一種用于捕獲人體上肢運動信息的穿戴系統技術方案

本發明專利技術涉及一種用于捕獲人體上肢運動信息的穿戴系統，屬于人機交互設備技術領域。穿戴系統包括用于采集人體上肢每個關節的三維角速度、三維加速度以及三維磁矢量的傳感器，用于接收人體上肢每個關節的三維角速度、加速度和磁矢量，實時計算各手指關節、手掌和手臂的姿態、速度和位置的中央處理器，通過將各手指關節、手掌和手臂的姿態、速度和位置發送到顯示器的無線傳輸模塊，用于接收各手指關節、手掌和手臂的姿態、速度和位置，并實時驅動人體上肢仿真模型的顯示器。本穿戴系統適應力強，穿戴方便，能實時、完整、快速地捕獲手臂、手掌和每個手指的運動信息，可以遠距離傳輸并直觀顯示，能應用于人機交互、遙操作、上肢康復監測等多種領域。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種用于捕獲人體上肢運動信息的穿戴系統，屬于人機交互設備

技術介紹
近年來人機交互技術迅猛發展，它主要是通過相關設備識別人的各種行為動作、身體姿勢等與計算機虛擬環境進行互動，實現游戲、操作訓練、健身等功能。捕獲人體運動是其中關鍵。目前，人體運動捕獲技術大部分是基于圖像識別技術，需要攝像頭等外接設備，易受到光照、環境等條件的影響。
技術實現思路
本專利技術的目的是提出一種用于捕獲人體上肢運動信息的穿戴系統，以實時捕獲手臂、手掌和每個手指的運動信息，并進行實時顯示，應用于人機交互、遙操作、上肢康復監測等多方面。本專利技術提出的用于捕獲人體上肢運動信息的穿戴系統，包括:多個傳感器，用于采集人體上肢每個關節的三維角速度、三維加速度以及三維磁矢量，包括手臂傳感器、手掌傳感器和手指傳感器，手臂傳感器和手掌傳感器相互串聯，穿戴在手臂和手掌上，手指傳感器分為五組，每組中各傳感器相互串聯，分別穿戴在五根手指的各個關節上，并將采集的人體上肢每個關節的三維角速度、三維加速度以及三維磁矢量通過信號線發送到中央處理器；中央處理器，用于接收多個傳感器采集的人體上肢每個關節的三維角速度、三維加速度以及三維磁矢量，實時計算各手指關節、手掌和手臂的姿態、速度和位置，中央處理器穿戴在手掌或手臂上，中央處理器通過信號線與多個傳感器相連；無線傳輸模塊，通過將上述中央處理器計算得到各手指關節、手掌和手臂的姿態、速度和位置，通過無線方式發送到顯示器；電源，用于為多個傳感器、中央處理器和無線傳輸模塊供電，電源穿戴在手臂上；顯示器，通過無線傳輸模塊接收中央處理器計算得到的各手指關節、手掌和手臂的姿態、速度和位置，并根據接收的各手指關節、手掌和手臂的姿態、速度和位置，實時驅動人體上肢仿真模型。本專利技術提出的用于捕獲人體上肢運動信息的穿戴系統，無需外接設備如攝像頭等就可以進行工作，不受環境光照、遮擋等影響，適應力強，穿戴方便，能適應不同人體上肢，能實時、完整、快速地捕獲手臂、手掌和每個手指的加速度、速度、姿態和位置等運動信息。本專利技術的穿戴系統可以遠距離傳輸并直觀顯示，能應用于人機交互、遙操作、上肢康復監測等多種領域。【附圖說明】圖1是本專利技術提出的用于捕獲人體上肢運動信息的穿戴系統的流程框圖。圖2是本專利技術的穿戴系統的結構示意圖。圖2中，I是傳感器，2是電源，3是中央處理器，4是無線傳輸模塊。【具體實施方式】本專利技術提出的用于捕獲人體上肢運動信息的穿戴系統，流程框圖如圖1所示，包括:多個傳感器1，用于采集人體上肢每個關節的三維角速度、三維加速度以及三維磁矢量，包括手臂傳感器、手掌傳感器和手指傳感器，手臂傳感器和手掌傳感器相互串聯，穿戴在手臂和手掌上，手指傳感器分為五組，每組中各傳感器相互串聯，分別穿戴在五根手指的各個關節上；本專利技術的一個實施例中，一共采用18個傳感器模塊，其中5串分別穿戴在5根手指的每個關節，一串穿戴在手掌、小臂和大臂上，如圖2所示，并將采集的人體上肢每個關節的三維角速度、三維加速度以及三維磁矢量通過信號線發送到中央處理器；中央處理器3，用于接收多個傳感器采集的人體上肢每個關節的三維角速度、三維加速度以及三維磁矢量，實時計算各手指關節、手掌和手臂的姿態、速度和位置，中央處理器穿戴在手掌或手臂上，中央處理器通過信號線與多個傳感器相連。無線傳輸模塊4，通過將上述中央處理器計算得到各手指關節、手掌和手臂的姿態、速度和位置，通過無線方式發送到顯示器；電源2，用于為多個傳感器、中央處理器和無線傳輸模塊供電，電源穿戴在手臂上，電源為小型鋰電池，輸出電壓5v。顯示器，通過無線傳輸模塊接收中央處理器計算得到的各手指關節、手掌和手臂的姿態、速度和位置，并根據接收的各手指關節、手掌和手臂的姿態、速度和位置，實時驅動人體上肢仿真模型。