一种根据人体穴位定位的多通道人体下肢运动信息采集系统及方法与流程

1.本发明涉及采集系统及方法技术领域，更具体地，涉及一种根据人体穴位定位的多通道人体下肢运动信息采集系统及方法。


背景技术：

2.人体下肢运动信息即指人体下肢运动过程中各关节角度的变化，是反映人体步态运动状态最直接的运动学参数。所以，越贴近人体真实的运动规律信息对人体步态分析或下肢外骨骼机构的设计与研究越具有重要的作用和意义。作为采集系统，其关键在于采集和传输方案的设计，早期的采集系统多由人体穿戴测量机械机构，直接测量光电编码器输出的信息。随着传感器技术的进步，惯性系统逐步应用在人体运动信息采集的过程中，其能够较为容易的直接获取到人体的姿态信息。但是，在惯性系统因为传感器较为敏感，而采集过程中采集放置传感器的位置存在较大的随意性，每个个体也存在差异性，采集到的数据存在较大的误差。
3.为了满足分析和实际应用的要求，下肢运动信息采集系统必须具有低成本、采集过程简单方便、易于操作、数据实时且同步、传输稳定可靠。更重要的，系统必须能够针对不同的人群进行采集，减少数据采集误差，具有通用性。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供据人体穴位标定位置式的多通道人体下肢运动信息采集系统及方法，以解决背景技术提出的问题。
5.为达到上述目的，提供了一种根据人体穴位定位的多通道人体下肢运动信息采集系统，包括：
6.惯性传感器单元，包括若干个惯性传感器；所述惯性传感器通过放在人体穴位来标定放置惯性传感器的位置并获取人的姿态信息；所述姿态信息为惯性传感器的旋转角度；
7.蓝牙传输单元，包括互相匹配的蓝牙主模块和蓝牙从模块，所述蓝牙主模块连接fpga处理器；所述蓝牙从模块与惯性传感器单元连接；所述蓝牙传输单元用于通过蓝牙主模块和蓝牙从模块主从配对后将惯性传感器单元获取的姿态信息对以无线的方式传输至fpga处理器；
8.fpga处理器，用于利用fifo将蓝牙传输单元传输的姿态信息进行暂存和同步时钟处理后传输至上位机单元；
9.上位机单元，用于利用姿态信息和关节角度解算算法解算关节角度，生成运动信息并用于显示关节角度和运动信息；所述运动信息为所有关节角度在单位时间的变化信息。
10.特别的，所述人体下肢各部位包括腰部、左大腿、左小腿、左足、右大腿、右小腿、右
足。
11.特别的，所述上位机单元包括上位机；所述上位机内设有步态数据库；所述步态数据库用于存储采集的运动信息。
12.特别的，所述惯性传感器单元包括惯性传感器1#～惯性传感器7#；所述蓝牙从模块包括蓝牙从模块1#～蓝牙从模块7#；所述蓝牙主模块包括蓝牙主模块1#～蓝牙主模块7#。
13.特别的，所述惯性传感器单元用绑带穿戴于人体下肢各部位上的人体穴位并保证在人体运动过程中始终与人体下肢保持紧致连接。
14.特别的，所述关节角度解算算法包括以下步骤：
15.a1.设定关节角度集；所述关节角度集的元素包括所需的人体下肢的关节角度；
16.a2.对惯性传感器单元的惯性传感器进行编号；
17.a3.设定惯性传感器单元关联集；所述惯性传感器单元关联集的元素为计算关节角度需要对应的惯性传感器的编号的集合；
18.a4.选中关节角度集的第一个元素；
19.a5.设该关节角度对应惯性传感器单元关联集的元素为{a1,a2,a3,
…
,a
k
}；通过a1,a2,a3,
…
,a
k
分别对应的姿态信息分别通过旋转矩阵通式计算出旋转矩阵r1,r2,r3,
…
,r
k
；
20.a5.设该关节角度的旋转矩阵为r；r＝r1r2r3…
r
k
；
21.a6.通过旋转矩阵和旋转矩阵通式，计算出设该关节角度的旋转角度；
22.a7.选中关节角度集的下一元素执行步骤a5
‑
a7直至最后一个元素为止。
23.特别的，姿态信息是针对惯性传感器固定坐标系0表示的，并以欧拉角形式输出，规定欧拉角的旋转次序为z
‑
y
‑
x，所述惯性传感器分别旋转的角度为φ、θ、
24.所述旋转矩阵通式为：
[0025][0026]
