[发明专利]人体运动与姿态监测装置和方法

摘要

本发明涉及一种对在运动平台上或地面上进行作业活动的人体或假人的多个部位的位置变化和姿态变化进行监测的技术，其特征在于：监测装置由一个主机、多个采集模块和一台计算机构成，主机为采集模块供电并提供统一的采集同步信号，采集模块同步记录人体多个部位的加速度、角速度和地磁数据，监测结束后由计算机对数据进行解算处理；解算处理包含截取数据段、异常数据修正、判定解算初始时刻、确定地面坐标系和平台坐标系、计算初始时刻坐标转换矩阵、按时间正向或反向积分迭代计算任意时刻转换矩阵、计算相对位移和姿态角一系列步骤，最终获取人体各部位的相对位移和姿态角变化数据。

主权项

人体运动与姿态监测装置和方法，是以惯性测量器件、计算机和数控器件为核心，以惯性空间变换和动力学算法为关键点，获取人体运动和姿态信息的装置和方法，其特征在于：监测装置由一个主机、多个采集模块和一台计算机构成，数据处理方法包括人体运动和姿态数据采集方法和数据解算处理方法；主机由数控器件、电池、电源稳压器件、按钮、指示灯和接口构成；数控器件控制主机各部分的工作，电池为主机和采集模块供电，电源稳压器件保持主机和采集模块工作电压的稳定，按钮提供主机功能选择，指示灯显示主机工作状态；一个接口包含供电线路和同步信号线路，在监测时连接主机与各采集模块，用于主机为各采集模块供电和提供采集同步信号；另一个接用于连接主机与计算机，在装置用于人体运动和姿态监测前，由计算机完成对主机同步采样率的设置；两个接口也可以合并为一个，在与计算机连接和与采集模块连接时采用不同的连接线缆，分别实现两个接口的功能；采集模块有多个，各采集模块的构成完全相同，包括数控器件、MEMS惯性测量器件、非易失性存储器件、按钮、指示灯和接口；数控器件控制采集模块各部分的工作，MEMS惯性测量器件获取采集模块所在位置的加速度、角速度和地磁数据，非易失性存储器件在数控器件的控制下按照时间顺序储存MEMS惯性测量器件获取的加速度、角速度、地磁数据和时间标志；一个外接口包含供电线路和同步信号线路，用于各采集模块与主机的连接，当采集模块用于人体运动和姿态监测时，各采集模块通过该接口接受主机的供电和采集同步信号；另一个接口用于采集模块与计算机，在装置用于人体运动和姿态监测前，由计算机设置采集模块的编号和时间标志间隔，在装置用于人体运动和姿态监测后，由计算机读取各采集模块获取的按照时间标志顺序储存的人体加速度、角速度、地磁数据和时间标志；两个接口也可以合并为一个，在与计算机连接和与主机连接时采用不同的连接线缆，分别实现两个接口的功能；计算机作为人体运动与姿态监测的数据分析设备，通过计算所提供的接口，分别与主机和采集模块连接，对主机和采集模块进行工作参数设置，读取采集模块采集获得的反映人体运动和姿态的加速度、角速度和地磁数据，按照人体运动和姿态数据采集方法和数据解算处理方法，计算获得人体在一个特定时间段的加速度、速度、位移和角速度、角度数据；人体运动和姿态数据采集方法包括如下步骤：根据人体运动和姿态监测需要，确定要监测的人体部位和监测点；依据人体部位监测点数量确定使用的采集模块的数量n；根据采集需要设定主机的同步采样率，设定采集模块编号和时间标志间隔，采样模块的编号设置范围为0～n；将0号采集模块固定于人体所在运动平台上，若人体所在平台为地面或建筑物面，可以将人体靠近地面或建筑物面的一个采集模块编为0号采集模块；其他编号采集模块分别固定于人体各部位的监测点，主机固定于人体腰部或固定于不影响人体作业动作的人体所在平台上；将各采集模块的接口与主机接口通过电缆线连接；使人体所在运动平台相对于地面处于静止状态，人体保持特定初始姿态，测量安装好的各采集模块中心相对于0号采集模块中心的位置数据，并依次将采集模块标号、人体部位、相对于0号模块的中心的位置偏移数据输入计算机；按下主机和采集模块的相关按钮，启动主机和各采集模块工作，开始采集各模块所在位置的加速度、角速度、地磁数据，并按照时间标志顺序，一并存储在各采集模块的非易失性存储器件中，形成采集数据序列；采集过程中，人体在平台上开始进行各种操作动作，直至完成全部作业过程；人体在进行每个需要分析的作业动作前后，应有一段时间使人体姿态恢复到开始时的特定初始姿势，并保持人体所在平台相对于地面不做加速运动；整个作业过程结束后，按下主机和采集模块的相关按钮，停止主机和各采集模块工作，取下各采集模块和主机，通过接口连接各采集模块和计算机，由计算机读取各采集模块的非易失性存储器件中的代表人体运动和姿态的原始数据；人体运动和姿态数据解算处理方法包括如下步骤：确定需要解算的人体作业动作；从读取的各采集模块的采集数据序列中，按照时间标志，截取包含人体作业动作的时间间隔内的所有加速度、角速度和磁场数据；对截取的数据进行异常数据修正；确定非加速运动判定值p₀；确定数据解算初始时刻k；确定地面坐标系和平台坐标系；计算k时刻地面坐标系在各采集模块坐标系各轴的投影；计算k时刻由地面坐标系向采集模块坐标系进行坐标变换的转换矩阵；计算k时刻由采集模块坐标系向平台坐标系进行坐标变换的转换矩阵；计算由采集模块坐标系向平台坐标系进行坐标变换的转换矩阵；计算k时刻各采集模块中心相对于平台坐标系的运动；计算各采集模块中心相对于平台坐标系的运动；计算各采集模块坐标系相对于平台坐标系的姿态角。