捕捉人体四肢三维空间姿态的可穿戴智能环的制造方法与工艺

本发明涉及医疗康复器械领域的一种可穿戴智能环，特别涉及一种精确读取并构建人体四肢三维空间姿态与实时无线传输的捕捉人体四肢三维空间姿态的可穿戴智能环。

背景技术：
随着科学技术的进步，机器人的研究领域正在蓬勃发展中，其中仿人机器人的研究与应用更是因为其仿人特性受到了普遍关注，并成为智能机器人领域中的研究热点。在人机交互方面，如何检测人体四肢三维空间姿态并实时显示是一个技术难题。现有技术如六轴传感器、肌电信号等都具有不精确、滞后等问题。本发明提出了符合人体工程学的护具，可以方便用于穿戴于四肢、颈部和躯干运动实时捕捉。经过对于现有的技术文献检索发现：中国发明专利公开号：CN103027826A，名称：肘关节运动促动康复器，无法实现人体四肢空间三维姿态信息；中国发明专利公开号：CN202537862U，名称：肘关节训练仪，仅能检测肘关节的角度；中国发明专利公开号：CN104224495A，名称：便携式肘关节康复机器人控制方法，使用蓝牙进行数据实时传输，但是读取角度无法保证准确。

技术实现要素：
针对现有技术中存在的上述不足，本发明的目的是实现人体四肢三维空间姿态信息的获取，进而提供一种用于捕捉人体四肢三维空间姿态的可穿戴智能环。本发明采用符合人体工程学的结构，对穿戴者的上肢和/或下肢运动姿态和/或多关节姿态信息进行检测，可以方便实现肢体运动反馈；智能环根据穿戴者的尺寸进行定制，可以穿戴于手臂、腿和躯干等部位。本发明实现在允许范围内进行生物力学评价，包括速度，主动和被动活动范围以及上肢运动分析；实现实时准确的反馈定制级别执行控制物理治疗运动；实现即时肢体动态捕捉，可以应用于挑战性游戏的形式。为实现上述目的，本发明是通过下述技术方案实现的：一种捕捉人体四肢三维空间姿态的可穿戴智能环，包括关节穿戴式固定装置3，所述关节穿戴式固定装置3穿戴于人体的关节位置；其中：所述关节穿戴式固定装置3具有关节屈伸自由度，包括：上连杆固定块31、上连杆轴32、下连杆固定块33、下连杆轴34、关节编码器35、上连杆陀螺仪37、关节固定装置端无线CAN总线38；其中：所述上连杆固定块31和下连杆固定块33分别固定于人体关节位置的上连杆和下连杆上；所述上连杆轴32与上连杆固定块31相连；所述下连杆轴34与下连杆固定块33相连；所述关节编码器35用于检测人体的关节转动角度，关节编码器35的法兰与上连杆轴32相连，关节编码器35的转轴与下连杆轴34相连；所述上连杆陀螺仪37安装于上连杆轴32的内部，用于检测人体的上连杆处空间旋转方向；所述关节固定装置端无线CAN总线38安装于上连杆轴32内部，并分别与关节编码器35和上连杆陀螺仪37连接，用于传输上连杆陀螺仪信号和关节编码器信号，所述上连杆陀螺仪信号对应人体的上连杆处空间旋转方向，所述关节编码器信号对应关节旋转角度。优选地，所述关节穿戴式固定装置3还包括关节壳体36，所述关节壳体36与上连杆轴32相连，用于遮盖关节编码器35。优选地，所述捕捉人体四肢三维空间姿态的可穿戴智能环还包括上位机1和上位机端无线CAN总线控制器2，所述关节穿戴式固定装置3通过上位机端无线CAN总线控制器2与上位机1通信连接。优选地，所述关节固定装置端无线CAN总线与上位机端无线CAN总线控制器2无线通信连接。优选地，上位机端无线CAN总线控制器2安装于上位机1上。优选地，所述上连杆陀螺仪37采集人体的上连杆Z-Y-X欧拉角，记α、β、γ，则人体的上连杆处空间旋转方向矩阵为：其中，α为章动角，β为旋进角，γ为自转角，c为余弦Cos，s为正弦Sin。优选地，所述关节编码器35检测人体的关节运动角度θ，则人体的下连杆处空间旋转方向矩阵为：与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：1、本发明提供的捕捉人体四肢三维空间姿态的可穿戴智能环，由于上连杆固定块和下连杆固定块分别与人体(肢体)关节部位的上连杆和下连杆连接，能够很好地智能环固定在穿戴者的肢体上，精确测量关节角度；2、本发明采用直接读取编码器角度的方式，使得关节角度数据读取准确，克服角度读取不准确和延时性问题；3、本发明可以使用WiFi无线传输技术，具有适应性强、传输距离远、实时传输等特点，有效克服读取数据滞后问题。附图说明通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：图1为本发明整体结构示意图；图2为图1中肘关节穿戴式固定装置3的结构示意图；图3为本发明的具体通信方式。图中：1为上位机2为上位机端无线CAN总线控制器3为关节穿戴式固定装置31为上连杆固定块32为上连杆轴33为下连杆固定块34为下连杆轴35为关节编码器36为关节壳体37为上连杆陀螺仪38为关节固定装置端无线CAN总线I为人体关节位置的上连杆II为人体关节位置的下连杆具体实施方式下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。