一种手臂运动捕捉装置的制作方法

本实用新型属于手臂运动检测技术领域，特别涉及一种手臂运动捕捉装置。

背景技术：

目前，对于人体直接控制外部设备的研究，多数集中在采用所谓“意念”控制。即通过在脑部植入芯片，利用芯片采集大脑发出的信号，通过一系列信号处理，来直接控制外部设备的运动。截至目前，此种技术尚不成熟，系统复杂且成本高昂，控制效果不佳，距离实用化，还有很远的距离。

而根据运动捕捉的工作原理大致可以分为两类场地辅助型和独立佩戴性。声学式运动捕捉，电磁式运动捕捉，光学式运动捕捉属于场地辅助型；机械式运动捕捉，惯性导航式动作捕捉属于独立佩戴型。

场地辅助型都需要在高精度固定的物理场或者几何空间基点作为运动捕捉的参考点进行测量，并用高速计算机进行计算和自由度分析，故而设备比较大，成本比较高，只能用在高附加值的项目上，不能作为普通劳动者使用，特别是高危，环境恶劣，使用者学历较低的情况；

现有的两种能够现场独立佩戴运动捕捉方案存在着不小的缺陷。

惯性导航式动作捕，由于人体的尺度和负重，以及要采集自由度的数量很大，所以不能采用有一定体积和重量高精度的陀螺仪（况且高精度陀螺仪的特别昂贵），时间积累误差会造成采集精度不够，短时间尚可，长期生产劳动是不可胜任的。

早期的一种机械式运动捕捉装置是用带角度传感器的关节和连杆构成一个"“可调姿态的数字模型”角度传感器测量并记录关节的转动角度，依据这些角度和模型的机械尺寸，可计算出模型的姿态，成本低，精度也较高，可以做到实时测量但其缺点也非常明显，主要是使用起来非常不方便，机械结构对操作者的动作阻碍和限制很大，机构较难用于连续动作的实时捕捉，需要操使用者不断根据动作要求调整捕捉机构的姿势，很麻烦，主要用于静态造型捕捉和简单的重复动作。

技术实现要素：

针对背景技术中描述的不足，本实用新型提供一种手臂运动捕捉装置。本实用新型认真研究了人体骨骼和骨骼运动规律，用仿生学原理，解决了机械结构对操作者的动作阻碍和限制很大，机构较难用于连续动作的实时捕捉，同时兼顾了低成本，操作简易，设备的对人体尺寸的很大兼容性。

为解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案如下：

一种手臂运动捕捉装置，包括手臂捕捉组件，所述手臂捕捉组件，包括大臂捕捉组件、小臂捕捉组件和手腕捕捉组件，大臂捕捉组件与小臂捕捉组件活动连接；小臂捕捉组件与手腕捕捉组件活动连接，大臂捕捉组件进行转动和摆动，小臂捕捉组件进行转动和摆动，手腕捕捉组件进行转动、摆动和摆动。手臂捕捉组件可以是单独一个，也可以对称设置的两组。

具体地，所述大臂捕捉组件，包括肩部固定块、关节体、大臂伸缩单元、角度传感器；肩部固定块与人体肩部连接，大臂伸缩单元通过关节体与肩部固定块活动连接，大臂伸缩单元绕关节体进行转动和摆动；在关节体上安有角度传感器，角度传感器检测大臂伸缩单元的摆动和转动信息。

作为一种优选方案，所述大臂伸缩单元，还可以包括轨道臂、伸缩臂、导向杆、拉簧；导向杆的一端固定在伸缩臂上，导向杆的另一端插入轨道臂的导向孔内并在导向孔内滑动；拉簧的一端固定在轨道臂的拉簧孔内、另一端伸出轨道臂固定在伸缩臂上，将轨道臂和伸缩臂弹性连接在一起并使伸缩臂往复运动；伸缩臂与小臂捕捉组件铰接。

作为另一种优选方案，所述大臂伸缩单元，还可以包括滑轨臂和伸缩杆臂，滑轨臂内设有轨道孔，伸缩杆臂设在轨道孔内并在轨道孔内滑动，且伸缩杆臂与小臂捕捉组件铰接。

同样，作为另一种优选方案，所述大臂伸缩单元，还可以包括固定臂、滑轨、移动臂；固定臂上设有滑轨，移动臂下部设有滑块，滑块安在滑轨上并在滑轨上滑动，移动臂与小臂捕捉组件铰接。

