一种人体三维姿态和行为状态传感监测方法与装置制造方法
【专利摘要】发明公开了一种人体三维姿态和行为状态传感检测方法和装置。检测在计算机控制下进行，装置中有多组人体传感器装置，每组均有三轴磁力传感器、三轴加速度传感器和三轴陀螺仪传感器，安装在人体的不同部位。通过建立三维空间参考坐标系、人体三维空间坐标系、传感器集成电路三维坐标系以及传感器集成电路对三维参考坐标系的姿态角，确定立正状态下头顶以及人体各关节的坐标点，计算校准姿态角和测量姿态角进而计算头顶和人体各关节在人体三维空间坐标系中的坐标并确定人体三维姿态。根据三轴陀螺仪传感器和三轴加速度传感器的输出初始值和任意姿态下输出测量值计算肢体的运动方向和运动路径。本发明不受监视区域限制，不需体外连线、监测点多、人体姿态测量精确、实时。
【专利说明】一种人体三维姿态和行为状态传感监测方法与装置
一、【技术领域】
[0001]本发明涉及智能检测系统范畴，特别是人体姿态的检测，具体是一种人体三维姿态和行为状态传感检测方法与装置。
二、【背景技术】
[0002]在运动训练中或一些特殊疾病如癫痫的诊断、治疗中需要对人体在日常行为中的姿态进行监测与检测。检测装置或仪器已经越来越多的运用到训练或临床诊断，专利号200910028156.X的中国专利《微型多功能人体姿态智能检测仪及检测方法》公布了一种微型多功能人体姿态智能检测仪及检测方法，利用了加速度计作为姿态传感器，为需要受检者提供部分运动状态下的运动参数，运动状态主要包括跑步、急速行走、跳跃等，提供参数包括跑步或行走频率、运动速度、跳跃高度和距离、初始起跳角度和速度。但是没有计算人体的详细三维姿态。专利号200810117914.0的中国专利《基于人体姿态识别的互动娱乐系统及其实现方法》，公布了一种基于人体姿态识别的互动娱乐系统及其实现方法，通过智能视频分析技术实现人体姿态参数提取。但是视频姿态计算受区域限制，只能用于所接摄像机拍摄范围。专利号200820080700.6中国专利《一种电磁式人体姿态采集系统》公布了一种电磁式人体姿态采集系统，但是该系统复杂，连线多，使用起来很麻烦。专利号201310270130.2的中国专利《基于ZigBee和三轴加速度传感器的人体姿态检测系统以及方法》虽然给出了人体姿态检测方法，但本发明只检测跌倒，检测内容有限，还不能适应当前运动或疾病诊断的需要。
三、
【发明内容】
[0003]本发明针对现有技术的不足，设计一种记录人体三维姿态传感检测的方法和装置。本发明的方法不用视频检测、不需要体外连线同时可完成多个记录点的检测，检测效果更好、更精确。
[0004]本发明的目的是这样达到的:利用人体三维姿态和行为状态传感检测装置在计算机控制下进行检测，检测装置中有多组人体传感器装置，每组人体传感装置中有三轴磁力传感器、三轴加速度传感器和三轴陀螺仪传感器三种不同的传感器，人体三维传感装置安装在人体的不同部位。
[0005]检测过程是:建立三维空间参考坐标系，以三维空间参考坐标系为基础建立人体三维空间坐标系、传感器集成电路三维坐标系以及传感器集成电路对三维参考坐标系的姿态角。以头顶和人体各关节为人体姿态定位点，测量人体头顶以及各关节间的间距，确定立正状态下头顶以及人体各关节在人体三维空间坐标系中的坐标点。在人体不同部位安装人体三维传感装置，在立正状态向正北站立下测量人体三维传感装置三轴磁力传感器、三轴加速度传感器和三轴陀螺仪传感器输出校准值，人体任意姿态下测量得到人体三维传感装置中三轴磁力传感器、三轴加速度传感器的输出测量值。根据输出校准值和任意姿态下输出测量值，计算人体三维传感装置校准姿态角和测量姿态角。根据人体三维传感装置校准姿态角和测量姿态角计算头顶和人体各关节在人体三维空间坐标系中的坐标，根据头顶和人体各关节在人体三维空间坐标系中的坐标确定人体三维姿态；根据人体三维传感装置中三轴陀螺仪传感器和三轴加速度传感器的输出初始值和任意姿态下输出测量值计算肢体的运动方向和运动路径，综合人体三维姿态、肢体运动方向、肢体运动路径，确定人体行为状态。
