外骨骼服和躯体仿真系统的制作方法

本实用新型涉及人机工程学技术领域，尤其涉及外骨骼服和躯体仿真系统。

背景技术：

随着社会的发展，网络和通信技术、图形图像处理技术和计算机技术的进步，对人的躯体进行仿真和动作捕捉在影视制作、医疗保健、游戏娱乐等领域得到越来越多的采用。在对人的躯体进行仿真和动作捕捉时，通常需要通过绑带或紧身衣之类的手段将大量传感器紧贴在人的躯体上。在此情况下，用户难以为自己系上绑带或穿上紧身衣，只能求助于其他人的帮助，这对用户获取躯体姿态信息造成了很大妨碍。同时，穿戴大量传感器导致仿真系统的成本提升，操作繁琐。而且，获得用户的肢体尺寸数据只能通过人工测量并人工输入的系统中，非常繁琐。

技术实现要素：

为了实现上述目的，本实用新型提出外骨骼服和躯体仿真系统。

根据本实用新型的第一方面，提供一种外骨骼服，包括至少一个测量装置，用于测量所述外骨骼服的穿戴者的肢体的尺寸，其中，所述测量装置包括测量通信模块，用于发送测量出的所述外骨骼服的穿戴者的肢体的尺寸。

可选地，所述外骨骼服还包括多个外骨骼部件，各个外骨骼部件相互连接处为外骨骼关节，其中，所述测量装置安装于所述外骨骼关节处，并与所述外骨骼关节处的至少一个外骨骼部件结合以测量所述外骨骼服的穿戴者的肢体的尺寸。

可选地，至少一个外骨骼部件在所述测量装置所在的外骨骼关节处伸缩，以与所述测量装置结合来测量所述外骨骼服的穿戴者的肢体的尺寸。

可选地，所述外骨骼服还包括上肢外骨骼，所述上肢外骨骼包括以下多个外骨骼部件：肩部外骨骼部件和分别与所述肩部外骨骼部件连接的两条手臂外骨骼部件，每条手臂外骨骼部件均包括前臂外骨骼部件和与所述前臂外骨骼部件的后端连接的上臂外骨骼部件，

其中，所述上肢外骨骼中的各个外骨骼部件相互连接处为外骨骼关节，在至少一个外骨骼关节处安装所述测量装置。

可选地，所述上肢外骨骼还包括多个定位装置，在所述上肢外骨骼的每个外骨骼部件上均安装有至少一个所述定位装置，用于对相应的外骨骼部件的运动进行定位，其中，所述定位装置包括定位通信模块，用于发送对相应的外骨骼部件的运动进行定位的定位信息。

可选地，所述上肢外骨骼还包括两个上肢前端定位装置，其中：

每一上肢前端定位装置均设置在所述前臂外骨骼的前端，其中，当用户穿戴上所述上肢外骨骼时，每一上肢前端定位装置均固定在所述用户的一条手臂的肘关节至手掌之间的位置，该上肢前端定位装置在空间中对所述肘关节至手掌之间的位置进行定位，以获取上肢前端位置信息，其中，每一上肢前端定位装置均包括通信模块，用于发送相应的上肢前端位置信息。

可选地，所述外骨骼服还包括下肢外骨骼，所述下肢外骨骼包括以下多个外骨骼部件：髋部外骨骼部件和分别与所述髋部外骨骼部件连接的两个腿部外骨骼部件，每个腿部外骨骼部件均包括小腿外骨骼部件和与所述小腿外骨骼部件的上端连接的大腿外骨骼部件，

其中，所述下肢外骨骼中的各个外骨骼部件相互连接处为外骨骼关节，在至少一个外骨骼关节处安装所述测量装置。

可选地，所述下肢外骨骼还包括多个定位装置，在所述下肢外骨骼的每个外骨骼部件上均安装有至少一个所述定位装置，用于对相应的外骨骼部件的运动进行定位，其中，所述定位装置包括定位通信模块，用于发送对相应的外骨骼部件的运动进行定位的定位信息。

