دوره 9، شماره 1 - ( 3-1402 )                   جلد 9 شماره 1 صفحات 58-48 | برگشت به فهرست نسخه ها


XML English Abstract Print


Download citation:
BibTeX | RIS | EndNote | Medlars | ProCite | Reference Manager | RefWorks
Send citation to:

Pourhasan M, Fakhri Mirzanag E, Sattari A H. Designing a New Smart Sport Shoes. J Sport Biomech 2023; 9 (1) : 4
URL: http://biomechanics.iauh.ac.ir/article-1-309-fa.html
پورحسن میلاد، فخری میرزانق احسان، ستاری امیر حسین. طراحی کفش ورزشی جدید هوشمند. مجله بیومکانیک ورزشی. 1402; 9 (1) :48-58

URL: http://biomechanics.iauh.ac.ir/article-1-309-fa.html


1- گروه برق و کامپیوتر، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه محقق اردبیلی، اردبیل، ایران.
2- گروه بیومکانیک ورزشی، دانشکده علوم تربیتی و روانشناسی، دانشگاه محقق اردبیلی، اردبیل، ایران.
3- گروه مدیریت ورزشی، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران.
متن کامل [PDF 1561 kb]   (314 دریافت)     |   چکیده (HTML)  (638 مشاهده)
متن کامل:   (558 مشاهده)
مقدمه
بیومکانیک ورزشی بیانگر علمی است که ارزیابی  های کمی و گاهی کیفی عملکرد ورزشی را ارائه می  دهد (1). اندازه  گیری و مشخص کردن حرکات انسان در حین اجرای فعالیت  های ورزشی امروزه یکی از جنبه  های حیاتی برای ورزشکاران و یکی از برنامه-های مهم برای مربیان به‌منظور ارزیابی عملکرد ورزشکاران، بهبود تکنیک به‌منظور پیشگیری از آسیب  های ورزشی است (2). پیشرفت‌ تکنولوژی در حوزه  های مختلف راه را برای آینده رو به رشد هموار می‌کند که به گفته سازمان غذا و دارو ایالات‌متحده، حوزه  های مانند اپلیکیشن  های هوشمند، فناوری اطلاعات، فناوری‌های پوشیدنی هوشمند و فناوری اطلاعات توسط اینترنت اشیا، دید جامعی در زندگی افراد امکان‌پذیر می‌سازد (3). به دلیل افزایش تعداد علاقه  مندان به ورزش که در سطوح مختلف ورزشی و تفریحی رقابت می  کنند، نیازهای ورزشکاران در سطح حرفه  ای دائماً در حال افزایش است (3). در این میان پیشرفت‌های متعدد در فناوری  های ورزشی به وجود آمده که به ورزشکاران رشته  های مختلف ورزشی کمک به سزایی کرده است (8)، در همین راستا کیدا و همکاران 2019 طی پژوهشی به تأثیر لباس  های ورزشی هوشمند در ورزش پرداختند، نتایج بیانگر این موضوع می  باشد، برنامه-های کاربردی ویژه در ورزش علی‌الخصوص برای افراد دارای معلولیت بسیار محدود هستند، اما مسیرهای ممکن برای توسعه بیشتر را نشان می  دهند. درنهایت، ازآنجایی‌که تجهیزات اغلب در ورزش افراد دارای معلولیت از اهمیت خاصی برخوردار است، نتایج این تحقیق نشان می  دهد که سیستم‌های پوشیدنی هوشمند نویدبخش پشتیبانی از تجهیزات برای رفع نیازهای فردی ورزشکاران هستند (9).
بنابراین با در نظر گرفتن موارد فوق پیشرفت تجهیزات ورزشی نوین انقلابی جدید در تمام رقابت  های ورزشی و مهندسانی که درحال‌توسعه تجهیزات ورزشی برای افزایش و پیشرفت عملکرد ورزشکاران و همچنین کاهش نرخ آسیب‌دیدگی‌های ورزشی هستند را به وجود آورده است (4, 5). با بررسی برخی از تأثیرات عمده تکنولوژی  های هوشمند مرتبط با توسعه تجهیزات ورزشی بسیاری از پیشرفت  های دیگر در صنعت ورزش از طریق مهندسی مواد مورد استفاده در ساخت تجهیزات ورزشی اتفاق افتاده است (4, 5). مانند استفاده از نانو کامپوزیت  های شیمیایی تقویت شده با الیاف (فیبر) موادی با وزنی سبک، مقاومتی بالا و با طراحی و ویژگی-های منحصربه‌فرد، کاربرد گسترده  ای در تجهیزات ورزشی به وجود آوردند (6). پژوهش  ها نشان داده  اند که نانو کامپوزیت‌های پلیمری حاوی نانو ذرات نقره، پایداری