[發明專利]一種基于慣性傳感單元的人體動作重構與分析系統及方法

有效

• 申請號: 201410833641.5
• 申請日: 2014-12-25
• 公開（公告）號: CN104461013A
• 公開（公告）日: 2015-03-25
• 發明（設計）人: 唐正;楊先軍;王重陽;孫怡寧;許勝強;邱曉磊;馬祖長;張弦;張曉翟;周旭
• 申請（專利權）人: 中國科學院合肥物質科學研究院
• 主分類號: G06F3/01
• 分類號: G06F3/01;G06T13/40
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 成金玉;孟卜娟

技術領域

本發明涉及傳感技術、運動生物力學、醫療衛生等領域，特別涉及一種基于慣性傳感單元的人體動作重構與分析系統及方法。

背景技術

人體動作捕捉與重構技術是3D人物動畫、醫療、生物運動力學研究中的重要研究方向，成為改善人們日常生活的不可或缺的一門技術，利用計算機技術捕捉重構人體動作在計算機視覺領域和光學掃描領域中備受關注，人們利用視頻手段跟蹤、捕捉人體的動作，或利用光學標記定位方法掃描人體，獲得人體運動參數并從運動中重建人體的結構和姿勢，最終目的是對人體運動行為進行理解分析并加以應用。人體動作捕捉與重構技術主要應用在3D虛擬實現、生物運動分析、醫療評估與康復方案制定等領域，對人的日常生活和人機交互智能化產生深遠影響。但是基于視覺或者基于光學的人體動作捕捉與重構技術有很大的局限性，其必須在可見光的情況下才能對人體運動進行捕捉和重構，或者是價格高昂、方案實現復雜。

根據國家專利局檢索中心專利查詢，有人針對人體頭部運動設計了頭部姿態感應裝置和方法，其主要應用在頭頸部康復和運動訓練，申請號是：CN201110327998.2，公開號是：CN103076045A。該專利利用慣性傳感器對頭部的各種運動狀態進行判斷并獲取頭部運動參數。該專利研究重點在于單一頭部運動姿態數據分析，而沒有涉及人體動作三維虛擬重構與人體運動分析。因此，基于慣性傳感器技術和無線通訊技術實現實時人體動作捕捉從而重構3D虛擬人體模型，有著重要的研究意義和實際應用意義。

發明內容

本發明的目的是提供一種基于慣性傳感單元的人體動作重構與分析系統，采用無線方式實現各部分通信，能夠在不影響人體正常運動的前提下對快速人體動作進行虛擬重現并進行分析，使之能方便、廣泛地應用在人們的日常生活中，甚至取代傳統的計算機輸入設備。

為了達到上述目的，本發明所采用的技術方案為：

一種基于慣性傳感單元的人體動作重構與分析系統，包括姿態信息獲取系統、WIFI無線路由器和中心計算機；所述姿態信息獲取系統用于實時獲取人體姿態信息，包括人體動作加速度數據、角速度數據、地磁數據、姿態角、四元數以及歐拉角。姿態信息獲取系統由多個慣性傳感單元組成，每個慣性傳感單元分別安裝在人體的一個部位，慣性傳感單元將采集到的姿態信息數據通過WIFI無線路由器實時發送到中心計算機，中心計算機中的應用軟件通過融合慣性傳感單元信息對人體動作進行重構，并提取運動參數加以分析，為用戶提供實時分析結果。

所述慣性傳感單元包括電池、電源管理模塊、九軸慣性傳感器和嵌入式WIFI微控制器；所述電池為慣性傳感單元供電，電源管理模塊提供充電及斷電功能；所述九軸慣性傳感器包括三軸加速度傳感器、三軸陀螺儀傳感器和三軸地磁傳感器，分別用于采集加速度信號、角速度信號和地磁信號，九軸慣性傳感器與嵌入式WIFI微控制器之間采用串行通信方式連接；嵌入式WIFI微控制器自帶WIFI無線通信模塊；嵌入式WIFI微控制器采集加速度、角速度及地磁信號并將三者數據進行融合得到姿態角、四元數及歐拉角等姿態信息數據，同時將這些姿態信息數據通過WIFI無線通信模塊經由WIFI無線路由器發送到中心計算機；嵌入式WIFI微控制器與中心計算機之間采用TCP通信協議連接，用于接收指令和上傳實時數據；嵌入式WIFI微控制器接收計算機應用軟件發出的指令并完成同步、啟動采集、停止采集、校準、休眠、斷電等規定動作。

所述WIFI無線路由器是中心計算機與姿態信息獲取系統之間的中繼站，姿態信息獲取系統的慣性傳感單元經由WIFI無線路由器與中心計算機保持無線WIFI連接。WIFI無線路由器具有多信道自適應功能，為中心計算機與姿態信息獲取系統之間提供可靠的數據交互鏈路；

所述中心計算機經由WIFI無線路由器與慣性傳感單元之間構成星型結構；中心計算機控制并配置慣性傳感單元工作，同時接收、存儲和處理慣性傳感單元上傳的姿態信息數據并實時將各慣性傳感單元數據進行融合以完成人體動作的重構；在人體動作重構的基礎上進一步提取運動參數并分析處理。

所述慣性傳感單元被封裝在盒子內，與外接綁帶一起構成可穿戴設備。為了完成人體動作的重構，根據人體生物力學特征和關節及節段運動約束關系，將17個慣性傳感單元分別佩戴在人體的17個部位，17個部位分別是：頭部、左肩、右肩、左上臂、右上臂、左下臂、右下臂、左手、右手、胸口、腰、左上腿、右上腿、左下腿、右下腿、左腳和右腳。

所述姿態信息獲取系統中的慣性傳感單元可以根據需要增加或減少，以滿足不同的應用場合。