实施例一种捕捉人体四肢三维空间姿态的可穿戴智能环，包括关节穿戴式固定装置3，所述关节穿戴式固定装置3穿戴于人体的关节位置；其中：所述关节穿戴式固定装置3具有关节屈伸自由度，包括：上连杆固定块31、上连杆轴32、下连杆固定块33、下连杆轴34、关节编码器35、关节壳体36、上连杆陀螺仪37、关节固定装置端无线CAN总线38；其中：所述上连杆固定块31和下连杆固定块33分别固定于人体关节位置的上连杆和下连杆上；所述上连杆轴32与上连杆固定块31相连；所述下连杆轴34与下连杆固定块33相连；所述关节编码器35用于检测人体的关节转动角度，关节编码器35的法兰与上连杆轴32相连，关节编码器35的转轴与下连杆轴34相连；所述上连杆陀螺仪37安装于上连杆轴32的内部，用于检测人体的上连杆处空间旋转方向；所述关节固定装置端无线CAN总线38安装于上连杆轴32内部，并分别与关节编码器35和上连杆陀螺仪37连接，用于传输上连杆陀螺仪信号和关节编码器信号，所述上连杆陀螺仪信号对应人体的上连杆处空间旋转方向，所述关节编码器信号对应关节旋转角度。进一步地，所述关节穿戴式固定装置3还包括关节壳体36，所述关节壳体36与上连杆轴32相连，用于遮盖关节编码器35。进一步地，所述捕捉人体四肢三维空间姿态的可穿戴智能环还包括上位机1和上位机端无线CAN总线控制器2，所述关节穿戴式固定装置3通过上位机端无线CAN总线控制器2与上位机1通信连接。进一步地，所述关节固定装置端无线CAN总线38与上位机端无线CAN总线控制器2无线通信连接。进一步地，上位机端无线CAN总线控制器2安装于上位机1上。下面结合附图对本实施例进一步描述。如图1所示，本实施例提供的，捕捉人体四肢三维空间姿态的可穿戴智能环，能够精确读取与实时传输肘关节角度，包括上位机1、上位机端无线CAN总线控制器2、关节穿戴式固定装置3。其中，所述关节穿戴式固定装置3具有关节屈伸自由度，穿戴于穿戴者关节位置的上连杆、关节与下连杆，包括：关节编码器35，用于检测穿戴者的关节运动数据；关节固定装置端无线CAN总线38，可以将关节编码器35与上连杆陀螺仪37检测的数据发送至上位机端无线CAN总线控制器2；所述上位机端无线CAN总线控制器2安装于所述上位机1，将穿戴者关节运动信号传送至所述上位机1；所述上位机1接收穿戴者的关节运动信号，进行相关后处理。如图2所示，所述关节穿戴式固定装置3具体包括：上连杆固定块31、上连杆轴32、下连杆固定块33、下连杆轴34、关节编码器35、关节壳体36、上连杆陀螺仪37、关节固定装置端无线CAN总线38。其中，所述上连杆固定块31固定于穿戴者上连杆；所述上连杆轴32与所述上连杆固定块31相连；所述下连杆固定块33固定于穿戴者下连杆；所述下连杆轴34与所述下连杆固定块33相连；所述关节编码器35法兰与所述上连杆轴32相连，所述关节编码器35转轴与所述下连杆轴34相连，检测穿戴者的关节转动角度；所述关节壳体36与上连杆轴32相连，遮盖所述关节编码器35；所述上连杆陀螺仪37安装于所述上臂轴32内部，检测上连杆的空间方向；所述关节固定装置端无线CAN总线38安装于所述上连杆轴32内部，与所述关节编码器35、上连杆陀螺仪37连接，负责传输陀螺仪信号与关节编码器信号，即上连杆的空间方向与关节旋转角度至所述上位机端无线CAN总线控制器2。如图3所示，所述关节编码器35、上连杆陀螺仪37分别与所述关节固定装置端无线CAN总线38相连，将所检测的穿戴者的关节转动角度、上连杆的空间方向发送给所述关节固定装置端无线CAN总线38；所述关节固定装置端无线CAN总线38相连将信号发送给所述上位机端无线CAN总线控制器2；所述上位机端无线CAN总线控制器2与所述上位机1，所述上位机1通过计算得到穿戴者的上连杆与下连杆的空间方向。在本实施例中，关节穿戴式智能环装置3具有关节屈伸自由度，穿戴于穿戴者的上连杆、关节与下连杆位置，关节编码器35，检测穿戴者的关节运动数据；上连杆陀螺仪37，检测上连杆的空间方向。关节固定装置端无线CAN总线38，可以将关节编码器35与上连杆陀螺仪37检测数据发送至上位机端无线CAN总线控制器2。上位机端无线CAN总线控制器2安装于上位机1，将穿戴者关节运动信号传送至上位机1。上位机1接收穿戴者的关节运动信号，进行相关后处理。。上连杆固定块31固定于穿戴者上连杆；上连杆轴32与上连杆固定块31相连；下连杆固定块33固定于穿戴者下连杆。下连杆轴34与下连杆固定块33相连；关节编码器35的法兰与上连杆轴32相连，关节编码器35的转轴与下连杆轴34相连，检测穿戴者的关节转动角度。关节壳体与上连杆轴32相连，遮盖所述关节编码器35。上连杆陀螺仪37安装于所述上连杆轴32内部，检测上连杆的空间方向。关节固定装置端无线CAN总线38安装于所述上连杆轴32内部，与所述关节编码器35、上连杆陀螺仪37连接，负责传输陀螺仪信号与关节编码器信号，即上连杆的空间方向与关节旋转角度至所述上位机端无线CAN总线控制器2。穿戴者的体感空间方向的计算方法为：上连杆陀螺仪37可以得到穿戴者上连杆的Z-Y-X欧拉角，为α，β，γ，则穿戴者上连杆的空间旋转矩阵为：关节编码器35检测穿戴者的关节运动角度θ，则穿戴者下连杆的空间旋转矩阵为：以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。