对比，二者的相关系数均达到0.94以上，从而验证了人体-运动工具交互耦合运动力学模型仿真和/或复现结果的正确性及人体-运动工具交互耦合运动力学模型的可靠性。
101.表1仿真的转弯半径与实测的转弯半径t-检验
[0102][0103]
步骤504、对所述仿真和/或复现结果进行分析，以定量化评估运动水平、定量化分析技术动作及定量化评价人体-运动工具交互体验。
[0104]
示例性地，可以根据评价指标，对所述仿真和/或复现结果进行分析；所述评价指标包括定量化评估人体运动效能的动力学指标。例如，可以利用上述仿真和/或复现结果，根据评价指标，并结合统计学分析方法，挖掘运动的规律与特征。这样，采用多体动力学的定量指标进行定量化评估，从而区别于教练员目测或者运动员主观感受等评估方式，进行
定量化评估运动水平、定量化分析技术动作及定量化评价人体-运动工具交互体验，实现客观、科学、定量化的评估运动。
[0105]
其中，所述动力学指标由基于传感器实验测量的多体动力学模型仿真/复现计算得到。示例性地，可以根据仿真和/或复现结果提取适用于不同运动的动力学指标，例如，可以将关节角度、足底力、关节力矩或肌肉激活度作为多体动力学的定量指标。可以理解的是，针对不同的运动类型，可以通过动力学仿真得到对应的仿真和/或复现结果，进而针对该运动类型采用相应的动力学指标定量化评估运动。这样，通过丰富的动力学指标，对不同类型运动过程中人体运动规律进行准确分析，满足对不同类型运动的评估分析需求。
[0106]
以运动为滑雪运动为例，所述评价指标可以包括：质心运动速度、质心运动轨迹、转弯半径、雪板扫雪面积、雪板夹角、过渡阶段占比、滑雪者前后平衡能力、滑雪者内侧与外侧的平衡能力、滑雪者过渡阶段技术的一个或多个。其中，过渡阶段是滑雪过程中，上一个转弯的完成阶段到下一个转弯的启动阶段的过渡的阶段。
[0107]
示例性地，可以对上述评价指标的合理性进行判断，例如，可以以一位滑雪教练和一位滑雪初学者的数据验证评价指标的合理性。
[0108]
该步骤中，利用上述仿真出的滑雪过程的关节力矩、肌肉激活度等力学参数，挖掘不同水平滑雪者的技术差异的深层原因，深度理解滑雪动力学，为科学的滑雪训练计划提供技术依据。
[0109]
示例性地，可以利用上述仿真和/或复现结果，结合统计学分析方法，挖掘滑雪运动的规律与特征。
[0110]
在一些场景中，可以依据质心运动轨迹划分滑雪过程中的转弯阶段，进而可以描述一些评价指标(如滑雪者前后平衡能力、滑雪者内侧与外侧的平衡能力、滑雪者过渡阶段技术)。例如，滑雪者前后平衡能力：用滑雪者的躯干前倾角度、髋关节屈曲角度和膝关节屈曲角度随时间变化的曲线，来描述前后平衡。将躯干前倾角度的周期平均值、内侧髋关节屈曲角度的控制阶段平均值、内侧膝关节屈曲角度的控制阶段平均值作为定量化评价指标，以滑雪教练的数据作为标准值，将其他滑雪者的数据与之比较，评价滑雪技术水平；用滑雪者的髋关节伸展力矩随时间变化的曲线，来解释前后平衡的力学原因；其中的评价指标是左右侧力矩曲线交点的位置，应位于过渡阶段或启动阶段；另一指标是置信区间的大小，置信区间越小越好。再例如，滑雪者内侧与外侧的平衡能力：用滑雪者足底力比值的控制阶段平均值作为内外侧平衡的评价指标；理想值是外侧腿受力为63％左右。再例如，滑雪者过渡阶段技术：用滑雪者的躯干旋转角度随时间变化曲线定量化描述该技术，以过渡阶段躯干旋转角度变化量作为评价指标，该指标越小，说明转弯技术越好；用臀中肌和大收肌的肌肉激活度随时间变化曲线来解释过渡阶段技术的力学原因；其中，臀中肌的激活度解释了髋关节外展的发力，转弯过程中左右侧臀中肌激活度相近是正常状态；大收肌的激活度解释了髋关节内收的发力，转弯过程中左右侧大收肌激活度都接近0是正常状态。这样，基于人体肌骨系统的生物力学参数，参照上述评价指标对滑雪转弯过程中的技术动作要领进行分析，从姿态调整和发力方式的角度理解滑雪教练与初学者之间转弯技术的差异。
[0111]
在另一些场景中，对比滑雪教练与初学者之间的转弯差异(包括质心运动速度、质心运动轨迹、转弯半径和过渡阶段占比)，结合上述仿真和/或复现结果，分析滑雪者的生物力学参数(包括关节角度、足底力、关节力矩和肌肉激活度)，发觉初学者转弯动作要领的不
准确是由于姿态和发力方式的错误导致的，为初学者提升滑雪技能提供了科学指导。
[0112]
