人體下肢動作姿態(tài)再現(xiàn)系統(tǒng)及再現(xiàn)方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種人體下肢動作姿態(tài)再現(xiàn)系統(tǒng)和再現(xiàn)方法，所述再現(xiàn)系統(tǒng)包括：用于使系統(tǒng)正常工作的電源模塊；用于采集人體動作信號的數(shù)據(jù)采集模塊；用于處理從數(shù)據(jù)采集模塊獲取的數(shù)據(jù)信號的信號調(diào)理模塊；用于控制與協(xié)調(diào)整個系統(tǒng)的微控制器模塊；用于接收微控制器模塊中的數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)傳送給動作姿態(tài)分析機的無線通訊模塊；用于復(fù)現(xiàn)人體下肢運動軌跡的動作姿態(tài)分析機。本發(fā)明的人體下肢動作姿態(tài)再現(xiàn)系統(tǒng)及再現(xiàn)方法通過慣性傳感器和柔性傳感器獲取相關(guān)數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進行矢量分析，能夠得到一套完整的再現(xiàn)人體下肢動作所需要的數(shù)據(jù)，并能夠根據(jù)這些數(shù)據(jù)完整再現(xiàn)人體下肢動作的實時效果，測試精度高。
【專利說明】
人體下肢動作姿態(tài)再現(xiàn)系統(tǒng)及再現(xiàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及人體下肢動作監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于慣性傳感器和柔性傳 感器的人體下肢動作姿態(tài)再現(xiàn)系統(tǒng)及再現(xiàn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 傳統(tǒng)的人體動作姿態(tài)再現(xiàn)方法通常有如下幾種：1、通過視頻攝像實時獲取人體動 作數(shù)據(jù);2、通過可穿戴傳感器獲取人體動作數(shù)據(jù)。
[0003] 通過視頻攝像實時獲取人體動作數(shù)據(jù)的識別系統(tǒng)是通過一個或幾個視頻攝像頭 捕捉人體動作畫面，經(jīng)過特別設(shè)計的圖像處理算法，確定人體動作及人體動作狀態(tài)。但是， 基于視頻攝像的識別系統(tǒng)通常要求在指定的環(huán)境中使用，并且要求環(huán)境光照條件良好。
[0004] 穿戴在人體的基于三維加速度傳感器或者多種傳感器融合的人體動作姿態(tài)再現(xiàn) 方法是指嵌入了微型傳感器的可穿戴的設(shè)備，包括衣服、帽子、鞋、腰帶、護膝等，系統(tǒng)可以 實時檢測人體的動作情況，并且與現(xiàn)有的無線通訊技術(shù)相結(jié)合，識別系統(tǒng)不會受到檢測地 點的限制，從而實現(xiàn)無約束的室內(nèi)外自由檢測。但是現(xiàn)有的此類應(yīng)用，或者不能實現(xiàn)實時無 場地約束人體下肢動作姿態(tài)再現(xiàn)，或者不能提供完整人體下肢動作姿態(tài)參數(shù)（因而不能完 整再現(xiàn)人體下肢動作姿態(tài)，只能提供部分人體下肢動作姿態(tài)再現(xiàn)），從而不能在無約束環(huán)境 下完整再現(xiàn)人體下肢動作姿態(tài)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供一種人體下肢動作姿態(tài)再現(xiàn)系統(tǒng)及再現(xiàn)方法，旨在用于解 決現(xiàn)有的人體動作姿態(tài)再現(xiàn)方法，即不能完整再現(xiàn)人體下肢動作的實時效果、測試精度較 低的問題。
[0006] 本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的：
