穿戴式人體行走運動捕捉系統(tǒng)的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明設計了一種穿戴式人體行走運動捕捉系統(tǒng)，屬于機械結構設計及自動控制領域。
【背景技術】
[0002]自二十世紀后期，國內(nèi)外己有部分研究機構在穿戴型人體信息采集系統(tǒng)的研制、運動信息的采集以及步態(tài)特征的分析等方面做了相關研究，主要有韓國漢陽大學和國內(nèi)哈爾濱工程大學等。
[0003]韓國漢陽大學研制了一種用于人體下肢運動數(shù)據(jù)采集和步態(tài)分析的系統(tǒng)。該系統(tǒng)由穿戴型隨動腿的光電編碼器，與隨動腿通過踝關節(jié)相連的測力鞋及相關軟件組成。在人體下肢運動狀態(tài)分析領域，提出一種綜合隨動腿關節(jié)運動數(shù)據(jù)及測力鞋壓力數(shù)據(jù)的步態(tài)分析方法。其原理是基于人體下肢腿的運動狀態(tài)以及足部著力地點特征定義步態(tài)描述格式，并建立步態(tài)描述格式與隨動腿的傳感數(shù)據(jù)和足部壓力傳感數(shù)據(jù)的映射關系，當穿戴者行走運動時通過傳感器實測數(shù)據(jù)與步態(tài)描述格式對比識別穿戴者當前的姿態(tài)。實驗表明，該系統(tǒng)能夠獲得隨動腿的運動數(shù)據(jù)及測力鞋的壓力數(shù)據(jù)；同時，還能夠分析穿戴者在行走運動狀態(tài)下的步態(tài)特征。
[0004]哈爾濱工程大學研制的穿戴型下肢運動數(shù)據(jù)采集及運動分析系統(tǒng)。由兩條隨動腿、測力鞋、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及步態(tài)分析軟件組成。在下肢運動特性的研究方面，提出一種基于步態(tài)相位分解步態(tài)的分析方法。其原理是根據(jù)人體行走運動的周期性將下肢在一個完整步態(tài)周期細分為7個步態(tài)相位，并定義了相應的特征值，可通過特征值與足底壓力數(shù)據(jù)的比較識別穿戴者當前的姿態(tài)。所研制下肢行走運動數(shù)據(jù)采集、分析系統(tǒng)可以獲得隨動腿的運動數(shù)據(jù)及足底壓力數(shù)據(jù)，并通過軟件分析下肢的步態(tài)特性。
[0005]此外，還有一些其他機構開展了基于傳感器數(shù)據(jù)的人體下肢步態(tài)特征分析的工作。如瑞士聯(lián)邦工業(yè)技術學院提出一種基于足底壓力數(shù)據(jù)及腳運動角速度數(shù)據(jù)的步態(tài)分析方法，其中足底壓力數(shù)據(jù)由測力鞋檢測，足部行走運動的角速度由安置在鞋后跟部的陀螺儀獲取，通過采集數(shù)據(jù)與人體下肢步態(tài)模式的對比來分析被測者的步態(tài)特征。中國科技大學研制的步態(tài)測試分析裝置由測力鞋、信息采集系統(tǒng)及步態(tài)分析軟件組成，可以完成被測者步態(tài)特征提取并與正常步態(tài)進行對比。這些相關研究的信息采集系統(tǒng)的信息采集以足底壓力為主，較少采集下肢關節(jié)的行走運動數(shù)據(jù)，更沒有腰部數(shù)據(jù)的采集和分析。