本公开实施例中，集成惯性式运动捕捉系统、定位系统及足底压力测量系统，完整、同步地捕捉运动员的运动数据(例如运动轨迹、足底力分布和关节角度)；通过耦合运动工具-外界环境模型、空气阻力模型及人体肌肉骨骼模型建立基于多体动力学的人体-运动工具交互耦合运动力学模型，该人体-运动工具交互耦合运动力学模型并非是三个子模型(即运动工具-外界环境模型、空气阻力模型及人体肌肉骨骼模型)的简单叠加，而是通过运动约束将人体肌肉骨骼模型与运动工具相结合，通过接触碰撞建模传导外界环境对于运动工具施加的力学响应，通过空气阻力模型计算出空气对于人体的作用力，从而实现三个子模型的耦合仿真计算；这样，综合考虑人体姿态和运动工具、外界环境的相互作用，可以真实地反映运动情况，从而可以对运动的力学过程，如：质心运动、肢体运动、关节力矩、肌肉力、地面摩擦、风阻等在任意时刻的特点进行全信息的仿真和展示；例如，该模型可以仿真/复现得到运动中每一时刻的人体肌肉骨骼受力、外界环境对人体的作用力等全方位的力学仿真和/或复现结果(全息力学仿真和/或复现结果)，实现准确地动力学仿真；进而对这些仿真和/或复现结果进行分析，以定量化评估运动水平、定量化分析技术动作及定量化评价人体-运动工具交互体验，从而实现客观、科学的人体运动效能测评。
[0113]
进一步地，对构建上述人体-运动工具交互耦合运动力学模型的过程进行详细说明。
[0114]
作为一个示例，下面对人体肌肉骨骼模型的建模过程进行示例性地说明。
[0115]
示例性地，人体肌肉骨骼模型可以包括人体骨骼模型和肌肉模型。例如，人体骨骼模型可以为多刚体人体骨骼模型，肌肉模型可以为基于hill的肌肉模型。
[0116]
示例性地，多刚体人体骨骼模型可以为21刚体(包含躯干、右肱骨、左肱骨、右尺骨、左尺骨、右桡骨、左桡骨、右手、左手、第一腰椎、第二腰椎、第三腰椎、第四腰椎、第五腰椎、骨盆、右大腿、左大腿、右小腿、左小腿、右脚和左脚)46个自由度的人体模型，可以使用上述获取的运动数据来驱动人体骨骼模型的运动，得到仿真和/或复现结果。
[0117]
肌肉(muscle)作为驱动肌骨系统运动的动力来源，具有非常独特的力学性质；肌肉根据结构和功能的不同，可以分为平滑肌、心肌和骨骼肌。驱动肌骨系统运动的肌肉为骨骼肌，每块骨骼肌包含肌腹和肌腱两部分，通常是借助肌腱附着于两块或两块以上的骨，中间跨过一个或多个关节。示例性地，根据骨骼肌的解剖学组成以及产生肌肉力的原理，可以建立下肢两侧共68条肌肉的hill肌肉模型。
[0118]
这样，根据构建的多刚体人体骨骼模型和基于hill的肌肉模型，完成人体肌肉骨骼模型的构建。
[0119]
作为另一个示例，下面以滑雪运动为例，对运动工具-外界环境模型中的外界环境模型的建模过程进行示例性地说明。
[0120]
示例性地，可以首先根据上述获取的实测的运动数据，给出雪面的梯度方向，建立出原始雪面模型；然后根据左右雪板的空间位置，沿垂直于雪面的方向上下移动右侧雪面和左侧雪面，使得每一时刻两个雪面都与对应侧的雪板相贴合。在设置模拟初始值时令雪面与雪板的侵入深度值为零，具体的侵入深度可以根据人体的运动学参数和人体重量等数据计算得到，从而符合实际滑雪的物理过程。这样，利用惯性捕捉系统测量到的运动学数据，计算出每一时刻滑雪板的空间坐标，在给定雪道坡度的基础上通过地面上下运动的方
式，将雪地在空间内凹凸不平的几何形貌压缩到时间维度，从而复现出实际雪地的几何特征，得到雪地模型；例如，图9示出根据本公开一实施例构建的雪地模型的示意图。
[0121]
作为另一个示例，下面对运动工具-外界环境模型中的运动工具模型的建模过程进行说明。
[0122]
图10示出根据本公开一实施例的一种运动工具模型的建模的流程图，如图10所示，包括以下步骤：
[0123]
步骤1001、采用变截面梁单元构建运动工具的有限元模型。
[0124]
考虑到梁单元可以很好的表征运动工具的力学特征，该步骤中采用变截面梁单元构建运动工具的有限元模型。
[0125]
步骤1002、根据运动工具的真实形貌，提取运动工具的几何参数。
[0126]
以滑雪运动为例，滑雪板的主要几何参数包括：尾部宽度(tail width)、腰部宽度(waist width)、头部宽度(shovel width)、腰线曲率半径(sidecut radius)、总长度(chord length)、接触长度(contact length)以及最大拱高(camber)等。
[0127]
示例性地，针对某一运动工具，可以拍摄该运动工具形貌，进而提取所述运动工具的几何参数。例如，可以提取滑雪板的正面轮廓线上多个点的位置、滑雪板沿长轴方向的厚度分布情况、体积等等。
[0128]
步骤1003、根据所述几何参数、所述有限元模型中梁单元的数量及运动工具弹性模量，构建所述运动工具模型。
[0129]
示例性地，以运动工具为滑雪板为例，对于滑雪板模型的正面轮廓线，使用3段分段函数表示：尾部用一次函数来描述，中间部分用二次函数近似，头部也是用二次函数描述；具体的函数表达式如下：
[0130][0131]
其中，x表示与滑雪板轮廓线各点的横坐标，z(x)表示滑雪板轮廓线各点的竖坐标。图11示出了根据本公开一实施例拟合的滑雪板模型的正面轮廓线的示意图；经与实测数据验证，曲线拟合度r2＞0.95。
[0132]