可选地，所述下肢外骨骼还包括两个下肢下端定位装置，其中：

每一下肢下端定位装置均设置在所述小腿外骨骼的下端，其中，当用户穿戴上所述下肢外骨骼时，每一下肢下端定位装置均固定在所述用户的一条腿的膝关节至踝关节之间的位置，该下肢下端定位装置在空间中对所述膝关节至踝关节之间的位置进行定位，以获取下肢下端位置信息，其中，每一下肢下端定位装置均包括通信模块，用于发送相应的下肢下端位置信息。

根据本实用新型的第二方面，提供一种躯体仿真系统，包括外骨骼服和仿真装置：

所述外骨骼服包括至少一个测量装置，用于测量所述外骨骼服的穿戴者的肢体的尺寸，其中，所述测量装置包括测量通信模块，用于发送测量出的所述外骨骼服的穿戴者的肢体的尺寸；

所述仿真装置从所述至少一个测量装置获取所述外骨骼服的穿戴者的肢体的尺寸，其中，所述仿真装置采用所述外骨骼服的穿戴者的肢体的尺寸，计算所述穿戴者整体的尺寸，进而对所述穿戴者的躯体进行仿真。

本实用新型提出的外骨骼服和躯体仿真系统，该外骨骼服和躯体仿真系统可以通过包括至少一个测量装置，用于测量所述外骨骼服的穿戴者的肢体的尺寸，其中，所述测量装置包括测量通信模块，用于发送测量出的所述外骨骼服的穿戴者的肢体的尺寸，使得无需人工测量，即可获得外骨骼服的穿戴者的肢体的尺寸，而且可通过测量通信模块发送测得的肢体尺寸。这避免了现有技术中需要对用户肢体进行人工测量，并将测量收据人工输入到系统的繁琐。此外，所述躯体仿真系统采用根据本公开实施例的外骨骼服测量并发送来的外骨骼服的穿戴者的肢体的尺寸，即可对用户的身体进行仿真，无需人工测量和输入用户的肢体尺寸，简化了操作。根据本实用新型的躯体仿真系统可用于实现准确高效的人机实时交互，当然本领域技术人员可以明了，所述人机交互也可以是非实时的情况。本实用新型的外骨骼服和躯体仿真系统适用于人机交互、影视制作、医疗保健、游戏娱乐、野外勘探、生产活动等各个领域。

附图说明

图1是根据本实用新型一实施例的外骨骼服的结构框图；

图2是根据本实用新型另一实施例的外骨骼服的结构框图；

图3是根据本实用新型另一实施例的外骨骼服的上肢外骨骼的结构框图；

图4是根据本实用新型另一实施例的外骨骼服的下肢外骨骼的结构框图；

图5是根据本实用新型一实施例的躯体仿真系统的结构框图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

图1是根据本实用新型一实施例的外骨骼服的结构框图。

图1所示的外骨骼服100包括至少一个测量装置110，用于测量外骨骼服100的穿戴者的肢体的尺寸。其中，测量装置110包括测量通信模块 1110，用于发送测量出的外骨骼服100的穿戴者的肢体的尺寸。

图1中示出了外骨骼服包括多个测量装置110，但是可以仅包括一个测量装置110。

在本实施例中，“穿戴者的肢体”指的是用户身体上的一个部分，例如，某条胳膊的前臂或上臂、某条腿的小腿或大腿、肩部等等。例如，当对穿戴者的左臂的小臂进行测量时，测量装置110可以测量左臂的小臂的长度。又例如，当对穿戴者的肩部进行测量时，测量装置110可以肩部的宽度。

