一种用于捕获人体上肢运动信息的穿戴系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于捕获人体上肢运动信息的穿戴系统，属于人机交互设备技术领域。
【背景技术】
[0002]近年来人机交互技术迅猛发展，它主要是通过相关设备识别人的各种行为动作、身体姿势等与计算机虚拟环境进行互动，实现游戏、操作训练、健身等功能。捕获人体运动是其中关键。目前，人体运动捕获技术大部分是基于图像识别技术，需要摄像头等外接设备，易受到光照、环境等条件的影响。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是提出一种用于捕获人体上肢运动信息的穿戴系统，以实时捕获手臂、手掌和每个手指的运动信息，并进行实时显示，应用于人机交互、遥操作、上肢康复监测等多方面。
[0004]本发明提出的用于捕获人体上肢运动信息的穿戴系统，包括:
[0005]多个传感器，用于采集人体上肢每个关节的三维角速度、三维加速度以及三维磁矢量，包括手臂传感器、手掌传感器和手指传感器，手臂传感器和手掌传感器相互串联，穿戴在手臂和手掌上，手指传感器分为五组，每组中各传感器相互串联，分别穿戴在五根手指的各个关节上，并将采集的人体上肢每个关节的三维角速度、三维加速度以及三维磁矢量通过信号线发送到中央处理器；
[0006]中央处理器，用于接收多个传感器采集的人体上肢每个关节的三维角速度、三维加速度以及三维磁矢量，实时计算各手指关节、手掌和手臂的姿态、速度和位置，中央处理器穿戴在手掌或手臂上，中央处理器通过信号线与多个传感器相连；
[0007]无线传输模块，通过将上述中央处理器计算得到各手指关节、手掌和手臂的姿态、速度和位置，通过无线方式发送到显示器；
[0008]电源，用于为多个传感器、中央处理器和无线传输模块供电，电源穿戴在手臂上；
[0009]显示器，通过无线传输模块接收中央处理器计算得到的各手指关节、手掌和手臂的姿态、速度和位置，并根据接收的各手指关节、手掌和手臂的姿态、速度和位置，实时驱动人体上肢仿真模型。
[0010]本发明提出的用于捕获人体上肢运动信息的穿戴系统，无需外接设备如摄像头等就可以进行工作，不受环境光照、遮挡等影响，适应力强，穿戴方便，能适应不同人体上肢，能实时、完整、快速地捕获手臂、手掌和每个手指的加速度、速度、姿态和位置等运动信息。本发明的穿戴系统可以远距离传输并直观显示，能应用于人机交互、遥操作、上肢康复监测等多种领域。
【附图说明】
[0011]图1是本发明提出的用于捕获人体上肢运动信息的穿戴系统的流程框图。
[0012]图2是本发明的穿戴系统的结构示意图。
[0013]图2中，I是传感器，2是电源，3是中央处理器，4是无线传输模块。
【具体实施方式】
[0014]本发明提出的用于捕获人体上肢运动信息的穿戴系统，流程框图如图1所示，包括:
[0015]多个传感器1，用于采集人体上肢每个关节的三维角速度、三维加速度以及三维磁矢量，包括手臂传感器、手掌传感器和手指传感器，手臂传感器和手掌传感器相互串联，穿戴在手臂和手掌上，手指传感器分为五组，每组中各传感器相互串联，分别穿戴在五根手指的各个关节上；本发明的一个实施例中，一共采用18个传感器模块，其中5串分别穿戴在5根手指的每个关节，一串穿戴在手掌、小臂和大臂上，如图2所示，并将采集的人体上肢每个关节的三维角速度、三维加速度以及三维磁矢量通过信号线发送到中央处理器；
[0016]中央处理器3，用于接收多个传感器采集的人体上肢每个关节的三维角速度、三维加速度以及三维磁矢量，实时计算各手指关节、手掌和手臂的姿态、速度和位置，中央处理器穿戴在手掌或手臂上，中央处理器通过信号线与多个传感器相连。
[0017]无线传输模块4，通过将上述中央处理器计算得到各手指关节、手掌和手臂的姿态、速度和位置，通过无线方式发送到显示器；