示例性地，对于滑雪板模型沿长轴方向的厚度分布，用五次多项式拟合出实测数据点，具体表达式如下：
[0133]
t(x)＝-0.0157x5+0.0917x
4-0.1762x3+0.1179x
2-0.011x+0.0064
[0134]
其中，t(x)是滑雪板模型的厚度，x表示滑雪板轮廓线各点的横坐标。图12示出了根据本公开一实施例拟合的滑雪板模型的厚度分布曲线图；经与实测数据验证，曲线拟合度r2＞0.99。
[0135]
示例性地，用4段分段函数表示滑雪板模型的侧面的下边线；具体表达式如下：
[0136][0137]
其中，x表示与滑雪板轮廓线各点的横坐标，y(x)表示滑雪板轮廓线各点的纵坐标。
[0138]
示例性地，将上述滑雪板模型的侧面的下边线与滑雪板模型沿长轴方向的厚度分布进行叠加，得到梁单元节点所在曲线。例如，同一位置，将对应的下边线的取值与对应的厚度分布的一半取值进行叠加，得到梁单元节点所在曲线。图13示出了根据本公开一实施例拟合的滑雪板模型的梁单元节点的示意图。
[0139]
示例性地，可以通过网格无关性检验确定有限元模型中梁单元的数量；例如，对于某一实际滑雪板，可以将滑雪板两端简支，在中间处沿y轴方向的载荷f＝400n，先试取弹性模量e＝2
×
10
10
pa，检测在梁单元数目不同的情况下，施力点处沿滑雪板模型的y轴方向的位移d，由于随着单元数增加，仿真得到的加载点位移不变；考虑到效率，可以选择滑雪板梁单元的数目为较低数值，例如50个。
[0140]
示例性地，可以通过静力学检验确定弹性模量e，使得构建的滑雪板模型具有与真实情况相符的静力学特性。其中，滑雪板静力学测试可以为三点弯实验，图14(a)-(b)示出根据本公开一实施例的一种三点弯实验的示意图，如图14(a)所示，滑雪板“三点弯”实验，如图14(b)所示滑雪板“三点弯”仿真示意图。
[0141]
这样，通过步骤1001-1003，采用变截面梁单元构建出滑雪板的有限元模型，提取滑雪板的几何参数，结合滑雪板静力学测试(三点弯实验)取得的滑雪板弹性模量e，可以用于进行滑雪板的力学仿真，从而实现采用变截面的梁单元构建滑雪板模型。
[0142]
示例性地，可以对上述构建的滑雪板模型进行动力学测试(测量滑雪板的自由振动频率、模态)，从而验证了滑雪板模型的可靠性。图15示出根据本公开一实施例的一种雪板振动测试实验设备的示意图，如图15所示，安装测试设备进行测试，表2示出了滑雪板仿真与实验振动频率对比，经过对比，验证了所构建的滑雪板模型的可靠性。
[0143]
表2滑雪板模型仿真与实验振动频率对比
[0144]
[0145]
作为另一个示例，下面对运动工具-外界环境模型中的运动工具与外界环境接触模型的建模过程进行说明。
[0146]
图16示出根据本公开一实施例的一种运动工具与外界环境接触模型的建模的流程图，如图16所示，可以包括以下步骤：
[0147]
步骤1601、在所述运动工具模型的两侧设定多个碰撞接触点。
[0148]
示例性地，所述运动工具模型可以为上述图10所述方法构建的运动工具模型。
[0149]
示例性地，可以在运动工具模型两侧沿轮廓线设定多个碰撞接触点，碰撞接触点沿着运动工具模型底面上的外轮廓线，例如，可以在运动工具模型的2个侧面分别等间距设定50个碰撞接触点，2个运动工具模型共计200个碰撞接触点；以滑雪板模型为例，图17示出了根据本公开一实施例构建的单个滑雪板上的碰撞接触点的示意图，如图17所示，图中圆圈即为滑雪板模型上的碰撞接触点，单个滑雪板上设置100个碰撞接触点。
[0150]
由于运动工具模型是柔性体，外界环境模型为刚体；该步骤中，在每个运动工具模型上建立若干个碰撞接触点，用碰撞接触点与外界环境模型的碰撞表征运动工具与外界环境接触模型。
[0151]
步骤1602、构建法向碰撞力子模型，所述法向碰撞力子模型用于计算所述多个碰撞接触点中各碰撞接触点与所述外界环境模型之间的法向力。
[0152]
示例性地，该外界环境模型可以为通过前文所述方法构建的外界环境模型。
[0153]
示例性地，可以构建基于赫兹接触模型的法向碰撞力子模型。其中，利用赫兹接触模型表征出法向碰撞力fn如下式所示：
[0154][0155]
其中，参数k和c分别代表弹簧系数和阻尼系数，其取值一般由实验测得。赫兹接触指数m1和m2产生非线性碰撞力，赫兹接触指数m3产生压痕阻尼效应，对于不同的材料其取值不同，δ和分别为两个几何体(即运动工具模型和外界环境模型)之间的侵入量和侵入量对时间的导数。
[0156]
