微型多功能人體姿態智能檢測儀及檢測方法
2023-10-22 01:31:52
專利名稱：微型多功能人體姿態智能檢測儀及檢測方法
技術領域：
本發明涉及一種人體運動狀態及姿態參數的檢測儀及檢測方法，屬於人體姿 態檢測領域。通過加速度計組成姿態檢測傳感單元實現運動及人體姿態的實時採 集，利用內置於微處理器中的數據處理算法分析處理數據，並判斷被檢測者當前 的運動狀態和身體姿態，給出分析結果。
背景技術：
人體運動姿態檢測為運動科學以及康復醫學提供定量的人體運動分析信息。 現代人體運動檢測方式一般有四種1、固定視場中的多視角合成裝置， 一般通 過特定空間中分布的攝像機鏡頭從不同角度攝取人體運動圖像，再按空間關係重
構運動過程；2、利用超聲波、紅外光波及無線電磁波在固定發射位置的三點定 位方法，確定人體的運動絕對坐標；3、利用機械相對位移或檢測元件特性的物 理變化，檢測人體運動中各個運動部位間的相對運動關係。如應變片式分布角度 傳感系統、光纖數據衣、數據手套等。上述幾種方法對於人體的運動信息檢測技 術起到了非常積極的作用，但是由於計算複雜，設備昂貴以及結構複雜，通常僅 限於特殊用途的使用，例如利用多視角CCD攝像機的運動分析，在運動員運動行 為分析中起到了積極的作用；而數據手套等設備，由於高昂的價格， 一般用於虛 擬現實技術等領域。對於普通用途的需求，目前缺乏相關技術產品和技術。鑑於 此，採用普通加速度傳感器和慣性導航系統結臺，可以構成一個六自由度空間位 置測量系統，可以滿足普通需要的運動姿態及相關信息的檢測。
在國內專利號為94226378.2專利中，發明人公開了一種利用水平開關、音樂 模塊等器件，實現了對使用人不良座姿提醒的電子矯姿裝置。但是，該發明僅對 前後方向的不良座姿檢測有效，無法實現站立、行走左右方向側傾的檢測，有一 定的局限性。另一項美國07/503，265的專利中，發明人公開了一種能夠自動調節背部肌肉拉力的設備，以糾正使用者背部的不良姿態，通過力學方法的被動矯姿 技術，國內也有類似專申請(申請號200420118736)。其他還有如利用視頻和機 械結合的方法，幫助使用者進行姿態矯正的專利。另一方面，現代醫學矯形原理 融合加速度傳感器與慣性導航系統結合裝置能夠重現人體運動姿態，完成人體非 正常運動姿態的分析並對於該類行為介入式幹預，以確保良好的個人行為習慣。 然而，該類醫療儀器系統組成複雜，設備大型化，存在於醫院或學術機構。因此， 作為一種治療手段而不能作為個人日常行為長期培養手段。
發明內容
本發明目的在於提供一個由於實時檢測受檢者運動狀態及相關參數和在不
同運動狀態下的姿態的微型測量儀器及其測量方式。利用姿態傳感器的檢測信
號，實現受檢者運動狀態的自動辨識(運動或者靜止)以及在較低強度運動下的 步速和頻率檢測。
一種微型多功能人體姿態智能檢測儀，包括用於測量運動及姿態信息的姿態 傳感檢測單元；與姿態傳感檢測單元相連的A/D轉換單元；與A/D轉換單元相連 的用於實現運動模式的判別、運動參數的計算、身體姿態參數的計算提取的信息 處理單元；用於輸入指令、測量數據及計算數據存儲的存儲單元；實現指令輸入 的輸入單元；實現數據輸出的輸出單元；為系統提供能量的供電單元；其特徵在 於所述姿態傳感檢測單元所採用的傳感器為水平加速度計和垂直加速度計。
一種微型多功能人體姿態智能檢測方法，其特徵在於利用水平加速度傳 感器和垂直加速度傳感器作為姿態傳感器，檢測人體運動並實現站、立、行多種 運動情況下的姿態檢測；具體工作模式及實現方式如下
模式0判斷受檢者是在運動還是靜止狀態
利用水平加速度傳感器獲得的水平速度大小和垂直加速度傳感器獲得的起 伏頻率快慢作為依據判斷當前狀態為靜止或慢走或慢跑或快走或跑步； (1)、檢測步速
將水平加速度傳感器獲得的水平加速度信息通過以下處理獲得速度信息，具 體如下公式v = v。+^A
5其中vo是每一測量時刻的初始速度，a是測量出的水平加速度值，因為這 種測量是連續進行的，vo就是前一時刻的速度值，為已知量，f可以根據需要設 定，取一個或多個起伏時間；
