[发明专利]人体骨骼的数字孪生体构建方法

权利要求书

1.一种人体骨骼的数字孪生体构建方法，其特征在于，所述数字孪生体构建方法利用人体动作捕捉技术获取人体实时动作姿态与空间位置，利用传感器数据通过人体反向动力学计算得到人体相应的骨骼信息，通过数字孪生系统构建起骨骼数字孪生体；所述数字孪生体构建方法基于数字孪生系统实现，数字孪生体构建方法如下：

首先，由物理装备系统中的穿戴式VR设备实现在虚拟空间中的数字孪生体显示，通过处在空间定位器范围内的身体重要部位与关键骨骼位置处的传感器收集所需要的多种传感器数据信息；利用数据传输系统，将收集的各种传感器数据传输至数据处理系统，进行数据的分类、筛选、约简、转换计算后得到所需要的传感器关键数据；将得到的传感器关键数据导入数值计算系统进行分析计算，得到人体姿态与空间位置改变后的骨骼动作结果与力学结果；

将其与数据处理系统中得到的信息数据一同传入数据融合系统，完成对人体骨骼动作信息与力学信息、人体动作姿态数据、人体空间位置数据多种异维数据的融合，为下一阶段的仿真计算与预测提供数据基础；所述通过对融合数据的静力学与动力学仿真计算得到人体在实时动作时，内部骨骼的生物力学性能，并通过预测算法实现对人体某一未知姿态时骨骼生物力学性能的预测；最后通过孪生显示系统，利用计算机图形学技术将计算结果渲染为人体骨骼的高保真数字孪生体，提供骨骼数字化动态模型，并在此数字化模型上显示骨骼生物力学性能完成对人体骨骼高度一致的虚拟孪生映射；所述数据存储系统贯穿于整个系统架构之中用于存储以上各个系统产生的数据信息。

2.根据权利要求1所述的一种人体骨骼的数字孪生体构建方法，其特征在于，所述物理装备系统包括VR头盔、控制器、追踪器、连接器以及空间定位器；所述VR头盔用于提供一个虚拟空间展示骨骼数字孪生体系统；所述控制器为骨骼数字孪生系统提供与外界的交互功能，确定人体动作捕捉过程中手的空间位置与动作姿态；所述追踪器佩戴在人体关键部位与骨骼处，从而监测其空间信息和姿态信息；所述连接器将上述结构与PC连接，起到接收VR头盔中视觉影像、控制器按钮反馈与部分追踪器传感信息的作用；所述空间定位器为VR头盔、控制器、追踪器提供空间定位基准。

3.根据权利要求1所述的一种人体骨骼的数字孪生体构建方法，其特征在于，所述数据传输系统包括收集模块、处理模块、通信模块，所述收集模块用于收集人体各个位置佩戴的传感器信息；处理模块用于对传感器所收集数据进行降噪处理和减少漂移；通信模块用于对处理后的传感器信息进行转接与发送。

4.根据权利要求1所述的一种人体骨骼的数字孪生体构建方法，其特征在于，所述数据处理系统包括数据分类模块、数据筛选模块和数据排序模块；所述数据分类模块用于分别不同数据类型、不同佩戴位置的传感器数据；数据筛选模块用于去除重复、多余以及错误的传感器数据以保证数据的流畅性、一致性和正确性；对筛选完成的数据通过数据排序模块进行排序处理，按照数据完成下一步数值计算流程的前后顺序与计算复杂度对数据进行排序，以保证数据的有序计算实现系统的实时性。

5.根据权利要求1所述的一种人体骨骼的数字孪生体构建方法，其特征在于，所述数值计算系统包括人体反向动力学求解模块、生物力学求解模块；在人体反向动力学求解模块，利用人体反向动力学算法通过已知父骨骼的空间位置变化和姿态变化求解相应子骨骼的空间位置与姿态，得到目标骨骼的实时动作状态和空间位置；在生物力学求解模块，利用生物力学算法分析计算相应骨骼上负载和约束。

6.根据权利要求1所述的一种人体骨骼的数字孪生体构建方法，其特征在于，所述数据融合系统包括数据扩容模块、多类型数据转化模块；数据扩容模块用于扩展数值计算系统计算结果的数据存储单位容量，并将部分传感器数据合并入数值计算结果；所述多类型数据转化模块用于将合并后数值计算结果与部分传感器数据转化为可导入仿真模拟过程的参数形式，为所述仿真预测系统提供可用数据。