示例性地，以运动工具为滑雪板、外界环境为雪地为例，可以根据试算经验给定指数的取值：m1＝m2＝m3＝2。弹簧系数和阻尼系数确定了法向力与侵入量之间的关系，由于雪是一种非均匀的、非线性的粘弹性物质，因此它的弹簧系数和阻尼系数理论上会随着时间、位置而变化。示例性地，可以利用静态条件下滑雪板-雪地接触力分布情况以及滑雪板与雪地之间的侵入深度，确定弹簧系数的取值，经过试验，可以将弹簧系数取值设为k＝106n/m2，该取值下滑雪板略微陷入地面，平均陷入深度为1.91mm，与实际情况相符。示例性地，阻尼系数c影响了动态接触碰撞，经过试验，可以将阻尼系数的取值设为c＝109ns2/m4，该取值下，滑雪板与雪地能够一直保持接触，不产生震荡。
[0157]
考虑到人体在雪板上的站立位置是由固定器决定的，固定器是固连在雪板上的部件，用于固定雪靴。固定器的位置可以根据实际情况前后调整，从而改变人体在滑雪板上的施力点，进而影响滑雪板上压力的分布形式，而滑雪者的身体一般是前倾的状态，前脚掌处的受力比较集中；示例性地，可以将固定器向前一些的位置作为人体肌肉骨骼模型与滑雪板模型的固支点和传力点。
[0158]
这样，根据赫兹接触指数、弹簧系数和阻尼系数的取值，完成构建基于赫兹接触模型的法向碰撞力子模型。
[0159]
步骤1603、构建摩擦力子模型，所述摩擦力子模型用于计算所述多个碰撞接触点中各碰撞接触点与所述外界环境模型之间的摩擦力。
[0160]
示例性地，可以构建基于库仑摩擦定律的摩擦力子模型。其中，库仑摩擦力定律如下式所示：
[0161][0162]
其中，f表示摩擦力，fn为法向碰撞力，是切向速度，μ是摩擦系数，μ的取值由切向速度决定。
[0163]
运动工具对于外界环境的摩擦力可以分解为沿人体前进方向的分量f
t
和沿人体侧面方向的分量fn；即：
[0164][0165]
其中，是沿人体前进方向的单位向量，是沿人体侧面方向的单位向量。
[0166]
由于运动工具在两个方向上与外界环境作用的机制不同，产生的作用力大小也有显著差异；因此，可以设定各向异性的摩擦系数，即：
[0167][0168]
其中，fn是运动工具与外界环境之间产生的正压力，即法向碰撞力；v
t
是人体前进方向的速度分量大小，vn是人体侧面方向的速度分量大小，μ
t
是切向摩擦系数，μn是法向摩擦系数。μ
t
与μn表达式分别为：
[0169][0170][0171]
其中，和分别是切向和法向摩擦系数的具体取值；和分别是切向(即人体前进方向的速度分量)和法向(即人体侧面方向的速度分量)的临界速度。例如，假设滑雪时温度为-11℃，速度为10m/s，则可取0.06。
[0172]
这样，根据库伦摩擦定律及各向异性摩擦系数，完成构建于库仑摩擦定律的摩擦力子模型。
[0173]
步骤1604、根据所述法向碰撞力子模型及所述摩擦力子模型，构建所述运动工具与外界环境接触模型。
[0174]
这样，通过上述步骤1601-1604，在所述运动工具模型的两侧设定多个碰撞接触
点，构建法向碰撞力子模型及摩擦力子模型；作为一个示例，构建基于赫兹接触模型的法向碰撞力子模型及基于库仑摩擦定律的摩擦力子模型，从而实现利用赫兹接触模型以及库仑摩擦定律建立运动工具与外界环境接触模型。利用该运动工具与外界环境接触模型可以计算出碰撞接触点与外界环境模型之间的摩擦力和法向力，并将摩擦力和法向力的合力确定为运动工具与外界环境接触模型之间产生的作用力。
[0175]
作为另一个示例，下面对空气阻力模型的建模过程进行示例性说明。图18示出根据本公开一实施例的一种空气阻力模型的建模的流程图，如图18所示，可以包括以下步骤：
[0176]
步骤1801、将所述人体肌肉骨骼模型划分为多个部位。
[0177]
示例性地，可以将人体肌肉骨骼模型划分为14个不同的部位。图19示出了根据本公开一实施例的人体部位划分的示意图，如图19所示，划分出的部位可以包括：骨盆、右大腿、右小腿、右脚、左大腿、左小腿、左脚、躯干、右上臂、右前臂、右手、左上臂、左前臂和左手。
[0178]
步骤1802、根据所述多个部位中各部位在冠状面内的投影面积，确定所述各部位对应的迎风面积。
[0179]
示例性地，针对每一部位，可以将该部位在冠状面内的投影面积确定为该部位对应的迎风面积。
[0180]
可以理解的是，由于运动过程中，人体的速度方向与运动工具的长轴方向保持一致，且人体在垂直方向的旋转角度较小，例如，滑雪时人体的速度方向几乎时刻与雪板长轴方向一致且人体在垂直轴方向的旋转角度很小，因此可以近似认为运动员的速度方向一直沿其矢状轴方向，即运动过程中人体迎风面积可认为保持不变。
[0181]
示例性地，可以将上述划分出的14个部位在冠状面内的投影面积确定为人体迎风面积。
[0182]
示例性地，考虑到在实际运动过程中，运动员所穿着的运动服会增大人体迎风面积，例如，在滑雪过程中运动员通常穿着滑雪服，厚实的滑雪服会显著增大人体迎风面积。因此，引入修正系数k来描述人体的实际迎风面积，公式如下：
[0183]ai
＝ka
0i
,i＝1,2,...,14
[0184]
其中，ai表示第i个部位的实际迎风面积(即第i个部位对应的迎风面积)，a
0i