本專利技術提出的用于捕獲人體上肢運動信息的穿戴系統中，中央處理器的計算流程如下所示:(I)根據每個傳感器的測量信息，利用卡爾曼濾波，得到每個傳感器三維姿態，用四元素Qi表示三維姿態，其中穿戴在大臂、小臂和手掌的傳感器的姿態分別為Q 1、Q2、Q3，穿戴在大拇指近端關節、中端關節和遠端關節上傳感器的姿態分別為Qn、Q12, Q13,同理食指、中指、無名指、小指上傳感器模塊I的姿態分別為Q21、q22、q23，q31、q32、q33，q41、q42、q43，q51、Q52、Q53;(2)以大臂作為基關節，得到大臂的姿態為Q1= Q工，小臂的姿態為q2= Q 2.qp手掌的姿態為q3= Q3.q2，大拇指、食指、中指、無名指、小指的每個關節姿態表示為Qjl =Qji.q3，Qj2= Q J2.q3，qJ3= Q J3.，其中 j = 1,2，3,4,5 ；(3)將關節姿態進行微分，然后乘以各自關節的長度，就得到了上肢運動的速度信息;(4)將各自關節的姿態和長度相乘，就得到了上肢運動的位置信息。【主權項】1.一種用于捕獲人體上肢運動信息的穿戴系統，其特征在于該穿戴系統包括: 多個傳感器，用于采集人體上肢每個關節的三維角速度、三維加速度以及三維磁矢量，包括手臂傳感器、手掌傳感器和手指傳感器，手臂傳感器和手掌傳感器相互串聯，穿戴在手臂和手掌上，手指傳感器分為五組，每組中各傳感器相互串聯，分別穿戴在五根手指的各個關節上，并將采集的人體上肢每個關節的三維角速度、三維加速度以及三維磁矢量通過信號線發送到中央處理器； 中央處理器，用于接收多個傳感器采集的人體上肢每個關節的三維角速度、三維加速度以及三維磁矢量，實時計算各手指關節、手掌和手臂的姿態、速度和位置，中央處理器穿戴在手掌或手臂上，中央處理器通過信號線與多個傳感器相連； 無線傳輸模塊，通過將上述中央處理器計算得到各手指關節、手掌和手臂的姿態、速度和位置，通過無線方式發送到顯示器； 電源，用于為多個傳感器、中央處理器和無線傳輸模塊供電，電源穿戴在手臂上；顯示器，通過無線傳輸模塊接收中央處理器計算得到的各手指關節、手掌和手臂的姿態、速度和位置，并根據接收的各手指關節、手掌和手臂的姿態、速度和位置，實時驅動人體上肢仿真模型。【專利摘要】本專利技術涉及一種用于捕獲人體上肢運動信息的穿戴系統，屬于人機交互設備
穿戴系統包括用于采集人體上肢每個關節的三維角速度、三維加速度以及三維磁矢量的傳感器，用于接收人體上肢每個關節的三維角速度、加速度和磁矢量，實時計算各手指關節、手掌和手臂的姿態、速度和位置的中央處理器，通過將各手指關節、手掌和手臂的姿態、速度和位置發送到顯示器的無線傳輸模塊，用于接收各手指關節、手掌和手臂的姿態、速度和位置，并實時驅動人體上肢仿真模型的顯示器。本穿戴系統適應力強，穿戴方便，能實時、完整、快速地捕獲手臂、手掌和每個手指的運動信息，可以遠距離傳輸并直觀顯示，能應用于人機交互、遙操作、上肢康復監測等多種領域。【IPC分類】G06F3/01, G06F3/0346【公開號】CN104881118【申請號】CN201510271805【專利技術人】方斌, 孫富春, 劉華平 【申請人】清華大學【公開日】2015年9月2日【申請日】2015年5月25日本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種用于捕獲人體上肢運動信息的穿戴系統，其特征在于該穿戴系統包括：多個傳感器，用于采集人體上肢每個關節的三維角速度、三維加速度以及三維磁矢量，包括手臂傳感器、手掌傳感器和手指傳感器，手臂傳感器和手掌傳感器相互串聯，穿戴在手臂和手掌上，手指傳感器分為五組，每組中各傳感器相互串聯，分別穿戴在五根手指的各個關節上，并將采集的人體上肢每個關節的三維角速度、三維加速度以及三維磁矢量通過信號線發送到中央處理器；中央處理器，用于接收多個傳感器采集的人體上肢每個關節的三維角速度、三維加速度以及三維磁矢量，實時計算各手指關節、手掌和手臂的姿態、速度和位置，中央處理器穿戴在手掌或手臂上，中央處理器通過信號線與多個傳感器相連；無線傳輸模塊，通過將上述中央處理器計算得到各手指關節、手掌和手臂的姿態、速度和位置，通過無線方式發送到顯示器；電源，用于為多個傳感器、中央處理器和無線傳輸模塊供電，電源穿戴在手臂上；顯示器，通過無線傳輸模塊接收中央處理器計算得到的各手指關節、手掌和手臂的姿態、速度和位置，并根據接收的各手指關節、手掌和手臂的姿態、速度和位置，實時驅動人體上肢仿真模型。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：方斌，孫富春，劉華平，
申請(專利權)人：清華大學，
類型：發明
國別省市：北京;11