本实用新型中，所述小臂捕捉组件，包括关节体、肘部固定单元、小臂单元、腕部固定单元、角度传感器；肘部固定单元穿戴在人体肘部，并与关节体连接；小臂单元连接在肘部固定单元和腕部固定单元之间；在肘部固定单元的作用下小臂捕捉组件绕关节体进行转动和摆动；且在关节体上安有角度传感器，角度传感器检测肘关节的摆动和转动信息；在腕部固定单元也安有角度传感器，检测手腕的转动信息。

而所述关节体，可以是包括l型板、水平传感器轴和竖直传感器轴，水平传感器轴的一端穿出l型板与肩部固定板或大臂伸缩单元连接，另一端插入角度传感器的d型孔内；竖直传感器轴的一端插入角度传感器的d型孔内，另一端竖直穿过l型板与大臂伸缩单元或肘部固定单元连接，且水平传感器轴和竖直传感器轴空间交错垂直，使大臂伸缩单元或肘部固定单元绕水平传感器轴转动，绕竖直传感器轴摆动。

所述关节体，也可以是包括u型槽板、水平传感器轴和竖直传感器轴；水平传感器轴的一端穿出u型槽板底部露出与肩部固定板或大臂伸缩单元连接，另一端插入角度传感器的d型孔内；竖直传感器轴的一端插入角度传感器的d型孔内，另一端竖直插入u型槽板，将大臂伸缩单元或肘部固定单元铰接在u型槽板的两侧壁之间，且水平传感器轴和竖直传感器轴空间交错垂直，使大臂伸缩单元或肘部固定单元绕水平传感器轴转动，绕竖直传感器轴摆动。

所述关节体，还可以是包括转动块、水平传感器轴和竖直传感器轴；竖直传感器轴的一端插入角度传感器的d型孔内、另一端穿过转动块与大臂伸缩单元或肘部固定单元连接，水平传感器轴的一端插入角度传感器的d型孔内、另一端穿过转动块的转动孔后与肩部固定块或大臂伸缩单元连接；且水平传感器轴和竖直传感器轴空间交错垂直，使大臂伸缩单元或肘部固定单元绕水平传感器轴转动、绕竖直传感器轴摆动。

在本实用新型中，只要是能实现转动和摆动两个方向上的移动，都可以作为关节体的结构。

所述肘部固定单元，包括肘部安装板、至少两个桡骨安装板ⅰ、连接件ⅰ、弹性件ⅰ；连接件ⅰ上设有若干调节安装孔；在肘部安装板上端面固定有l型板ⅱ，肘部安装板卡设在人体小臂上，桡骨安装板ⅰ对称设置在肘部安装板两侧；且桡骨安装板ⅰ与肘部安装板之间、相邻桡骨安装板ⅰ之间分别通过一个连接件ⅰ铰接，弹性件ⅰ将分离的桡骨安装板连接在一起并将肘部固定单元限定在小臂上；在肘部安装板和各桡骨安装板ⅰ上均设有一个小臂单元。

所述小臂单元，包括小臂轨道管、小臂伸缩杆、万向节、手拧丝、腕端连接轴、肘端连接轴；小臂轨道管的一端与一个万向节的一端固定连接，万向节的另一端与肘端连接轴固定连接，肘端连接轴固定在肘部安装板或桡骨安装板ⅰ上；

小臂伸缩杆的一端伸入小臂轨道管内，手拧丝垂直插入小臂轨道管内将小臂伸缩杆定位；小臂伸缩杆的另一端与另一万向节的一端固定连接，另一万向节的另一端与腕端连接轴固定连接，腕端连接轴铰接在腕部固定单元上。

所述腕部固定单元，包括腕部安装板、至少两个桡骨安装板ⅱ、连接件ⅱ、弹性件ⅱ；连接件ⅱ上设有若干调节安装孔，腕部安装板卡设在人体小臂靠近腕部处，桡骨安装板ⅱ对称设置在腕部安装板两侧；且桡骨安装板ⅱ与腕部安装板之间、相邻桡骨安装板ⅱ之间分别通过一个连接件ⅱ铰接，弹性件ⅱ将分离的桡骨安装板ⅱ连接在一起并将腕部固定单元限定在小臂靠近腕部处；腕部安装板、桡骨安装板ⅱ分别与一个腕端连接轴铰接；且腕部安装板与手腕捕捉组件铰接；在一个桡骨安装板ⅱ上安有角度传感器，检测手腕的转动信息。

