基于虚拟现实技术的武术训练动作模拟系统设计

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　　摘  要： 针对传统武术训练动作模拟系统不含贴片式压力传感器，从而造成无法在系统中显示出武术训练动作的力量值的问题，设计一种基于虚拟现实技术的武术训练动作模拟系统。硬件部分使用C8051F410单片机采集卡采集武术动作的力量值，单片机连接一款贴片式压力传感器，用来测量武术训练者的关节力量值，选用采样刷新率为1 600 Hz、镜片材料为液晶材料的VR眼镜，完成硬件部分的设计。软件部分首先将武术动作转换为一个四杆结构，计算结构对应的关节力量值，使用Java编程将得到的关节数据值转化为代码，完成系统软件部分的设计。实验结果表明，与传统武术训练动作模拟系统相比，基于虚拟现实技术的武术训练动作模拟系统可以显示出武术训练动作的力量值，增强武术训练者的训练效果。
　　关键词： 武术训练; 动作模拟; 系统设计; 虚拟现实技术; 压力传感器; 力量值测量
　　中图分类号： TN606?34; X524                    文献标识码： A                      文章编号： 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
　　虚拟现实技术是将虚拟和现实结合的一项技术，从理论上讲，虚拟现實技术就是利用现实生活中的数据，通过计算机技术产生电子信息，将其与各种输出设备结合，使其转化为能够让人们感受到的实景现象[1]。武术训练动作模拟系统可以记录武术训练动作，将武术训练分为基本功、基本动作和典型动作的整学零练再到整套训练或是格斗训练四个不同的层次[2]。循序渐进地引导武术学习者完成武术的训练。本文设计基于虚拟现实技术的武术训练动作模拟系统，可将传授者的动作使用虚拟现实技术直接投放到武术学习者身边，打造出一种 “一对一”式武术教学，提高武术学习者的学习效率[3]。
　　1  模拟系统硬件设计
　　1.1  设计采集设备
　　采集设备使用C8051F410单片机采集卡，利用采集卡上的串口功能，连接一个模拟外设，模拟外设设计一个12位ADC，保证24个外部输入与200 Kb/s的可编程的转换率[4]。采集卡内设两个12位的电流输出DAC、两个比较器、一个欠压检测器，将电压基准[5]设定为可编程电压值1.5 V和2.2 V。数字外设部分设计24个I/O端口、4个通用16位计数器/定时器。使用硬件SMBus，SPI和UART串口。时钟源部分内设置一个24.5 MHz的内部振荡器，用来支持UART操作[6]。外部振荡器选用外部时钟， smaRTClock振荡器选用32 kHz晶体谐振器。将片调试调整为全速、非侵入式的系统调试功能，选用支持断点、观察及修改储存器的寄存器[7]。储存器选用256 B+2 048 B RAM，使用64 B的电池后备。设计的C8051F410单片机采集卡如图1所示。 　　为更加精细地采集到武术训练动作的力量值，在压力采集卡上，设计采集压力的贴片式压力传感模块，规格尺寸选用0.5 cm×0.5 cm、厚度为0.20～1.25 mm。传感器的压力感测范围为1～100 N，压力感测精度为0.5 N。实际贴片式压力传感器如图2所示。
　　贴片式压力传感器与数据采集卡连接后，设计支持采集卡运行的电源模块，将电源输入口设计为AC 100～240 V、50/60 Hz，输出口为DC 9 V、600 mA。传感采集卡设计完毕后，再设计一款虚拟现实眼镜，支持武術训练者日常训练时使用[8]。
　　1.2  设计虚拟现实VR眼镜
　　眼镜选用采样刷新率为1 600 Hz、内含螺旋仪、16位加速器的6轴运动传感器，镜片选用38 mm的高透镜片。调整眼镜的可视场角，将镜片的透光率调整为93%，支持600°近视以及200°远视，将头围尺寸控制在525～630 mm之间[9]，分辨率调整为单眼为1 600×1 440。设计的VR眼镜如图3所示。
　　VR眼镜使用一个多路复合的方式，将武术动作显示在武术训练者的视野中，镜片材质选用液晶材料[10]。贴片式压力传感器会安装在武术训练者的关键发力部位上，VR眼镜此时会呈现出武术训练者的动作，以及根据压力传感器传输出来的力量数值，判断训练者的武术动作是否达到标准，将武术动作的力量数值使用软件呈现在VR眼镜的视野中[11]。
　　2  模拟系统软件设计
　　2.1  计算武术动作的关节力量值
　　3  实  验
　　3.1  实验准备
　　实验准备武术虚拟现实的软硬件环境如表1所示。
　　使用如表1所示的软硬件环境搭建如图5所示的虚拟现实环境。
　　使用一种传统的武术训练动作模拟系统与基于虚拟现实技术的武术训练模拟系统来模拟武术动作，对比两种系统能否显示出武术动作的各关节的力量值。
　　3.2  实验结果分析
　　两种武术训练动作模拟系统得到的实验结果如图6所示。
　　由实验图6可知，传统的武术训练动作模拟系统只可以模拟出动作，无法显示出武术训练动作的关节力量值，武术训练者无法感受到训练动作的力量，不利于训练者训练武术动作。而基于虚拟现实技术的武术训练动作模拟系统不光将武术动作予以虚拟显示，还在各个重要的关节部位显示出了武术动作的力量值，更方便武术训练者掌握武术动作标准，为武术训练带来积极的教学作用。
　　4  结  语
　　随着虚拟现实技术应用范围的不断扩大，逐步应用到武术训练动作模拟系统中。传统的武术训练动作模拟系统在实际运用时，只呈现出武术动作，无法显示武术动作中人体关节的力量值。针对这一不足，在原有的技术上，基于虚拟现实技术的武术训练动作模拟系统设计一款贴片式压力传感器，安装在武术训练者上，让武术训练者以VR眼镜作为审视标准，检查自身的武术动作是否达到最理想的力量值，增强武术训练者的学习效果。
　　参考文献
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　　[11] 上官兵.基于微机数字控制的矿用提升机调速系统设计[J].煤炭技术，2017，36（5）：235?237.
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