بالا و فعالیت ضد باکتریایی طولانی‌مدت دارند و بااین‌حال، برای سلول  ها و بافت  های انسانی سمی نیستند. همچنین، این نانو کامپوزیت‌ها انتخابی مناسب برای از بین بردن گونه  های متعددی از باکتری  ها و قارچ  ها هستند (10). در همین راستا نوبخت و همکاران 2023 طی پژوهشی به طراحی و ساخت کفش ورزشی جدید آنتی میکروب با استفاده از نانو نقره به‌منظور پیشگیری از میکروب  ها و ویروس  ها و ویروس  ها پرداختند، نتایج نشان داد، استفاده از نانو نقره در طراحی و ساخت انواع کفش  های ورزشی به‌منظور پیشگیری و کنترل بسیاری از میکروب  ها و ویروس  ها می  تواند مفید واقع گردد (7). در مطالعه دیگر به توسعه انرژی ارتعاشی پیزوالکتریک جهت کاهش مصرف باتری کفش‌های هوشمند انجام شد که این ارتعاش توسط نیروهای تکانشی در زیره کفش در حین راه رفتن و دویدن ایجاد می  شوند؛ که قادر است داده‌های حسگر را از طریق ال دی  های به کار گرفته شده هنگامی‌که کاربر با کفش مدنظر فعالیت انجام می  دهد مکرراً ارسال نمایید. در حال حاضر، صنعت تکنولوژی ورزشی درحال‌توسعه کفش‌های هوشمندی است که قادر باشند، وضعیت اندام دوندگان طی اجرای فعالیت  های ورزشی کنترل نمایند (11).
 نیروی عکس‌العمل زمین  یک عامل مهم در مطالعه کینتیک اندام تحتانی در حین دویدن است (12، 13)؛ که در انواع مطالعات تجربی استفاده شده است. نیروی عکس‌العمل زمین مقدار نیروی اعمال شده بر سطح می  باشد و در برخی از مطالعات با آسیب-های دویدن گزارش شده است (14-16). لذا هدف از پژوهش حاضر طراحی و ساخت کفش جدید ورزشی هوشمند با قابلیت سنجش نیروهای وارده به سطح می  باشد.
روش شناسی
با توجه به موضوع و اهداف تحقیق، روش به کار گرفته شده در این تحقیق از نوع کاربردی بود. در ابتدا به ابزار و مواد مورد نیاز اندازه  گیری، روش  های جمع‌آوری اطلاعات، روش  های اجرای تحقیق مورد بحث و بررسی قرار می  دهیم.
جهت طراحی و ساخت کفش ورزشی جدید هوشمند ابتدا قطعات الکترونیکی مانند برد آردینو مدل نانو ، منبع تغذیه نانو ، سنسور حساس به نیرو ، سیم جامپر، مقاومت 10 اهم، تراشه میکروپایتون ، برد چاپی الکترونیکی ، پارازیت گیر سیستم، ماژول وای فای  و یک جفت کفش ورزشی جهت قرار دادن قطعات داخل آن تهیه شد.
 سنسور حساس به فشار یک سنسور پیزو مقاومتی است. هر چه بیشتر فشار وارد شود، مقاومت سنسور کمتر می  شود. با فشار دادن شدید، مقاومت از بی‌نهایت به k~50 تغییر می  کند. سنسور خود نازک و انعطاف‌پذیر است، اما مقاومت در هنگام خم شدن تغییر نمی  کند. مقاومت تنها زمانی تغییر می  کند که به ناحیه گرد در انتهای سنسور فشار وارد شود. به‌عنوان سنسور حضور (کسی ایستاده)، سنسور وزن، سنسور فشار تست ضربه و غیره استفاده می‌شود.
ماژول وای فای  ارتباط  های بین ما و اجسام اطراف و همچنین ارتباطات آن  ها را با یکدیگر آسان  تر می  کند. معمولاً کار با شبکه-های وای فای و اینترنت به‌صورت مستقیم و با کد نویسی کاری دشوار و زمان‌بر است. برد توسعه    NodeMcu به‌منظور ساده کردن کار با این نوع شبکه  ها طراحی شده است کار با این برد بسیار ساده و شباهت زیادی به بردهای اردینو دارد و کد نویسی‌اش در محیطی به نام lua script انجام می  شود.
بعد از تهیه قطعات مورد گفته شده، ابتدا برد کنترلی را با تست جاگ  بررسی کرده تا برد و سنسورها هیچ پارازیت و اغتشاشی روی قطعات نداشته باشند (17). از این تست زمانی که در پروژه  ها برای انجام تست اولیه نیاز به ‌یک بار آزمایش کردن اینورتور لازم باشد از تست جاگ استفاده می  شود. در مرحله بعد، برد میکرو کنترلر و کل سیستم و سنسورها را با نرم‌افزار Altium Designer طراحی کرده و شبیه‌سازی شد (شکل 1).