[0006]所述建立三维空间参考坐标系，以三维空间参考坐标系为基础建立人体三维空间坐标系、传感器集成电路三维坐标系以及传感器集成电路对三维参考坐标系的姿态角；以头顶和人体各关节为人体姿态定位点，测量人体头顶以及各关节间的间距，确定立正状态下头顶以及人体各关节在人体三维空间坐标系中的坐标点的步骤是:
[0007]先建立三维空间参考坐标系，坐标系中，OX轴指向北，OY轴指向东，OZ轴指向地；
[0008]再建立传感器集成电路坐标系，坐标系中，OXb轴沿传感器集成电路的纵轴指向前，OYb轴沿传感器集成电路横轴指向右侧，OZb轴根据右手法则确定；三轴磁力传感器、三轴加速度传感器和三轴陀螺仪传感器采用相同的传感器集成电路坐标系。
[0009]然后确定传感器集成电路对三维参考坐标系的姿态角:包括面向角、侧倾角、前倾角，
[0010]面向角:传感器集成电路纵轴OXb轴在水平面的投影与地磁北之间的夹角，面向角用V表示；
[0011]侧倾角:传感器集成电路横轴OYb方向与水平面之间所形成的夹角，侧倾角用表不;
[0012]前倾角:传感器集成电路纵轴OXb轴方向与水平面之间所形成的夹角，前倾角用0表示。
[0013]根据姿态角确定传感器集成电路相对参考坐标系的姿态角计算公式:设三轴磁力传感器采集数据为[Mx, My, Mz],三轴加速传感器的数据采集数据为[Gx，Gy，Gz],则传感器集成电路相对参考坐标系的姿态角为:
[0014]
【权利要求】
1.一种人体三维姿态和行为状态传感检测方法，其特征在于:利用人体三维姿态和行为状态传感检测装置在计算机控制下进行检测，检测装置中有多组人体传感器装置，每组人体传感装置中有三轴磁力传感器、三轴加速度传感器和三轴陀螺仪传感器三种不同的传感器，人体三维传感装置安装在人体的不同部位；检测过程是: 建立三维空间参考坐标系，以三维空间参考坐标系为基础建立人体三维空间坐标系、传感器集成电路三维坐标系以及传感器集成电路对三维参考坐标系的姿态角；以头顶和人体各关节为人体姿态定位点，测量人体头顶以及各关节间的间距，确定立正状态下头顶以及人体各关节在人体三维空间坐标系中的坐标点；在人体不同部位安装人体三维传感装置，在立正状态向正北站立下测量人体三维传感装置三轴磁力传感器、三轴加速度传感器和三轴陀螺仪传感器输出校准值；人体任意姿态下测量得到人体三维传感装置中三轴磁力传感器、三轴加速度传感器的输出测量值;根据输出校准值和任意姿态下输出测量值，计算人体三维传感装置校准姿态角和测量姿态角，根据人体三维传感装置校准姿态角和测量姿态角计算头顶和人体各关节在人体三维空间坐标系中的坐标，根据头顶和人体各关节在人体三维空间坐标系中的坐标确定人体三维姿态；根据人体三维传感装置中三轴陀螺仪传感器和三轴加速度传感器的输出初始值和任意姿态下输出测量值计算肢体的运动方向和运动路径，综合人体三维姿态、肢体运动方向、肢体运动路径，确定人体行为状态。
