[发明专利]一种人体三维姿态和行为状态传感监测方法与装置

说明书

一、技术领域

本发明涉及智能检测系统范畴，特别是人体姿态的检测，具体是一种人体三维姿态和行为状态传感检测方法与装置。

二、背景技术

在运动训练中或一些特殊疾病如癫痫的诊断、治疗中需要对人体在日常行为中的姿态进行监测与检测。检测装置或仪器已经越来越多的运用到训练或临床诊断，专利号200910028156.X的中国专利《微型多功能人体姿态智能检测仪及检测方法》公布了一种微型多功能人体姿态智能检测仪及检测方法，利用了加速度计作为姿态传感器，为需要受检者提供部分运动状态下的运动参数，运动状态主要包括跑步、急速行走、跳跃等，提供参数包括跑步或行走频率、运动速度、跳跃高度和距离、初始起跳角度和速度。但是没有计算人体的详细三维姿态。专利号200810117914.0的中国专利《基于人体姿态识别的互动娱乐系统及其实现方法》，公布了一种基于人体姿态识别的互动娱乐系统及其实现方法，通过智能视频分析技术实现人体姿态参数提取。但是视频姿态计算受区域限制，只能用于所接摄像机拍摄范围。专利号200820080700.6中国专利《一种电磁式人体姿态采集系统》公布了一种电磁式人体姿态采集系统，但是该系统复杂，连线多，使用起来很麻烦。专利号201310270130.2的中国专利《基于ZigBee和三轴加速度传感器的人体姿态检测系统以及方法》虽然给出了人体姿态检测方法，但本发明只检测跌倒，检测内容有限，还不能适应当前运动或疾病诊断的需要。

三、发明内容

本发明针对现有技术的不足，设计一种记录人体三维姿态传感检测的方法和装置。本发明的方法不用视频检测、不需要体外连线同时可完成多个记录点的检测，检测效果更好、更精确。

本发明的目的是这样达到的：利用人体三维姿态和行为状态传感检测装置在计算机控制下进行检测，检测装置中有多组人体传感器装置，每组人体传感装置中有三轴磁力传感器、三轴加速度传感器和三轴陀螺仪传感器三种不同的传感器，人体三维传感装置安装在人体的不同部位。

检测过程是：建立三维空间参考坐标系，以三维空间参考坐标系为基础建立人体三维空间坐标系、传感器集成电路三维坐标系以及传感器集成电路对三维参考坐标系的姿态角。以头顶和人体各关节为人体姿态定位点，测量人体头顶以及各关节间的间距，确定立正状态下头顶以及人体各关节在人体三维空间坐标系中的坐标点。在人体不同部位安装人体三维传感装置，在立正状态向正北站立下测量人体三维传感装置三轴磁力传感器、三轴加速度传感器和三轴陀螺仪传感器输出校准值，人体任意姿态下测量得到人体三维传感装置中三轴磁力传感器、三轴加速度传感器的输出测量值。根据输出校准值和任意姿态下输出测量值，计算人体三维传感装置校准姿态角和测量姿态角。根据人体三维传感装置校准姿态角和测量姿态角计算头顶和人体各关节在人体三维空间坐标系中的坐标，根据头顶和人体各关节在人体三维空间坐标系中的坐标确定人体三维姿态；根据人体三维传感装置中三轴陀螺仪传感器和三轴加速度传感器的输出初始值和任意姿态下输出测量值计算肢体的运动方向和运动路径，综合人体三维姿态、肢体运动方向、肢体运动路径，确定人体行为状态。

所述建立三维空间参考坐标系，以三维空间参考坐标系为基础建立人体三维空间坐标系、传感器集成电路三维坐标系以及传感器集成电路对三维参考坐标系的姿态角；以头顶和人体各关节为人体姿态定位点，测量人体头顶以及各关节间的间距，确定立正状态下头顶以及人体各关节在人体三维空间坐标系中的坐标点的步骤是：

先建立三维空间参考坐标系，坐标系中，OX轴指向北，OY轴指向东，OZ轴指向地；

再建立传感器集成电路坐标系，坐标系中，OXb轴沿传感器集成电路的纵轴指向前,OYb轴沿传感器集成电路横轴指向右侧，OZb轴根据右手法则确定；三轴磁力传感器、三轴加速度传感器和三轴陀螺仪传感器采用相同的传感器集成电路坐标系。

然后确定传感器集成电路对三维参考坐标系的姿态角：包括面向角、侧倾角、前倾角，

面向角：传感器集成电路纵轴OXb轴在水平面的投影与地磁北之间的夹角，面向角用ψ表示；

侧倾角：传感器集成电路横轴OYb方向与水平面之间所形成的夹角，侧倾角用Ф表示；

前倾角：传感器集成电路纵轴OXb轴方向与水平面之间所形成的夹角，前倾角用θ表示。

根据姿态角确定传感器集成电路相对参考坐标系的姿态角计算公式：设三轴磁力传感器采集数据为[Mx,My,Mz],三轴加速传感器的数据采集数据为[Gx,Gy,Gz],则传感器集成电路相对参考坐标系的姿态角为：

前倾角:θ=arcsin(-Gx)