所述手腕捕捉组件，包括两个关节体ⅱ、手腕滑动轴、弹簧、滑动挡板、手腕摆块、传感器轴ⅰ、角度传感器，每个关节体ⅱ内均固定有一个传感器轴ⅰ，手腕滑动轴的一端与一个关节体ⅱ固定连接，手腕摆块铰接在两个传感器轴ⅰ上将两个关节体ⅱ连接在一起，手腕摆块相对关节体ⅱ转动；手腕滑动轴的另一端穿过腕部安装板后与滑动挡板连接，腕部安装板与手腕滑动轴相对滑动，且在滑动挡板和腕部安装板之间的手腕滑动轴上套设弹簧；在每个关节体ⅱ上均设有角度传感器，两个传感器轴ⅰ空间垂直设置，并分别插入一个角度传感器的d型孔内，检测手腕的摆动信息。

本实用新型大臂捕捉单元可跟随人的大臂运动实现变形并检测大臂的转动和摆动；小臂捕捉组件通过肘部固定单元和腕部固定单元束缚在人体手臂上，且由于肘部固定单元和腕部固定单元都是铰接而成的，能够进行调节间距，以适应不同粗细的手臂，而且在腕部固定单元的桡骨固定板能根据手腕的转动产生一定的形变，实现手腕转动的检测，手腕滑动轴的设置是为了适应手腕摆动，弹簧的设置就是为了使手腕滑动轴复位，手腕单元带动关节体ⅲ摆动，实现检测手腕摆动信息的功能。小臂捕捉组件模仿人体小臂的运动方式和轨迹，通过变长、变大环绕直径的方式来大范围适用不同的体型的个体，做到不对对小臂运动的运动角度和幅度的有限制和迟滞感，弹性件实现了紧密固定，为采集机构确定了数据采集原点。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例1的结构示意图。

图2为本实用新型实施例1使用状态图。

图3为本实用新型实施例1的大臂捕捉组件的结构示意图。

图4为本实用新型实施例1的小臂捕捉组件和手腕捕捉组件的结构示意图一。

图5为本实用新型实施例1的小臂捕捉组件和手腕捕捉组件的结构示意图二。

图6为本实用新型实施例1的小臂捕捉组件和手腕捕捉组件的结构示意图三。

图7为本实用新型实施例1的关节体的结构示意图。

图8为本实用新型实施例1的手腕捕捉组件的结构示意图。

图9为本实用新型实施例2的大臂伸缩单元的结构示意图。

图10为本实用新型实施例3的大臂伸缩单元的结构示意图。

图11为本实用新型实施例4的关节体的结构示意图。

图12为本实用新型实施例5的关节体的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例1：一种手臂运动捕捉装置，如图1-2所示，包括手臂捕捉组件2，所述手臂捕捉组件2，包括大臂捕捉组件20、小臂捕捉组件21和手腕捕捉组件22，大臂捕捉组件20与小臂捕捉组件21活动连接；小臂捕捉组件21与手腕捕捉组件22活动连接，大臂捕捉组件20进行转动和摆动，小臂捕捉组件21进行转动和摆动，手腕捕捉组件22进行转动、摆动和摆动。手臂捕捉组件2可以是单独一个，也可以对称设置的两组。

具体地，所述大臂捕捉组件20，如图3所示，包括肩部固定块200、关节体201、大臂伸缩单元202、角度传感器；肩部固定块200与人体肩部连接，大臂伸缩单元202通过关节体201与肩部固定块200活动连接，大臂伸缩单元202绕关节体201进行转动和摆动；在关节体201上安有角度传感器，角度传感器检测大臂伸缩单元202的摆动和转动信息。

所述大臂伸缩单元202，如图3所示，包括轨道臂2020、伸缩臂2021、导向杆2022、拉簧2023；导向杆2022的一端固定在伸缩臂2021上，导向杆2022的另一端插入轨道臂2020的导向孔内并在导向孔内滑动；拉簧2023的一端固定在轨道臂2020的拉簧孔内、另一端伸出轨道臂2020固定在伸缩臂2021上，将轨道臂2020和伸缩臂2021弹性连接在一起并使伸缩臂2021往复运动；伸缩臂2021与小臂捕捉组件21铰接。

