本實用新型涉及姿態(tài)檢測領(lǐng)域，具體涉及一種人體姿態(tài)無線測量系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

人體姿態(tài)檢測在工業(yè)生產(chǎn)、軍事裝備、虛擬現(xiàn)實以及其他人機(jī)交互領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，特別是在運(yùn)動員輔助訓(xùn)練和康復(fù)醫(yī)療中的應(yīng)用更為廣泛。目前，人體姿態(tài)無線測量系統(tǒng)主要通過可穿戴的傳感設(shè)備對人體關(guān)節(jié)的運(yùn)動狀態(tài)進(jìn)行檢測。但現(xiàn)有的可穿戴傳感設(shè)備不夠輕便靈活、且各傳感設(shè)備之間主要是通過通信線纜連接，對用戶軀體的活動空間和運(yùn)動幅度有所限制。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本實用新型的目的在于提供一種輕巧方便、低功耗且具備無線收發(fā)數(shù)據(jù)功能的人體姿態(tài)無線測量系統(tǒng)，以使上述問題得到改善。

為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型的實施例采用如下技術(shù)方案：

一種人體姿態(tài)無線測量系統(tǒng)，其包括上位機(jī)、藍(lán)牙適配器和多個測量部件，所述多個測量部件分別設(shè)置于人體的四肢和軀干；

每個所述測量部件包括傳感裝置和處理器，所述傳感裝置與所述處理器電性連接；所述處理器包括一藍(lán)牙芯片，所述藍(lán)牙芯片與所述傳感裝置電性連接；所述測量部件通過所述藍(lán)牙芯片與所述藍(lán)牙適配器進(jìn)行通訊，所述藍(lán)牙適配器與所述上位機(jī)電性連接；

所述傳感裝置用于采集人體姿態(tài)數(shù)據(jù)，所述處理器用于根據(jù)所述人體姿態(tài)數(shù)據(jù)解算出人體運(yùn)動姿態(tài)角，所述上位機(jī)用于根據(jù)所述人體運(yùn)動姿態(tài)角重建人體三維模型并進(jìn)行顯示。

在本實用新型較佳的實施例中，上述人體姿態(tài)無線測量系統(tǒng)中，所述多個測量部件分別設(shè)置于人體的左大臂、左小臂、右大臂、右小臂、左大腿、左小腿、右大腿、右小腿和腰。

在本實用新型較佳的實施例中，上述人體姿態(tài)無線測量系統(tǒng)中，所述人體的左大臂、左小臂、右大臂和右小臂分別設(shè)置有至少一個所述測量部件，所述測量部件設(shè)置于人體的左大臂、左小臂、右大臂和右小臂靠近肘關(guān)節(jié)處。

在本實用新型較佳的實施例中，上述人體姿態(tài)無線測量系統(tǒng)中，所述人體的左大腿和右大腿分別設(shè)置有至少一個所述測量部件，所述測量部件設(shè)置于所述左大腿和右大腿靠近膝關(guān)節(jié)處。

在本實用新型較佳的實施例中，上述人體姿態(tài)無線測量系統(tǒng)中，所述人體的左小腿和右小腿分別設(shè)置有至少一個所述測量部件，所述測量部件設(shè)置于所述左小腿和右小腿靠近腳踝處。

在本實用新型較佳的實施例中，上述人體姿態(tài)無線測量系統(tǒng)中，所述傳感裝置包括三軸加速度計、三軸陀螺儀和三軸磁力計，所述三軸加速度計、三軸陀螺儀和三軸磁力計分別與所述處理器電性連接。

在本實用新型較佳的實施例中，上述人體姿態(tài)無線測量系統(tǒng)中，所述三軸加速度計、三軸陀螺儀和三軸磁力計采用一九軸運(yùn)動感測組件MPU9250對人體姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。

在本實用新型較佳的實施例中，上述人體姿態(tài)無線測量系統(tǒng)中，所述藍(lán)牙芯片為nRF51822。

在本實用新型較佳的實施例中，上述人體姿態(tài)無線測量系統(tǒng)中，所述藍(lán)牙適配器通過USB接口電路與所述上位機(jī)電性連接。

在本實用新型較佳的實施例中，上述人體姿態(tài)無線測量系統(tǒng)中，所述人體姿態(tài)無線測量系統(tǒng)還包括穿戴件，所述多個測量部件通過所述穿戴件設(shè)置于所述人體的四肢和軀干。