式中，k为惯性传感器的编号；为编号为k的惯性传感器的旋转矩阵；所述r
z
(φ)为z轴弧度旋转角度；所述r
x
(θ)为x轴弧度旋转角度；所述为y轴弧度旋转角度。
[0027]
一种根据上述多通道人体下肢运动信息采集系统的采集方法，包括以下步骤：
[0028]
b1.打开蓝牙主模块、fpga处理器、上位机单元，并确认蓝牙主模块能够正常连接fpga处理器、fpga处理器能够正常传输信息至上位机单元；
[0029]
b2.将惯性传感器穿戴于人体下肢各部位；
[0030]
b3.打开蓝牙从模块和惯性传感器；使得蓝牙主模块和蓝牙从模块能够主从配对；
[0031]
b4.惯性传感器能够获取人体下肢各部位附近的人体穴位的姿态信息；
[0032]
b5.蓝牙传输单元将惯性传感器单元获取的姿态信息对以无线的方式传输至fpga处理器；
[0033]
b6.fpga处理器利用fifo将蓝牙传输单元传输的姿态信息进行暂存和同步时钟处理后传输至上位机单元；
[0034]
b7.上位机单元利用姿态信息和关节角度解算算法解算关节角度，生成运动信息并用于显示关节角度和运动信息；
[0035]
b8.依据一定的时间间隔执行步骤b4
‑
b8直至关闭人体下肢运动信息采集系统为止。
[0036]
特别的，所述特别的，所述关节角度解算算法包括以下步骤：
[0037]
a1.设定关节角度集；所述关节角度集的元素包括所需的人体下肢的关节角度；
[0038]
a2.对惯性传感器单元的惯性传感器进行编号；
[0039]
a3.设定惯性传感器单元关联集；所述惯性传感器单元关联集的元素为计算关节角度需要对应的惯性传感器的编号的集合；
[0040]
a4.选中关节角度集的第一个元素；
[0041]
a5.设该关节角度对应惯性传感器单元关联集的元素为{a1,a2,a3,
…
,a
k
}；通过a1,a2,a3,
…
,a
k
分别对应的姿态信息分别通过旋转矩阵通式计算出旋转矩阵r1,r2,r3,
…
,r
k
；
[0042]
a5.设该关节角度的旋转矩阵为r；r＝r1r2r3…
r
k
；
[0043]
a6.通过旋转矩阵和旋转矩阵通式，计算出设该关节角度的旋转角度；
[0044]
a7.选中关节角度集的下一元素执行步骤a5
‑
a7直至最后一个元素为止。
[0045]
特别的，姿态信息是针对惯性传感器固定坐标系0表示的，并以欧拉角形式输出，规定欧拉角的旋转次序为z
‑
y
‑
x，所述惯性传感器分别旋转的角度为φ、θ、
[0046]
所述旋转矩阵通式为：
[0047][0048]
式中，k为惯性传感器的编号；为编号为k的惯性传感器的旋转矩阵；所述r
z
(φ)为z轴弧度旋转角度；所述r
x
(θ)为x轴弧度旋转角度；所述为y轴弧度旋转角度。
[0049]
本发明的有益效果：
[0050]
(1)本发明采用惯性传感器单元，穿戴于人体下肢各部位的人体穴位上并获取人体穴位的姿态信息的惯性传感器，人体穿戴方便，采集过程简单。采用人体穴位标定，即在采集下肢运动信息时，以下肢的穴位位点作为采集设备放置的位置，由于穴位是人体自身的相对位置，所以采用这样的方式，在采集多样本人体数据时，能较大的减少放置采集传感器位置变化，人的体型差异造成的采集误差。
[0051]
(2)与穿戴机械检测机构相比，本发明的采集系统不会限制人体的活动，且无需任何辅助装置就可以适用于大多数人，更能满足实际需求。
[0052]
(3)该采集系统利用fpga的并行特性能够更好的同步数据，满足数据的实时性并结合usb2.0进行稳定的传输。本发明多通道是指系统中含有多个惯性传感器与fpga的传输通道，多个惯性传感器分别穿戴在人体下肢的不同部位，传感器数据通过蓝牙传输单元传输至fpga，由于fpga采集数据的同步性，该系统保证了采集过程的实时性。另外，fpga处理器通过fifo缓存数据，结合usb2.0技术传输数据至上位机，利用同步时钟保证传输过程不丢失任何数据。
[0053]