در ادامه برد الکترونیکی سیم‌کشی و لحیم کاردی شد؛ و منبع تغذیه سیستم را طراحی و به تراشه کنترلی متصل نمودیم. بخش بعدی که مهم‌ترین بخش کار می‌باشد، نرم‌افزار میکروپایتون را بر روی سیستم برنامه‌نویسی نصب کرده و با متصل کردن برد کنترلی با کابل شبکه ابتدا سنسورها را آزمایش کرده و شروع به نوشتن برنامه‌نویسی نمودیم که زبان برنامه‌نویسی در این پروژه با میکرو پایتون می  باشد. بعد از نوشتن پروسه برنامه‌نویسی، کدهای نوشته رو را برای سیستم عامل اندروید کد نویسی کرده و سپس اطلاعات سنسورها را به ماژول وای فای ارسال کرده و آدرس شبکه را برای این سنسورها کد نویسی نمودیم؛ و بعد از این مرحله برد کنترلی طراحی و کد نویسی شده با استفاده از نرم‌افزار اندروید را برای این سنسورها طراحی شده و اطلاعات سنسورها در اپلیکیشن نمایش داده شد مطابق شکل 2 در نهایت پس از آماده‌سازی قطعات در برد کنترلی برای انجام تست نمونه اولیه، مراحل نصب سیستم بر روی کفش ورزشی مدنظر انجام گرفت (مطابق شکل 3).