本實用新型實施例提供的人體姿態(tài)無線測量系統(tǒng)通過藍(lán)牙芯片、藍(lán)牙適配器等的設(shè)置，實現(xiàn)多個測量部件與上位機(jī)之間的無線通信，與現(xiàn)有技術(shù)中的線纜連接方式相比，能夠顯著提高系統(tǒng)的輕便靈活性，避免了對用戶活動空間和運(yùn)動幅度的限制。

進(jìn)一步地，本實用新型實施例采用多傳感器集于一體的芯片進(jìn)行人體姿態(tài)數(shù)據(jù)采集，大大減少了部件數(shù)量，在確保檢測精確性的同時使得測量部件更加輕便。

附圖說明

為了更清楚地說明本實用新型實施例的技術(shù)方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，應(yīng)當(dāng)理解，以下附圖僅示出了本實用新型的某些實施例，因此不應(yīng)被看作是對范圍的限定，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他相關(guān)的附圖。

圖1為本實用新型實施例提供的一種人體姿態(tài)無線測量系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖。

圖2為本實用新型實施例提供的一種測量部件與上位機(jī)的連接示意圖。

圖3為本實用新型實施例提供的一種傳感裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為本實用新型實施例提供的另一種人體姿態(tài)無線測量系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖。

圖5為本實用新型實施例提供的一種測量部件的安裝示意圖。

附圖標(biāo)記：

100-人體姿態(tài)無線測量系統(tǒng)；

110-測量部件；

111-傳感裝置；112-處理器；113-電源裝置；

1111-三軸磁力計；1112-三軸加速度計；1113-三軸陀螺儀；

120-藍(lán)牙適配器；130-上位機(jī)；140-USB接口電路。

具體實施方式

為使本實用新型實施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清除、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本實用新型的一部分實施例，而非全部的實施例。通常在此處附圖中描述和示出的本實用新型實施例的組件可以以各種不同的配置來布置和設(shè)計。

因此，以下對在附圖中提供的本實用新型的實施例的詳細(xì)描述并非旨在限制要求保護(hù)的本實用新型的范圍，而是僅僅表示本實用新型的選定實施例?；诒緦嵱眯滦椭械膶嵤├?，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本實用新型保護(hù)的范圍。

應(yīng)注意到：相似的標(biāo)號和字母在下面的附圖中表示類似項，因此，一旦某一項在一個附圖中被定義，則在隨后的附圖中不需要對其進(jìn)行進(jìn)一步定義和解釋。

在本實用新型的描述中，需要說明的是，除非有另有明確規(guī)定和限定，術(shù)語“設(shè)置”、“連接”應(yīng)做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機(jī)械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內(nèi)部的連通。對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以具體情況理解上述術(shù)語在本實用新型中的具體含義。

如圖1所示，本實施例中的人體姿態(tài)無線測量系統(tǒng)100包括上位機(jī)130、藍(lán)牙適配器120和測量部件110，所述測量部件110為多個。所述多個測量部件110通過穿戴件設(shè)置于人體的四肢和軀干部位，用以采集所述人體的姿態(tài)數(shù)據(jù)，并通過藍(lán)牙適配器120將采集到的人體姿態(tài)數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)130，所述上位機(jī)130利用現(xiàn)有的OPENGL技術(shù)建立人體三維骨骼模型，對人體姿態(tài)動作進(jìn)行實時顯示。在本實施例中，測量部件110的個數(shù)不做限制，可根據(jù)實際需要進(jìn)行設(shè)置。