表示第i个部位的原始迎风面积，k的取值可以根据需要进行设定，例如，可以取k＝1.5。
[0185]
步骤1803、根据所述各部位对应的迎风面积及空气阻力公式，构建所述空气阻力模型。
[0186]
空气阻力是空气流过人体时对人体的作用力，方向与人体速度方向相反；空气阻力fd的计算公式为：
[0187][0188]
其中，cd是空气阻力系数，一般取值在0.5左右的常数，ρ是空气密度，a是人体迎风面积，v是人体质心运动速度。
[0189]
示例性地，将上述空气阻力公式中空气阻力系数、空气密度设置为固定常数，利用该公式，可以构建出空气阻力模型表达式为：
[0190][0191]
其中，f
di
表示第i个部位的空气阻力，ai表示第i个部位对应的迎风面积，cd是空气阻力系数，ρ是空气密度，v是第i个部位对应的人体质心运动速度。
[0192]
这样，通过上述步骤1801-1803完成空气阻力模型构建，利用所构建的空气阻力模型，可以计算出上述划分出的多个部位中各部分所受的空气阻力。其中，空气阻力的施力点建立在各部位对应的质心处，施力方向时刻与该质心的速度相反。
[0193]
考虑到高山滑雪运动是通过人体姿态控制重心的位置以及运动工具的状态，利用重力，以较高的速度下降的一种运动。若以人体为研究对象，可知肌肉骨骼系中的作用力为内力，驱动人体形成特定的姿态，以调整重心在雪面上的投影；而重力作为外力与雪面对雪板的支持力、摩擦力和空气的阻力共同驱动人体质心的运动。通过上述图9-图19所示的方法，可以构建滑雪板与雪面的接触模型以及空气阻力模型等，结合人体肌肉骨骼模型，建立了三维滑雪力学模型，即人体-滑雪板交互耦合运动力学模型，真实复现滑雪中的肌肉骨骼动力学，从而可以对滑雪者器材、人体姿态控制的综合仿真，例如，可以模拟人体质心轨迹、滑雪板与雪地之间的作用力等，并与实测数据进行对比验证了所构建模型的准确性；进而可以通过对不同水平滑雪者的运动力学参数进行分析，得到滑雪运动的力学规律，例如，可以根据实测数据，结合重力、雪板受到的支持力、摩擦力和空气阻力等外力作用，利用多体动力学求解器和“正向肌肉-逆向骨骼”肌肉力优化算法，仿真计算出滑雪者的关节力矩和肌肉激活度，即肌肉骨骼系统的内力，得到滑雪运动的规律。从而可以进一步结合滑雪运动技术特征，采用多体动力学的定量指标进行定量化评估，为滑雪者提升滑雪成绩提供科学指导。
[0194]
图20示出根据本公开一实施例的一种运动数据处理装置的结构图，如图20所示，该装置可以包括：
[0195]
获取模块2001，用于获取可穿戴设备捕捉的运动数据，所述可穿戴设备配置有惯性式运动捕捉系统、定位系统及足底压力测量系统；
[0196]
建模模块2002，用于建立基于多体动力学的人体-运动工具交互耦合运动力学模型；所述人体-运动工具交互耦合运动力学模型包括：人体肌肉骨骼模型、运动工具-外界环境模型及空气阻力模型；其中，所述人体肌肉骨骼模型与所述运动工具通过运动约束相结合，所述运动工具-外界环境模型通过接触碰撞建模传导所述外界环境对于所述运动工具施加的力学响应，所述空气阻力模型用于计算空气对于所述人体肌肉骨骼模型的作用力；
[0197]
处理模块2003，用于根据所述人体-运动工具交互耦合运动力学模型对所述运动数据进行处理，得到仿真和/或复现结果；所述仿真和/或复现结果包括运动过程中不同时刻的人体肌肉骨骼受力、外界环境对人体的作用力；
[0198]
分析模块2004，用于对所述仿真和/或复现结果进行分析，以定量化评估运动水平、定量化分析技术动作及定量化评价人体-运动工具交互体验。
[0199]
在一种可能的实现方式中，所述运动工具-外界环境模型包括：外界环境模型、运动工具模型、及运动工具与外界环境接触模型；其中，所述外界环境包括：地面或空气。
[0200]
在一种可能的实现方式中，所述建模模块2002还用于：在所述运动工具模型的两侧设定多个碰撞接触点；构建法向碰撞力子模型，所述法向碰撞力子模型用于计算所述多
个碰撞接触点中各碰撞接触点与所述外界环境模型之间的法向力；构建摩擦力子模型，所述摩擦力子模型用于计算所述多个碰撞接触点中各碰撞接触点与所述外界环境模型之间的摩擦力；根据所述法向碰撞力子模型及所述摩擦力子模型，构建所述运动工具与外界环境接触模型。
[0201]
在一种可能的实现方式中，所述建模模块2002还用于：将所述人体肌肉骨骼模型划分为多个部位；根据所述多个部位中各部位在冠状面内的投影面积，确定所述各部位对应的迎风面积；根据所述各部位对应的迎风面积及空气阻力公式，构建所述空气阻力模型。
[0202]
在一种可能的实现方式中，所述建模模块2002还用于：采用变截面梁单元构建所述运动工具的有限元模型；所述运动工具包括：滑雪板、跑鞋或假肢；根据所述运动工具的真实形貌，提取所述运动工具的几何参数；根据所述几何参数、所述有限元模型中梁单元的数量及所述运动工具弹性模量，构建所述运动工具模型。
