[发明专利]穿戴式人体行走运动捕捉系统

摘要

一种穿戴式人体行走运动捕捉系统，属于机械结构设计及自动控制领域。穿戴式人体行走运动捕捉系统在背部、胯部、髋关节、膝关节和踝关节分别安装传感器，并在脚底安装接触开关，使用芯片采集传感器数据并用发送到PC，从而直接获得人体行走运动的数据信息。本发明的关节角度使用电位计采集，可直接获得各个关节的角度数据。考虑腰在人行走运动中的重要作用，采用背‑胯差值法采集腰部数据。采样数据不受外部环境以及实验场所的影响。本发明所采集的数据能表现人行走运动中腰以下部分的运动状态。

主权项

1.一种穿戴式人体行走运动捕捉系统，其特征在于：该系统在背部、胯部、髋关节、膝关节和踝关节分别安装传感器，并在脚底安装接触开关，使用芯片采集传感器数据并发送到PC；该系统包括背部子系统、胯部子系统、膝关节子系统、踝关节子系统和足底系统，膝关节和踝关节子系统分别包括左右两个镜面对称部分；由背部固定板(1)和安装在上面的航姿参考系统AHRS(2)组成；将背部固定带穿过背部固定板(1)，然后将航姿参考系统AHRS(2)固定在人体的背部，测量背部的运动数据；将航姿参考系统AHRS(4)固定在胯部固定板(3)上，测量胯部运动数据；左髋横滚上连接件(5)与右髋横滚上连接件(13)分别与胯部固定板(3)连接，并且能相对滑动调节左髋横滚转动关节(7)和右髋横滚转动关节(15)的左右位置；左髋横滚中连接件(6)与左髋横滚上连接件(5)相接，并且能相对滑动调节左髋横滚转动关节(7)的上下位置；左髋横滚转动关节(7)上方固定在左髋横滚中连接件(6)上，下方与左髋横滚下连接件(8)相连；左髋横滚下连接件(8)相对左髋横滚中连接件(6)转动，左髋横滚转动关节(7)就测得左髋的横滚角；左髋俯仰上连接件(9)与左髋横滚下连接件(8)相连，并且能相对滑动调节左髋俯仰关节(10)的左右位置；左髋俯仰关节(10)上方固定在左髋俯仰上连接件(9)上，下方与左髋俯仰下连接件(11)相连；左髋俯仰下连接件(11)相对左髋俯仰上连接件(9)转动，左髋俯仰关节(10)就测得左髋的俯仰角；左髋俯仰下连接件(11)固定在左髋大腿固定件(12)上；右髋横滚中连接件(14)与右髋横滚上连接件(13)相接，并且能相对滑动调节右髋横滚转动关节(15)的上下位置；右髋横滚转动关节(15)上方固定在右髋横滚中连接件(14)上，下方与右髋横滚下连接件(16)相连；右髋横滚下连接件(16)相对右髋横滚中连接件(14)转动，右髋横滚转动关节(15)就测得右髋的横滚角；右髋俯仰上连接件(17)与右髋横滚下连接件(16)相连，并且能相对滑动调节右髋俯仰关节(18)的左右位置；右髋俯仰关节(18)上方固定在右髋俯仰上连接件(17)上，下方与右髋俯仰下连接件(19)相连；右髋俯仰下连接件(19)相对右髋俯仰上连接件(17)转动，右髋俯仰关节(18)就测得右髋的俯仰角；右髋俯仰下连接件(19)固定在右髋大腿固定件(20)上；把腰带穿过胯部固定板(3)，将胯部子系统的上方固定在人体的胯部；然后把固定带分别穿过左髋大腿固定件(12)和右髋大腿固定件(20)，将胯部子系统分别固定在左右大腿上；对于左膝关节系统，左膝俯仰关节(22)分别与左膝大腿固定件(21)和左膝小腿固定件(23)相连；左膝小腿固定件(23)相对左膝大腿固定件(21)转动，左膝俯仰关节(22)就测得左膝的俯仰角；把固定带穿过左膝大腿固定件(21)，固定在左膝上方的大腿上；把固定带穿过左膝小腿固定件(23)，固定在左膝下方的小腿上；对于右膝关节系统，右膝俯仰关节(25)分别与右膝大腿固定件(24)和右膝小腿固定件(26)相连；右膝小腿固定件(26)相对右膝大腿固定件(24)转动，右膝俯仰关节(25)就测得右膝的俯仰角；把固定带穿过右膝大腿固定件(24)，固定在右膝上方的大腿上；把固定带穿过右膝小腿固定件(26)，固定在右膝下方的小腿上；对于左踝关节系统，左踝横滚关节(28)分别与左踝小腿固定件(27)和左踝连接件(29)相连；左踝连接件(29)相对左踝小腿固定件(27)转动，左踝横滚关节(28)就测得左踝的横滚角；左踝俯仰关节(30)分别与左踝连接件(29)和左踝脚面固定件(31)相连；左踝脚面固定件(31)相对左踝连接件(29)转动，左踝俯仰关节(30)就测得左踝的俯仰角；把固定带穿过左踝小腿固定件(27)，将左踝关节系统固定在左踝关节上方的小腿上；把固定带穿过左踝脚面固定件(31)，将左踝关节系统固定在左脚脚面上；对于右踝关节系统，右踝横滚关节(33)分别与右踝小腿固定件(32)和右踝连接件(34)相连；右踝连接件(34)相对右踝小腿固定件(32)转动，右踝横滚关节(33)就测得右踝的横滚角；右踝俯仰关节(35)分别与右踝连接件(34)和右踝脚面固定件(36)相连；右踝脚面固定件(36)相对右踝连接件(34)转动，右踝俯仰关节(35)就测得右踝的俯仰角；把固定带穿过右踝小腿固定件(32)，将右踝关节系统固定在右踝关节上方的小腿上；把固定带穿过右踝脚面固定件(36)，将右踝关节系统固定在右脚脚面上；电位计(37)安装在电位计固定板(38)上，然后将关节轴(39)安装在电位计(37)的旋转轴上，最后将关节轴(39)放置到关节外套(40)内部就组合成了系统中各个部位的关节；每个足底选取三个着力点，然后在每个着力点放置一个接触开关，分别为左脚后接触开关(44)、左脚左前接触开关(45)、左脚右前接触开关(46)、右脚后接触开关(41)、右脚右前接触开关(42)、右脚左前接触开关(43)；这样着力点与地面接触，接触开关就会闭合；人行走时不同的姿态六个着力点分别与地面接触，根据接触开关的闭合状态确定测试者的行走姿态；使用芯片采集航姿参考系统AHRS的四个角度；对于芯片的数据接收，当芯片检测到起始位后，开始接收航姿参考系统AHRS发送的数据；数据一位一位被保存到移位寄存器中，检测到停止位后，一个字符接收完成，并将该字符转移到内存中暂存；用芯片自带ADC来采集10个电位计的电压，然后将采集电压除以输入电压再乘360就将测得电压信号转换成角度数据；设置每个通道采样多次，滤波处理，去掉每个通道的最大最小值，并取均值输出；用芯片的6个I/O接口采集6个接触开关状态；用芯片将采集到的4个航姿参考系统AHRS角度、6个接触开关状态和10个电位计角度发送到PC，在PC上接收数据并保存。