[發(fā)明專利]一種用于對人完成特定動作時的姿態(tài)變異進行識別的方法

有效

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• 申請日: 2012-12-11
• 公開（公告）號: CN103020598A
• 公開（公告）日: 2013-04-03
• 發(fā)明（設計）人: 孫曜;羅志增;孟明;孫巖
• 申請（專利權）人: 杭州電子科技大學
• 主分類號: G06K9/00
• 分類號: G06K9/00;G06K9/46
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 杜軍

技術領域

本發(fā)明屬于運動生物力學領域，涉及到一種在日常居家環(huán)境中，對人完成特定動作時的姿態(tài)變異進行識別的方法。

背景技術

如今我國人口的老齡化趨勢越來越嚴重，而且獨居老人已成為中國城鎮(zhèn)老年人家庭的主要形式。針對獨居老人在家沒人照顧的情況，亟需建立智能化的監(jiān)護及報警系統(tǒng)。

姿態(tài)變異識別是指對人在完成特定動作時的運動力學信息進行追蹤采集，基于所獲取的數(shù)據(jù)對完成特定動作時的人體姿態(tài)特征進行定量描述，進而對該種姿態(tài)是否發(fā)生變化進行判斷。獨居老人完成特定動作的姿態(tài)變異識別結(jié)果，可為智能監(jiān)護及報警系統(tǒng)進行老人獨居生活安全性評估提供重要的客觀依據(jù)。

目前，家庭健身保健設備已較為普及，該類設備中通常包含平衡板、慣性傳感器等部件，如任天堂游戲健身設備中的WII平衡板及裝有慣性傳感器的手柄等。這使得借助該類部件，在老年人進行日常健身活動時，便捷安全地對其完成特定動作時的運動力學信息進行追蹤檢測成為可能。例如，當人處于平衡板上時，通過對分布于平衡板四角的壓力傳感器輸出的四路電壓信號進行分析處理，可以獲得人體重心的位移信息；當人握住手柄完成特定動作時，通過位于手柄內(nèi)部的慣性傳感器，可以獲得手臂運動的三維加速度信息。

但對人在完成同一動作時的運動力學信息進行分析的結(jié)果表明，不同人的同類運動力學信息間存在較大的個體差異。這就要求用于姿態(tài)變異識別所采用的算法具有較強的適應性，從而有效消除個體差異對識別結(jié)果的影響，及時準確地對姿態(tài)變異進行識別。然而，目前該類算法的構建方式尚需進一步研究及探索。

突變理論是從上世紀70年代發(fā)展起來的一個新的數(shù)學分支，它運用拓樸學、奇點理論與結(jié)構穩(wěn)定性現(xiàn)象，考查某一過程從一種狀態(tài)到另一種狀態(tài)的遷躍。因此將獨居老人個體作為一個系統(tǒng)，將日常對個體進行追蹤檢測所獲得的各類運動力學信息作為系統(tǒng)的狀態(tài)變量，針對每個個體構建長期追蹤數(shù)據(jù)庫及近期追蹤數(shù)據(jù)庫，基于突變理論，借助統(tǒng)計分析的方法，對系統(tǒng)中是否存在變點進行判別，進而對獨居老人完成特定動作時的姿態(tài)是否發(fā)生變異進行識別合理可行。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術的不足，提供一種面向日常居家環(huán)境，能及時有效地對人完成特定動作時的姿態(tài)變異進行識別的方法。該方法是在人進行日常健身活動的過程中，利用家庭健身設備所包含的平衡板、慣性傳感器等部件，追蹤獲取人完成特定動作時其肢體運動的三維加速度和其重心位置變化數(shù)據(jù)，并存入個體化數(shù)據(jù)庫作為信息源，利用基于突變理論及統(tǒng)計分析方法構建的算法，對所提取的姿態(tài)特征是否出現(xiàn)變點進行判別，進而對人在完成特定動作時姿態(tài)的變異進行識別。

本發(fā)明方法包括以下各步驟：

步驟1.人體重心位移特征提取，具體是：

通過分布于平衡板四角的壓力傳感器，檢測追蹤對象處于平衡板上,完成特定動作時，所產(chǎn)生的四路電壓信號，分別記為???????????????????????????????????????????????、、、；將坐標原點設在平衡板的一角，四個壓力傳感器的位置坐標分別為，，，。設重心坐標為，依據(jù)力學平衡原理及力矩原理得：

??????????????????????????(1)

式(1)中，。

每次檢測均進行次采樣，采樣周期為，具體取值可根據(jù)被檢測對象的情況確定。每次檢測獲得的各采樣時刻重心坐標表示為,。

將重心距原點的距離作為人體重心位移特征；計算每次檢測中各采樣時刻重心距原點的距離，記為；構建時間序列，并存入該追蹤對象的個體化數(shù)據(jù)庫作為重心位移特征的一個樣本。

步驟2.手臂姿態(tài)特征提取，具體是：

通過手握的慣性傳感器，檢測追蹤對象完成特定動作時，手臂末端沿、、軸的三維加速度數(shù)據(jù)。左臂末端的三維加速度記為、、，右臂末端的三維加速度記為、、。

每次檢測均進行次采樣，采樣周期為，具體取值可根據(jù)被檢測對象的情況確定。每次檢測獲得的各采樣時刻左、右臂末端各軸向加速度值所構成的時間序列分別記為、、、、、。

按式(2)計算從每次檢測開始時刻到第個采樣時刻，手臂末端沿某個軸向運動的距離；?

????????????????????????????????(2)

其中，表示采樣時刻沿某軸向的加速度，表示第個采樣時刻手臂末端沿某個軸向運動的距離。

?則可得到各采樣時刻左、右手臂末端沿、、軸運動的距離，記為、、、、、。構建時間序列、、、、、，，并存入該追蹤對象的個體化數(shù)據(jù)庫作為手臂姿態(tài)特征的一個樣本。