[0203]
在一种可能的实现方式中，所述分析模块2004还用于：根据评价指标，对所述仿真和/或复现结果进行分析：所述评价指标包括定量化评估人体运动效能的动力学指标。
[0204]
在一种可能的实现方式中，所述运动包括滑雪运动；所述评价指标包括：质心运动速度、质心运动轨迹、转弯半径、雪板扫雪面积、雪板夹角、过渡阶段占比、滑雪者前后平衡能力、滑雪者内侧与外侧的平衡能力、滑雪者过渡阶段技术的一个或多个。
[0205]
在一种可能的实现方式中，所述运动数据包括：关节角度、质心运动轨迹、足底力分布数据中的一个或多个。
[0206]
在一种可能的实现方式中，所述仿真和/或复现结果包括：关节角度、足底力、关节力矩或肌肉激活度中的一个或多个。
[0207]
本公开实施例中，集成惯性式运动捕捉系统、定位系统及足底压力测量系统，完整、同步地捕捉运动员的运动数据；通过耦合运动工具-外界环境模型、空气阻力模型及人体肌肉骨骼模型建立基于多体动力学的人体-运动工具交互耦合运动力学模型，该人体-运动工具交互耦合运动力学模型并非是三个子模型的简单叠加，而是通过运动约束将人体肌肉骨骼模型与运动工具相结合，通过接触碰撞建模传导外界环境对于运动工具施加的力学响应，通过空气阻力模型计算出空气对于人体的作用力，从而实现三个子模型的耦合仿真计算；这样，综合考虑人体姿态和运动工具、外界环境的相互作用，可以真实地反映运动情况，从而可以对运动的力学过程，如：质心运动、肢体运动、关节力矩、肌肉力、地面摩擦、风阻等在任意时刻的特点进行全信息的仿真和展示；例如，该模型可以仿真/复现得到运动中每一时刻的人体肌肉骨骼受力、外界环境对人体的作用力等全方位的力学仿真和/或复现结果，实现准确地动力学仿真；进而对这些仿真和/或复现结果进行分析，以定量化评估运动水平、定量化分析技术动作及定量化评价人体-运动工具交互体验，从而实现客观、科学的人体运动效能测评。
[0208]
在一些实施例中，本公开实施例提供的装置具有的功能或包含的模块可以用于执行上文方法实施例描述的方法，其具体实现可以参照上文方法实施例的描述，为了简洁，这里不再赘述。
[0209]
本公开实施例还提出一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，所述计算机程序指令被处理器执行时实现上述方法。计算机可读存储介质可以是易失性或非易失性计算机可读存储介质。
[0210]
本公开实施例还提出一种电子设备，包括：处理器；用于存储处理器可执行指令的存储器；其中，所述处理器被配置为在执行所述存储器存储的指令时，实现上述方法。
[0211]
本公开实施例还提供了一种计算机程序产品，包括计算机可读代码，或者承载有计算机可读代码的非易失性计算机可读存储介质，当所述计算机可读代码在电子设备的处理器中运行时，所述电子设备中的处理器执行上述方法。
[0212]
图21示出根据本公开一实施的一种电子设备1900的框图。例如电子设备1900可以被提供为一服务器或终端设备。参照图21，电子设备1900包括处理组件1922，其进一步包括一个或多个处理器，以及由存储器1932所代表的存储器资源，用于存储可由处理组件1922的执行的指令，例如应用程序。存储器1932中存储的应用程序可以包括一个或一个以上的每一个对应于一组指令的模块。此外，处理组件1922被配置为执行指令，以执行上述方法。
[0213]
电子设备1900还可以包括一个电源组件1926被配置为执行电子设备1900的电源管理，一个有线或无线网络接口1950被配置为将电子设备1900连接到网络，和一个输入输出接口1958(i/o接口)。电子设备1900可以操作基于存储在存储器1932的操作系统，例如windows server
tm
，mac os x
tm
，unix
tm
,linux
tm
，freebsd
tm
或类似。
[0214]
在示例性实施例中，还提供了一种非易失性计算机可读存储介质，例如包括计算机程序指令的存储器1932，上述计算机程序指令可由电子设备1900的处理组件1922执行以完成上述方法。
[0215]
本公开可以是系统、方法和/或计算机程序产品。计算机程序产品可以包括计算机可读存储介质，其上载有用于使处理器实现本公开的各个方面的计算机可读程序指令。
[0216]
计算机可读存储介质可以是可以保持和存储由指令执行设备使用的指令的有形设备。计算机可读存储介质例如可以是――但不限于――电存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或者上述的任意合适的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、可擦式可编程只读存储器(eprom或闪存)、静态随机存取存储器(sram)、便携式压缩盘只读存储器(cd-rom)、数字多功能盘(dvd)、记忆棒、软盘、机械编码设备、例如其上存储有指令的打孔卡或凹槽内凸起结构、以及上述的任意合适的组合。这里所使用的计算机可读存储介质不被解释为瞬时信号本身，诸如无线电波或者其他自由传播的电磁波、通过波导或其他传输媒介传播的电磁波(例如，通过光纤电缆的光脉冲)、或者通过电线传输的电信号。
