本發(fā)明涉及醫(yī)療健康
技術(shù)領(lǐng)域：
，尤其涉及一種可用于移動(dòng)障礙VR康復(fù)訓(xùn)練儀的人體運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
：軀體移動(dòng)障礙是指人體不能獨(dú)立完成或順利完成軀體的移動(dòng)活動(dòng)，老年偏癱、中風(fēng)導(dǎo)致軀體移動(dòng)障礙即屬于此類軀體移動(dòng)型障礙。研究表明，對(duì)軀體移動(dòng)障礙患者進(jìn)行早期、積極的治療，可使90％以上的患者恢復(fù)獨(dú)立行走和自理生活的能力。傳統(tǒng)的移動(dòng)障礙康復(fù)訓(xùn)練需要專業(yè)治療師的指導(dǎo)、輔以簡(jiǎn)單的訓(xùn)練器械，人力成本昂貴、訓(xùn)練方式單一，且場(chǎng)景受限，訓(xùn)練內(nèi)容單調(diào)易造成患者感覺(jué)枯燥乏味，難于長(zhǎng)期堅(jiān)持。虛擬現(xiàn)實(shí)(VisualReality,VR)技術(shù)是一種通過(guò)提供用戶視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等感官模擬，使得用戶產(chǎn)生身臨其境體驗(yàn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)；隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的逐漸發(fā)展和完善，以及獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)使其在醫(yī)療保健領(lǐng)域受到越來(lái)越多的重視，已經(jīng)有針對(duì)自閉癥、殘肢模擬、康復(fù)訓(xùn)練的的研究。如果將其應(yīng)用到軀體移動(dòng)障礙的康復(fù)訓(xùn)練中，能夠更加精確地量化訓(xùn)練指標(biāo)、合理地設(shè)置訓(xùn)練計(jì)劃，無(wú)疑會(huì)取得更好的康復(fù)訓(xùn)練效果，且患者不會(huì)感到枯燥乏味。但是康復(fù)訓(xùn)練中VR技術(shù)的實(shí)現(xiàn)需要精準(zhǔn)的人體運(yùn)動(dòng)信息，實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)的人體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)采集是移動(dòng)障礙VR康復(fù)訓(xùn)練儀的關(guān)鍵。因此，設(shè)計(jì)一套低成本、高精度的人體運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)就顯得尤為重要。目前，常用的運(yùn)動(dòng)捕捉方案主要有兩種：光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉和慣性運(yùn)動(dòng)捕捉。光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉使用多臺(tái)相機(jī)從不同角度拍攝對(duì)象，將采集到的圖像送入計(jì)算機(jī)計(jì)算出每個(gè)標(biāo)記點(diǎn)的空間位置，進(jìn)而根據(jù)已知的骨骼信息得到關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度和人體運(yùn)動(dòng)信息。其優(yōu)點(diǎn)是精度高、具備捕捉關(guān)節(jié)、手指甚至面部表情的細(xì)微變化的能力；缺點(diǎn)是場(chǎng)景受限、攝像機(jī)必須具備很高的拍攝速率，購(gòu)買專業(yè)的標(biāo)定和輸出軟件，價(jià)格昂貴。慣性運(yùn)動(dòng)捕捉通過(guò)速度計(jì)、陀螺儀、地磁傳感器等傳感器采集的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)濾波和數(shù)據(jù)融合得到連續(xù)的三軸方位角度輸出數(shù)據(jù)，通過(guò)角度和加速度信息能夠完整描繪目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡；為了實(shí)現(xiàn)人體的運(yùn)動(dòng)捕捉，需要在人體的各個(gè)關(guān)節(jié)布置節(jié)點(diǎn)，多個(gè)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)信息匯總形成整個(gè)人體的運(yùn)動(dòng)信息。慣性運(yùn)動(dòng)捕捉方案的優(yōu)點(diǎn)是成本低廉、采集的數(shù)據(jù)精度較高且場(chǎng)景不受限，缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)會(huì)受到磁場(chǎng)和電子設(shè)備的干擾，且會(huì)存在誤差累積。此外，現(xiàn)有技術(shù)仍存在如下缺陷：1)康復(fù)訓(xùn)練方式機(jī)械式康復(fù)訓(xùn)練器械受限于運(yùn)動(dòng)方向和自由度，且設(shè)備由伺服電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的形式驅(qū)動(dòng)，當(dāng)控制機(jī)構(gòu)失靈時(shí)，患者會(huì)感到極其的恐懼，易造成患者的心理陰影，影響康復(fù)訓(xùn)練。