[发明专利]一种基于惯性传感单元的人体动作重构与分析系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及传感技术、运动生物力学、医疗卫生等领域，特别涉及一种基于惯性传感单元的人体动作重构与分析系统及方法。

背景技术

人体动作捕捉与重构技术是3D人物动画、医疗、生物运动力学研究中的重要研究方向，成为改善人们日常生活的不可或缺的一门技术，利用计算机技术捕捉重构人体动作在计算机视觉领域和光学扫描领域中备受关注，人们利用视频手段跟踪、捕捉人体的动作，或利用光学标记定位方法扫描人体，获得人体运动参数并从运动中重建人体的结构和姿势，最终目的是对人体运动行为进行理解分析并加以应用。人体动作捕捉与重构技术主要应用在3D虚拟实现、生物运动分析、医疗评估与康复方案制定等领域，对人的日常生活和人机交互智能化产生深远影响。但是基于视觉或者基于光学的人体动作捕捉与重构技术有很大的局限性，其必须在可见光的情况下才能对人体运动进行捕捉和重构，或者是价格高昂、方案实现复杂。

根据国家专利局检索中心专利查询，有人针对人体头部运动设计了头部姿态感应装置和方法，其主要应用在头颈部康复和运动训练，申请号是：CN201110327998.2，公开号是：CN103076045A。该专利利用惯性传感器对头部的各种运动状态进行判断并获取头部运动参数。该专利研究重点在于单一头部运动姿态数据分析，而没有涉及人体动作三维虚拟重构与人体运动分析。因此，基于惯性传感器技术和无线通讯技术实现实时人体动作捕捉从而重构3D虚拟人体模型，有着重要的研究意义和实际应用意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于惯性传感单元的人体动作重构与分析系统，采用无线方式实现各部分通信，能够在不影响人体正常运动的前提下对快速人体动作进行虚拟重现并进行分析，使之能方便、广泛地应用在人们的日常生活中，甚至取代传统的计算机输入设备。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种基于惯性传感单元的人体动作重构与分析系统，包括姿态信息获取系统、WIFI无线路由器和中心计算机；所述姿态信息获取系统用于实时获取人体姿态信息，包括人体动作加速度数据、角速度数据、地磁数据、姿态角、四元数以及欧拉角。姿态信息获取系统由多个惯性传感单元组成，每个惯性传感单元分别安装在人体的一个部位，惯性传感单元将采集到的姿态信息数据通过WIFI无线路由器实时发送到中心计算机，中心计算机中的应用软件通过融合惯性传感单元信息对人体动作进行重构，并提取运动参数加以分析，为用户提供实时分析结果。

所述惯性传感单元包括电池、电源管理模块、九轴惯性传感器和嵌入式WIFI微控制器；所述电池为惯性传感单元供电，电源管理模块提供充电及断电功能；所述九轴惯性传感器包括三轴加速度传感器、三轴陀螺仪传感器和三轴地磁传感器，分别用于采集加速度信号、角速度信号和地磁信号，九轴惯性传感器与嵌入式WIFI微控制器之间采用串行通信方式连接；嵌入式WIFI微控制器自带WIFI无线通信模块；嵌入式WIFI微控制器采集加速度、角速度及地磁信号并将三者数据进行融合得到姿态角、四元数及欧拉角等姿态信息数据，同时将这些姿态信息数据通过WIFI无线通信模块经由WIFI无线路由器发送到中心计算机；嵌入式WIFI微控制器与中心计算机之间采用TCP通信协议连接，用于接收指令和上传实时数据；嵌入式WIFI微控制器接收计算机应用软件发出的指令并完成同步、启动采集、停止采集、校准、休眠、断电等规定动作。

所述WIFI无线路由器是中心计算机与姿态信息获取系统之间的中继站，姿态信息获取系统的惯性传感单元经由WIFI无线路由器与中心计算机保持无线WIFI连接。WIFI无线路由器具有多信道自适应功能，为中心计算机与姿态信息获取系统之间提供可靠的数据交互链路；

所述中心计算机经由WIFI无线路由器与惯性传感单元之间构成星型结构；中心计算机控制并配置惯性传感单元工作，同时接收、存储和处理惯性传感单元上传的姿态信息数据并实时将各惯性传感单元数据进行融合以完成人体动作的重构；在人体动作重构的基础上进一步提取运动参数并分析处理。

所述惯性传感单元被封装在盒子内，与外接绑带一起构成可穿戴设备。为了完成人体动作的重构，根据人体生物力学特征和关节及节段运动约束关系，将17个惯性传感单元分别佩戴在人体的17个部位，17个部位分别是：头部、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、左脚和右脚。

所述姿态信息获取系统中的惯性传感单元可以根据需要增加或减少，以满足不同的应用场合。