在本实施例中，当测量通信模块1110将测量装置110测量出的外骨骼服100的穿戴者的肢体的尺寸发送到一个人体仿真设备时，该人体仿真设备能够根据测量通信模块1110发送的穿戴者的肢体的尺寸计算出相应的躯体仿真数据，从而估算用户的躯体各部分的尺寸、整体体型等信息。可以理解，在具有多个测量装置110的情况下，外骨骼服100可以提供更全面的肢体数据，用于对外骨骼服的穿戴者进行仿真。

本领域技术人员可以理解，测量装置可以为各种类型。而且，当采用多个测量装置时，可以在根据本实用新型实施例的外骨骼服中结合各种类型的测量装置。

例如，当测量装置是机械式测量装置时，测量装置可以包括一个卷尺，此时测量装置可以安装在外骨骼服的任意位置，例如，诸如肘部的关节处或诸如前臂的外骨骼部件上，通过抽出卷尺来测量相应肢体长度。

例如，当测量装置是机械式测量装置时，测量装置可以包括一个齿轮机构，结合一个外骨骼部件，例如，前臂外骨骼部件使用。在此情况下，前臂外骨骼在此齿轮机构中伸缩使得齿轮机构转动，测量装置还具有计数机构，可以根据齿轮机构的转动读取该前臂外骨骼部件伸缩后长度，由此确定该前臂外骨骼部件的长度。

例如，测量装置还可以激光测距装置、超声波测距装置、红外测距装置或无线电测距装置等，这些测量装置可以安装到外骨骼服的任意位置。

优选地，每一测量装置均包括测量通信模块。测量通信模块可以是有线通信模块或无线通信模块。测量通信模块可以将测量装置测得的肢体信息发送到任何其他能够与定位通信模块通信的信息处理设备。例如，信息处理设备可以为简单的信息处理设备，比如信息处理芯片，也可以是平板电脑、PAD、移动电话、计算机等复杂的信息处理设备，用户可根据实际信息处理的要求选择合适的信息处理设备。

该外骨骼服可以通过包括至少一个测量装置，用于测量所述外骨骼服的穿戴者的肢体的尺寸，其中，所述测量装置包括测量通信模块，用于发送测量出的所述外骨骼服的穿戴者的肢体的尺寸，使得无需人工测量，即可获得外骨骼服的穿戴者的肢体的尺寸，而且可通过测量通信模块发送测得的肢体尺寸。这避免了现有技术中需要对用户肢体进行人工测量，并将测量收据人工输入到系统的繁琐。例如，在将外骨骼服用于对人体仿真时，可以无需人工测量人体尺寸并将测得的尺寸输入的仿真系统，而是可以在用户穿戴好外骨骼服之后，外骨骼服上的至少一个测量装置即可测量好用户的肢体尺寸并将肢体尺寸发送到仿真系统，这简化了仿真系统的工作。本实用新型的外骨骼服适用于人机交互、影视制作、医疗保健、游戏娱乐、野外勘探、生产活动等各个领域。

图2是根据本实用新型另一实施例的外骨骼服的结构框图。

如图2所示，根据本实用新型实施例的外骨骼服200还包括多个外骨骼部件(未示出)，各个外骨骼部件相互连接处为外骨骼关节210。其中，测量装置110安装于外骨骼关节210处，并与外骨骼关节210处的至少一个外骨骼部件结合以测量外骨骼服200的穿戴者的肢体的尺寸。

本领域技术人员可以理解，在根据本实用新型实施例的外骨骼服中，可以将外骨骼关节制造为单独的外骨骼部件，例如，在前臂外骨骼部件和上臂外骨骼部件之间设置一个肘关节外骨骼部件将二者连接起来。在根据本实用新型实施例的外骨骼服中，还可以不制造单独的外骨骼关节，而是将两个相邻的外骨骼部件的连接处称为外骨骼关节。例如，将前臂外骨骼部件和上臂外骨骼部件的连接处称为外骨骼关节。