4)该采集系统数据换算算法简单，具有切实的可行性。本发明采集系统具有同步、实时、稳定等高性能，适用于人体步态分析、人体动作捕捉、外骨骼机构控制等领域。
附图说明
[0054]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0055]
图1为本发明实施例的系统的整体结构图。
[0056]
图2为本发明实施例人体穿戴惯性传感器示意图；
[0057]
图3是本发明实施例采集方法流程图。
具体实施方式
[0058]
下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
[0059]
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
[0060]
需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0061]
此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
[0062]
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0063]
如图1所示，本实施例的一种根据人体穴位定位的多通道人体下肢运动信息采集系统，包括：
[0064]
如图2所示，惯性传感器单元，若干个惯性传感器。惯性传感器通过放在人体穴位来标定放置惯性传感器的位置并获取人的姿态信息。人体下肢各部位包括腰部、左大腿、左小腿、左足、右大腿、右小腿、右足。姿态信息为惯性传感器的旋转角度。惯性传感器单元包括惯性传感器1#～惯性传感器7#。惯性传感器单元用绑带穿戴于人体下肢各部位上的人体穴位并保证在人体运动过程中始终与人体下肢保持紧致连接。。
[0065]
蓝牙传输单元，包括互相匹配的蓝牙主模块和蓝牙从模块，蓝牙主模块连接fpga
处理器。蓝牙从模块与惯性传感器单元连接。蓝牙传输单元用于通过蓝牙主模块和蓝牙从模块主从配对后将惯性传感器单元获取的姿态信息对以无线的方式传输至fpga处理器。蓝牙从模块包括蓝牙从模块1#～蓝牙从模块7#；蓝牙主模块包括蓝牙主模块1#～蓝牙主模块7#。
[0066]
fpga处理器，用于利用fifo将蓝牙传输单元传输的姿态信息进行暂存和同步时钟处理后传输至上位机单元。
[0067]
上位机单元，用于利用姿态信息和关节角度解算算法解算关节角度，生成运动信息并用于显示关节角度和运动信息。运动信息为所有关节角度在单位时间的变化信息。上位机单元包括上位机。上位机内设有步态数据库；所述步态数据库用于存储采集的运动信息。
[0068]
关节角度解算算法包括以下步骤：
[0069]
a1.设定关节角度集；所述关节角度集的元素包括所需的人体下肢的关节角度；
[0070]
a2.对惯性传感器单元的惯性传感器进行编号；
[0071]
a3.设定惯性传感器单元关联集；所述惯性传感器单元关联集的元素为计算关节角度需要对应的惯性传感器的编号的集合；
[0072]
a4.选中关节角度集的第一个元素；
[0073]
a5.设该关节角度对应惯性传感器单元关联集的元素为{a1,a2,a3,
…
,a
k
}；通过a1,a2,a3,
…
,a
k
分别对应的姿态信息分别通过旋转矩阵通式计算出旋转矩阵r1,r2,r3,
…
,r
k
；
[0074]
a5.设该关节角度的旋转矩阵为r；r＝r1r2r3…
r
k
；
[0075]
a6.通过旋转矩阵和旋转矩阵通式，计算出设该关节角度的旋转角度；
[0076]
a7.选中关节角度集的下一元素执行步骤a5
‑
a7直至最后一个元素为止。
[0077]
姿态信息是针对惯性传感器固定坐标系0表示的，并以欧拉角形式输出，规定欧拉角的旋转次序为z
‑
y
‑
x，所述惯性传感器分别旋转的角度为φ、θ、
[0078]
所述旋转矩阵通式为：
[0079][0080]
式中，k为惯性传感器的编号；为编号为k的惯性传感器的旋转矩阵；r
z
(φ)为z轴弧度旋转角度；r
x
(θ)为x轴弧度旋转角度；为y轴弧度旋转角度。
