一种人体姿态无线测量系统的制作方法

本实用新型涉及姿态检测领域，具体涉及一种人体姿态无线测量系统。

背景技术：

人体姿态检测在工业生产、军事装备、虚拟现实以及其他人机交互领域有广泛的应用，特别是在运动员辅助训练和康复医疗中的应用更为广泛。目前，人体姿态无线测量系统主要通过可穿戴的传感设备对人体关节的运动状态进行检测。但现有的可穿戴传感设备不够轻便灵活、且各传感设备之间主要是通过通信线缆连接，对用户躯体的活动空间和运动幅度有所限制。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种轻巧方便、低功耗且具备无线收发数据功能的人体姿态无线测量系统，以使上述问题得到改善。

为了实现上述目的，本实用新型的实施例采用如下技术方案：

一种人体姿态无线测量系统，其包括上位机、蓝牙适配器和多个测量部件，所述多个测量部件分别设置于人体的四肢和躯干；

每个所述测量部件包括传感装置和处理器，所述传感装置与所述处理器电性连接；所述处理器包括一蓝牙芯片，所述蓝牙芯片与所述传感装置电性连接；所述测量部件通过所述蓝牙芯片与所述蓝牙适配器进行通讯，所述蓝牙适配器与所述上位机电性连接；

所述传感装置用于采集人体姿态数据，所述处理器用于根据所述人体姿态数据解算出人体运动姿态角，所述上位机用于根据所述人体运动姿态角重建人体三维模型并进行显示。

在本实用新型较佳的实施例中，上述人体姿态无线测量系统中，所述多个测量部件分别设置于人体的左大臂、左小臂、右大臂、右小臂、左大腿、左小腿、右大腿、右小腿和腰。

在本实用新型较佳的实施例中，上述人体姿态无线测量系统中，所述人体的左大臂、左小臂、右大臂和右小臂分别设置有至少一个所述测量部件，所述测量部件设置于人体的左大臂、左小臂、右大臂和右小臂靠近肘关节处。

在本实用新型较佳的实施例中，上述人体姿态无线测量系统中，所述人体的左大腿和右大腿分别设置有至少一个所述测量部件，所述测量部件设置于所述左大腿和右大腿靠近膝关节处。

在本实用新型较佳的实施例中，上述人体姿态无线测量系统中，所述人体的左小腿和右小腿分别设置有至少一个所述测量部件，所述测量部件设置于所述左小腿和右小腿靠近脚踝处。

在本实用新型较佳的实施例中，上述人体姿态无线测量系统中，所述传感装置包括三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁力计，所述三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁力计分别与所述处理器电性连接。

在本实用新型较佳的实施例中，上述人体姿态无线测量系统中，所述三轴加速度计、三轴陀螺仪和三轴磁力计采用一九轴运动感测组件MPU9250对人体姿态数据进行采集。

在本实用新型较佳的实施例中，上述人体姿态无线测量系统中，所述蓝牙芯片为nRF51822。

在本实用新型较佳的实施例中，上述人体姿态无线测量系统中，所述蓝牙适配器通过USB接口电路与所述上位机电性连接。

在本实用新型较佳的实施例中，上述人体姿态无线测量系统中，所述人体姿态无线测量系统还包括穿戴件，所述多个测量部件通过所述穿戴件设置于所述人体的四肢和躯干。

本实用新型实施例提供的人体姿态无线测量系统通过蓝牙芯片、蓝牙适配器等的设置，实现多个测量部件与上位机之间的无线通信，与现有技术中的线缆连接方式相比，能够显著提高系统的轻便灵活性，避免了对用户活动空间和运动幅度的限制。

进一步地，本实用新型实施例采用多传感器集于一体的芯片进行人体姿态数据采集，大大减少了部件数量，在确保检测精确性的同时使得测量部件更加轻便。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为本实用新型实施例提供的一种人体姿态无线测量系统的系统框图。

图2为本实用新型实施例提供的一种测量部件与上位机的连接示意图。

图3为本实用新型实施例提供的一种传感装置的结构示意图。

图4为本实用新型实施例提供的另一种人体姿态无线测量系统的系统框图。

图5为本实用新型实施例提供的一种测量部件的安装示意图。

附图标记：

100-人体姿态无线测量系统；

110-测量部件；

111-传感装置；112-处理器；113-电源装置；

1111-三轴磁力计；1112-三轴加速度计；1113-三轴陀螺仪；

120-蓝牙适配器；130-上位机；140-USB接口电路。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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除、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而非全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非有另有明确规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

如图1所示，本实施例中的人体姿态无线测量系统100包括上位机130、蓝牙适配器120和测量部件110，所述测量部件110为多个。所述多个测量部件110通过穿戴件设置于人体的四肢和躯干部位，用以采集所述人体的姿态数据，并通过蓝牙适配器120将采集到的人体姿态数据传送给上位机130，所述上位机130利用现有的OPENGL技术建立人体三维骨骼模型，对人体姿态动作进行实时显示。在本实施例中，测量部件110的个数不做限制，可根据实际需要进行设置。

