[發(fā)明專利]一種基于慣性傳感器的肢體運動捕捉系統(tǒng)和方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710961786.7
• 申請日: 2017-10-17
• 公開（公告）號: CN107898466B
• 公開（公告）日: 2020-12-11
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 但果;馬強
• 申請（專利權(quán)）人: 深圳大學(xué)
• 主分類號: A61B5/11
• 分類號: A61B5/11;A61B5/00
• 代理公司: 廣東深宏盾律師事務(wù)所 44364
• 代理人: 趙瓊花

本發(fā)明提出一種基于慣性傳感器的肢體運動捕捉系統(tǒng)和方法，所述肢體運動捕捉系統(tǒng)包括慣性傳感器節(jié)點，數(shù)據(jù)采集節(jié)點和上位機。用于實時對人體動作的數(shù)據(jù)進行測量，跟蹤和記錄人體在三維空間中的運動信息。該系統(tǒng)包含慣性傳感器節(jié)點，數(shù)據(jù)采集節(jié)點和上位機顯示。本發(fā)明提供的基于慣性傳感器的運動捕獲系統(tǒng)各肢體運動數(shù)據(jù)采集的方法，能獲得三維空間中人體運動的全部姿態(tài)信息下，減少連線對肢體運動的影響等諸多優(yōu)點，有效的解決了當(dāng)前技術(shù)帶來的不便。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及傳感器學(xué)、運動力學(xué)、導(dǎo)航和醫(yī)療康復(fù)等多學(xué)科領(lǐng)域，尤其涉及一種基于慣性傳感器的肢體運動捕捉系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)

人體動作捕捉是一種能通過虛擬現(xiàn)實場景來把現(xiàn)實生活中人體運動狀態(tài)實時反映到虛擬模型的技術(shù)方法。人體動作捕獲技術(shù)的興起和發(fā)展己經(jīng)被廣泛運用于影視制作、機器人控制，互動游戲，體育訓(xùn)練，醫(yī)療康復(fù)等領(lǐng)域。人體動作捕獲也被廣泛應(yīng)用到影視題材創(chuàng)造中，比如《霍比特人》里兇悍的咕嚕姆。人體動作捕捉技術(shù)給熒幕上一個個栩栩如生的角色賦予了鮮活的生命力。在醫(yī)療科學(xué)領(lǐng)域，該技術(shù)廣泛用于骨科，康復(fù)訓(xùn)練、外科手術(shù)等領(lǐng)域，主要通過醫(yī)生根據(jù)病人康復(fù)前后的運動姿態(tài)信息進行對比，判斷康復(fù)的情況，幫助醫(yī)生更好為病人指定合理的訓(xùn)練方案來幫助病人康復(fù)。

中國專利《基于CAN總線和慣性傳感器的動作捕獲系統(tǒng)及方法》(專利申請?zhí)枺?015105027096)提出了一種基于CAN總線和18個慣性傳感器節(jié)點采集人體空間姿態(tài)系統(tǒng)，wifi無線路由器和中心計算機三部分組成。其中慣性傳感器分別佩戴帶人體的不同關(guān)節(jié)部位，用來實時獲得人體關(guān)節(jié)的三軸加速度，三軸角速度和三軸磁力計的九軸數(shù)據(jù)，然后通過互補濾波算法求解出傳感器的三維空間姿態(tài)信息，再通過wifi將封裝成的數(shù)據(jù)幀發(fā)送給中心計算機。

上述方案主要存在的缺陷有以下幾點：

(1)使用CAN總線連接人體不同運動肢體的慣性傳感器采集節(jié)點會給動作捕獲帶來不便。因為根據(jù)人體力學(xué)中人體運動的復(fù)雜性，會使得連接CAN總線的肢體運動會受到阻礙。

(2)在系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方面一次性發(fā)送多個慣性傳感器節(jié)點的運動數(shù)據(jù)幀會使得數(shù)據(jù)在求解姿態(tài)信息歸一化相對復(fù)雜，并且系統(tǒng)的擴展性不是很好。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決上述存在的問題，本發(fā)明基于慣性傳感器的運動捕獲系統(tǒng)和方法，根據(jù)人體力學(xué)的指導(dǎo)方法在人體的運動中各關(guān)節(jié)相互影響最小的前提下提出一種動作捕獲系統(tǒng)，采用在局部關(guān)節(jié)有線連接和對于人體全身無線的連接方式進行數(shù)據(jù)傳遞。既保證了數(shù)據(jù)采集的實時性和傳輸速率也減少對關(guān)節(jié)運動的阻礙。

本發(fā)明所述的基于慣性傳感器的肢體運動捕捉系統(tǒng)，包括慣性傳感器節(jié)點，數(shù)據(jù)采集節(jié)點和上位機；

所述數(shù)據(jù)采集節(jié)點包含九軸傳感器和嵌入式平臺數(shù)據(jù)處理模塊；其中，所述九軸傳感器都是通過I2C串口與嵌入式平臺相連接，通過讀取不同慣性傳感器節(jié)點的寄存器地址得到每個傳感器獲得的肢體運動數(shù)據(jù)；所述九軸傳感器包括三軸加速度、三軸角速度和三軸磁力計傳感器；

所述的數(shù)據(jù)采集節(jié)點按照與上位機數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議將數(shù)據(jù)打包通過藍牙模塊發(fā)送給上位機的虛擬人物模型。

所述基于慣性傳感器的肢體運動捕捉方法，包括步驟：

A、系統(tǒng)開始工作，初始化九軸傳感器，并設(shè)置定時器，對人體運動信息的實時采集，通過嵌入式平臺實時采集九軸傳感器數(shù)據(jù)再將數(shù)據(jù)進行低通濾波除去噪聲；所述九軸傳感器包括三軸加速度、三軸角速度和三軸磁力計傳感器；

B、利用九軸傳感器中的三軸角速度傳感器輸出的角速度信息和定時器發(fā)送的采集時間Tt-1和采集時間Tt，對角速度數(shù)據(jù)進行時間T＝Tt-Tt-1的積分求出當(dāng)前角度，再通過旋轉(zhuǎn)矢量算法解算得到陀螺儀的估計姿態(tài)四元數(shù)；

C、利用獲得三軸加速度和三軸磁力計傳感器的數(shù)據(jù)，通過高斯牛頓迭代法進行迭代找到最合適的四元數(shù)修正系數(shù)方法如下：