[0007] 本發(fā)明提供一種人體下肢動作姿態(tài)再現(xiàn)系統(tǒng)，其特征在于，包括:用于使系統(tǒng)正常 工作的電源模塊;用于采集人體動作信號的數(shù)據(jù)采集模塊，包括置于人體大腿位置的第一 慣性傳感器、置于人體腰部的第二慣性傳感器以及置于人體膝關(guān)節(jié)部位的柔性傳感器，所 述第一慣性傳感器用于獲取其垂直大腿軸線方向的加速度數(shù)據(jù)和其沿著大腿軸線方向的 加速度數(shù)據(jù)，所述第二慣性傳感器用于獲取人體水平方向加速度數(shù)據(jù)，所述柔性傳感器用 于獲取人體下肢動作時的膝關(guān)節(jié)彎曲數(shù)據(jù);用于處理從數(shù)據(jù)采集模塊獲取的數(shù)據(jù)信號的信 號調(diào)理模塊;用于控制與協(xié)調(diào)整個系統(tǒng)的微控制器模塊；用于接收微控制器模塊中的數(shù)據(jù) 并將數(shù)據(jù)傳送給動作姿態(tài)分析機的無線通訊模塊;用于復(fù)現(xiàn)人體下肢運動軌跡的動作姿態(tài) 分析機，用于根據(jù)接收到的測試數(shù)據(jù)對人體動作進行矢量分析，并計算得到大腿與重力加 速度之間的夾角，從而根據(jù)獲得的人體下肢各個動作參數(shù)復(fù)現(xiàn)人體下肢運動軌跡。
[0008] 進一步地，所述第一慣性傳感器采用二軸加速度計、三軸加速度計、三軸陀螺儀中 的一種或多種。
[0009] 進一步地，所述第一慣性傳感器放置于人體大腿靠近膝蓋的位置。
[0010] 進一步地，所述柔性傳感器的阻值的變化范圍為1 OK~30K或1~20K。
[0011] 進一步地，所述柔性傳感器的阻值變化和膝蓋彎曲的角度成正比。
[0012] 進一步地，所述第二慣性傳感器為三軸加速度計且固定于人體腰部中間。
[0013] 本發(fā)明還提供一種人體下肢動作姿態(tài)再現(xiàn)方法，其特征在于，采用上述任一項所 述的人體下肢動作姿態(tài)再現(xiàn)系統(tǒng)，包括以下步驟：
[0014] 第一慣性傳感器獲取其垂直大腿軸線的加速度數(shù)據(jù)和其沿著大腿軸線的加速度 數(shù)據(jù)、第二慣性傳感器獲取人體水平方向加速度數(shù)據(jù)、柔性傳感器獲取人體下肢動作時的 膝關(guān)節(jié)彎曲數(shù)據(jù)；
[0015] 信號調(diào)理模塊處理從數(shù)據(jù)采集模塊獲取的數(shù)據(jù)；
[0016] 微控制器模塊將調(diào)理后的數(shù)據(jù)信號濾波、標(biāo)度變換處理后傳輸?shù)綗o線通訊模塊；
[0017] 無線通訊模塊接收數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)以無線方式傳送給動作姿態(tài)分析機；
[0018] 動作姿態(tài)分析機根據(jù)接收到的測試數(shù)據(jù)，運用人體動作矢量分析獲取大腿與重力 加速度之間的夾角，從而根據(jù)獲得的人體下肢各個動作參數(shù)復(fù)現(xiàn)人體下肢運動軌跡。
[0019] 進一步地，所述動作姿態(tài)分析機根據(jù)人體水平方向加速度數(shù)據(jù)、第一慣性傳感器 垂直大腿軸線方向的加速度數(shù)據(jù)和第一慣性傳感器沿著大腿軸線方向的加速度數(shù)據(jù)、大腿 與重力加速度之間的夾角再現(xiàn)人體大腿運動姿態(tài)，并繪制出運動軌跡。
[0020] 進一步地，所述動作姿態(tài)分析機根據(jù)獲取的膝關(guān)節(jié)彎曲角，再現(xiàn)人體大腿與小腿 運動關(guān)系，并結(jié)合大腿的運動姿態(tài)繪制出小腿的運動軌跡。
[0021] 進一步地，大腿與重力加速度之間夾角的計算方法如下：設(shè)定人體水平方向加速 度為a，重力加速度為g，大腿相對于重力方向的夾角為Θ，設(shè)定第一慣性傳感器在假設(shè)腰部 靜止的情況下垂直于大腿軸線的加速度為d，設(shè)定第一慣性傳感器垂直于大腿軸線的實際 加速度為b，設(shè)定大腿相對重力方向的角速度為ω，設(shè)定從腰部轉(zhuǎn)動軸到第一慣性傳感器綁 定位置的距離為r，運用人體動作矢量分析得到公式b = d+a · cos0-g · sin0，并結(jié)合公式ω =d · = 計算出大腿相對于重力方向的夾角θ。
[0022] 本發(fā)明具有以下有益效果：
