[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

一種基于可穿戴式慣性傳感器的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。本發明系統將小型慣性傳感器布置在人體多處關節點，通過對動作過程中各肢體部位的慣性數據進行融合與推算得到人體上肢姿態重建結果，最后使用棍棒模型將人體姿態可視化，提供了一種成本低廉、穿戴方便、使用無環境限制、數據更新速率高的人體上肢姿態重建系統。

技術領域

本發明應用于人體運動捕捉技術領域，涉及一種適用于人體動作捕捉與重建的基于可穿戴式慣性傳感器的人體上肢姿態重建系統。

背景技術

人體動作捕捉是一種能通過虛擬的三維計算機模型準確、迅速的把現實生活中人體運動狀態實時還原出來的技術方法。近年來，隨著人機交互和無線局域網等關鍵技術的飛速發展，人體動作捕捉被廣泛應用于影視制作、機器人控制、體育競技、康復醫學、體感游戲等領域，獲得十分廣泛的關注，成為電子信息技術研究的熱點之一。

目前,常用的人體動作捕捉系統有基于外骨骼與基于視覺的方法。前者具有較好的空間施展性，但因機械裝置比較復雜，且很多裝置由剛性結構組成，造成體積與質量較大，不易穿戴與攜帶。基于視覺的方法已經得到廣泛應用，可以體現出人體運動特性，方便采集人體運動姿態，同時也能獲得人體全身運動的姿態。但是基于視覺的運動捕捉系統需要多個攝像機以防止運動跟蹤所需的標記物被遮擋，故其使用空間受到較大限制且價格高昂。其次，基于視覺的運動捕捉系統可移植性比較差，攝像頭一般需要固定在某個位置，不方便移動。此外，標光點在被攝像頭識別時，容易受到其他物體干擾，產生不同程度的噪聲，從而導致錯誤的決策。

發明內容

為了解決現有技術所存在的成本較高、可移植性較差的不足，本發明提供一種基于可穿戴式慣性傳感器的人體上肢姿態重建系統，以此來實現對人體動作的采集和重建。

本發明的目的是通過以下技術方案實現的：

一種基于可穿戴式慣性傳感器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；

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；所述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；

所述上位機的數據通信部分用于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；所述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；所述上位機的人體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3D可視化界面顯示各代表人體骨骼與關節的幾何體，得到可視化的人體3D棍棒模型。

進一步，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；