具体地，如图2所示，测量部件110包括传感装置111、处理器112和电源装置113。所述电源装置113分别与所述传感装置111和处理器112电性连接，用于给整个测量部件110供电。所述传感装置111与所述处理器112电性连接。所述传感装置111用于采集人体姿态数据，所述处理器112用于根据所述人体姿态数据解算出人体运动姿态角，并将所述人体姿态数据和解算出的人体运动姿态角传送给上位机130。所述传感装置111、处理器112和电源装置113作为一个整体固定于穿戴件，需要对人体姿态进行识别时，用户只需将穿戴件穿戴于相应的部位进行检测即可。

如图2、图3所示，所述传感装置111可以包括三轴磁力计1111、三轴加速度计1112和三轴陀螺仪1113。所述三轴磁力计1111、三轴加速度计1112和三轴陀螺仪1113分别与所述处理器112电性连接。其中，所述三轴磁力计1111、三轴加速度计1112和三轴陀螺仪1113用于采集人体姿态数据，所述处理器112根据所述人体姿态数据进行数据融合和角度解算，实时估计出人体相应部位的姿态角度、速度和加速度。需要说明的是，三轴磁力计1111易受铁磁物质干扰。三轴加速度计1112在较长时间内的测量值是正确的，而在较短时间内由于信号噪声的存在其测量值会产生误差。三轴陀螺仪1113在较短时间内比较准确，在较长时间内会产生漂移从而产生测量误差。因此通过所述三轴磁力计1111、三轴加速度计1112和三轴陀螺仪1113之间的配合使用可以确保所得测量数据的准确性。在静态时，利用三轴加速度计1112采集的数据修正三轴陀螺仪1113采集的数据，一方面保证了所述传感装置111的快速动态响应特性。另一方面，能够快速消除所述传感装置111的稳态误差。反之，在动态时利用三轴陀螺仪1113采集的数据修正三轴加速度计1112采集的数据。利用三轴加速度计1112采集的数据可对三轴磁力计1111采集的数据进行倾斜补偿。利用三轴磁力计1111提供无漂移的方向参考矢量，可消除三轴陀螺仪1113的测量值因漂移而产生的误差。同时利用三轴陀螺仪1113的瞬时特性，可实时校正磁场干扰对三轴磁力计1111的影响，从而消除偏航角误差。这样不但可以提高所述传感装置111的动态特性，同时也能降低其稳态误差。

根据实际需求，可选地，所述三轴加速度计1112、三轴陀螺仪1113和三轴磁力计1111采用三种传感器合一的九轴运动感测组件MPU9250。所述MPU9250内部集成有一可处理复杂数据的数字运动处理器，所述数字运动处理器将采集到的人体姿态数据融合成姿态四元数，并通过集成电路总线传送给所述处理器112进行解算。所述数字运动处理器减轻了处理器112的解算复杂程度，提高了所述处理器112人体姿态解算的效率。

可选地，所述处理器112包括蓝牙芯片，所述蓝牙芯片通过所述MPU9250自带的集成电路总线与所述MPU9250进行通讯，在接收到所述MPU9250发送的经过初步处理的人体姿态数据后，对其进行进一步的解算，得出人体运动姿态角，并将检测到的原始人体姿态数据和解算出的人体运动姿态角传送给所述上位机130。需要说明的是，所述蓝牙芯片通过所述蓝牙适配器120与上位机130进行数据交互。具体地，所述蓝牙芯片内嵌有蓝牙协议栈，使得包括所述蓝牙芯片的所述处理器112可作为蓝牙设备与所述蓝牙适配器120进行通讯。根据实际需求，可选地，所述蓝牙芯片为nRF51822。

如图4所示，所述蓝牙适配器120与上位机130之间设置有USB接口电路140，所述蓝牙适配器120与所述上位机130通过所述USB接口电路140进行数据交互。其中，所述蓝牙适配器120作为接收端，当所述测量部件110进入所述蓝牙适配器120的通信距离范围时，所述处理器112即可向所述蓝牙适配器120发送其解算出的姿态角和所述MPU9250检测到的原始人体姿态数据。所述蓝牙适配器120再将接收到的姿态数据通过USB接口电路140传输给上位机130，所述上位机130通过相关程序进行人体三维模型的重建和显示。