在此实施例中，至少一个外骨骼部件(未示出)可以在测量装置110 所在的外骨骼关节210处伸缩，以与测量装置110结合来测量外骨骼服200 的穿戴者的肢体的尺寸。例如，当测量装置是机械式测量装置时，外骨骼关节处的测量装置可以包括一个齿轮机构，结合一个外骨骼部件，例如，前臂外骨骼部件使用。在此情况下，前臂外骨骼在此齿轮机构中伸缩使得齿轮机构转动，测量装置还具有计数机构，可以根据齿轮机构的转动读取该前臂外骨骼部件伸缩后长度，由此确定该前臂外骨骼部件的长度。本领域技术人员可以理解，本实施例中的测量装置不限于机械式处理装置，而是可以为激光测距装置、超声波测距装置、红外测距装置或无线电测距装置等。

在根据本实用新型实施例的外骨骼服中，外骨骼服还可以包括上肢外骨骼。上肢外骨骼可以包括以下多个外骨骼部件：肩部外骨骼部件和分别与肩部外骨骼部件连接的两条手臂外骨骼部件，每条手臂外骨骼部件均包括前臂外骨骼部件和与前臂外骨骼部件的后端连接的上臂外骨骼部件。其中，上肢外骨骼中的各个外骨骼部件相互连接处为外骨骼关节，在至少一个外骨骼关节处安装测量装置。

图3是根据本实用新型另一实施例的外骨骼服的上肢外骨骼的结构框图。

在根据本实用新型实施例的外骨骼服中，上肢外骨骼300还可以包括多个定位装置3110，在上肢外骨骼300的每个外骨骼部件310上均安装有至少一个定位装置3110，用于对相应的外骨骼部件310的运动进行定位。其中，定位装置3110可以包括定位通信模块(未示出)，用于发送对相应的外骨骼部件310的运动进行定位的定位信息。

在根据本实用新型实施例的外骨骼服中，定位装置可以是任何一种可用于定位的定位装置。所述定位装置包括各种传感器、定位设备和图像采集设备中的一种或多种。所述传感器包括但不限于用于感测加速度数据的加速度传感器、用于感测角速度数据的角速度传感器、用于感测运动方向数据的方向传感器等的运动数据传感器；用于感测地磁场数据的磁阻式传感器、用于感测气压数据的气压传感器、用于感测温度数据的温度传感器等的环境数据传感器；用于感测接近阻挡数据的接近传感器；用于感测动作捕捉目标的血压、心跳、脉搏、体表温度等体征数据的体征数据传感器。所述定位设备可以为GPS定位设备、WIFI定位设备、信标定位设备、传感器定位设备、北斗定位设备、格洛纳斯(GLONASS)定位设备、伽利略定位设备等定位设备中的一个或多个。所述图像采集设备可以为摄像头等图像采集设备。需要特别说明的是，上述定位装置只是示例性的说明，并不用于限制本实用新型，任何可实现所需定位功能的组件均落入本实用新型的保护范围。

优选地，所述定位装置为可穿戴式的，其可以包括多个惯性传感器，所述多个惯性传感器放置在用户的一条手臂的肘关节至手掌之间的位置，以获得该处的惯性传感数据。其中，所述惯性传感器为多轴传感器，比如包括陀螺仪XYZ轴、加速度计XYZ轴和磁力计XYZ轴的九轴传感器，这样能够获得多维度的惯性传感数据，从而能够更准确的确定人体姿态。

优选地，每一定位装置均包括定位通信模块。定位通信模块可以是有线通信模块或无线通信模块。定位通信模块可以将定位装置获取的定位信息发送到任何其他能够与定位通信模块通信的信息处理设备。例如，信息处理设备可以为简单的信息处理设备，比如信息处理芯片，也可以是平板电脑、PAD、移动电话、计算机等复杂的信息处理设备，用户可根据实际信息处理的要求选择合适的信息处理设备。