[0217]
这里所描述的计算机可读程序指令可以从计算机可读存储介质下载到各个计算/处理设备，或者通过网络、例如因特网、局域网、广域网和/或无线网下载到外部计算机或外部存储设备。网络可以包括铜传输电缆、光纤传输、无线传输、路由器、防火墙、交换机、网关计算机和/或边缘服务器。每个计算/处理设备中的网络适配卡或者网络接口从网络接收计算机可读程序指令，并转发该计算机可读程序指令，以供存储在各个计算/处理设备中的计算机可读存储介质中。
[0218]
用于执行本公开操作的计算机程序指令可以是汇编指令、指令集架构(isa)指令、机器指令、机器相关指令、微代码、固件指令、状态设置数据、或者以一种或多种编程语言的任意组合编写的源代码或目标代码，所述编程语言包括面向对象的编程语言—诸如smalltalk、c++等，以及常规的过程式编程语言—诸如“c”语言或类似的编程语言。计算机
可读程序指令可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络—包括局域网(lan)或广域网(wan)—连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。在一些实施例中，通过利用计算机可读程序指令的状态信息来个性化定制电子电路，例如可编程逻辑电路、现场可编程门阵列(fpga)或可编程逻辑阵列(pla)，该电子电路可以执行计算机可读程序指令，从而实现本公开的各个方面。
[0219]
这里参照根据本公开实施例的方法、装置(系统)和计算机程序产品的流程图和/或框图描述了本公开的各个方面。应当理解，流程图和/或框图的每个方框以及流程图和/或框图中各方框的组合，都可以由计算机可读程序指令实现。
[0220]
这些计算机可读程序指令可以提供给通用计算机、专用计算机或其它可编程数据处理装置的处理器，从而生产出一种机器，使得这些指令在通过计算机或其它可编程数据处理装置的处理器执行时，产生了实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作的装置。也可以把这些计算机可读程序指令存储在计算机可读存储介质中，这些指令使得计算机、可编程数据处理装置和/或其他设备以特定方式工作，从而，存储有指令的计算机可读介质则包括一个制造品，其包括实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作的各个方面的指令。
[0221]
也可以把计算机可读程序指令加载到计算机、其它可编程数据处理装置、或其它设备上，使得在计算机、其它可编程数据处理装置或其它设备上执行一系列操作步骤，以产生计算机实现的过程，从而使得在计算机、其它可编程数据处理装置、或其它设备上执行的指令实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作。
[0222]
附图中的流程图和框图显示了根据本公开的多个实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或指令的一部分，所述模块、程序段或指令的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
[0223]
以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

技术特征：
1.一种运动数据处理方法，其特征在于，所述方法包括：获取可穿戴设备捕捉的运动数据，所述可穿戴设备配置有惯性式运动捕捉系统、定位系统及足底压力测量系统；建立基于多体动力学的人体-运动工具交互耦合运动力学模型；所述人体-运动工具交互耦合运动力学模型包括：人体肌肉骨骼模型、运动工具-外界环境模型及空气阻力模型；其中，所述人体肌肉骨骼模型与所述运动工具通过运动约束相结合，所述运动工具-外界环境模型通过接触碰撞建模传导所述外界环境对于所述运动工具施加的力学响应，所述空气阻力模型用于计算空气对于所述人体肌肉骨骼模型的作用力；根据所述人体-运动工具交互耦合运动力学模型对所述运动数据进行处理，得到仿真和/或复现结果；所述仿真和/或复现结果包括运动过程中不同时刻的人体肌肉骨骼受力、外界环境对人体的作用力；对所述仿真和/或复现结果进行分析，以定量化评估运动水平、定量化分析技术动作及定量化评价人体-运动工具交互体验。