2.如权利要求1所述的人体三维姿态和行为状态传感检测方法，其特征在于: 所述建立三维空间参考坐标系，以三维空间参考坐标系为基础建立人体三维空间坐标系、传感器集成电路三维坐标系以及传感器集成电路对三维参考坐标系的姿态角；以头顶和人体各关节为人体姿态定位点，测量人体头顶以及各关节间的间距，确定立正状态下头顶以及人体各关节在 人体三维空间坐标系中的坐标点的步骤是: 先建立三维空间参考坐标系，坐标系中，OX轴指向北，OY轴指向东，OZ轴指向地； 再建立传感器集成电路坐标系，坐标系中，OXb轴沿传感器集成电路的纵轴指向前，OYb轴沿传感器集成电路横轴指向右侧，OZb轴根据右手法则确定；三轴磁力传感器、三轴加速度传感器和三轴陀螺仪传感器采用相同的传感器集成电路坐标系。 然后确定传感器集成电路对三维参考坐标系的姿态角:包括面向角、侧倾角、前倾角；面向角:传感器集成电路纵轴OXb轴在水平面的投影与地磁北之间的夹角，面向角用￥表示； 侧倾角:传感器集成电路横轴OYb方向与水平面之间所形成的夹角，侧倾角用表示； 前倾角:传感器集成电路纵轴OXb轴方向与水平面之间所形成的夹角，前倾角用0表示； 根据姿态角确定传感器集成电路相对参考坐标系的姿态角计算公式:设三轴磁力传感器采集数据为[Mx, My, Mz],三轴加速传感器的数据采集数据为[Gx, Gy, Gz],则传感器集成电路相对参考坐标系的姿态角为: 前倾角:Q =arcsin (-Gx)
侧倾角:cC^arcsin (Gy/cos 0 ).,“/V/xcos 沒十/V/zsin <9 而向
3.如权利要求1所述的人体三维姿态和行为状态传感检测方法，其特征在于:所述人体三维传感器和安装部位如下:头部传感装置安装在头部；躯干传感装置安装在胸部或背部；左上臂传感装置安装在左上臂上；右上臂传感装置安装在右上臂上；左前臂传感装置安装在左前臂上；右前臂传感装置安装在右前臂上；左手传感装置安装在左手上；右手传感装置安装在右手上；左大腿传感装置安装在左大腿上；右大腿传感装置安装在右大腿上；左小腿传感装置安装在左小腿上；右小腿传感装置安装在右小腿上；左脚传感装置安装在左脚上；右脚传感装置安装在右脚上； 头部传感装置、左脚传感装置、右脚传感装置与水平面平行安装， 躯干传感装置、左上臂传感装置、右上臂传感装置、左前臂传感装置、右前臂传感装置、左手传感装置、右手传感装置、左大腿传感装置、右大腿传感装置、左小腿传感装置、右小腿传感装置与水平面垂直安装。
4.如权利要求1所述的人体三维姿态和行为状态传感检测方法，其特征在于: 所述通过在立正状态向正北站立下测量人体三维传感装置三轴磁力传感器、三轴加速度传感器和三轴陀螺仪传感器输出校准值，人体任意姿态下测量得到人体三维传感装置中三轴磁力传感器、三轴加速度传感器和输出测量值，根据输出校准值和任意姿态下输出测量值，计算人体三维传感装置校准姿态角和测量姿态角步骤是: 人面向北，双脚并拢，静止直立，分别记录传感器装置中三轴磁力传感器、三轴加速传感器输出值，计算传感器装置的校准姿态角:包括校准前倾角、校准侧倾角、校准面向角； 在人体任意姿态下，分别记录传感器集成电路中三轴磁力传感器、三轴加速传感器的输出值，计算传感器装置在测量时刻的测量姿态角:包括测量前倾角、测量侧倾角、测量面向角。
5.如权利要求4所述的人体三维姿态和行为状态传感检测方法，其特征在于:分别计算各传感器装置人体任意姿态的修正姿态角: 头部传感装置的姿态角反映线段OA的姿态，校准时根据计算得到头部传感装置校准姿态角为:校准面向角为VAj,校准侧倾角为OAj，校准前倾角为0Aj ;在测量时刻计算得到的头部传感装置测量姿态角为:测量面向角为VAc,测量侧倾角为0>Ac，测量前倾角为QAc ;修正后的头部传感装置的姿态角分别为:修正面向角为VA= nr Ac-1l/Aj，修正侧倾角为 ^A=(DAc-O)Aj,修正前倾角为 0 A= 0 Ac- 0 Aj ； 躯干传感装置的姿态角反映了线段OM的姿态，校准时根据计算得到躯干传感装置校准姿态角为:校准面向角为VOMj,校准侧倾角为DOMj，校准前倾角为0OMj;在测量时刻根据计算得到的躯干传感装置测量姿态角为:测量面向角为vOMc，测量侧倾角为OOMc，测量前倾角为0 