[发明专利]一种基于有机柔性纤维应变传感器的动作捕捉系统

说明书

技术领域

本发明涉及智能传感器、可穿戴技术及动作捕捉技术领域，具体涉及一种基于有机柔性纤维应变传感器的动作捕捉系统。

背景技术

近年来，随着虚拟现实(VR)技术的迅猛发展，动作捕捉技术引起了广泛的关注和重视。动作捕捉技术是准确测量运动物体在三维空间的运动状态的技术，通过安装在特定运动部位的传感器获得运动物体的姿态信息，并将其传输到PC机，经过数据处理得到运动部位的空间信息，并应用计算机图形技术进行姿态重构。动作捕捉技术在动画制作、人机交互、游戏、体育训练和康复治疗等领域具有广阔的应用前景。

上世纪70年代末，迪士尼公司率先将动作捕捉技术应用在动画制作过程中。随后计算机技术的快速发展，动作捕捉技术不断提高，并逐步走向实用化。时至今日，动作捕捉技术的实现方案也越来越多，根据其中传感设备的不同，可以分为机械式、光学式、声学式、电磁式以及惯性式。2009年微软推出Kinect体感摄像机，它依靠相机捕捉三维空间的运动动作，已经成功应用在医疗手术、体感游戏等方面。但是该系统受遮挡因素的影响，只能完成部分人体运动信息采集。惯性式捕捉技术是目前研究最多、应用较好的技术。我国公司南京布塔信息科技有限公司推出基于惯性式的动作捕捉技术。荷兰XSENS也推出相应的惯性测量单元。但是，这些技术成本均较高，很难准确捕捉微小动作(手指弯曲等)，同时对体验者的动作限制较大。可以说，动作捕捉技术是今后动画制作、医疗和游戏领域的重要技术。但是，目前已有的动作捕捉技术普遍存在传感系统精度低、成本高、对细微动作敏感程度低等不足，还不能大范围推广应用。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于有机柔性纤维应变传感器的动作捕捉系统，该系统绝缘效果好，准确度高，使用安全，能够更好的实现人体细微动作的捕捉。

本发明是通过以下技术方案来实现：

本发明公开了一种基于有机柔性纤维应变传感器的动作捕捉系统，包括数据采集控制装置、PC机及若干个有机柔性纤维应变传感器；其中：

所述有机柔性纤维应变传感器为核壳结构纤维，内层为敏感材料层，外层为绝缘保护层，通过编织方式嵌入可穿戴仿行编织物中；有机柔性纤维应变传感器通过引线与数据采集控制装置的输入端相连，数据采集控制装置固定在可穿戴仿行编织物上；PC机通过无线网络与有机柔性纤维应变传感器及数据数据采集控制装置连接，并能够根据数据采集控制装置处理所得的动作姿态数据进行姿态计算并实时重建人体动作姿态模型。

优选地，有机柔性纤维应变传感器的内层敏感材料为碳材料与聚二甲基硅氧烷聚合物的复合可拉伸材料。

优选地，碳材料为石墨烯、碳纳米管和还原氧化石墨烯中的一种或几种。

优选地，有机柔性纤维应变传感器的外层绝缘保护层为高弹性的聚二甲基硅氧烷聚合物。

优选地，有机柔性纤维应变传感器的核壳结构纤维的直径为0.8～2mm；内层敏感层的直径为0.5～1.5mm。

优选地，每个有机柔性纤维应变传感器通过数据总线连接至数据采集控制装置，并通过ZigBee无线传输至PC机进行数据处理和图像重建。

优选地，每个有机柔性纤维应变传感器为一个独立节点，用于获得所处部位的姿态数据。

优选地，数据采集控制装置采用STM32微处理器为核心，包含JN5139无线透传模块、SP3485收发器芯片和电源模块，满足数据实时采集和传送要求。

优选地，PC机通过三维建模软件设计三维人体模型，然后导入人体姿态重构软件，通过读取人体动作姿态数据，进行解析、转换、缩放，得到对应的旋转角度值，最后驱动三维虚拟模型相应部分绕相应轴进行旋转，实现人体姿态的捕捉。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明公开的基于有机柔性纤维应变传感器的动作捕捉系统，包括用于获得人体运动部位的运动姿态数据的若干个有机柔性纤维应变传感器，用于对人体运动姿态数据进行处理的数据采集控制装置，以及具有PC软件和能够根据数据采集控制装置处理所得的姿态数据进行计算并实时重构人体的动作姿态模型的PC机；可以通过构建传感器单元来获取人体的动作的姿态信息，将人体抽象成多个关键关节，将人体各个关节的动作姿态融合来模拟整个人体模型的动作姿态；再通过无线传输技术实现关节点数据的传输；最后在PC端对获得的姿态数据进行处理，实时重建人体动作姿态；以无线的方式实现人体动作的捕捉，能克服现有技术中远程操纵难的缺陷。具体优点如下：