一種人體姿態無線測量系統的製作方法

2023-12-09 17:30:21 1

本實用新型涉及姿態檢測領域，具體涉及一種人體姿態無線測量系統。

背景技術：

人體姿態檢測在工業生產、軍事裝備、虛擬實境以及其他人機互動領域有廣泛的應用，特別是在運動員輔助訓練和康復醫療中的應用更為廣泛。目前，人體姿態無線測量系統主要通過可穿戴的傳感設備對人體關節的運動狀態進行檢測。但現有的可穿戴傳感設備不夠輕便靈活、且各傳感設備之間主要是通過通信線纜連接，對用戶軀體的活動空間和運動幅度有所限制。

技術實現要素：

有鑑於此，本實用新型的目的在於提供一種輕巧方便、低功耗且具備無線收發數據功能的人體姿態無線測量系統，以使上述問題得到改善。

為了實現上述目的，本實用新型的實施例採用如下技術方案：

一種人體姿態無線測量系統，其包括上位機、藍牙適配器和多個測量部件，所述多個測量部件分別設置於人體的四肢和軀幹；

每個所述測量部件包括傳感裝置和處理器，所述傳感裝置與所述處理器電性連接；所述處理器包括一藍牙晶片，所述藍牙晶片與所述傳感裝置電性連接；所述測量部件通過所述藍牙晶片與所述藍牙適配器進行通訊，所述藍牙適配器與所述上位機電性連接；

所述傳感裝置用於採集人體姿態數據，所述處理器用於根據所述人體姿態數據解算出人體運動姿態角，所述上位機用於根據所述人體運動姿態角重建人體三維模型並進行顯示。

在本實用新型較佳的實施例中，上述人體姿態無線測量系統中，所述多個測量部件分別設置於人體的左大臂、左小臂、右大臂、右小臂、左大腿、左小腿、右大腿、右小腿和腰。

在本實用新型較佳的實施例中，上述人體姿態無線測量系統中，所述人體的左大臂、左小臂、右大臂和右小臂分別設置有至少一個所述測量部件，所述測量部件設置於人體的左大臂、左小臂、右大臂和右小臂靠近肘關節處。

在本實用新型較佳的實施例中，上述人體姿態無線測量系統中，所述人體的左大腿和右大腿分別設置有至少一個所述測量部件，所述測量部件設置於所述左大腿和右大腿靠近膝關節處。

在本實用新型較佳的實施例中，上述人體姿態無線測量系統中，所述人體的左小腿和右小腿分別設置有至少一個所述測量部件，所述測量部件設置於所述左小腿和右小腿靠近腳踝處。

在本實用新型較佳的實施例中，上述人體姿態無線測量系統中，所述傳感裝置包括三軸加速度計、三軸陀螺儀和三軸磁力計，所述三軸加速度計、三軸陀螺儀和三軸磁力計分別與所述處理器電性連接。

在本實用新型較佳的實施例中，上述人體姿態無線測量系統中，所述三軸加速度計、三軸陀螺儀和三軸磁力計採用一九軸運動感測組件MPU9250對人體姿態數據進行採集。

在本實用新型較佳的實施例中，上述人體姿態無線測量系統中，所述藍牙晶片為nRF51822。

在本實用新型較佳的實施例中，上述人體姿態無線測量系統中，所述藍牙適配器通過USB接口電路與所述上位機電性連接。

在本實用新型較佳的實施例中，上述人體姿態無線測量系統中，所述人體姿態無線測量系統還包括穿戴件，所述多個測量部件通過所述穿戴件設置於所述人體的四肢和軀幹。

本實用新型實施例提供的人體姿態無線測量系統通過藍牙晶片、藍牙適配器等的設置，實現多個測量部件與上位機之間的無線通信，與現有技術中的線纜連接方式相比，能夠顯著提高系統的輕便靈活性，避免了對用戶活動空間和運動幅度的限制。

進一步地，本實用新型實施例採用多傳感器集於一體的晶片進行人體姿態數據採集，大大減少了部件數量，在確保檢測精確性的同時使得測量部件更加輕便。

附圖說明

為了更清楚地說明本實用新型實施例的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，應當理解，以下附圖僅示出了本實用新型的某些實施例，因此不應被看作是對範圍的限定，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他相關的附圖。