[0023] 本發(fā)明的人體下肢動作姿態(tài)再現(xiàn)系統(tǒng)及再現(xiàn)方法通過慣性傳感器和柔性傳感器 獲取相關(guān)數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)進行矢量分析，能夠得到一套完整的再現(xiàn)人體下肢動作所需要的數(shù) 據(jù)，并能夠根據(jù)這些數(shù)據(jù)完整再現(xiàn)人體下肢動作的實時效果，測試精度高。
【附圖說明】
[0024] 圖1為本發(fā)明實施例提供的人體下肢傳感器佩戴示意圖；
[0025] 圖2為本發(fā)明實施例提供的系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026] 圖3為本發(fā)明實施例提供的大腿運動相對角度計算示意圖；
[0027] 圖4為本發(fā)明實施例提供的進行人體下肢動作姿態(tài)復(fù)現(xiàn)的流程圖。
【具體實施方式】
[0028] 下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完 整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；?本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其它 實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0029] 如圖1和圖2所示，本發(fā)明實施例提供一種人體下肢動作姿態(tài)再現(xiàn)系統(tǒng)，包括:用于 使系統(tǒng)正常工作的電源模塊；用于采集人體動作信號的數(shù)據(jù)采集模塊，包括置于人體大腿 靠近膝蓋位置的第一慣性傳感器1、置于人體腰部中間的第二慣性傳感器2以及置于人體膝 關(guān)節(jié)部位的柔性傳感器3;用于處理從數(shù)據(jù)采集模塊獲取的數(shù)據(jù)信號的信號調(diào)理模塊，其通 過導(dǎo)線分別與所述第一慣性傳感器1、所述第二慣性傳感器2和所述柔性傳感器3相連;用于 控制與協(xié)調(diào)整個系統(tǒng)的微控制器模塊;用于接收微控制器模塊中的數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)傳送給動 作姿態(tài)分析機的無線通訊模塊，所述無線通訊模塊包括無線通訊發(fā)送模塊和無線通訊接收 模塊;用于復(fù)現(xiàn)人體下肢運動軌跡的動作姿態(tài)分析機，用于根據(jù)接收到的測試數(shù)據(jù)對人體 動作進行矢量分析，并計算得到大腿和小腿與重力加速度之間的夾角，從而根據(jù)獲得的人 體下肢各個動作參數(shù)復(fù)現(xiàn)人體下肢運動軌跡。
[0030] 所述第一慣性傳感器1和所述第二慣性傳感器2均采用三軸加速度計，在其他實施 方式中也可以采用二軸加速度計、三軸加速度計、三軸陀螺儀中的一種或多種。三軸加速度 計的量程可以為±1.5g~6g，供電電壓為2.2V~3.6V，采樣頻率可以設(shè)定為50Hz~100Hz。 采用三軸陀螺儀時其量程可以取±250°~500°。所述柔性傳感器3為單向或雙向傳感器，初 始阻值為10K，其內(nèi)部具有一應(yīng)變片，膝關(guān)節(jié)的彎曲時，所述應(yīng)變片發(fā)生彎曲形變使得所述 柔性傳感器3的阻值發(fā)生變化，阻值的變化范圍為10K~30K或1~20K，數(shù)據(jù)的采樣頻率設(shè)定 50Hz~100Hz。所述柔性傳感器3的阻值變化和膝蓋彎曲的角度在一定范圍內(nèi)成正比。
[0031]如圖4所示，為本發(fā)明實施例提供的進行人體下肢動作姿態(tài)復(fù)現(xiàn)的流程圖。當(dāng)人體 運動時，所述第一慣性傳感器1獲取其垂直大腿軸線方向的加速度數(shù)據(jù)和其沿著大腿軸線 方向的加速度數(shù)據(jù)，所述第二慣性傳感器2獲取人體水平方向加速度數(shù)據(jù)，所述柔性傳感器 3可獲取人體下肢動作時的膝關(guān)節(jié)彎曲數(shù)據(jù)。膝關(guān)節(jié)彎曲數(shù)據(jù)具體獲取的方式為:膝關(guān)節(jié)彎 曲時，使相應(yīng)的測試電路產(chǎn)生電信號，反應(yīng)對應(yīng)關(guān)節(jié)的彎曲程度。