另外，專用的康復(fù)訓(xùn)練器械價(jià)格昂貴，需要醫(yī)護(hù)人員專業(yè)指導(dǎo)，造成人力和經(jīng)濟(jì)花費(fèi)昂貴。采用VR技術(shù)的康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)還很少，部分器械只是針對(duì)手指、殘肢的康復(fù)訓(xùn)練，且運(yùn)動(dòng)采集僅限于部分肢體的運(yùn)動(dòng)信息采集，無(wú)法適用于軀體移動(dòng)障礙患者的康復(fù)訓(xùn)練。2)顯示設(shè)備大部分康復(fù)訓(xùn)練系統(tǒng)采集人體運(yùn)動(dòng)信息、經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)融合處理，并通過(guò)專用的計(jì)算機(jī)模擬現(xiàn)實(shí)人體運(yùn)動(dòng)信息，患者可以一定程度上觀察到自身身體運(yùn)動(dòng)狀況。但是，相比于VR技術(shù)的顯示方式，不具備沉浸式體驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)。3)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的傳輸線路以往的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，從前端傳感器數(shù)據(jù)的采集到后端微控制器的數(shù)據(jù)的運(yùn)算處理分析，大多采用有線直連方式。該方式下，可以方便利用目前高速串行或者并行總線協(xié)議，但是因?yàn)閼T性測(cè)量裝置是依附在人體部位上的，在裝置上布置大量的導(dǎo)線或電纜，安裝、拆卸都比較復(fù)雜，靈活性差，而且影響人體的活動(dòng)。4)各種康復(fù)訓(xùn)練器械均未采集人體的體溫和心率信息，在進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練過(guò)程中，實(shí)時(shí)的體溫和心率采集能夠輔助治療師和患者了解自己的身體狀況，具有重要的輔助意義。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：有鑒于此，為了克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷和問(wèn)題，本發(fā)明提供一種人體運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)。一種人體運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)，其包括采集體溫的溫度傳感器、采集心率的心率傳感器、數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)器、數(shù)據(jù)融合模塊及多個(gè)采集運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的慣性運(yùn)動(dòng)傳感器，所述多個(gè)慣性運(yùn)動(dòng)傳感器、所述溫度傳感器、所述心率傳感器及所述數(shù)據(jù)融合模塊均連接于所述數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)器，所述數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)器接收所述多個(gè)慣性運(yùn)動(dòng)傳感器、所述溫度傳感器及所述心率傳感器獲得的數(shù)據(jù)，由所述數(shù)據(jù)融合模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后經(jīng)所述數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)器傳送至VR設(shè)備。本發(fā)明一較佳實(shí)施方式中，所述慣性運(yùn)動(dòng)傳感器包括第一主控單片機(jī)及分別連接于所述第一主控單片機(jī)的運(yùn)動(dòng)傳感器和通信模塊。本發(fā)明一較佳實(shí)施方式中，所述慣性運(yùn)動(dòng)傳感器還包括電源、LED指示燈、按鍵和外圍電路，所述LED指示燈、所述按鍵和所述外圍電路均與所述電源連接。本發(fā)明一較佳實(shí)施方式中，所述數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)器包括第二主控單片機(jī)、數(shù)據(jù)接收單元及VR數(shù)據(jù)通信接口，所述數(shù)據(jù)接收單元及所述VR數(shù)據(jù)通信接口均連接于所述第二主控單片機(jī)，所述數(shù)據(jù)接收單元連接所述多個(gè)慣性運(yùn)動(dòng)傳感器、所述溫度傳感器及所述心率傳感器。本發(fā)明一較佳實(shí)施方式中，所述數(shù)據(jù)接收單元通過(guò)藍(lán)牙通信模塊議連接所述多個(gè)慣性運(yùn)動(dòng)傳感器、所述溫度傳感器及所述心率傳感器。本發(fā)明一較佳實(shí)施方式中，所述數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)器還包括LED指示燈和外圍電路。