圖1為本實用新型實施例提供的一種人體姿態無線測量系統的系統框圖。

圖2為本實用新型實施例提供的一種測量部件與上位機的連接示意圖。

圖3為本實用新型實施例提供的一種傳感裝置的結構示意圖。

圖4為本實用新型實施例提供的另一種人體姿態無線測量系統的系統框圖。

圖5為本實用新型實施例提供的一種測量部件的安裝示意圖。

附圖標記：

100-人體姿態無線測量系統；

110-測量部件；

111-傳感裝置；112-處理器；113-電源裝置；

1111-三軸磁力計；1112-三軸加速度計；1113-三軸陀螺儀；

120-藍牙適配器；130-上位機；140-USB接口電路。

具體實施方式

為使本實用新型實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術方案進行清除、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本實用新型的一部分實施例，而非全部的實施例。通常在此處附圖中描述和示出的本實用新型實施例的組件可以以各種不同的配置來布置和設計。

因此，以下對在附圖中提供的本實用新型的實施例的詳細描述並非旨在限制要求保護的本實用新型的範圍，而是僅僅表示本實用新型的選定實施例。基於本實用新型中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本實用新型保護的範圍。

應注意到：相似的標號和字母在下面的附圖中表示類似項，因此，一旦某一項在一個附圖中被定義，則在隨後的附圖中不需要對其進行進一步定義和解釋。

在本實用新型的描述中，需要說明的是，除非有另有明確規定和限定，術語「設置」、「連接」應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對於本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本實用新型中的具體含義。

如圖1所示，本實施例中的人體姿態無線測量系統100包括上位機130、藍牙適配器120和測量部件110，所述測量部件110為多個。所述多個測量部件110通過穿戴件設置於人體的四肢和軀幹部位，用以採集所述人體的姿態數據，並通過藍牙適配器120將採集到的人體姿態數據傳送給上位機130，所述上位機130利用現有的OPENGL技術建立人體三維骨骼模型，對人體姿態動作進行實時顯示。在本實施例中，測量部件110的個數不做限制，可根據實際需要進行設置。

具體地，如圖2所示，測量部件110包括傳感裝置111、處理器112和電源裝置113。所述電源裝置113分別與所述傳感裝置111和處理器112電性連接，用於給整個測量部件110供電。所述傳感裝置111與所述處理器112電性連接。所述傳感裝置111用於採集人體姿態數據，所述處理器112用於根據所述人體姿態數據解算出人體運動姿態角，並將所述人體姿態數據和解算出的人體運動姿態角傳送給上位機130。所述傳感裝置111、處理器112和電源裝置113作為一個整體固定於穿戴件，需要對人體姿態進行識別時，用戶只需將穿戴件穿戴於相應的部位進行檢測即可。

如圖2、圖3所示，所述傳感裝置111可以包括三軸磁力計1111、三軸加速度計1112和三軸陀螺儀1113。所述三軸磁力計1111、三軸加速度計1112和三軸陀螺儀1113分別與所述處理器112電性連接。其中，所述三軸磁力計1111、三軸加速度計1112和三軸陀螺儀1113用於採集人體姿態數據，所述處理器112根據所述人體姿態數據進行數據融合和角度解算，實時估計出人體相應部位的姿態角度、速度和加速度。需要說明的是，三軸磁力計1111易受鐵磁物質幹擾。三軸加速度計1112在較長時間內的測量值是正確的，而在較短時間內由於信號噪聲的存在其測量值會產生誤差。三軸陀螺儀1113在較短時間內比較準確，在較長時間內會產生漂移從而產生測量誤差。因此通過所述三軸磁力計1111、三軸加速度計1112和三軸陀螺儀1113之間的配合使用可以確保所得測量數據的準確性。在靜態時，利用三軸加速度計1112採集的數據修正三軸陀螺儀1113採集的數據，一方面保證了所述傳感裝置111的快速動態響應特性。另一方面，能夠快速消除所述傳感裝置111的穩態誤差。反之，在動態時利用三軸陀螺儀1113採集的數據修正三軸加速度計1112採集的數據。利用三軸加速度計1112採集的數據可對三軸磁力計1111採集的數據進行傾斜補償。利用三軸磁力計1111提供無漂移的方向參考矢量，可消除三軸陀螺儀1113的測量值因漂移而產生的誤差。同時利用三軸陀螺儀1113的瞬時特性，可實時校正磁場幹擾對三軸磁力計1111的影響，從而消除偏航角誤差。這樣不但可以提高所述傳感裝置111的動態特性，同時也能降低其穩態誤差。