نتایج
با توجه به اینکه هر ورزشی تمرین  های خاص خود و همچنین ترتیبی خاص به همراه دارند. در طراحی  کفش ورزشی هوشمند، که رفتار ورزشکار در شرایط  های مختلف به چالش کشیده می  شود، و کنترل بهتری بر بیولوژی سیستمی خود را  داشته باشد. در نهایت قادر خواهد بود حرکت فشار بروی کف  پا رو کنترل نماید، این امر باعث می  شود ورزشکار در تست  های مختلف ورزشی توسط Master ارزیابی شود و توسط اپلیکیشن برنامه نویسی شده سنسور  ها کنترل شود.
بحث
هدف از این مطالعه طراحی و ساخت کفش جدید ورزشی هوشمند با قابلیت سنجش نیروی عکس  العمل زمین بود. قطعات الکترونیکی تعبیه شده در کفش ورزشی هوشمند به‌صورت هم‌زمان نیروی عکس  العمل زمین طی اجرای فعالیت  های ورزشی اندازه  گیری می  نماید. این کار با استفاده از ورودی آنالوگ جریانی در برد آردینو نانو که قادر است این پارامتر را به‌طور هم‌زمان کنترل کند که بر اساس کتابخانه 203 اردینو و کد نویسی پایتون با ایجاد سه شرط در خروجی سنسورها با استفاده مرجع فرکانسی سنسورها را به‌طور هم‌زمان کنترل و ازآنجاکه برد اردینو قابلیت کنترل و ارزیابی 5 ورودی آنالوگ و 5 خروجی آنالوگ را دارد، ابتدا این سنسور بر اثر تغییر مقاومت داخلی هریک از سنسورها یک سیگنال جریانی تولید کرده و به تبع آن سیگنال را به ورودی آنالوگ برد اردینو انتقال داده و از طریق میکروکنترل داخلی این برد داده  ها پردازش شده و در خروجی تحویل یک گیرنده یا تراشه  ی وای فای می‌گردد که این تراشه وای فای اطلاعات را از طریق وای فای به نرم‌افزار داخل گوشی همراه انتقال داده و از طریق نرم‌افزار این اطلاعات نمایش داده می  شود. در همین راستا هگلند و همکاران 1981 به طراحی صفحه نیرو جهت سنجش نیروهای عکس  العمل زمین طی اجرای فعالیت  های ورزشی پرداخت (18)، لذا کاربر برای اطلاع از متغیرهای همچون مقدار نیروهای وارده به مفاصل که بحث بسیاری زیادی در خصوص شناسایی آسیب  های ورزشی دارد (19)؛ و تحلیل این متغیرها از طریق برنامه  های مانند متلب  ، اکسل، spss به‌صورت یک پروسه طولانی مدت و هزینه  بر از طریق افراد متخصص که آشنایی با تحلیل این دیتاها را داشته باشند در اختیار کاربر قرار می  دهند،
همچنین در این پژوهش با در نظر گرفتن چهار پارامتر مهم اقتصادی بودن، در دسترس بودن و استحکام و سبکی سنسور و جنس نانویی آن  ها این مجموعه ساخته شده است و لذا با توجه به اولویت موارد فوق و ساخت نمونه   اولیه و آزمایشی که در مراحل بعدی نیاز به اصلاحات و افزایش بهبود عملکرد سیستم قبل تولید انبوه می  باشد، طراحی و ساخت شکل گرفته است. پیش از ساخت نمونه توسط نرم‌افزار سالیدورک محل  های دقیق نصب سنسور در جهت هدم درگیری با بدن ورزشکار و رعایت ایمنی دستگاه  ها در جلوگیری از برخورد و شکست در شرایط مختلف تحلیل و ارزیابی شده است و لذا از این جهت این موارد بررسی شده است و مشکلی از این ناحیه دستگاه  ها و سنسورها را تهدید نمی  کند. همچنین از بابت اطمینان از محل دقیق نصب سنسور نیرو و صحیح نشان دادن آن در یک ارزیابی و آزمایش با دستگاه  های اندازه  گیری نیرو در ناحیه  های مختلف کف پا و قرار دادن نیرو در یک نقطه  ی مبدا طی وزن  های مختلف ورزشکار سیگنال متفاوتی تولید کرده و اطلاعات طبق مطالب عنوان شده به پردازنده ارسال و تحلیل داده شد و طی فرایند 5 آزمایش مختلف در چند ناحیه  ی کف پا، بهترین مکان  ها قرارگیری این سنسور در پا صورت گرفت تا بهترین خروجی دریافت گردد. پژوهش حاضر دارای محدودیت  هایی بود که از آن جمله می  توان به عدم ثبت نیروهای عکس-العمل در راستای قدامی-خلفی و داخلی-خارجی اشاره نمود که نیاز است در پژوهش  های آینده با اضافه نمودن این قابلیت و برخی پارامترهای بیومکانیکی دیگری مورد بررسی و تجزیه تحلیل قرار گیرد.
نتیجه  گیری نهایی
با توجه به اینکه هر ورزشی تمرین  های خاص خود و همچنین ترتیبی خاص به همراه دارند. در طراحی کفش ورزشی هوشمند که رفتار ورزشکار در شرایط مختلف به چالش کشیده می  شود و کنترل بهتری بر بیولوژی سیستمی خود را داشته باشد؛ و درنهایت قادر خواهد بود حرکت فشار بروی کف پا رو کنترل نماید، این امر باعث می  شود ورزشکار در تست  های مختلف ورزشی توسط Master ارزیابی شود؛ و توسط اپلیکیشن برنامه‌نویسی شده سنسورها کنترل شود.

ملاحظات اخلاقی
پیروی از اصول اخلاق پژوهش

اصول اخلاق تماماً در این مقاله رعایت شده است. شرکت کنندگان اجازه داشتند هر زمان که مایل بودند از پژوهش خارج شوند. همچنین همه شرکت کنندگان در جریان روند پژوهش بودند. اطلاعات آن‌ها محرمانه نگه داشته شد.
حامی مالی
این پژوهش هیچ گونه کمک مالی از سازمان های دولتی، خصوصی و غیر انتفاعی دریافت نکرده است.
مشارکت نویسندگان
آقای میلاد پور حسن ایده اولیه مقاله و کار آزمایشگاهی مقاله را انجام داد. آقای احسان فخری میرزانق ایده اولیه، طرح نگارش، اصلاح و سابمیت را انجام داد. آقای امیر حسین ستاری نگارش مقاله و کار آزمایشگاهی را انجام داد.
تعارض
بنابر اظهار نویسندگان، این مقاله تعارض منافع ندارد.
نوع مطالعه: پژوهشي | موضوع مقاله: تخصصي
دریافت: 1402/1/15 | پذیرش: 1402/3/27 | انتشار: 1402/3/30