人體動作數(shù)據(jù)由信號調(diào)理 模塊進行處理，成為微控制器模塊內(nèi)含的A/D可接收信號，微控制器模塊將調(diào)理后的數(shù)據(jù)信 號濾波、標(biāo)度變換處理后傳輸?shù)綗o線通訊模塊，無線通訊模塊接收數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)以無線方 式傳送給動作姿態(tài)分析機，動作姿態(tài)分析機根據(jù)接收到的測試數(shù)據(jù)對人體動作進行矢量分 析，并計算得到大腿和小腿與重力加速度之間的夾角，從而根據(jù)獲得的人體下肢各個動作 參數(shù)復(fù)現(xiàn)人體下肢運動軌跡。
[0032]如圖3所示，大腿與重力加速度之間夾角的計算方法如下:設(shè)人體運動水平加速度 為a，a由所述第二慣性傳感器2提供。人體運動水平加速度a可分解為兩個加速度分量:垂直 于大腿軸線的加速度分量與延著大腿軸線的加速度分量，垂直于大腿軸線的加速度分量大 小為a · cos9，0為大腿相對于重力方向的夾角。設(shè)重力加速度為g，該加速度經(jīng)分解為兩個 加速度分量:垂直于大腿軸線的加速度分量與延著大腿軸線的加速度分量，其中垂直于大 腿軸線的加速度分量大小為g · sin0。設(shè)定第一慣性傳感器在假設(shè)腰部靜止的情況下垂直 于大腿軸線的加速度為d，設(shè)定第一慣性傳感器垂直于大腿軸線的實際加速度為b，可由所 述第一慣性傳感器1直接讀出，根據(jù)人體動作矢量分析可以得到公式b = d+a · cos0-g · sin Θ。進一步地，設(shè)定大腿相對重力方向的角速度為ω，設(shè)定從腰部轉(zhuǎn)動軸到第一慣性傳感器 綁定位置的距離為r，則有ω=(1· Γ，大腿相對于重力方向的夾角Θ和角速度為ω有關(guān)系式
三個公式可計算出大腿相 對于重力方向的夾角Θ。
[0033] 所述動作姿態(tài)分析機根據(jù)人體水平方向加速度數(shù)據(jù)、垂直大腿軸線方向的加速度 數(shù)據(jù)和沿著大腿軸線方向的加速度數(shù)據(jù)、大腿與重力加速度之間夾角再現(xiàn)人體大腿運動姿 態(tài)，并繪制出運動軌跡。所述動作姿態(tài)分析機根據(jù)獲取的膝關(guān)節(jié)彎曲角，再現(xiàn)人體大腿與小 腿運動關(guān)系，并繪制出運動軌跡。進而，如果將第二傳感器指向重力方向的加速度加入進 來，則可以再現(xiàn)人體側(cè)面二維運動軌跡并繪制出動作圖。
[0034] 所述動作姿態(tài)分析機可以自動記錄、描述人體下肢動作軌跡，并可實現(xiàn)兩組人體 下肢動作軌跡比對，用數(shù)據(jù)和圖形的方式分別指出兩組人體下肢動作過程中的差異或動作 變化情況，從而可用于指導(dǎo)人體下肢康復(fù)訓(xùn)練。
[0035] 以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精 神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種人體下肢動作姿態(tài)再現(xiàn)系統(tǒng)，其特征在于，包括： 用于使系統(tǒng)正常工作的電源模塊； 用于采集人體動作信號的數(shù)據(jù)采集模塊，包括置于人體大腿位置的第一慣性傳感器、 置于人體腰部的第二慣性傳感器以及置于人體膝關(guān)節(jié)部位的柔性傳感器，所述第一慣性傳 感器用于獲取其垂直大腿軸線方向的加速度數(shù)據(jù)和其沿著大腿軸線方向的加速度數(shù)據(jù)，所 述第二慣性傳感器用于獲取人體水平方向加速度數(shù)據(jù)，所述柔性傳感器用于獲取人體下肢 動作時的膝關(guān)節(jié)彎曲數(shù)據(jù)； 用于處理從數(shù)據(jù)采集模塊獲取的數(shù)據(jù)信號的信號調(diào)理模塊； 用于控制與協(xié)調(diào)整個系統(tǒng)的微控制器模塊； 用于接收微控制器模塊中的數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)傳送給動作姿態(tài)分析機的無線通訊模塊； 用于復(fù)現(xiàn)人體下肢運動軌跡的動作姿態(tài)分析機，根據(jù)接收到的測試數(shù)據(jù)對人體動作進 行矢量分析，并計算得到大腿與重力加速度之間的夾角，從而根據(jù)獲得的人體下肢各個動 作參數(shù)復(fù)現(xiàn)人體下肢運動軌跡。