根據實際需求，可選地，所述三軸加速度計1112、三軸陀螺儀1113和三軸磁力計1111採用三種傳感器合一的九軸運動感測組件MPU9250。所述MPU9250內部集成有一可處理複雜數據的數字運動處理器，所述數字運動處理器將採集到的人體姿態數據融合成姿態四元數，並通過集成電路總線傳送給所述處理器112進行解算。所述數字運動處理器減輕了處理器112的解算複雜程度，提高了所述處理器112人體姿態解算的效率。

可選地，所述處理器112包括藍牙晶片，所述藍牙晶片通過所述MPU9250自帶的集成電路總線與所述MPU9250進行通訊，在接收到所述MPU9250發送的經過初步處理的人體姿態數據後，對其進行進一步的解算，得出人體運動姿態角，並將檢測到的原始人體姿態數據和解算出的人體運動姿態角傳送給所述上位機130。需要說明的是，所述藍牙晶片通過所述藍牙適配器120與上位機130進行數據交互。具體地，所述藍牙晶片內嵌有藍牙協議棧，使得包括所述藍牙晶片的所述處理器112可作為藍牙設備與所述藍牙適配器120進行通訊。根據實際需求，可選地，所述藍牙晶片為nRF51822。

如圖4所示，所述藍牙適配器120與上位機130之間設置有USB接口電路140，所述藍牙適配器120與所述上位機130通過所述USB接口電路140進行數據交互。其中，所述藍牙適配器120作為接收端，當所述測量部件110進入所述藍牙適配器120的通信距離範圍時，所述處理器112即可向所述藍牙適配器120發送其解算出的姿態角和所述MPU9250檢測到的原始人體姿態數據。所述藍牙適配器120再將接收到的姿態數據通過USB接口電路140傳輸給上位機130，所述上位機130通過相關程序進行人體三維模型的重建和顯示。

與彼此獨立的傳感器組合相比，所述MPU9250消除了多傳感器組合的軸間差問題，並且減少了傳感器的體積，降低了系統的功耗。所述MPU9250內部集成有三軸加速度計1112、三軸陀螺儀1113、三軸磁力計1111和數字運動處理器，輸出信號都是16位的數字量，可以通過集成電路總線接口與所述處理器112進行數據交互，其傳輸速率可達400kHZ每秒。其一體化的設計使得測量部件110輕巧方便，方便用戶使用。所述藍牙晶片nRF5188為支持低功耗藍牙協議的超低功耗片上系統，其使得所述多個測量部件110與藍牙適配器120之間實現了藍牙組網，僅通過一個藍牙適配器120即可將多個測量部件110檢測到的數據傳送給上位機130。使得所述人體姿態無線測量系統100可以不受通信線纜的約束，避免用戶使用時運動空間受到限制。

在進行人體姿態識別時，所述測量部件110通過穿戴件設置於人體四肢和軀幹，其設置位置可以有多種選擇，只要能檢測到具備一定準確性的姿態數據即可。

如圖5所示，所述多個測量部件110可以分別設置於人體的左大臂、左小臂、右大臂、右小臂、左大腿、左小腿、右大腿、右小腿和腰部。需要說明的是，設置於所述人體的左大臂、左小臂、右大臂、右小臂、左大腿、左小腿、右大腿和右小腿的測量部件110，其具體設置位置不做限制。