所述小臂捕捉组件21，如图4-6所示，包括关节体201、肘部固定单元211、小臂单元212、腕部固定单元213、角度传感器；肘部固定单元211穿戴在人体肘部，并与关节体201连接；小臂单元212连接在肘部固定单元211和腕部固定单元213之间；在肘部固定单元211的作用下小臂捕捉组件21绕关节体201进行转动和摆动；且在关节体201上安有角度传感器，角度传感器检测肘关节的摆动和转动信息；在腕部固定单元213也安有角度传感器，检测手腕的转动信息。

而所述关节体201，如图7所示，包括l型板2010、水平传感器轴2014和竖直传感器轴2015，水平传感器轴2014的一端穿出l型板2010与肩部固定板200或大臂伸缩单元202连接，另一端插入角度传感器的d型孔内；竖直传感器轴2015的一端插入角度传感器的d型孔内，另一端竖直穿过l型板2010与大臂伸缩单元202或肘部固定单元211连接，且水平传感器轴2014和竖直传感器轴2015空间交错垂直，使大臂伸缩单元202或肘部固定单元211绕水平传感器轴2014转动，绕竖直传感器轴2015摆动。

所述肘部固定单元211，包括肘部安装板2110、至少两个桡骨安装板ⅰ2111、连接件ⅰ2113、弹性件ⅰ；连接件ⅰ2113上设有若干调节安装孔；在肘部安装板2110上端面固定有l型板ⅱ2101，肘部安装板2110卡设在人体小臂上，桡骨安装板ⅰ2111对称设置在肘部安装板2110两侧；且桡骨安装板ⅰ2111与肘部安装板2110之间、相邻桡骨安装板ⅰ2111之间分别通过一个连接件ⅰ2113铰接，弹性件ⅰ将分离的桡骨安装板连接在一起并将肘部固定单元211限定在小臂上；在肘部安装板2110和各桡骨安装板ⅰ2111上均设有一个小臂单元212。桡骨安装板ⅰ2111个数根据实际进行设计。

所述小臂单元212，包括小臂轨道管2120、小臂伸缩杆2121、万向节2122、手拧丝2123、腕端连接轴2124、肘端连接轴2125；小臂轨道管2120的一端与一个万向节2122的一端固定连接，万向节2122的另一端与肘端连接轴2125固定连接，肘端连接轴2125固定在肘部安装板2110或桡骨安装板ⅰ2111上。

小臂伸缩杆2121的一端伸入小臂轨道管2120内，手拧丝2123垂直插入小臂轨道管2120内将小臂伸缩杆2121定位；小臂伸缩杆2121的另一端与另一万向节2122的一端固定连接，另一万向节2122的另一端与腕端连接轴2124固定连接，腕端连接轴2124铰接在腕部固定单元213上。

所述腕部固定单元213，包括腕部安装板2130、至少两个桡骨安装板ⅱ2131、连接件ⅱ2133、弹性件ⅱ；连接件ⅱ2133上设有若干调节安装孔，腕部安装板2130卡设在人体小臂靠近腕部处，桡骨安装板ⅱ2131对称设置在腕部安装板2130两侧；且桡骨安装板ⅱ2131与腕部安装板2130之间、相邻桡骨安装板ⅱ2131之间分别通过一个连接件ⅱ2133铰接，弹性件ⅱ将分离的桡骨安装板ⅱ2131连接在一起并将腕部固定单元213限定在小臂靠近腕部处；腕部安装板2130、桡骨安装板ⅱ2131分别与一个腕端连接轴2124铰接；且腕部安装板2130与手腕捕捉组件22铰接；在一个桡骨安装板ⅱ2131上安有角度传感器，检测手腕的转动信息。