فهرست منابع
1. Zatsiorsky VM, Fortney VL. Sport biomechanics 2000. journal of sports sciences. 1993;11(4):279-83. [DOI:10.1080/02640419308729997] [PMID]
2. Taborri J, Palermo E, Rossi S. Automatic detection of faults in race walking: A comparative analysis of machine-learning algorithms fed with inertial sensor data. Sensors. 2019;19(6):1461. [DOI:10.3390/s19061461] [PMID] [PMCID]
3. Landers DM. The influence of exercise on mental health: President's council on physical fitness and sports; 1997. [DOI:10.1037/e606932007-001]
4. Iwatsubo T, Kawamura S, Miyamoto K, Yamaguchi T. Numerical analysis of golf club head and ball at various impact points. sports engineering. 2000;3(4):195-204. [DOI:10.1046/j.1460-2687.2000.00055.x]
5. Eftaxiopoulou T, Narayanan A, Dear J, Bull A. A performance comparison between cricket bat designs. proceedings of the institution of mechanical engineers, part P: journal of sports engineering and technology. 2012;226(1):16-23. [DOI:10.1177/1754337111425629]
6. Zhang L, editor The application of composite fiber materials in sports equipment. 2015 international conference on education, management, information and medicine; 2015: atlantis press. [DOI:10.2991/emim-15.2015.88]
7. Nobakht F, Fakhri Mirzanag E, Ashrafi N, Fakhraipur P. design and manufacture of antimicrobial new sport shoes using nano-silver to prevent germs and viruses. journal of sport biomechanics. 2022;8(3):200-12.
8. Kissick J, Webborn N. Concussion in para sport. physical medicine and rehabilitation clinics. 2018;29(2):299-311. [DOI:10.1016/j.pmr.2018.01.002] [PMID]
9. IKEDA T, IGUCHI Y, ISHIHARA Y, SHIMASAKI Y, IKEDA H, YOSHIMURA M. Activity profiles of international goalball players using wearable devices. juntendo medical journal. 2019;65(3):279-85. [DOI:10.14789/jmj.2019.65.JMJ19-OA06]
10. Wijnhoven SW, Peijnenburg WJ, Herberts CA, Hagens WI, Oomen AG, Heugens EH, et al. Nano-silver-a review of available data and knowledge gaps in human and environmental risk assessment. Nanotoxicology. 2009;3(2):109-38. [DOI:10.1080/17435390902725914]
11. Katsumura H, Konishi T, Okumura H, Fukui T, Katsu M, Terada T, et al., editors. Development of piezoelectric vibration energy harvesters for battery-less smart shoes. Journal of physics: conference Series; 2018: IOP Publishing. [DOI:10.1088/1742-6596/1052/1/012060]
12. Zadpoor AA, Nikooyan AA. The relationship between lower-extremity stress fractures and the ground reaction force: a systematic review. Clinical biomechanics. 2011;26(1):23-8. [DOI:10.1016/j.clinbiomech.2010.08.005] [PMID]
13. Gottschall JS, Kram R. Ground reaction forces during downhill and uphill running. Journal of biomechanics. 2005;38(3):445-52. [DOI:10.1016/j.jbiomech.2004.04.023] [PMID]
14. Giakas G, Baltzopoulos V. Time and frequency domain analysis of ground reaction forces during walking: an investigation of variability and symmetry. Gait & Posture. 1997;5(3):189-97. [DOI:10.1016/S0966-6362(96)01083-1]
15. Crowe A, Schiereck P, de Boer R, Keessen W. Characterization of gait of young adult females by means of body centre of mass oscillations derived from ground reaction forces. Gait & Posture. 1993;1(1):61-8. [DOI:10.1016/0966-6362(93)90043-Z]
16. Stergiou N, Giakas G, Byrne JE, Pomeroy V. Frequency domain characteristics of ground reaction forces during walking of young and elderly females. Clinical biomechanics. 2002;17(8):615-7. [DOI:10.1016/S0268-0033(02)00072-4] [PMID]
17. Huang Y, Mouzakitis A, McMurran R, Dhadyalla G, Jones RP, editors. Design validation testing of vehicle instrument cluster using machine vision and hardware-in-the-loop. 2008 IEEE international conference on vehicular electronics and safety; 2008: IEEE.
18. Heglund NC. A simple design for a force-plate to measure ground reaction forces. 1981. [DOI:10.1242/jeb.93.1.333]
19. Hoseini Y, Alemzadeh M. Component of grround reaction forces in people with ankle sprain compared with healthy subjects during running. Journal of paramedical sciences & rehabilitation. 2020;9(2):76-86.

بازنشر اطلاعات
Creative Commons License این مقاله تحت شرایط Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License قابل بازنشر است.

کلیه حقوق این وب سایت متعلق به فصلنامه بیومکانیک ورزشی می باشد.

طراحی و برنامه نویسی : یکتاوب افزار شرق

© 2024 CC BY-NC 4.0 | Journal of Sport Biomechanics

Designed & Developed by : Yektaweb