根据本实用新型实施例的外骨骼服可以通过位于上肢外骨骼的各个外骨骼部件上的定位装置对外骨骼服的穿戴者的上肢运动进行定位，并可将定位信息发送到外部。当对穿戴者的运动进行了定位并且已经获知用户的肢体尺寸的情况下，可以更好地对用户的体型和动作进行仿真。本实用新型的外骨骼服适用于人机交互、影视制作、医疗保健、游戏娱乐、野外勘探、生产活动等各个领域。

在一个实施例中，上肢外骨骼可以包括两个上肢前端定位装置，其中：每一上肢前端定位装置均设置在前臂外骨骼的前端。其中，当用户穿戴上上肢外骨骼时，每一上肢前端定位装置均固定在用户的一条手臂的肘关节至手掌之间的位置，该上肢前端定位装置在空间中对肘关节至手掌之间的位置进行定位，以获取上肢前端位置信息。其中，每一上肢前端定位装置均包括通信模块，用于发送相应的上肢前端位置信息。当利用上肢前端位置信息对用户的状态进行仿真时，可以采用反向动力学算法，基于上肢前端位置信息和测量装置测得的外骨骼服穿戴者的肢体尺寸，计算所述穿戴者上肢的运动姿态，进而对所述用户的上肢姿态进行仿真。本领域技术人员可以明了，反向动力学算法是一种通过先确定子骨骼的位置,然后反求推导出其所在骨骼链上n级父骨骼位置，从而确定整条骨骼链的方法。根据本实用新型的教导，本领域技术人员可以将现有技术中的反向动力学算法应用于本实用新型中。

在根据本实用新型实施例的外骨骼服中，外骨骼服还可以包括下肢外骨骼，下肢外骨骼包括以下多个外骨骼部件：髋部外骨骼部件和分别与髋部外骨骼部件连接的两个腿部外骨骼部件，每个腿部外骨骼部件均包括小腿外骨骼部件和与小腿外骨骼部件的上端连接的大腿外骨骼部件。其中，下肢外骨骼中的各个外骨骼部件相互连接处为外骨骼关节，在至少一个外骨骼关节处安装测量装置。

图4是根据本实用新型另一实施例的外骨骼服的下肢外骨骼的结构框图。

在根据本实用新型实施例的外骨骼服中，下肢外骨骼400还可包括多个定位装置4110。在下肢外骨骼400的每个外骨骼部件410上均安装有至少一个定位装置4110，用于对相应的外骨骼部件410的运动进行定位。其中，定位装置4110可以包括定位通信模块(未示出)，用于发送对相应的外骨骼部件410的运动进行定位的定位信息。

在根据本实用新型实施例的外骨骼服中，下肢外骨骼上的定位装置可以和上肢外骨骼上的定位装置系相同。

在根据本实用新型实施例的外骨骼服中，定位装置为可穿戴式的，其可以包括多个惯性传感器，所述多个惯性传感器放置在用户的一条手臂的肘关节至手掌之间的位置，以获得该处的惯性传感数据。其中，所述惯性传感器为多轴传感器，比如包括陀螺仪XYZ轴、加速度计XYZ轴和磁力计XYZ轴的九轴传感器，这样能够获得多维度的惯性传感数据，从而能够更准确的确定人体姿态。

在根据本实用新型实施例的外骨骼服中，在每一定位装置均包括定位通信模块。定位通信模块可以是有线通信模块或无线通信模块。定位通信模块可以将定位装置获取的定位信息发送到任何其他能够与定位通信模块通信的信息处理设备。例如，信息处理设备可以为简单的信息处理设备，比如信息处理芯片，也可以是平板电脑、PAD、移动电话、计算机等复杂的信息处理设备，用户可根据实际信息处理的要求选择合适的信息处理设备。

根据本实用新型实施例的外骨骼服可以通过位于下肢外骨骼的各个外骨骼部件上的定位装置对外骨骼服的穿戴者的下肢运动进行定位，并可将定位信息发送到外部。当对穿戴者的运动进行了定位并且已经获知用户的肢体尺寸的情况下，可以更好地对用户的体型和动作进行仿真。本实用新型的外骨骼服适用于人机交互、影视制作、医疗保健、游戏娱乐、野外勘探、生产活动等各个领域。