[0081]
如图3所示，一种根据上述多通道人体下肢运动信息采集系统的采集方法，包括以下步骤：
[0082]
b1.打开蓝牙主模块、fpga处理器、上位机单元，并确认蓝牙主模块能够正常连接fpga处理器、fpga处理器能够正常传输信息至上位机单元；
[0083]
b2.将惯性传感器穿戴于人体下肢各部位；
[0084]
b3.打开蓝牙从模块和惯性传感器；使得蓝牙主模块和蓝牙从模块能够主从配对；
[0085]
b4.惯性传感器能够获取人体下肢各部位附近的人体穴位的姿态信息；
[0086]
b5.蓝牙传输单元将惯性传感器单元获取的姿态信息对以无线的方式传输至fpga
处理器；
[0087]
b6.fpga处理器利用fifo将蓝牙传输单元传输的姿态信息进行暂存和同步时钟处理后传输至上位机单元；
[0088]
b7.上位机单元利用姿态信息和关节角度解算算法解算关节角度，生成运动信息并用于显示关节角度和运动信息；关节角度解算算法包括以下步骤：
[0089]
a1.设定关节角度集。关节角度集的元素包括所需的人体下肢的关节角度。
[0090]
a2.对惯性传感器单元的惯性传感器进行编号，依据惯性传感器1#～惯性传感器7#，编号即分别为1
‑
7。
[0091]
a3.设定惯性传感器单元关联集。惯性传感器单元关联集的元素为计算关节角度需要对应的惯性传感器的编号的集合。比如：髋关节角度以所述惯性传感器1#提供的腰部姿态信息和所述惯性传感器2#提供的大腿处的姿态信息转换所得，即关节角度集中的其中一个元素髋关节角度对应的惯性传感器单元关联集的元素为{1,2}。
[0092]
a4.选中关节角度集的第一个元素，如若为髋关节角度。
[0093]
a5.设该关节角度对应惯性传感器单元关联集的元素为{a1,a2}＝{1,2}；通过a1,a2分别对应的姿态信息分别通过旋转矩阵通式计算出旋转矩阵；姿态信息是针对惯性传感器固定坐标系0表示的，并以欧拉角形式输出，规定欧拉角的旋转次序为z
‑
y
‑
x，所述惯性传感器分别旋转的角度为φ、θ、
[0094]
旋转矩阵通式为：
[0095][0096]
式中，k为惯性传感器的编号，代表惯性传感器1#～惯性传感器7#；为编号为k的惯性传感器的旋转矩阵；r
z
(φ)为z轴弧度旋转角度；r
x
(θ)为x轴弧度旋转角度；为y轴弧度旋转角度。
[0097]
a5.设该关节角度的旋转矩阵为r；r＝r1r2r3…
r
k
；
[0098]
髋关节角度以所述惯性传感器1#提供的腰部姿态信息和所述惯性传感器2#提供的大腿处的姿态信息转换所得，已知腰部上的惯性传感器1#的旋转矩阵根据式(4)为惯性传感器2#的大腿处旋转矩阵根据式(4)为则髋关节旋转角度由旋转矩阵表示，可由式解得，其形式为：
[0099][0100]
利用式(4)与式(5)相等可得，髋关节的旋转角度为：
[0101][0102]
a6.通过旋转矩阵和旋转矩阵通式，计算出设该关节角度的旋转角度；
[0103]
a7.选中关节角度集的下一元素执行步骤a5
‑
a7直至最后一个元素为止。
[0104]
b8.依据一定的时间间隔执行步骤b4
‑
b8直至关闭人体下肢运动信息采集系统为止，即其余关节角度均依照b4
‑
b8解算。
[0105]
本发明实施例通过一种根据人体穴位定位的多通道人体下肢运动信息采集系统及方法，本发明采集系统具有同步、实时、稳定等高性能，还能适用于人体步态分析、人体动作捕捉、外骨骼机构控制等领域。上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。
[0106]
虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是专利所有者可以在所附权利要求的范围之内做出各种变形或修改，只要不超过本发明的权利要求所描述的保护范围，都应当在本发明的保护范围之内。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均应视为本发明的保护范围。