本發(fā)明一較佳實(shí)施方式中，所述數(shù)據(jù)融合模塊對(duì)每一個(gè)所述慣性運(yùn)動(dòng)傳感器的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)先進(jìn)行獨(dú)立的濾波，再將濾波后的數(shù)據(jù)按照節(jié)點(diǎn)在身體的位置進(jìn)行封裝，打包成完整的數(shù)據(jù)包。本發(fā)明一較佳實(shí)施方式中，還包括電源穩(wěn)壓系統(tǒng)及外置USB接口。本發(fā)明一較佳實(shí)施方式中，所述數(shù)據(jù)融合模塊對(duì)每一個(gè)所述慣性運(yùn)動(dòng)傳感器的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)先進(jìn)行獨(dú)立的濾波，再將濾波后的數(shù)據(jù)按照每一個(gè)所述慣性運(yùn)動(dòng)傳感器在身體的位置進(jìn)行封裝，打包成完整的數(shù)據(jù)包。相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明提出了一種實(shí)時(shí)反應(yīng)人體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)和身體狀況的人體運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)，為軀體移動(dòng)性障礙VR康復(fù)儀提供必要的姿態(tài)信息和身體參數(shù)，由微型節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)器、VR數(shù)據(jù)通信接口組成。數(shù)據(jù)采集的微傳感節(jié)點(diǎn)的原始傳感器數(shù)據(jù)包括三軸加速度，三軸陀螺儀，三軸磁力計(jì)、體溫和心率等基本參數(shù)，然后通過(guò)節(jié)點(diǎn)的射頻模塊無(wú)線發(fā)送到數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)器，數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)器接收各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包并打包通過(guò)VR數(shù)據(jù)通信接口傳輸?shù)絍R設(shè)備，通過(guò)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解算和融合，在VR顯示屏實(shí)時(shí)模擬顯示肢體的運(yùn)動(dòng)狀況和心率、體溫信息，并且支持存儲(chǔ)和查看。其優(yōu)點(diǎn)在于：1)節(jié)點(diǎn)小巧，便于攜帶且可隨意增減，使用方便，只要此系統(tǒng)和一臺(tái)VR設(shè)備即可進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，解除了對(duì)場(chǎng)地和訓(xùn)練師的要求；且能夠使患者體驗(yàn)到沉浸式訓(xùn)練效果，訓(xùn)練效果容易得到保證。2)通過(guò)在人體各個(gè)部位布置微型傳感節(jié)點(diǎn)，能夠?qū)崟r(shí)采集運(yùn)動(dòng)人體的各種運(yùn)動(dòng)參數(shù)和體溫心率等，使人能夠及時(shí)了解身體運(yùn)動(dòng)的情況，便于患者了解自己身體運(yùn)動(dòng)狀況和制定后續(xù)的訓(xùn)練計(jì)劃，存儲(chǔ)的訓(xùn)練數(shù)據(jù)可以提供給治療師，以評(píng)估康復(fù)訓(xùn)練的效果。3)節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)器間采用無(wú)線通信方式，經(jīng)過(guò)前期反復(fù)的硬件結(jié)構(gòu)、電子線路、軟件的優(yōu)化和實(shí)地試驗(yàn)，無(wú)線方式很好的發(fā)揮了有線方式高速、穩(wěn)定、準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也克服了它安裝卸載麻煩成本高的缺點(diǎn)。附圖說(shuō)明圖1為本發(fā)明提供的人體運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)的組成示意圖；圖2為傳感器采集節(jié)點(diǎn)I的模塊框架結(jié)構(gòu)與連接示意圖；圖3為傳感器采集節(jié)點(diǎn)II的模塊框架結(jié)構(gòu)與連接示意圖；圖4為慣性運(yùn)動(dòng)傳感器的數(shù)據(jù)處理流程示意圖；圖5為數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)器的模塊框架結(jié)構(gòu)與連接示意圖；圖6為數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)處理流程圖；圖7為卡爾曼濾波示意圖；圖8a和圖8b為數(shù)據(jù)封裝包格式示意圖。具體實(shí)施方式為了便于理解本發(fā)明，下面將參照相關(guān)附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更全面的描述。附圖中給出了本發(fā)明的較佳實(shí)施方式。以上僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本發(fā)明說(shuō)明書及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換，或直接或間接運(yùn)用在其他相關(guān)的
