穿戴式人体行走运动捕捉系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明设计了一种穿戴式人体行走运动捕捉系统，属于机械结构设计及自动控制领域。
【背景技术】
[0002]自二十世纪后期，国内外己有部分研究机构在穿戴型人体信息采集系统的研制、运动信息的采集以及步态特征的分析等方面做了相关研究，主要有韩国汉阳大学和国内哈尔滨工程大学等。
[0003]韩国汉阳大学研制了一种用于人体下肢运动数据采集和步态分析的系统。该系统由穿戴型随动腿的光电编码器，与随动腿通过踝关节相连的测力鞋及相关软件组成。在人体下肢运动状态分析领域，提出一种综合随动腿关节运动数据及测力鞋压力数据的步态分析方法。其原理是基于人体下肢腿的运动状态以及足部着力地点特征定义步态描述格式，并建立步态描述格式与随动腿的传感数据和足部压力传感数据的映射关系，当穿戴者行走运动时通过传感器实测数据与步态描述格式对比识别穿戴者当前的姿态。实验表明，该系统能够获得随动腿的运动数据及测力鞋的压力数据；同时，还能够分析穿戴者在行走运动状态下的步态特征。
[0004]哈尔滨工程大学研制的穿戴型下肢运动数据采集及运动分析系统。由两条随动腿、测力鞋、数据采集系统以及步态分析软件组成。在下肢运动特性的研究方面，提出一种基于步态相位分解步态的分析方法。其原理是根据人体行走运动的周期性将下肢在一个完整步态周期细分为7个步态相位，并定义了相应的特征值，可通过特征值与足底压力数据的比较识别穿戴者当前的姿态。所研制下肢行走运动数据采集、分析系统可以获得随动腿的运动数据及足底压力数据，并通过软件分析下肢的步态特性。
[0005]此外，还有一些其他机构开展了基于传感器数据的人体下肢步态特征分析的工作。如瑞士联邦工业技术学院提出一种基于足底压力数据及脚运动角速度数据的步态分析方法，其中足底压力数据由测力鞋检测，足部行走运动的角速度由安置在鞋后跟部的陀螺仪获取，通过采集数据与人体下肢步态模式的对比来分析被测者的步态特征。中国科技大学研制的步态测试分析装置由测力鞋、信息采集系统及步态分析软件组成，可以完成被测者步态特征提取并与正常步态进行对比。这些相关研究的信息采集系统的信息采集以足底压力为主，较少采集下肢关节的行走运动数据，更没有腰部数据的采集和分析。
[0006]近期，国内外研究机构为了使机器人的行走动作更加拟人化，在设计机器人时都加入了腰关节。如日本东京大学JSK机器人实验室设计的“小次郎”，这款机器人相比以往的机器人，“小次郎”的独特之处在于他有与人类相仿的骨骼结构，有人造脊柱，可以向不同方向弯曲，做出弯腰、转身等动作，比其他机器人动作更自然。因此在运动捕捉系统的设计中，加入腰关节自由度显的尤为重要。
【发明内容】
[0007]本发明的目的在于设计一种穿戴式人体行走运动捕捉系统，该系统在背部、胯部、髋关节、膝关节和踝关节分别安装传感器，并在脚底安装接触开关，使用芯片采集传感器数据并用发送到PC。采用背-胯差值法计算获得腰部的俯仰和横滚角度，在采集的数据中直接读取髋关节的俯仰和横滚角度、膝关节的俯仰角度、踝关节的俯仰和横滚角度，从而直接获得人体行走运动的数据信息。
[0008]为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是一种穿戴式的人体行走运动捕捉系统，该系统包括背部子系统、胯部子系统、膝关节子系统、踝关节子系统和足底系统，膝关节和踝关节子系统分别包括左右两个镜面对称部分。
[0009]背部子系统如图1所示，由背部固定板(I)和安装在上面的航姿参考系统AHRS(2)组成。将背部固定带穿过背部固定板(I)，然后将航姿参考系统AHRS(2)固定在人体的背部，测量背部的运动数据。