具體地，如圖2所示，測量部件110包括傳感裝置111、處理器112和電源裝置113。所述電源裝置113分別與所述傳感裝置111和處理器112電性連接，用于給整個測量部件110供電。所述傳感裝置111與所述處理器112電性連接。所述傳感裝置111用于采集人體姿態(tài)數(shù)據(jù)，所述處理器112用于根據(jù)所述人體姿態(tài)數(shù)據(jù)解算出人體運(yùn)動姿態(tài)角，并將所述人體姿態(tài)數(shù)據(jù)和解算出的人體運(yùn)動姿態(tài)角傳送給上位機(jī)130。所述傳感裝置111、處理器112和電源裝置113作為一個整體固定于穿戴件，需要對人體姿態(tài)進(jìn)行識別時，用戶只需將穿戴件穿戴于相應(yīng)的部位進(jìn)行檢測即可。

如圖2、圖3所示，所述傳感裝置111可以包括三軸磁力計1111、三軸加速度計1112和三軸陀螺儀1113。所述三軸磁力計1111、三軸加速度計1112和三軸陀螺儀1113分別與所述處理器112電性連接。其中，所述三軸磁力計1111、三軸加速度計1112和三軸陀螺儀1113用于采集人體姿態(tài)數(shù)據(jù)，所述處理器112根據(jù)所述人體姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合和角度解算，實時估計出人體相應(yīng)部位的姿態(tài)角度、速度和加速度。需要說明的是，三軸磁力計1111易受鐵磁物質(zhì)干擾。三軸加速度計1112在較長時間內(nèi)的測量值是正確的，而在較短時間內(nèi)由于信號噪聲的存在其測量值會產(chǎn)生誤差。三軸陀螺儀1113在較短時間內(nèi)比較準(zhǔn)確，在較長時間內(nèi)會產(chǎn)生漂移從而產(chǎn)生測量誤差。因此通過所述三軸磁力計1111、三軸加速度計1112和三軸陀螺儀1113之間的配合使用可以確保所得測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。在靜態(tài)時，利用三軸加速度計1112采集的數(shù)據(jù)修正三軸陀螺儀1113采集的數(shù)據(jù)，一方面保證了所述傳感裝置111的快速動態(tài)響應(yīng)特性。另一方面，能夠快速消除所述傳感裝置111的穩(wěn)態(tài)誤差。反之，在動態(tài)時利用三軸陀螺儀1113采集的數(shù)據(jù)修正三軸加速度計1112采集的數(shù)據(jù)。利用三軸加速度計1112采集的數(shù)據(jù)可對三軸磁力計1111采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行傾斜補(bǔ)償。利用三軸磁力計1111提供無漂移的方向參考矢量，可消除三軸陀螺儀1113的測量值因漂移而產(chǎn)生的誤差。同時利用三軸陀螺儀1113的瞬時特性，可實時校正磁場干擾對三軸磁力計1111的影響，從而消除偏航角誤差。這樣不但可以提高所述傳感裝置111的動態(tài)特性，同時也能降低其穩(wěn)態(tài)誤差。

根據(jù)實際需求，可選地，所述三軸加速度計1112、三軸陀螺儀1113和三軸磁力計1111采用三種傳感器合一的九軸運(yùn)動感測組件MPU9250。所述MPU9250內(nèi)部集成有一可處理復(fù)雜數(shù)據(jù)的數(shù)字運(yùn)動處理器，所述數(shù)字運(yùn)動處理器將采集到的人體姿態(tài)數(shù)據(jù)融合成姿態(tài)四元數(shù)，并通過集成電路總線傳送給所述處理器112進(jìn)行解算。所述數(shù)字運(yùn)動處理器減輕了處理器112的解算復(fù)雜程度，提高了所述處理器112人體姿態(tài)解算的效率。

可選地，所述處理器112包括藍(lán)牙芯片，所述藍(lán)牙芯片通過所述MPU9250自帶的集成電路總線與所述MPU9250進(jìn)行通訊，在接收到所述MPU9250發(fā)送的經(jīng)過初步處理的人體姿態(tài)數(shù)據(jù)后，對其進(jìn)行進(jìn)一步的解算，得出人體運(yùn)動姿態(tài)角，并將檢測到的原始人體姿態(tài)數(shù)據(jù)和解算出的人體運(yùn)動姿態(tài)角傳送給所述上位機(jī)130。需要說明的是，所述藍(lán)牙芯片通過所述藍(lán)牙適配器120與上位機(jī)130進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。具體地，所述藍(lán)牙芯片內(nèi)嵌有藍(lán)牙協(xié)議棧，使得包括所述藍(lán)牙芯片的所述處理器112可作為藍(lán)牙設(shè)備與所述藍(lán)牙適配器120進(jìn)行通訊。根據(jù)實際需求，可選地，所述藍(lán)牙芯片為nRF51822。