技術(shù)領(lǐng)域：
，均同理包括在本發(fā)明的專利保護(hù)范圍內(nèi)。除非另有定義，本文所使用的所有的技術(shù)和科學(xué)術(shù)語(yǔ)與屬于本發(fā)明的
技術(shù)領(lǐng)域：
的技術(shù)人員通常理解的含義相同。本文中在本發(fā)明的說(shuō)明書中所使用的術(shù)語(yǔ)只是為了描述具體的實(shí)施方式的目的，不是旨在于限制本發(fā)明。本文所使用的術(shù)語(yǔ)“及/或”包括一個(gè)或多個(gè)相關(guān)的所列項(xiàng)目的任意的和所有的組合。請(qǐng)參閱圖1，本發(fā)明提供一種人體運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)，其包括多個(gè)采集運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的慣性運(yùn)動(dòng)傳感器11、采集體溫的溫度傳感器13、采集心率的心率傳感器15、數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)器17及數(shù)據(jù)融合模塊19，所述多個(gè)慣性運(yùn)動(dòng)傳感器11、所述溫度傳感器13、所述心率傳感器15及所述數(shù)據(jù)融合模塊19均連接于所述數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)器17，所述數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)器17接收所述多個(gè)慣性運(yùn)動(dòng)傳感器11、所述溫度傳感器13及所述心率傳感器15獲得的數(shù)據(jù)，由所述數(shù)據(jù)融合模塊19進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后經(jīng)所述數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)器17傳送至VR設(shè)備21。本實(shí)施例中，所述多個(gè)慣性運(yùn)動(dòng)傳感器11、所述溫度傳感器13、所述心率傳感器15形成第一傳感器節(jié)點(diǎn)(如圖2所示傳感器節(jié)點(diǎn)I)和第二傳感器節(jié)點(diǎn)(如圖3所示傳感器節(jié)點(diǎn)II)，第一傳感器節(jié)點(diǎn)和第二傳感器節(jié)點(diǎn)的區(qū)別在于第二傳感器包括所述溫度傳感器13、所述心率傳感器15，第一傳感器節(jié)點(diǎn)只包括慣性運(yùn)動(dòng)傳感器11。進(jìn)一步地，第二傳感器節(jié)點(diǎn)包括佩戴于手臂(左右臂皆可)的慣性運(yùn)動(dòng)傳感器11和佩戴于胸部的慣性運(yùn)動(dòng)傳感器11，其中，佩戴于手臂(左右臂皆可)的慣性運(yùn)動(dòng)傳感器11配有溫度傳感器13(圖未示)，佩戴于胸部的慣性運(yùn)動(dòng)傳感器11則配有心率傳感器15(如圖3所示)。請(qǐng)一并參閱圖2和圖3，本實(shí)施例中，采集人體姿態(tài)時(shí)采用了三軸加速度計(jì)、三軸陀螺儀、三軸磁力計(jì)的九軸數(shù)據(jù)融合算法，由此，人體姿態(tài)的判斷會(huì)更準(zhǔn)確，采集人體體溫采用了溫度傳感器，采集心率采用心率傳感器。本實(shí)施例中，所述多個(gè)慣性運(yùn)動(dòng)傳感器11、所述溫度傳感器13、所述心率傳感器15在身體上的安放位置如表1所示，當(dāng)然，并不局限于此，也可以根據(jù)具體情況進(jìn)行設(shè)計(jì)安放位置。表1身體各節(jié)點(diǎn)安放位置編號(hào)編號(hào)位置節(jié)點(diǎn)類型備注01頭部I02左臂II帶體溫檢測(cè)的II型節(jié)點(diǎn)03右臂I04左腕I05右腕I06前胸II帶心率檢測(cè)的II型節(jié)點(diǎn)07左腿I08右腿I09左腳踝I10右腳踝I本實(shí)施例中，所述多個(gè)慣性運(yùn)動(dòng)傳感器11、所述溫度傳感器13、所述心率傳感器15通過(guò)無(wú)線通信(如藍(lán)牙)連接于所述數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)器17。所述數(shù)據(jù)融合模塊19則集成于所述數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)器17。所述數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)器17可以通過(guò)通信接口連接于所述VR設(shè)備21。當(dāng)然，連接方式并不局限于此，也可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行設(shè)計(jì)。