与彼此独立的传感器组合相比，所述MPU9250消除了多传感器组合的轴间差问题，并且减少了传感器的体积，降低了系统的功耗。所述MPU9250内部集成有三轴加速度计1112、三轴陀螺仪1113、三轴磁力计1111和数字运动处理器，输出信号都是16位的数字量，可以通过集成电路总线接口与所述处理器112进行数据交互，其传输速率可达400kHZ每秒。其一体化的设计使得测量部件110轻巧方便，方便用户使用。所述蓝牙芯片nRF5188为支持低功耗蓝牙协议的超低功耗片上系统，其使得所述多个测量部件110与蓝牙适配器120之间实现了蓝牙组网，仅通过一个蓝牙适配器120即可将多个测量部件110检测到的数据传送给上位机130。使得所述人体姿态无线测量系统100可以不受通信线缆的约束，避免用户使用时运动空间受到限制。

在进行人体姿态识别时，所述测量部件110通过穿戴件设置于人体四肢和躯干，其设置位置可以有多种选择，只要能检测到具备一定准确性的姿态数据即可。

如图5所示，所述多个测量部件110可以分别设置于人体的左大臂、左小臂、右大臂、右小臂、左大腿、左小腿、右大腿、右小腿和腰部。需要说明的是，设置于所述人体的左大臂、左小臂、右大臂、右小臂、左大腿、左小腿、右大腿和右小腿的测量部件110，其具体设置位置不做限制。

可选地，所述人体的左大臂、左小臂、右大臂和右小臂分别设置有至少一个所述测量部件110。其中，所述左大臂和左小臂上的测量部件110个数相等，且关于左手肘对称分布。所述左大臂上的测量部件110从靠近左手肘的位置向靠近左肩的一端等距排列，所述左小臂上的测量部件110从靠近所述左手肘的位置向靠近左手的一端等距排列。所述人体右大臂和右小臂上的测量部件110个数相等，且关于右手肘对称分布。所述右大臂上的测量部件110从靠近右手肘的位置向靠近右肩的一端等距排列，所述右小臂上的测量部件110从靠近右手肘的位置向靠近右手的一端等距排列。根据实际需求，可选地，所述左大臂和左小臂上各有一个测量部件110，所述测量部件110均设置于靠近左手肘处。所述右大臂和右小臂各有一个测量部件110，所述测量部件110均设置于靠近右手肘处。

可选地，所述人体的左大腿、左小腿、右大腿和右小腿上分别设置有至少一个所述测量部件110。其中，所述人体的左大腿和左小腿上的测量部件110个数相等，且关于左膝盖对称分布。所述右大腿和右小腿上的测量部件110个数相等，且关于右膝盖对称分布。根据实际需求，可选地，所述左大腿和左小腿上各有一个所述测量部件110，所述左大腿上的测量部件110设置于靠近左膝盖的位置，所述左小腿上的测量部件110设置于靠近左脚踝的位置。所述右大腿和右小腿上各有一个所述测量部件110，所述右大腿上的测量部件110设置于靠近右膝盖的位置，所述右小腿上的测量部件110设置于靠近右脚踝的位置。

可选地，所述腰部的测量部件110设置于所述人体肚脐眼与下颌的连线上。

根据实际需求，可选地，所述测量部件110的个数可以为9个，即所述左大臂、左小臂、右大臂、右小臂、左大腿、左小腿、右大腿、右小腿和腰部分别设置有一个所述测量部件110。所述9个测量部件110按上述左大臂、左小臂、右大臂、右小臂、左大腿、左小腿、右大腿、右小腿和腰部测量部件110的设置位置进行设置。所述9个测量部件110通过所述蓝牙芯片与所述蓝牙适配器120进行通讯，将每个所述测量部件110中的MPU9250采集到的人体姿态数据和其解算出的人体运动姿态角传送给蓝牙适配器120，所述蓝牙适配器120通过USB接口电路140传送给上位机130。上述测量部件110的设置方式减小了测量误差，便于用户进行穿戴，且为后期人体三维模型的重建带来了便利。

本实用新型实施例提供的人体姿态无线测量系统100采用将三轴加速度计1112、三轴陀螺仪1113和三轴磁力计1111集于一体的九轴运动感测组件MPU9250对人体姿态数据进行检测，并利用MPU9250内部的数字运动处理器对所述人体姿态数据进行初步处理，将其转化为四元数格式后传送给处理器112进行姿态角的解算。所述处理器112采用蓝牙芯片nRF51822作为控制芯片，将蓝牙协议栈嵌入到所述蓝牙芯片nRF51822内，使得所述测量部件110能够与蓝牙适配器120形成组网。多个测量部件110检测到的原始人体姿态数据与解算出的人体运动姿态角只需一个蓝牙适配器120即可传送给上位机130。上述设计一方面使得测量部件110更加轻便、测量更加精准，另一方面功耗较低、使用寿命更长。并且本实用新型实施例提供的人体姿态无线测量系统100简化了通信线路，避免了对用户运动空间和幅度的限制。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本实用新型实施例的功能可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的现有程序代码或算法来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本实用新型的功能实现不限制于任何特定的硬件和软件结合。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，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，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。