如圖4所示，所述藍(lán)牙適配器120與上位機(jī)130之間設(shè)置有USB接口電路140，所述藍(lán)牙適配器120與所述上位機(jī)130通過所述USB接口電路140進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。其中，所述藍(lán)牙適配器120作為接收端，當(dāng)所述測量部件110進(jìn)入所述藍(lán)牙適配器120的通信距離范圍時，所述處理器112即可向所述藍(lán)牙適配器120發(fā)送其解算出的姿態(tài)角和所述MPU9250檢測到的原始人體姿態(tài)數(shù)據(jù)。所述藍(lán)牙適配器120再將接收到的姿態(tài)數(shù)據(jù)通過USB接口電路140傳輸給上位機(jī)130，所述上位機(jī)130通過相關(guān)程序進(jìn)行人體三維模型的重建和顯示。

與彼此獨立的傳感器組合相比，所述MPU9250消除了多傳感器組合的軸間差問題，并且減少了傳感器的體積，降低了系統(tǒng)的功耗。所述MPU9250內(nèi)部集成有三軸加速度計1112、三軸陀螺儀1113、三軸磁力計1111和數(shù)字運(yùn)動處理器，輸出信號都是16位的數(shù)字量，可以通過集成電路總線接口與所述處理器112進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，其傳輸速率可達(dá)400kHZ每秒。其一體化的設(shè)計使得測量部件110輕巧方便，方便用戶使用。所述藍(lán)牙芯片nRF5188為支持低功耗藍(lán)牙協(xié)議的超低功耗片上系統(tǒng)，其使得所述多個測量部件110與藍(lán)牙適配器120之間實現(xiàn)了藍(lán)牙組網(wǎng)，僅通過一個藍(lán)牙適配器120即可將多個測量部件110檢測到的數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)130。使得所述人體姿態(tài)無線測量系統(tǒng)100可以不受通信線纜的約束，避免用戶使用時運(yùn)動空間受到限制。

在進(jìn)行人體姿態(tài)識別時，所述測量部件110通過穿戴件設(shè)置于人體四肢和軀干，其設(shè)置位置可以有多種選擇，只要能檢測到具備一定準(zhǔn)確性的姿態(tài)數(shù)據(jù)即可。

如圖5所示，所述多個測量部件110可以分別設(shè)置于人體的左大臂、左小臂、右大臂、右小臂、左大腿、左小腿、右大腿、右小腿和腰部。需要說明的是，設(shè)置于所述人體的左大臂、左小臂、右大臂、右小臂、左大腿、左小腿、右大腿和右小腿的測量部件110，其具體設(shè)置位置不做限制。

可選地，所述人體的左大臂、左小臂、右大臂和右小臂分別設(shè)置有至少一個所述測量部件110。其中，所述左大臂和左小臂上的測量部件110個數(shù)相等，且關(guān)于左手肘對稱分布。所述左大臂上的測量部件110從靠近左手肘的位置向靠近左肩的一端等距排列，所述左小臂上的測量部件110從靠近所述左手肘的位置向靠近左手的一端等距排列。所述人體右大臂和右小臂上的測量部件110個數(shù)相等，且關(guān)于右手肘對稱分布。所述右大臂上的測量部件110從靠近右手肘的位置向靠近右肩的一端等距排列，所述右小臂上的測量部件110從靠近右手肘的位置向靠近右手的一端等距排列。根據(jù)實際需求，可選地，所述左大臂和左小臂上各有一個測量部件110，所述測量部件110均設(shè)置于靠近左手肘處。所述右大臂和右小臂各有一個測量部件110，所述測量部件110均設(shè)置于靠近右手肘處。