OMc ;修正后的躯干传感装置的姿态角分别为；修正面向角为￥ OM= ￥ OMc- ￥ OMj，修正侧倾角为① OM= 0) OMc-OMj，修正前倾角为 9 OM= 0 OMc- 0 OMj ；左上臂传感装置的姿态角反映了线段BlCl的姿态，校准时根据计算得到左上臂传感装置校准姿态角为:校准面向角为VBClj,校准侧倾角为0>BClj，校准前倾角为0BClj;在测量时刻根据计算得到的左上臂传感装置测量姿态角为:测量面向角为U/BClc，测量侧倾角为OBClc，测量前倾角为0 BClc ;修正后的左上臂传感装置的姿态角分别为:修正面向角为VBCl= VBClc-vBClj，修正侧倾角为a>BCl=a>BClc-0)BClj，修正前倾角为0BCl= 9BClc-9BClj ； 右上臂传感装置的姿态角反映了线段B2C2的姿态，校准时根据计算得到右上臂传感装置校准姿态角为:校准面向角为vBC2j，校准侧倾角为OBC2j，校准前倾角为0BC2j ；在测量时刻根据计算得到的右上臂传感装置测量姿态角为:测量面向角为VBC2C，测量侧倾角为OBC2C，测量前倾角为0BC2c ;修正后的右上臂传感装置的姿态角分别为:修正面向角为vBC2=vBC2c-vBC2j，修正侧倾角为a>BC2=a>BC2c-a)BC2j，修正前倾角为0BC2=9BC2c-9BC2j ； 左前臂传感装置的姿态角反映了线段ClDl的姿态，校准时根据计算得到左前臂传感装置校准姿态角为:校准面向角为VCDl j，校准侧倾角为OCDl j，校准前倾角为0CDlj ；在测量时刻根据计算得到的左前臂传感装置测量姿态角为:测量面向角为U/CDlc，测量侧倾角为OCDlc，测量前倾角为0 CDlc ;修正后的左前臂传感装置的姿态角分别为:修正面向角为V⑶I=V⑶Ic-V⑶lj，修正侧倾角为①⑶l=d^Dlc-0)⑶lj，修正前倾角为0CDl= 9CDlc-9CDlj ； 右前臂传感装置的姿态角反映了线段C2D2的姿态，校准时根据计算得到右前臂传感装置校准姿态角为:校准面向角为￥CD2j，校准侧倾角为OCD2j，校准前倾角为0CD2j ；在测量时刻根据计算得到的右前臂传感装置测量姿态角为:测量面向角为VCD2C，测量侧倾角为OCD2C，测量前倾角为0 CD2c ;修正后的右前臂传感装置的姿态角分别为；修正面向角为V⑶2= V⑶2c-V⑶2j，修正侧倾角为0)⑶2=0)⑶2c-0>⑶2j，修正前倾角为0 CD2= 9 CD2c- 9 CD2j ； 左手传感装置的姿态角反映了线段DlEl的姿态，校准时根据计算得到左手传感装置校准姿态角为:校准面向角为VDElj,校准侧倾角为ODElj，校准前倾角为0DElj;在测量时刻根据计算得到的左手传感装置测量姿态角为:测量面向角为U/DElc，测量侧倾角为ODElc，测量前倾角为0 DElc ;修正后的左手传感装置的姿态角分别为:修正面向角为VDEl= VDElc-vDElj，修正侧倾角为0>DEl=0)DElc-a)DElj，修正前倾角为0DEl=9DElc-9DElj ；右手传感装置的姿态角反映了线段D2E2的姿态，校准时根据计算得到右手传感装置校准姿态角为:校准面向角为vDE2j，校准侧倾角为0>DE2j，校准前倾角为0DE2j;在测量时刻根据计算得到的右手传感装置测量姿态角为:测量面向角为VDE2C，测量侧倾角为ODE2c，测量前倾角为0DE2c ;修正后的右手传感装置的姿态角分别为:修正面向角为vDE2=vDE2c-vDE2j，修正侧倾角为a>DE2=a>DE2c-a)DE2j，修正前倾角为0DE2=9DE2c-9DE2j ； 