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述运动工具-外界环境模型包括：外界环境模型、运动工具模型、及运动工具与外界环境接触模型；其中，所述外界环境包括：地面或空气。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：在所述运动工具模型的两侧设定多个碰撞接触点；构建法向碰撞力子模型，所述法向碰撞力子模型用于计算所述多个碰撞接触点中各碰撞接触点与所述外界环境模型之间的法向力；构建摩擦力子模型，所述摩擦力子模型用于计算所述多个碰撞接触点中各碰撞接触点与所述外界环境模型之间的摩擦力；根据所述法向碰撞力子模型及所述摩擦力子模型，构建所述运动工具与外界环境接触模型。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：将所述人体肌肉骨骼模型划分为多个部位；根据所述多个部位中各部位在冠状面内的投影面积，确定所述各部位对应的迎风面积；根据所述各部位对应的迎风面积及空气阻力公式，构建所述空气阻力模型。5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：采用变截面梁单元构建所述运动工具的有限元模型；所述运动工具包括：滑雪板、跑鞋或假肢；根据所述运动工具的真实形貌，提取所述运动工具的几何参数；根据所述几何参数、所述有限元模型中梁单元的数量及所述运动工具弹性模量，构建所述运动工具模型。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述仿真和/或复现结果进行分析，包括：根据评价指标，对所述仿真和/或复现结果进行分析：所述评价指标包括定量化评估人体运动效能的动力学指标。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述运动包括滑雪运动；所述评价指标包括：质心运动速度、质心运动轨迹、转弯半径、雪板扫雪面积、雪板夹角、过渡阶段占比、滑雪者前后平衡能力、滑雪者内侧与外侧的平衡能力、滑雪者过渡阶段技术的一个或多个。8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述运动数据包括：关节角度、质心运动轨迹、足底力分布数据中的一个或多个。9.根据权利要求1-8中任一项所述的方法，其特征在于，所述仿真和/或复现结果还包括：关节角度、足底力、关节力矩或肌肉激活度中的一个或多个。10.一种运动数据处理装置，其特征在于，包括：获取模块，用于获取可穿戴设备捕捉的运动数据，所述可穿戴设备配置有惯性式运动捕捉系统、定位系统及足底压力测量系统；建模模块，用于建立基于多体动力学的人体-运动工具交互耦合运动力学模型；所述人体-运动工具交互耦合运动力学模型包括：人体肌肉骨骼模型、运动工具-外界环境模型及空气阻力模型；其中，所述人体肌肉骨骼模型与所述运动工具通过运动约束相结合，所述运动工具-外界环境模型通过接触碰撞建模传导所述外界环境对于所述运动工具施加的力学响应，所述空气阻力模型用于计算空气对于所述人体肌肉骨骼模型的作用力；处理模块，用于根据所述人体-运动工具交互耦合运动力学模型对所述运动数据进行处理，得到仿真和/或复现结果；所述仿真和/或复现结果包括运动过程中不同时刻的人体肌肉骨骼受力、外界环境对人体的作用力；分析模块，用于对所述仿真和/或复现结果进行分析，以定量化评估运动水平、定量化分析技术动作及定量化评价人体-运动工具交互体验。11.一种电子设备，其特征在于，包括：处理器；用于存储处理器可执行指令的存储器；其中，所述处理器被配置为在执行所述存储器存储的指令时，实现权利要求1至9中任意一项所述的方法。12.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，其特征在于，所述计算机程序指令被处理器执行时实现权利要求1至9中任意一项所述的方法。

技术总结
本公开涉及一种运动数据处理方法、装置及存储介质，其中，该方法可以包括：获取可穿戴设备捕捉的运动数据；建立基于多体动力学的人体-运动工具交互耦合运动力学模型，包括人体肌肉骨骼模型、运动工具-外界环境模型及空气阻力模型；其中，人体肌肉骨骼模型与运动工具通过运动约束相结合，运动工具-外界环境模型通过接触碰撞建模传导外界环境对于运动工具施加的力学响应，空气阻力模型计算空气对于人体肌肉骨骼模型的作用力；通过该模型得到全方位的力学仿真和/或复现结果；进而定量化评估运动水平、分析技术动作、评价人体-运动工具交互体验。通过本公开，完整、同步地捕捉运动数据，准确地动力学仿真，以及科学、客观地人体运动效能测评。动效能测评。动效能测评。


技术研发人员：高南 杨春 任革学 靳惠通
受保护的技术使用者：清华大学
技术研发日：2023.06.14
技术公布日：2023/8/9