(2)、檢測頻率
採用垂直加速度過零點法測量頻率，即垂直加速度符號每變號一次認為行走 了一步，當時間累計達到給定時，用計數器數值除以時間即為頻率。
本發明還可以包括以下工作模式模式l用於測量跳躍參數，包括檢測跳 躍髙度和距離、初始起跳角度和瞬間最大起跳速度信息-
將坐標系分為水平和垂直平面，運動過程中水平矢量積分為跳躍距離，垂直 矢量積分為跳躍高度，其中初始時刻合矢量與重垂的夾角即為初始起跳角度，合 矢量大小即為最大起跳速度；公式如下
0
^ = arccos(a義+ a少+ az)/g
0
式中^+，&表示三軸方向的加速度；AG^分別為跳躍時間、跳躍上升至最大 高度時間以及計量初始速度時刻；S^分別為跳躍距離和跳躍高度；P為初
始起跳角度；F為瞬間最大速度。
本發明還可以包括以下工作模式:模式2當O模式判斷當前狀態為靜止時, 可繼續進行上身姿態測量
檢測時保證檢測儀隨上身同步運動；利用三個相互垂直的加速度軸建立一空 間笛卡爾坐標系，在低強度運動或相對靜止狀態下，通過測量三軸方向的靜態加 速度變化，確定被檢測姿態坐標系與初始姿態的相對關係，並以此判斷當前姿態 的合理性。姿態可用下面公式確定A = arccos /g '^ = arccos^/g 《=arccosaz/g
式中a"a》A表示三軸方向的加速度，g為重力加速度值；6^，《，《表示各軸與地 垂的角度。
該模式下的角度可以作為判斷人體上身傾斜度的參考，當該角度大於一個閾 值並保持不變，可以認為該人士處於非正常彎曲姿態。可以為那些需要進行姿態 校正的人士提供姿態信息，實現提醒式的主動矯姿，培養良好習慣。
所述的微型多功能人體姿態智能檢測儀還可以包括一套上位計算機分析系 統，通過RS232通訊接口，實現與計算機的通訊，並可利用計算機上的分析系 統，結合歷史數據，分析受檢者的運動訓練情況。大大提高本儀器的分析功能和 數據處理能力。
本申請中，上所述的微型多功能人體姿態智能檢測儀，其中的運動姿態傳感 器可以根據需要選用相關的多軸加速度計。利用了加速度計作為姿態傳感器，為 需要受檢者提供部分運動狀態下的運動參數，運動狀態主要包括跑步、急速行走、 跳躍等，提供參數包括跑步或行走頻率、運動速度、跳躍高度和距離、初始起跳 角度和速度。如上所述的微型多功能人體姿態智能檢測儀，其核心單元僅有普通 腕式機械錶機芯大小，使用起來非常方便，可以將它夾在緊身上衣上，甚至直接 貼在皮膚上。與現有技術相比，本發明中採用多軸加速度傳感器和微處理器，大 幅提高了本發明儀器的智能處理和數據計算分析能力，克服了現有技術無法同時 實現運動狀態判斷、運動參數和姿態檢測的缺陷，實現了多功能同步檢測；同時 改進了現有姿態檢測技術中無法實現空間全方位連續測量的不足，實現了人體空 間姿態的連續測量，擴大了姿態檢測的範圍，提高了儀器的使用靈活性。通過改 變傳感器的精度，可以滿足更多不同需求。
圖1是本發明的微型多功能人體姿態智能檢測儀結構示意圖; 圖2是本發明的微型多功能人體姿態智能檢測儀原理框圖； 圖3是本發明的微型多功能人體姿態智能檢測儀實現流程圖;圖4是本發明的微型多功能人體姿態智能檢測儀面板圖。 圖5是本發明中軍姿檢測實施例原理示意圖。
圖中標號名稱1、傳感單元2、數據處理單元；3、調節單元；4、提示 單元；5、電源模塊；6、指示單元；7、加速度計；8、微型計算機；9、工作模 式選擇；10、語音或震動提示。
具體實施例方式
為了達到上述目的，本發明提供了一種微型運動及姿態檢測裝置(圖2)， 用於對受檢者的運動狀態及身體姿態進行測量。該裝置包括1、傳感單元用 於測量運動及姿態信息；2、數據處理單元用於實現運動模式的判別、運動參 數的計算、身體姿態參數的計算提取；3、調節單元用於實現測量及計算數據 的存儲，指令的輸入以及信息的輸出等功能，該單元有數據存儲器、工作模式選 擇輸入接口、信息輸出接口； 4、提示單元在需要時還提供語音、振動等提示 功能；5、電源模塊為系統提供能量；6、指示單元指示系統當前工作狀態。