[0006]近期，國內(nèi)外研究機構為了使機器人的行走動作更加擬人化，在設計機器人時都加入了腰關節(jié)。如日本東京大學JSK機器人實驗室設計的“小次郎”，這款機器人相比以往的機器人，“小次郎”的獨特之處在于他有與人類相仿的骨骼結構，有人造脊柱，可以向不同方向彎曲，做出彎腰、轉(zhuǎn)身等動作，比其他機器人動作更自然。因此在運動捕捉系統(tǒng)的設計中，加入腰關節(jié)自由度顯的尤為重要。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0007]本發(fā)明的目的在于設計一種穿戴式人體行走運動捕捉系統(tǒng)，該系統(tǒng)在背部、胯部、髖關節(jié)、膝關節(jié)和踝關節(jié)分別安裝傳感器，并在腳底安裝接觸開關，使用芯片采集傳感器數(shù)據(jù)并用發(fā)送到PC。采用背-胯差值法計算獲得腰部的俯仰和橫滾角度，在采集的數(shù)據(jù)中直接讀取髖關節(jié)的俯仰和橫滾角度、膝關節(jié)的俯仰角度、踝關節(jié)的俯仰和橫滾角度，從而直接獲得人體行走運動的數(shù)據(jù)信息。
[0008]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案是一種穿戴式的人體行走運動捕捉系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括背部子系統(tǒng)、胯部子系統(tǒng)、膝關節(jié)子系統(tǒng)、踝關節(jié)子系統(tǒng)和足底系統(tǒng)，膝關節(jié)和踝關節(jié)子系統(tǒng)分別包括左右兩個鏡面對稱部分。
[0009]背部子系統(tǒng)如圖1所示，由背部固定板(I)和安裝在上面的航姿參考系統(tǒng)AHRS(2)組成。將背部固定帶穿過背部固定板(I)，然后將航姿參考系統(tǒng)AHRS(2)固定在人體的背部，測量背部的運動數(shù)據(jù)。
[0010]胯部子系統(tǒng)如圖2和圖3所示，它負責測量胯部和髖關節(jié)的運動數(shù)據(jù)。將航姿參考系統(tǒng)AHRS (4)固定在胯部固定板(3)上，測量胯部運動數(shù)據(jù)。左髖橫滾上連接件(5)與右髖橫滾上連接件(13)分別與胯部固定板(3)連接，并且可以相對滑動調(diào)節(jié)左髖橫滾轉(zhuǎn)動關節(jié)(7)和右髖橫滾轉(zhuǎn)動關節(jié)(15)的左右位置。左髖橫滾中連接件(6)與左髖橫滾上連接件(5)相接，并且可以相對滑動調(diào)節(jié)左髖橫滾轉(zhuǎn)動關節(jié)(7)的上下位置。左髖橫滾關節(jié)(7)上方固定在左髖橫滾中連接件(6)上，下方與左髖橫滾下連接件(8)相連。左髖橫滾下連接件(8)相對左髖橫滾中連接件(6)轉(zhuǎn)動，左髖橫滾關節(jié)(7)就測得左髖的橫滾角。左髖俯仰上連接件(9)與左髖橫滾下連接件(8)相連，并且可以相對滑動調(diào)節(jié)左髖俯仰關節(jié)(10)的左右位置。左髖俯仰關節(jié)(10)上方固定在左髖俯仰上連接件(9)上，下方與左髖俯仰下連接件(11)相連。左髖俯仰下連接件(11)相對左髖俯仰上連接件(9)轉(zhuǎn)動，左髖俯仰關節(jié)(10)就測得左髖的俯仰角。左髖俯仰下連接件(11)固定在左髖大腿固定件(12)上。右髖橫滾中連接件(14)與右髖橫滾上連接件(13)相接，并且可以相對滑動調(diào)節(jié)右髖橫滾轉(zhuǎn)動關節(jié)(15)的上下位置。