2. 如權(quán)利要求1所述的人體下肢動作姿態(tài)再現(xiàn)系統(tǒng)，其特征在于:所述第一慣性傳感器 采用二軸加速度計、三軸加速度計、三軸陀螺儀中的一種或多種。3. 如權(quán)利要求1所述的人體下肢動作姿態(tài)再現(xiàn)系統(tǒng)，其特征在于:所述第一慣性傳感器 放置于人體大腿靠近膝蓋的位置。4. 如權(quán)利要求1所述的人體下肢動作姿態(tài)再現(xiàn)系統(tǒng)，其特征在于:所述柔性傳感器的阻 值的變化范圍為IOK~30K或1~20K。5. 如權(quán)利要求1所述的人體下肢動作姿態(tài)再現(xiàn)系統(tǒng)，其特征在于:所述柔性傳感器的阻 值變化和膝蓋彎曲的角度成正比。6. 如權(quán)利要求1所述的人體下肢動作姿態(tài)再現(xiàn)系統(tǒng)，其特征在于:所述第二慣性傳感器 為三軸加速度計且固定于人體腰部中間。7. -種人體下肢動作姿態(tài)再現(xiàn)方法，其特征在于，采用權(quán)利要求1-6中任一項所述的人 體下肢動作姿態(tài)再現(xiàn)系統(tǒng)，包括以下步驟： 第一慣性傳感器獲取其垂直大腿軸線的加速度數(shù)據(jù)和其沿著大腿軸線的加速度數(shù)據(jù)、 第二慣性傳感器獲取人體水平方向加速度數(shù)據(jù)、柔性傳感器獲取人體下肢動作時的膝關(guān)節(jié) 彎曲數(shù)據(jù)； 信號調(diào)理模塊處理從數(shù)據(jù)采集模塊獲取的數(shù)據(jù)； 微控制器模塊將調(diào)理后的數(shù)據(jù)信號濾波、標(biāo)度變換處理后傳輸?shù)綗o線通訊模塊； 無線通訊模塊接收數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)以無線方式傳送給動作姿態(tài)分析機； 動作姿態(tài)分析機根據(jù)接收到的測試數(shù)據(jù)，運用人體動作矢量分析獲取大腿與重力加速 度之間的夾角，從而根據(jù)獲得的人體下肢各個動作參數(shù)復(fù)現(xiàn)人體下肢運動軌跡。8. 如權(quán)利要求7所述的人體下肢動作姿態(tài)再現(xiàn)方法，其特征在于:所述動作姿態(tài)分析機 根據(jù)人體水平方向加速度數(shù)據(jù)、第一慣性傳感器垂直大腿軸線方向的加速度數(shù)據(jù)和第一慣 性傳感器沿著大腿軸線方向的加速度數(shù)據(jù)、大腿與重力加速度之間的夾角再現(xiàn)人體大腿運 動姿態(tài)，并繪制出運動軌跡。9. 如權(quán)利要求8所述的人體下肢動作姿態(tài)再現(xiàn)方法，其特征在于:所述動作姿態(tài)分析機 根據(jù)獲取的膝關(guān)節(jié)彎曲角，再現(xiàn)人體大腿與小腿運動關(guān)系，并結(jié)合大腿的運動姿態(tài)繪制出 小腿的運動軌跡。10.如權(quán)利要求7所述的人體下肢動作姿態(tài)再現(xiàn)方法，其特征在于：大腿與重力加速度 之間夾角的計算方法如下:設(shè)定人體水平方向加速度為a，重力加速度為g，大腿相對于重力 方向的夾角為Θ，設(shè)定第一慣性傳感器在假設(shè)腰部靜止的情況下垂直于大腿軸線的加速度 為d，設(shè)定第一慣性傳感器垂直于大腿軸線的實際加速度為b，設(shè)定大腿相對重力方向的角 速度為ω，設(shè)定從腰部轉(zhuǎn)動軸到第一慣性傳感器綁定位置的距離為r，運用人體動作矢量分 析得到公式b = d+a · cos0-g · sin0，并結(jié)合公式ω =d · r、6 = (" Λ>/?//計算出大腿相對于重 力方向的夾角Θ。
【文檔編號】A61B5/11GK105997097SQ201610458019
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年6月22日
【發(fā)明人】吳雨川, 周國鵬, 朱麗, 胡峰, 馬雙寶, 祁勝峰
【申請人】武漢紡織大學(xué)