可選地，所述人體的左大腿、左小腿、右大腿和右小腿上分別設(shè)置有至少一個所述測量部件110。其中，所述人體的左大腿和左小腿上的測量部件110個數(shù)相等，且關(guān)于左膝蓋對稱分布。所述右大腿和右小腿上的測量部件110個數(shù)相等，且關(guān)于右膝蓋對稱分布。根據(jù)實際需求，可選地，所述左大腿和左小腿上各有一個所述測量部件110，所述左大腿上的測量部件110設(shè)置于靠近左膝蓋的位置，所述左小腿上的測量部件110設(shè)置于靠近左腳踝的位置。所述右大腿和右小腿上各有一個所述測量部件110，所述右大腿上的測量部件110設(shè)置于靠近右膝蓋的位置，所述右小腿上的測量部件110設(shè)置于靠近右腳踝的位置。

可選地，所述腰部的測量部件110設(shè)置于所述人體肚臍眼與下頜的連線上。

根據(jù)實際需求，可選地，所述測量部件110的個數(shù)可以為9個，即所述左大臂、左小臂、右大臂、右小臂、左大腿、左小腿、右大腿、右小腿和腰部分別設(shè)置有一個所述測量部件110。所述9個測量部件110按上述左大臂、左小臂、右大臂、右小臂、左大腿、左小腿、右大腿、右小腿和腰部測量部件110的設(shè)置位置進(jìn)行設(shè)置。所述9個測量部件110通過所述藍(lán)牙芯片與所述藍(lán)牙適配器120進(jìn)行通訊，將每個所述測量部件110中的MPU9250采集到的人體姿態(tài)數(shù)據(jù)和其解算出的人體運(yùn)動姿態(tài)角傳送給藍(lán)牙適配器120，所述藍(lán)牙適配器120通過USB接口電路140傳送給上位機(jī)130。上述測量部件110的設(shè)置方式減小了測量誤差，便于用戶進(jìn)行穿戴，且為后期人體三維模型的重建帶來了便利。

本實用新型實施例提供的人體姿態(tài)無線測量系統(tǒng)100采用將三軸加速度計1112、三軸陀螺儀1113和三軸磁力計1111集于一體的九軸運(yùn)動感測組件MPU9250對人體姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測，并利用MPU9250內(nèi)部的數(shù)字運(yùn)動處理器對所述人體姿態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理，將其轉(zhuǎn)化為四元數(shù)格式后傳送給處理器112進(jìn)行姿態(tài)角的解算。所述處理器112采用藍(lán)牙芯片nRF51822作為控制芯片，將藍(lán)牙協(xié)議棧嵌入到所述藍(lán)牙芯片nRF51822內(nèi)，使得所述測量部件110能夠與藍(lán)牙適配器120形成組網(wǎng)。多個測量部件110檢測到的原始人體姿態(tài)數(shù)據(jù)與解算出的人體運(yùn)動姿態(tài)角只需一個藍(lán)牙適配器120即可傳送給上位機(jī)130。上述設(shè)計一方面使得測量部件110更加輕便、測量更加精準(zhǔn)，另一方面功耗較低、使用壽命更長。并且本實用新型實施例提供的人體姿態(tài)無線測量系統(tǒng)100簡化了通信線路，避免了對用戶運(yùn)動空間和幅度的限制。

顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該明白，上述的本實用新型實施例的功能可以用通用的計算裝置來實現(xiàn)，它們可以集中在單個的計算裝置上，或者分布在多個計算裝置所組成的網(wǎng)絡(luò)上，可選地，它們可以用計算裝置可執(zhí)行的現(xiàn)有程序代碼或算法來實現(xiàn)，從而，可以將它們存儲在存儲裝置中由計算裝置來執(zhí)行，或者將它們分別制作成各個集成電路模塊，或者將它們中的多個模塊或步驟制作成單個集成電路模塊來實現(xiàn)。這樣，本實用新型的功能實現(xiàn)不限制于任何特定的硬件和軟件結(jié)合。

以上所述，僅為本實用新型的具體實施方式，但本實用新型的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本實用新型揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本實用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本實用新型的保護(hù)范圍應(yīng)所述以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。