在根据本实用新型实施例的外骨骼服中，上肢外骨骼还可以包括两个下肢下端定位装置，其中：每一下肢下端定位装置均设置在小腿外骨骼的下端。其中，当用户穿戴上下肢外骨骼时，每一下肢下端定位装置均固定在用户的一条腿的膝关节至踝关节之间的位置，该下肢下端定位装置在空间中对膝关节至踝关节之间的位置进行定位，以获取下肢下端位置信息，其中，每一下肢下端定位装置均包括通信模块，用于发送相应的下肢下端位置信息。当利用下肢下端位置信息对用户的状态进行仿真时，可以采用反向动力学算法，基于下肢下端位置信息和测量装置测得的外骨骼服穿戴者的肢体尺寸，计算所述穿戴者下肢的运动姿态，进而对所述用户的下肢姿态进行仿真。本领域技术人员可以明了，反向动力学算法是一种通过先确定子骨骼的位置,然后反求推导出其所在骨骼链上n级父骨骼位置，从而确定整条骨骼链的方法。根据本实用新型的教导，本领域技术人员可以将现有技术中的反向动力学算法应用于本实用新型中。

图5是根据本实用新型一实施例的躯体仿真系统的结构框图。

如图5所示，根据本实用新型实施例的躯体仿真系统500包括外骨骼服10和仿真装置30。外骨骼服10包括至少一个测量装置，用于测量外骨骼服10的穿戴者的肢体的尺寸。其中，测量装置包括测量通信模块，用于发送测量出的外骨骼服的穿戴者的肢体的尺寸。仿真装置30从至少一个测量装置获取外骨骼服10的穿戴者的肢体的尺寸。其中，仿真装置30 采用外骨骼服10的穿戴者的肢体的尺寸，计算用户整体的尺寸，进而对用户的躯体进行仿真。

本领域技术人员可以理解，图5中的仿真系统中的外骨骼服可以包括以上参照图1至图4描述的外骨骼服。本领域技术人员可以理解，图5中的仿真系统中的仿真装置可以是现有技术中的仿真装置，即，在获得了外骨骼服上的测量装置中的测量通信模块发送来的肢体尺寸的情况下，仿真装置即可基于现有程序、算法等对用户的躯体等进行仿真。

根据本实用新型实施例的躯体仿真系统，可以通过包括外骨骼服和仿真装置：外骨骼服包括至少一个测量装置，用于测量外骨骼服的穿戴者的肢体的尺寸，其中，测量装置包括测量通信模块，用于发送测量出的外骨骼服的穿戴者的肢体的尺寸；仿真装置从至少一个测量装置获取外骨骼服的穿戴者的肢体的尺寸，其中，仿真装置采用外骨骼服的穿戴者的肢体的尺寸，计算用户整体的尺寸，进而对所述用户的躯体进行仿真，使得无需人工测量，即可获得外骨骼服的穿戴者的肢体的尺寸，而且可通过测量通信模块发送测得的肢体尺寸，进而实现对用户整体的仿真。这避免了现有技术中需要对用户肢体进行人工测量，并将测量收据人工输入到系统的繁琐。此外，所述躯体仿真系统采用根据本公开实施例的外骨骼服测量并发送来的外骨骼服的穿戴者的肢体的尺寸，即可对用户的身体进行仿真，无需人工测量和输入用户的肢体尺寸，简化了操作。根据本实用新型的躯体仿真系统可用于实现准确高效的人机实时交互，当然本领域技术人员可以明了，所述人机交互也可以是非实时的情况。本实用新型的外骨骼服和躯体仿真系统适用于人机交互、影视制作、医疗保健、游戏娱乐、野外勘探、生产活动等各个领域。

以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。