可選地，所述人體的左大臂、左小臂、右大臂和右小臂分別設置有至少一個所述測量部件110。其中，所述左大臂和左小臂上的測量部件110個數相等，且關於左手肘對稱分布。所述左大臂上的測量部件110從靠近左手肘的位置向靠近左肩的一端等距排列，所述左小臂上的測量部件110從靠近所述左手肘的位置向靠近左手的一端等距排列。所述人體右大臂和右小臂上的測量部件110個數相等，且關於右手肘對稱分布。所述右大臂上的測量部件110從靠近右手肘的位置向靠近右肩的一端等距排列，所述右小臂上的測量部件110從靠近右手肘的位置向靠近右手的一端等距排列。根據實際需求，可選地，所述左大臂和左小臂上各有一個測量部件110，所述測量部件110均設置於靠近左手肘處。所述右大臂和右小臂各有一個測量部件110，所述測量部件110均設置於靠近右手肘處。

可選地，所述人體的左大腿、左小腿、右大腿和右小腿上分別設置有至少一個所述測量部件110。其中，所述人體的左大腿和左小腿上的測量部件110個數相等，且關於左膝蓋對稱分布。所述右大腿和右小腿上的測量部件110個數相等，且關於右膝蓋對稱分布。根據實際需求，可選地，所述左大腿和左小腿上各有一個所述測量部件110，所述左大腿上的測量部件110設置於靠近左膝蓋的位置，所述左小腿上的測量部件110設置於靠近左腳踝的位置。所述右大腿和右小腿上各有一個所述測量部件110，所述右大腿上的測量部件110設置於靠近右膝蓋的位置，所述右小腿上的測量部件110設置於靠近右腳踝的位置。

可選地，所述腰部的測量部件110設置於所述人體肚臍眼與下頜的連線上。

根據實際需求，可選地，所述測量部件110的個數可以為9個，即所述左大臂、左小臂、右大臂、右小臂、左大腿、左小腿、右大腿、右小腿和腰部分別設置有一個所述測量部件110。所述9個測量部件110按上述左大臂、左小臂、右大臂、右小臂、左大腿、左小腿、右大腿、右小腿和腰部測量部件110的設置位置進行設置。所述9個測量部件110通過所述藍牙晶片與所述藍牙適配器120進行通訊，將每個所述測量部件110中的MPU9250採集到的人體姿態數據和其解算出的人體運動姿態角傳送給藍牙適配器120，所述藍牙適配器120通過USB接口電路140傳送給上位機130。上述測量部件110的設置方式減小了測量誤差，便於用戶進行穿戴，且為後期人體三維模型的重建帶來了便利。

本實用新型實施例提供的人體姿態無線測量系統100採用將三軸加速度計1112、三軸陀螺儀1113和三軸磁力計1111集於一體的九軸運動感測組件MPU9250對人體姿態數據進行檢測，並利用MPU9250內部的數字運動處理器對所述人體姿態數據進行初步處理，將其轉化為四元數格式後傳送給處理器112進行姿態角的解算。所述處理器112採用藍牙晶片nRF51822作為控制晶片，將藍牙協議棧嵌入到所述藍牙晶片nRF51822內，使得所述測量部件110能夠與藍牙適配器120形成組網。多個測量部件110檢測到的原始人體姿態數據與解算出的人體運動姿態角只需一個藍牙適配器120即可傳送給上位機130。上述設計一方面使得測量部件110更加輕便、測量更加精準，另一方面功耗較低、使用壽命更長。並且本實用新型實施例提供的人體姿態無線測量系統100簡化了通信線路，避免了對用戶運動空間和幅度的限制。

顯然，本領域的技術人員應該明白，上述的本實用新型實施例的功能可以用通用的計算裝置來實現，它們可以集中在單個的計算裝置上，或者分布在多個計算裝置所組成的網絡上，可選地，它們可以用計算裝置可執行的現有程序代碼或算法來實現，從而，可以將它們存儲在存儲裝置中由計算裝置來執行，或者將它們分別製作成各個集成電路模塊，或者將它們中的多個模塊或步驟製作成單個集成電路模塊來實現。這樣，本實用新型的功能實現不限制於任何特定的硬體和軟體結合。

以上所述，僅為本實用新型的具體實施方式，但本實用新型的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本實用新型揭露的技術範圍內，可輕易想到變化或替換，都應涵蓋在本實用新型的保護範圍之內。因此，本實用新型的保護範圍應所述以權利要求的保護範圍為準。