[0018]电源2，用于为多个传感器、中央处理器和无线传输模块供电，电源穿戴在手臂上，电源为小型锂电池，输出电压5v。
[0019]显示器，通过无线传输模块接收中央处理器计算得到的各手指关节、手掌和手臂的姿态、速度和位置，并根据接收的各手指关节、手掌和手臂的姿态、速度和位置，实时驱动人体上肢仿真模型。
[0020]本发明提出的用于捕获人体上肢运动信息的穿戴系统中，中央处理器的计算流程如下所示:
[0021](I)根据每个传感器的测量信息，利用卡尔曼滤波，得到每个传感器三维姿态，用四元素Qi表示三维姿态，其中穿戴在大臂、小臂和手掌的传感器的姿态分别为Q 1、Q2、Q3，穿戴在大拇指近端关节、中端关节和远端关节上传感器的姿态分别为Qn、Q12, Q13,同理食指、中指、无名指、小指上传感器模块I的姿态分别为Q21、q22、q23，q31、q32、q33，q41、q42、q43，q51、Q52、Q53;
[0022](2)以大臂作为基关节，得到大臂的姿态为Q1= Q工，小臂的姿态为q2= Q 2.qp手掌的姿态为q3= Q3.q2，大拇指、食指、中指、无名指、小指的每个关节姿态表示为Qjl =Qji.q3，Qj2= Q J2.q3，qJ3= Q J3.，其中 j = 1,2，3,4,5 ；
[0023](3)将关节姿态进行微分，然后乘以各自关节的长度，就得到了上肢运动的速度信息;
[0024](4)将各自关节的姿态和长度相乘，就得到了上肢运动的位置信息。
【主权项】
1.一种用于捕获人体上肢运动信息的穿戴系统，其特征在于该穿戴系统包括: 多个传感器，用于采集人体上肢每个关节的三维角速度、三维加速度以及三维磁矢量，包括手臂传感器、手掌传感器和手指传感器，手臂传感器和手掌传感器相互串联，穿戴在手臂和手掌上，手指传感器分为五组，每组中各传感器相互串联，分别穿戴在五根手指的各个关节上，并将采集的人体上肢每个关节的三维角速度、三维加速度以及三维磁矢量通过信号线发送到中央处理器； 中央处理器，用于接收多个传感器采集的人体上肢每个关节的三维角速度、三维加速度以及三维磁矢量，实时计算各手指关节、手掌和手臂的姿态、速度和位置，中央处理器穿戴在手掌或手臂上，中央处理器通过信号线与多个传感器相连； 无线传输模块，通过将上述中央处理器计算得到各手指关节、手掌和手臂的姿态、速度和位置，通过无线方式发送到显示器； 电源，用于为多个传感器、中央处理器和无线传输模块供电，电源穿戴在手臂上；显示器，通过无线传输模块接收中央处理器计算得到的各手指关节、手掌和手臂的姿态、速度和位置，并根据接收的各手指关节、手掌和手臂的姿态、速度和位置，实时驱动人体上肢仿真模型。
【专利摘要】本发明涉及一种用于捕获人体上肢运动信息的穿戴系统，属于人机交互设备技术领域。穿戴系统包括用于采集人体上肢每个关节的三维角速度、三维加速度以及三维磁矢量的传感器，用于接收人体上肢每个关节的三维角速度、加速度和磁矢量，实时计算各手指关节、手掌和手臂的姿态、速度和位置的中央处理器，通过将各手指关节、手掌和手臂的姿态、速度和位置发送到显示器的无线传输模块，用于接收各手指关节、手掌和手臂的姿态、速度和位置，并实时驱动人体上肢仿真模型的显示器。本穿戴系统适应力强，穿戴方便，能实时、完整、快速地捕获手臂、手掌和每个手指的运动信息，可以远距离传输并直观显示，能应用于人机交互、遥操作、上肢康复监测等多种领域。
【IPC分类】G06F3/01, G06F3/0346
【公开号】CN104881118
【申请号】CN201510271805
【发明人】方斌, 孙富春, 刘华平
【申请人】清华大学
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2015年5月25日