左大腿传感装置的姿态角反映了线段FlGl的姿态，校准时根据计算得到左大腿传感装置校准姿态角为:校准面向角为VFGl j，校准侧倾角为(DFG1 j，校准前倾角为0FGlj;在测量时刻根据计算得到的左大腿传感装置测量姿态角为:测量面向角为U/FGlc，测量侧倾角为OFGlc，测量前倾角为0 FGlc ;修正后的左大腿传感装置的姿态角分别为:修正面向角为VFGl= VFGlc-VFGl j，修正侧倾角为a>FGl=a>FGlc-0)FGlj，修正前倾角为0FGl=9FGlc-9FGlj ； 右大腿传感装置的姿态角反映了线段F2G2的姿态，校准时根据计算得到右大腿传感装置校准姿态角为:校准面向角为vFG2j，校准侧倾角为OFG2j，校准前倾角为0FG2j ；在测量时刻根据计算得到的右大腿传感装置测量姿态角为:测量面向角为VFG2C，测量侧倾角为OFG2C，测量前倾角为0FG2c ;修正后的右大腿传感装置的姿态角分别为:修正面向角为vFG2=vFG2c-vFG2j，修正侧倾角为a>FG2=a>FG2c-a)FG2j，修正前倾角为0FG2= 9FG2c-9FG2j ； 左小腿传感装置的姿态角反映了线段GlHl的姿态，校准时根据计算得到左小腿传感装置校准姿态角为:校准面向角为VGHl j，校准侧倾角为OGHl j，校准前倾角为0GHlj ；在测量时刻根据计算得到的左小腿传感装置测量姿态角为:测量面向角为U/GHlc，测量侧倾角为OGHlc ，测量前倾角为0 GHlc ;修正后的左小腿传感装置的姿态角分别为:修正面向角为VGHl= VGHlc-vGHlj，修正侧倾角为a>GHl=a>GHlc-0)GHlj，修正前倾角为0GHl=9GHlc-9GHlj ； 右小腿传感装置的姿态角反映了线段G1H2的姿态，校准时根据计算得到右小腿传感装置校准姿态角为:校准面向角为vGH2j，校准侧倾角为OGH2j，校准前倾角为0GH2j;在测量时刻根据计算得到的右小腿传感装置测量姿态角为:测量面向角为VGH2C，测量侧倾角为OGH2C，测量前倾角为0GH2c ;修正后的右小腿传感装置的姿态角分别为:修正面向角为vGH2=vGH2c-vGH2j，修正侧倾角为a>GH2=a>GH2c-a)GH2j，修正前倾角为0GH2=9GH2c-9GH2j ； 左脚传感装置的姿态角反映了线段HlIl的姿态，校准时根据计算得到左脚传感装置校准姿态角为:校准面向角为VHIlj,校准侧倾角为OHIlj，校准前倾角为0HIlj;在测量时刻根据计算得到的左脚传感装置测量姿态角为:测量面向角为VHIlc,测量侧倾角为OHIlc，测量前倾角为0HIlc ;修正后的左脚传感装置的姿态角分别为:修正面向角为VHIl= VHIlc-vHIlj，修正侧倾角为0>HIl=0)HIlc-a)HIlj，修正前倾角为0HI1=0 HIlc- 9 HIlj ； 右脚传感装置的姿态角反映了线段H2I2的姿态，校准时根据计算得到右脚传感装置校准姿态角为:校准面向角为vHI2j，校准侧倾角为OHI2j，校准前倾角为0HI2j;在测量时刻根据计算得到的右脚传感装置测量姿态角为:测量面向角为VHI2C，测量侧倾角为①HI2c，测量前倾角为eHI2c ;修正后的右脚传感装置的姿态角分别为:修正面向角为vHI2=vHI2c-vHI2j，修正侧倾角为①HI2=①HI2c-①HI2j，修正前倾角为0HI2=9HI2c-9HI2j0
6.如权利要求1所述的人体三维姿态和行为状态传感检测方法，其特征在于:根据各个传感器的姿态角得到头顶和各个关节点人体三维空间坐标系中的坐标为:
M 点的坐标:Mx=OM ? sin Q OM ? cos ￥0M，My=OM ? sin Q OM ? sin ￥0M，Mz=OM ? cos 9 OM ；BI 坐标:Blx=0B ? cos ① OM ? sin ￥ 0M, Bly=-OB ? cos ① OM ? cos ￥ 0M,Blz=OB ? sin①OM ；
7.如权利要求1所述的人体三维姿态和行为状态传感检测方法，其特征在于:所述利用多组人体三维传感器检测装置在计算机控制下进行检测，其上位机的控制流程是:开始，第一步，给各个传感器下发校准指令，第二步，读取各传感器在校准状态下的数据，第三步，计算各传感器在校准状态下的姿态角，第四步，读取各传感器在任意姿态的测量状态下的数据，第五步，计算各传感器在任意姿态的测量姿态角，第六步，计算人体头顶和各关节坐标，第七步，计算肢体运动路径、运动方向和人体运动路径、运动方向，第八步，存储测量数据和计算数据，最后返回第一步； 传感装置上的微处理器的处理流程是:开始后，控制无线传输模块接收上位机命令，然后采集传感器数据，再通过无线传输模块将传感器数据发送给上位机，循环往返； 上位机无线通信接口微处理器的工作流程是:开始后，接收上位机命令，控制无线传输模块发送数据，控制无线传输模块接收数据，将接收数据送给上位机，循环往返。
8.一种人体三维姿态和行为状态传感检测装置，其特征在于:检测装置由上位机、上位机无线通信接口和若干组人体三维传感装置构成，每组人体三维传感装置均含有三轴磁力传感器、三轴加速度传感器、三轴陀螺仪传感器三种传感器，三种传感器分别与微处理器连接，微处理器上连接有无线通信模块和存储器: 若干组人体三维传感装置包括头部传感装置(I)、躯干传感装置(2)、左上臂传感装置(3)、右上臂传感装置(4)、左前臂传感装置(5)、右前臂传感装置(6)、左手传感装置(7)、右手传感装置(8)、左大腿传感装置(9)、右大腿传感装置(10)、左小腿传感装置(11)、右小腿传感装置(12)、左脚传感装置(13)和右脚传感装置(14)。
9.如权利要求8所述的人体三维姿态和行为状态传感检测装置，其特征在于:所述头部传感装置(I )、左脚传感装置(13)和右脚传感装置(14)上的传感器集成电路、微处理器集成电路、存储器集成电路、无线通信集成电路在同一个印制电路板上，印制电路板为矩形，且印制电路板各边分别与传感器集成电路各边平行或垂直； 躯干传感装置(2)、左上臂传感装置(3)、右上臂传感装置(4)、左前臂传感装置(5)、右前臂传感装置(6)、左手传感装置(7)、右手传感装置(8)、左大腿传感装置(9)、右大腿传感装置(10)、左小腿传感装置(11)、右小腿传感装置(12)的印制电路板分微处理器印制电路板和传感器印制电路板，微处理器印制电路板安装除传感器集成电路以及其周边电路外的所有电路，传感器印制电路板安装传感器集成电路以及其周边电路，微处理器印制电路板和传感器印制电路板通过接插件连接，接插件连接的电路网络包括电源、地、中断引脚以及数据通信接口，微处理器印制电路板与传感器印制电路板垂直安装，当立正姿势安装到人体上时，使得微处理器印制电路板处于竖直方向，传感器印制电路板处于水平方向，传感器印制电路板为矩形，且各边分别与传感器集成电路各边平行或垂直。
10.如权利要求8所述的人体三维姿态和行为状态传感检测装置，其特征在于:所述传感器装置中三轴磁力传感器、三轴加速度传感器、三轴陀螺仪传感器三种传感器采用三种传感器合一的集成电路芯片LM333 D。
【文档编号】A61B5/11GK103637807SQ201310745414
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2013年12月30日 优先权日:2013年12月30日
【发明者】莫思特, 柳银, 文瀚林, 李碧雄 申请人:四川大学