如上述儀器，圖1所述的微型多功能人體姿態智能檢測儀，其中包括的7、 加速度計用於檢測運動狀態及相關參數，上身的姿態檢測及參數測量；8、微 型計算機作為儀器的主控中心，用於數據的計算及分析處理、整個檢測儀器的 邏輯控制、人機互動以及數據程序的存儲等；利用其內置的A/D轉換器，實現 數據的採集與轉換；同時利用其內置的存儲器(FLASH)保存系統工作程序、 初始數據以及分析結果等。9、工作模式選擇按鈕一組2個用於選擇工作模式 0、 1、 2;其中0模式表示運動方式檢測，該模式下可判斷受檢者是在運動還是 靜止狀態，若是靜止狀態，則進行姿態測量，否則不做處理；1模式下可測量運 動狀態下的跑步或步行頻率，運動速度等運動基本參數；2模式用於在跳躍式的 參數測量，可以檢測跳躍高度和距離、初始起跳角度和瞬間最大起跳速度等。10、 語音或震動提示用於指示系統工作狀態。
圖4為儀器面板，有指示區ll、調節操作區12兩組按鈕。指示區分別顯示 當前系統工作狀態，包括電源狀態、當前工作模式(0、 1、 2)。調節操作區包 括提示選擇、音量控制、錄音三組按鈕，用於選擇提示方式為振動還是語音方式; 音量控制按鈕調節音量大小；錄音按鈕可以跟新提示語音。
8圖3為該系統工作流程。系統開機等待用戶選擇工作模式。確定好工作模式， 系統即運行該模式下的程序。
如上所述的微型多功能人體姿態智能檢測儀，其中的運動姿態傳感器可以根 據需要選用相關的多軸加速度計。
如上所述的微型多功能人體姿態智能檢測儀還提供了一套上位計算機分析 系統，通過RS232通訊接口，實現與計算機的通訊，並可利用計算機上的分析 系統，結合歷史數據，分析受檢者的運動訓練情況。
如上所述的微型多功能人體姿態智能檢測儀，其核心單元僅有普通腕式機械 表機芯大小，使用起來非常方便，可以將它夾在緊身上衣上，甚至直接貼在皮膚 上。
實施例l
運動模式的判斷及檢測
可以通過測量水平加速度和垂直加速度數值，判斷當前運動狀態。水平加速 度可以直接反映出運動速度的快慢，但是單純依靠該測量值判斷運動並不可靠， 例如受檢者乘車騎車時就無法準確判斷。此時可以配合垂直加速度的測量，因為 人在運動過程中會伴隨有身體的起伏運動，同時起伏頻率和幅度也會隨運動狀態 發生變化。因此結合水平和垂直兩種加速度的測量值，可以比較準確判斷受檢者 當前的運動狀態。
當兩者均在一個接近於零的小範圍內變化，判斷為基本處於靜止狀態；當水
平移動速度不大(例如<1.0m/s)，同時起伏頻率不太大(例如<1HZ),判斷 為慢速行走；同理，當平均移動速度較快(1.0 2.0m/s)，同時起伏頻率較大(1 3Hz)時，判斷為慢跑或快走；如果速度超過設定值(15m/s)，頻率大於20Hz 時，本檢測儀器將認定為狀態無法辨識，因為此時已超出了人的通常運動行為； 介於上述值之間的，則可認定為跑步。
實施例2
步速和頻率的檢測
9對於行走或跑步過程的參數檢測，最關鍵的是速度和頻率兩個參數。本實施 例將具體給出兩個參數的檢測實現方法。將本檢測儀置於身體腰部後側腰椎出，
因為在運動過程中，腰椎處最穩定，最適合作為檢測點，測量步速。因為測量採
用的是加速度傳感器，需要計算方可獲得速度信息，具體如下公式
其中Vo是每一測量時刻的初始速度，fl是測量出的水平加速度值。因為這種測 量是連續進行的，Vo就是前一時刻的速度值，為已知量，f可以根據需要設定， 取一個或多個起伏時間。需要指出的是，根據上式計算獲得的速度，實際上並非 實際運動速度的精確值。誤差主要來自於傳感器水平軸的水平度，加速度計因漂 移而產生的累計誤差以及傳感器本身的固有誤差等。
頻率的測量釆用垂直加速度過零點(即符號變號)，當垂直加速度由零變為 正值時，計數器加以，認為行走了一步，當時間累計達到給定時，用計數器數值 除以時間即為頻率。因為行走時，身體會隨之產生一個起伏過程，垂直方向輸出 的加速度也會隨之改變符號。
採用本實施例時，儘可能使本儀器面板前部箭頭保持與地面垂直。
