[發明專利]一種基于可穿戴式慣性傳感器的人體上肢姿態重建系統

有效

• 申請號: 201910179287.1
• 申請日: 2019-03-11
• 公開（公告）號: CN110327048B
• 公開（公告）日: 2022-07-15
• 發明（設計）人: 張文安;吳航宇;徐建;金聰聰;李鵬;胡晨佳;周晨;王佳鳳
• 申請（專利權）人: 浙江工業大學
• 主分類號: A61B5/11
• 分類號: A61B5/11
• 代理公司: 杭州斯可睿專利事務所有限公司 33241
• 代理人: 王利強

1.一種基于可穿戴式慣性傳感器的人體上肢姿態重建系統，其特征在于：所述人體上肢姿態重建系統包括下位機硬件平臺和人體3D建模上位機，所述下位機硬件平臺包括九軸慣性傳感器和單片機，所述人體3D建模上位機包括數據通信部分、人體上肢坐標系構建部分及人體3D棍棒模型繪制部分，其中：

所述九軸慣性傳感器集成有三軸加速度計、三軸陀螺儀與三軸磁力計，并能通過其內置功能計算得到融合后的四元數信息；單片機用于和九軸慣性傳感器通信并讀取其四元數數據，將數據整合后以數據包的形式發送至上位機；

上位機的數據通信部分和下位機的單片機通信，接收各個傳感器的四元數數據，并含有數據校驗功能；上位機的人體上肢坐標系構建部分構建人體上肢關節的坐標變換樹，根據傳感器得到的四元數信息，計算得到人體上肢各關節間的坐標變換關系；上位機的人體3D棍棒模型繪制部分使用長方體與球體分別表示骨骼與關節，根據人體上肢各關節的坐標變換關系，計算出各幾何體的位置與姿態信息，最后在可視化界面中顯示人體3D棍棒模型；

所述人體上肢右臂進行重建的過程如下：

(1)單片機與三個九軸慣性傳感器進行通信，發送數據請求指令，九軸慣性傳感器收到指令后，返回其測量并計算得到的四元數信息；

(2)單片機按一定頻率，將采集到的各九軸慣性傳感器的四元數數據打包，并通過數據接口發送至上位機端；

(3)人體3D建模上位機的數據通信部分接收到單片機發來的數據包后，從數據包中復原上述四元數數據并傳遞給人體上肢坐標系構建部分；

(4)人體3D建模上位機的人體上肢坐標系構建部分構建了人體上肢關節的坐標變換樹，根據傳感器得到的四元數信息，計算得到人體上肢各關節間的坐標變換關系；

(5)人體3D建模上位機的人體3D棍棒模型繪制部分使用長方體與球體分別表示骨骼與關節，根據步驟(4)中得到的人體上肢各關節的坐標變換關系，計算出各幾何體的位置與姿態信息，最后在3D可視化界面顯示各代表人體骨骼與關節的幾何體，于是得到可視化的人體3D棍棒模型；

所述人體上肢各關節坐標變換的方法為：

首先根據人體骨骼特征，確定人體上肢主要骨骼與關節的連接關系，建立人體上肢骨骼樹形結構圖；

接下來，定義各坐標系兩兩之間存在的平移變換和旋轉變換：其中平移變換P用坐標(x,y,z)表示，旋轉變換Q用四元數的四維向量(w,a,b,c)形式表示；

地理坐標系G下的胸口坐標系B的平移旋轉變換：

設定胸口的九軸慣性傳感器放置與地理坐標系G各坐標軸保持一致，由此可得到：

胸口坐標系B下的肩關節坐標系S的平移旋轉變換：

右肩關節坐標系S相對于胸口坐標系B是靜止的，由此可得到：

肩關節坐標系S下的肘關節坐標系E的平移旋轉變換：

右肩肘關節坐標系E相對于右肩坐標系S的旋轉變換信息由肘關節處的九軸慣性傳感器提供，但其得到的是相對于地理坐標系G的旋轉變換故肘關節坐標系E相對于肩關節坐標系S下的旋轉變換為：

初始校準時刻人體手臂與地面保持平行，筆直向右，記該狀態為T-pose,L₁是常數，表示上臂長度；隨著人體手臂的運動，E相對于S的平移坐標也會發生變化，為了計算變化后的平移坐標，需要先將三維坐標轉換為四元數再進行操作，令初始時刻坐標的四元數表示為p_SE＝(0,L₁,0,0)，則發生旋轉后的坐標更新公式為：

通過公式(2)得到每次手臂運動后，肘關節相對于肩關節所在的空間位置，為使模型與人手姿態同步，需要在一開始進行校準操作，校準的具體操作為：先令手臂保持T-pose靜止，保存此狀態下的四元數q_E0，對后續肘關節E的每個姿態，其旋轉四元數需要乘上q_E0^-1，以消除初始位置誤差帶來的模型偏差，平移坐標計算公式如下：

p_SE′＝(q_E0)^-1q_Eip_SE(q_Ei)^-1q_E0 (3)

肘關節坐標系E下的腕關節坐標系W的平移旋轉變換：同肘關節類似，得到腕關節坐標系W相對于肩關節坐標系S下的旋轉變換如下:

引入一個輔助坐標系A,相當于將肩關節坐標系S平移到肘關節坐標系E處，得到：

可以計算出腕關節坐標系W相對于輔助坐標系A的平移變換如下：

p_AW′＝(q_W0)^-1q_Wip_AW(q_Wi)^-1q_W0 (6)

于是，根據各九軸慣性傳感器的四元數信息，以及已知估計的人體各骨骼長度信息，可由上述兩兩坐標系間的變換關系；

所述九軸慣性傳感器的安裝方法為：以人體上肢右臂的重建為例，需要用到3個九軸慣性傳感器，其中，第一個九軸慣性傳感器需放置在人體胸口,作為人體的基準坐標系，第二個九軸慣性傳感器放在肘關節上方，用來測量上臂的運動姿態信息，第三個九軸慣性傳感器放置在腕關節上方，用來測量下臂的運動姿態信息，左臂的重建與右臂相同。