右髖橫滾關節(jié)(15)上方固定在右髖橫滾中連接件(14)上，下方與右髖橫滾下連接件(16)相連。右髖橫滾下連接件(16)相對右髖橫滾中連接件(14)轉(zhuǎn)動，右髖橫滾關節(jié)(15)就測得右髖的橫滾角。右髖俯仰上連接件(17)與右髖橫滾下連接件(16)相連，并且可以相對滑動調(diào)節(jié)右髖俯仰關節(jié)(18)的左右位置。右髖俯仰關節(jié)(18)上方固定在右髖俯仰上連接件(17)上，下方與右髖俯仰下連接件(19)相連。右髖俯仰下連接件(19)相對右髖俯仰上連接件
(17)轉(zhuǎn)動，右髖俯仰關節(jié)(18)就測得右髖的俯仰角。右髖俯仰下連接件(19)固定在右髖大腿固定件(20)上。把腰帶穿過胯部固定板(3)，將胯部子系統(tǒng)的上方固定在人體的胯部。讓后把固定帶分別穿過左髖大腿固定件(12)和右髖大腿固定件(20)，將胯部子系統(tǒng)分別固定在左右大腿上。
[0011]膝關節(jié)子系統(tǒng)如圖4和圖5所示，圖4為左膝關節(jié)系統(tǒng)，圖5為右膝關節(jié)系統(tǒng)。對于左膝關節(jié)系統(tǒng)，左膝俯仰關節(jié)(22)分別與左膝大腿固定件(21)和左膝小腿固定件(23)相連。左膝小腿固定件(23)相對左膝大腿固定件(21)轉(zhuǎn)動，左膝俯仰關節(jié)(22)就測得左膝的俯仰角。把固定帶穿過左膝大腿固定件(21)，固定在左膝上方的大腿上。把固定帶穿過左膝小腿固定件(23)，固定在左膝下方的小腿上。對于右膝關節(jié)系統(tǒng)，右膝俯仰關節(jié)(25)分別與右膝大腿固定件(24)和右膝小腿固定件(26)相連。右膝小腿固定件(26)相對右膝大腿固定件
(24)轉(zhuǎn)動，右膝俯仰關節(jié)(25)就測得右膝的俯仰角。把固定帶穿過右膝大腿固定件(24)，固定在右膝上方的大腿上。把固定帶穿過右膝小腿固定件(26)，固定在右膝下方的小腿上。
[0012]踝關節(jié)子系統(tǒng)如圖6和圖7所示，圖6為左踝關節(jié)系統(tǒng)，圖7為右踝關節(jié)系統(tǒng)。對于左踝關節(jié)系統(tǒng)，左踝橫滾關節(jié)(28)分別與左踝小腿固定件(27)和左踝連接件(29)相連。左踝連接件(29)相對左踝小腿固定件(27)轉(zhuǎn)動，左踝橫滾關節(jié)(28)就測得左踝的橫滾角。左踝俯仰關節(jié)(30)分別與左踝連接件(29)和左踝腳面固定件(31)相連。左踝腳面固定件(31)相對左踝連接件(29)轉(zhuǎn)動，左踝俯仰關節(jié)(30)就測得左踝的俯仰角。把固定帶穿過左踝小腿固定件(27)，將左踝關節(jié)系統(tǒng)固定在左踝關節(jié)上方的小腿上。把固定帶穿過左踝腳面固定件(31)，將左踝關節(jié)系統(tǒng)固定在左腳腳面上。對于右踝關節(jié)系統(tǒng)，右踝橫滾關節(jié)(33)分別與右踝小腿固定件(32)和右踝連接件(34)相連。右踝連接件(34)相對右踝小腿固定件(32)轉(zhuǎn)動，右踝橫滾關節(jié)(33)就測得右踝的橫滾角。右踝俯仰關節(jié)(35)分別與右踝連接件(34)和右踝腳面固定件(36)相連。右踝腳面固定件(36)相對右踝連接件(34)轉(zhuǎn)動，右踝俯仰關節(jié)
(35)就測得右踝的俯仰角。把固定帶穿過右踝小腿固定件(32)，將右踝關節(jié)系統(tǒng)固定在右踝關節(jié)上方的小腿上。把固定帶