所述手腕捕捉组件22，如图8所示，包括两个关节体ⅱ220、手腕滑动轴221、弹簧222、滑动挡板223、手腕摆块224、传感器轴ⅰ225、角度传感器，每个关节体ⅱ220内均固定有一个传感器轴ⅰ225，手腕滑动轴221的一端与一个关节体ⅱ220固定连接，手腕摆块224铰接在两个传感器轴ⅰ225上将两个关节体ⅱ220连接在一起，手腕摆块224相对关节体ⅱ220转动；手腕滑动轴221的另一端穿过腕部安装板2130后与滑动挡板223连接，腕部安装板2130与手腕滑动轴221相对滑动，且在滑动挡板223和腕部安装板2130之间的手腕滑动轴221上套设弹簧222；在每个关节体ⅱ220上均设有角度传感器，两个传感器轴ⅰ225空间垂直设置，并分别插入一个角度传感器的d型孔内，检测手腕的摆动信息。

工作过程：当小臂运动时，带动附着于其上的手臂捕捉机构同步运动，布置在肩关节处的关节模块上的两个轴分别与肩部固定块和大臂单元固定连接，关节模块上的两个传感器轴与l型板转动连接，l型板上固定安装有两个角度传感器，传感器轴上的d型端分别插入两个角度传感器的d型孔内，当大臂单元运动时，传感器轴将绕l型板旋转，安装在l型板上的传感器可实时采集到旋转的角度，这样就采集到了肩关节的运动。同样的，布置在肘关节处的关节模块，在小臂单元的带动下，可以实时捕捉到肘关节的运动。

当手腕旋转时，布置在手腕处的腕部固定单元与布置在肘部的肘部固定单元将相对旋转，小臂单元212一端与肘部单元固定连接，另一端与桡尺骨架安装板转动连接，其中一个桡尺骨架安装板上固定安装有角度传感器，小臂单元端部的d型轴插入传感器的d型孔内，传感器可实时捕捉到腕部固定单元相对于肘部固定单元的转动，即实时捕捉到手腕的转动。

当手掌摆动时，手掌将带动手腕关节体与手腕摆块产生相对运动，手腕摆块与手腕传感器轴固定连接，关节体与传感器轴转动连接，关节体上固定安装有角度传感器，手腕传感器轴的d型端插入传感器的d型孔内，实时捕捉转动的角度。即可捕捉到手腕的摆动。

实施例2：一种手臂运动捕捉装置，如图9所示，所述大臂伸缩单元202，包括滑轨臂2024和伸缩杆臂2025，滑轨臂2024内设有轨道孔，伸缩杆臂2025设在轨道孔内并在轨道孔内滑动，且伸缩杆臂2025与小臂捕捉组件21铰接，其余均与实施例1相同。

实施例3：一种手臂运动捕捉装置，如图10所示，所述大臂伸缩单元202，还可以包括固定臂2026、滑轨2027、移动臂2028；固定臂2026上设有滑轨2027，移动臂2028下部设有滑块，滑块安在滑轨207上并在滑轨207上滑动，移动臂2028与小臂捕捉组件21铰接，其余均与实施例1相同。

实施例4：一种手臂运动捕捉装置，如图11所示，所述关节体201，包括u型槽板2013、水平传感器轴2014和竖直传感器轴2015；水平传感器轴2014的一端穿出u型槽板2013底部露出与肩部固定板200或大臂伸缩单元202连接，另一端插入角度传感器的d型孔内；竖直传感器轴2015的一端插入角度传感器的d型孔内，另一端竖直插入u型槽板2013，将大臂伸缩单元202或肘部固定单元211铰接在u型槽板2013的两侧壁之间，且水平传感器轴2014和竖直传感器轴2015空间交错垂直，使大臂伸缩单元202或肘部固定单元211绕水平传感器轴2014转动，绕竖直传感器轴2015摆动，其余均与实施例1相同。

实施例5：一种手臂运动捕捉装置，如图12所示，所述关节体201，包括转动块2016、水平传感器轴2014和竖直传感器轴2015；竖直传感器轴2015的一端插入角度传感器的d型孔内、另一端穿过转动块2016与大臂伸缩单元202或肘部固定单元211连接，水平传感器轴2014的一端插入角度传感器的d型孔内、另一端穿过转动块2016的转动孔后与肩部固定块200或大臂伸缩单元202连接；且水平传感器轴2014和竖直传感器轴2015空间交错垂直，使大臂伸缩单元202或肘部固定单元211绕水平传感器轴2014转动、绕竖直传感器轴2015摆动，其余均与实施例1相同。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。