[0010]胯部子系统如图2和图3所示，它负责测量胯部和髋关节的运动数据。将航姿参考系统AHRS (4)固定在胯部固定板(3)上，测量胯部运动数据。左髋横滚上连接件(5)与右髋横滚上连接件(13)分别与胯部固定板(3)连接，并且可以相对滑动调节左髋横滚转动关节(7)和右髋横滚转动关节(15)的左右位置。左髋横滚中连接件(6)与左髋横滚上连接件(5)相接，并且可以相对滑动调节左髋横滚转动关节(7)的上下位置。左髋横滚关节(7)上方固定在左髋横滚中连接件(6)上，下方与左髋横滚下连接件(8)相连。左髋横滚下连接件(8)相对左髋横滚中连接件(6)转动，左髋横滚关节(7)就测得左髋的横滚角。左髋俯仰上连接件(9)与左髋横滚下连接件(8)相连，并且可以相对滑动调节左髋俯仰关节(10)的左右位置。左髋俯仰关节(10)上方固定在左髋俯仰上连接件(9)上，下方与左髋俯仰下连接件(11)相连。左髋俯仰下连接件(11)相对左髋俯仰上连接件(9)转动，左髋俯仰关节(10)就测得左髋的俯仰角。左髋俯仰下连接件(11)固定在左髋大腿固定件(12)上。右髋横滚中连接件(14)与右髋横滚上连接件(13)相接，并且可以相对滑动调节右髋横滚转动关节(15)的上下位置。右髋横滚关节(15)上方固定在右髋横滚中连接件(14)上，下方与右髋横滚下连接件(16)相连。右髋横滚下连接件(16)相对右髋横滚中连接件(14)转动，右髋横滚关节(15)就测得右髋的横滚角。右髋俯仰上连接件(17)与右髋横滚下连接件(16)相连，并且可以相对滑动调节右髋俯仰关节(18)的左右位置。右髋俯仰关节(18)上方固定在右髋俯仰上连接件(17)上，下方与右髋俯仰下连接件(19)相连。右髋俯仰下连接件(19)相对右髋俯仰上连接件
(17)转动，右髋俯仰关节(18)就测得右髋的俯仰角。右髋俯仰下连接件(19)固定在右髋大腿固定件(20)上。把腰带穿过胯部固定板(3)，将胯部子系统的上方固定在人体的胯部。让后把固定带分别穿过左髋大腿固定件(12)和右髋大腿固定件(20)，将胯部子系统分别固定在左右大腿上。
[0011]膝关节子系统如图4和图5所示，图4为左膝关节系统，图5为右膝关节系统。对于左膝关节系统，左膝俯仰关节(22)分别与左膝大腿固定件(21)和左膝小腿固定件(23)相连。左膝小腿固定件(23)相对左膝大腿固定件(21)转动，左膝俯仰关节(22)就测得左膝的俯仰角。把固定带穿过左膝大腿固定件(21)，固定在左膝上方的大腿上。把固定带穿过左膝小腿固定件(23)，固定在左膝下方的小腿上。对于右膝关节系统，右膝俯仰关节(25)分别与右膝大腿固定件(24)和右膝小腿固定件(26)相连。右膝小腿固定件(26)相对右膝大腿固定件
(24)转动，右膝俯仰关节(25)就测得右膝的俯仰角。把固定带穿过右膝大腿固定件(24)，固定在右膝上方的大腿上。把固定带穿过右膝小腿固定件(26)，固定在右膝下方的小腿上。
[0012]踝关节子系统如图6和图7所示，图6为左踝关节系统，图7为右踝关节系统。对于左踝关节系统，左踝横滚关节(28)分别与左踝小腿固定件(27)和左踝连接件(29)相连。左踝连接件(29)相对左踝小腿固定件(27)转动，左踝横滚关节(28)就测得左踝的横滚角。左踝俯仰关节(30)分别与左踝连接件(29)和左踝脚面固定件(31)相连。左踝脚面固定件(31)相对左踝连接件(29)转动，左踝俯仰关节(30)就测得左踝的俯仰角。把固定带穿过左踝小腿固定件(27)，将左踝关节系统固定在左踝关节上方的小腿上。把固定带穿过左踝脚面固定件(31)，将左踝关节系统固定在左脚脚面上。对于右踝关节系统，右踝横滚关节(33)分别与右踝小腿固定件(32)和右踝连接件(34)相连。右踝连接件(34)相对右踝小腿固定件(32)转动，右踝横滚关节(33)就测得右踝的横滚角。右踝俯仰关节(35)分别与右踝连接件(34)和右踝脚面固定件(36)相连。右踝脚面固定件(36)相对右踝连接件(34)转动，右踝俯仰关节
(35)就测得右踝的俯仰角。把固定带穿过右踝小腿固定件(32)，将右踝关节系统固定在右踝关节上方的小腿上。把固定带