本實施例主要涉及軍人站姿、座姿以及行姿上身姿態的檢測。將本檢測儀佩 戴於受檢者上身，保證其可以隨上身同步運動。在本實施例中，將上身看作剛體, 其上的任一點運動即可認為是整個剛體的運動。以本測量儀器為原點，利用三個 相互垂直的加速度軸建立一空間笛卡爾坐標系。在低強度運動或相對靜止狀態 下，通過測量三軸方向的靜態加速度變化，確定被檢測姿態坐標系與初始姿態的 相對關係，並以此判斷當前姿態的合理性。姿態可用下面公式確定
式中A,+,A表示三軸方向的加速度，g為重力加速度值；6^表示上身傾
實施例3
軍姿檢測:斜角度，如圖(5)所示。當二者或其一小於設定閾值則報警c
權利要求
1、一種微型多功能人體姿態智能檢測儀，包括用於測量運動及姿態信息的姿態傳感檢測單元；與姿態傳感檢測單元相連的A/D轉換單元；與A/D轉換單元相連的用於實現運動模式的判別、運動參數的計算、身體姿態參數的計算提取的信息處理單元；用於輸入指令、測量數據及計算數據存儲的存儲單元；實現指令輸入的輸入單元；實現數據輸出的輸出單元；為系統提供能量的供電單元；其特徵在於所述姿態傳感檢測單元所採用的傳感器為水平加速度計和垂直加速度計。
2、 根據權利要求1所述的微型多功能人體姿態智能檢測儀，其特徵在於所 述輸入單元包含工作模式選擇子單元。
3、 根據權利要求1所述的微型多功能人體姿態智能檢測儀，其特徵在於所 述輸出單元包含提示功能子單元。
4、 根據權利要求1所述的微型多功能人體姿態智能檢測儀，其特徵在於所 述檢測儀還包括一個將歷史數據輸入上位計算機分析系統的接口。
5、 一種微型多功能人體姿態智能檢測方法，其特徵在於-利用水平加速度傳感器和垂直加速度傳感器作為姿態傳感器，檢測人體運動 並實現站、立、行多種運動情況下的姿態檢測；具體工作模式及實現方式如下模式0判斷受檢者是在運動還是靜止狀態利用水平加速度傳感器獲得的水平速度大小和垂直加速度傳感器獲得的起 伏頻率快慢作為依據判斷當前狀態為靜止或慢走或慢跑或快走或跑步。
6、 根據權利要求5所述的微型多功能人體姿態智能檢測方法，其特徵在於還包括以下工作模式模式1用於湄量跳躍參數，包括檢測跳躍高度和距離、初始起跳角度和瞬 間最大起跳速度信息將坐標系分為水平和垂直平面，運動過程中水平矢量積分為l^躍距離，垂直 矢量積分為跳躍高度，其中初始時刻水平矢量與垂直矢量的合矢量與水平矢量的 夾角即為初始起跳角度，合矢量大小即為最大起跳速度。
7、 根據權利要求5或6所述的微型多功能人體姿態智能檢測方法，其特徵在於還包括以下工作模式模式2當O模式判斷當前狀態為靜止時，可繼續進行上身姿態測量檢測時保證檢測儀隨上身同步運動；利用三個相互垂直的加速度軸建立一空間笛卡爾坐標系，在低強度運動或相 對靜止狀態下，通過測量三軸方向的靜態加速度變化，確定被檢測姿態坐標系與 初始姿態的相對關係，並以此判斷當前姿態的合理性。
8、 根據權利要求5所述的微型多功能人體姿態智能檢測方法，其特徵在於:還包括將歷史數據輸入上位計算機分析系統進行受檢者的運動訓練情況分析。
全文摘要
一種微型多功能人體姿態智能檢測儀及檢測方法，屬於人體姿態檢測領域。該檢測儀，包括姿態傳感檢測單元、A/D轉換單元、信息處理單元、存儲單元、輸入單元、輸出單元、供電單元，其特徵在於所述姿態傳感檢測單元所採用的傳感器為水平加速度計和垂直加速度計。利用了加速度計作為姿態傳感器，為需要受檢者提供部分運動狀態下的運動參數，運動狀態主要包括跑步、急速行走、跳躍等，提供參數包括跑步或行走頻率、運動速度、跳躍高度和距離、初始起跳角度和速度。可以為那些需要進行姿態校正的人士提供最大範圍的姿態信息，其中包括受檢者處於相對靜止、步行或乘車等多種情況下的姿態檢測，實現提醒式的主動矯姿，培養良好習慣。
文檔編號G01P13/00GK101504424SQ20091002815
公開日2009年8月12日 申請日期2009年1月9日 優先權日2009年1月9日
發明者森 徐, 力 曹, 睿 李 申請人:南京航空航天大學