所述多個(gè)慣性運(yùn)動(dòng)傳感器11均為微型節(jié)點(diǎn)，設(shè)置于人體不同部位，用于實(shí)時(shí)采集運(yùn)動(dòng)人體的各種運(yùn)動(dòng)參數(shù)，并輸送至所述數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)器17；所述溫度傳感器13為微型傳感器，用于實(shí)時(shí)采集運(yùn)動(dòng)人體的體溫?cái)?shù)據(jù)，并輸送至所述數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)器17；所述心率傳感器15為微型傳感器，用于實(shí)時(shí)采集運(yùn)動(dòng)人體的心率數(shù)據(jù)，并輸送至所述數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)器17；所述數(shù)據(jù)融合模塊19對(duì)所述多個(gè)慣性運(yùn)動(dòng)傳感器11實(shí)時(shí)采集的運(yùn)動(dòng)人體的各種運(yùn)動(dòng)參數(shù)、所述溫度傳感器13實(shí)時(shí)采集的運(yùn)動(dòng)人體的體溫?cái)?shù)據(jù)及所述心率傳感器15實(shí)時(shí)采集的運(yùn)動(dòng)人體的心率數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，然后由所述數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)器17將處理后的數(shù)據(jù)傳送至所述VR設(shè)備21；所述VR設(shè)備21對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解算和融合，在VR顯示屏實(shí)時(shí)模擬顯示肢體的運(yùn)動(dòng)狀況和心率、體溫信息?？梢岳斫獾氖?，所述VR設(shè)備21支持存儲(chǔ)和查看，同時(shí)所述數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)器17還可以連接于PC機(jī)。請(qǐng)參閱圖2，本實(shí)施例中，所述慣性運(yùn)動(dòng)傳感器11包括第一主控單片機(jī)111、運(yùn)動(dòng)傳感器112、通信模塊113、電源114、LED指示燈115、按鍵116和外圍電路117；第一主控單片機(jī)111、運(yùn)動(dòng)傳感器112、通信模塊113、LED指示燈115、按鍵116和外圍電路117(如充電電路)均連接于電源114，由電源114提供工作電壓；運(yùn)動(dòng)傳感器112、通信模塊113、LED指示燈115、按鍵116和外圍電路117均連接于第一主控單片機(jī)111，由第一主控單片機(jī)111進(jìn)行控制，所述慣性運(yùn)動(dòng)傳感器11的數(shù)據(jù)處理流程如圖4所示。優(yōu)選地，第一主控單片機(jī)111采用性能高、功耗低特性的微控制器，以快速處理數(shù)據(jù)、運(yùn)行復(fù)雜的算法，使對(duì)人體姿態(tài)的判斷更加準(zhǔn)確，同時(shí)滿足每次充電后可以使用較長(zhǎng)時(shí)間，給用戶帶來(lái)方便。優(yōu)選地，運(yùn)動(dòng)傳感器112能夠提供實(shí)時(shí)、精確的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)采集，其內(nèi)置的DMP(DigitalMotionProcessor)模塊能夠獨(dú)立完成數(shù)據(jù)融合和姿態(tài)解算，可以大大降低第一主控單片機(jī)111的計(jì)算負(fù)擔(dān)。通信模塊113用于實(shí)現(xiàn)每一個(gè)慣性運(yùn)動(dòng)傳感器11與數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)器17之間的通信?？梢岳斫獾氖牵ㄐ拍K113可搭載最新的藍(lán)牙4.0協(xié)議，傳輸速率、節(jié)點(diǎn)編號(hào)等信息均可通過(guò)程序進(jìn)行配置，其天線線路直接采用高頻布線的方式與芯片連接為一體，天線的大小、形狀、匹配電路的性能參數(shù)和軟件載波頻段配置相匹配，以在保證傳輸速率和可靠性的基礎(chǔ)上，減小整機(jī)尺寸，使得整個(gè)慣性運(yùn)動(dòng)傳感器11結(jié)構(gòu)緊湊、小巧美觀。電源114采用板載3.3V鋰電池供電，每個(gè)慣性運(yùn)動(dòng)傳感器11均為獨(dú)立電源。同時(shí)，時(shí)鐘采用外部8MHz無(wú)源晶振提供單片機(jī)的基準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)。按鍵116主要是實(shí)現(xiàn)慣性運(yùn)動(dòng)傳感器11的開(kāi)關(guān)機(jī)功能。LED指示燈115主要顯示電源114的狀態(tài)、性運(yùn)動(dòng)傳感器節(jié)點(diǎn)11的開(kāi)關(guān)機(jī)狀態(tài)、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，可以理解的是，不同的狀態(tài)可采取不同顏色的LED燈表示。如電源113正常工作采用綠色LED燈，不正常工作則采用紅色LED燈。本實(shí)施例中，佩戴于手臂(左右臂皆可)的慣性運(yùn)動(dòng)傳感器11增加了溫度傳感器13，量程和精度可編程控制，體積小、使用方便；佩戴于胸部的慣性運(yùn)動(dòng)傳感器11配有心率傳感器15，該心率傳感器15為用于脈搏心率測(cè)量的光電反射式模擬傳感器，可以佩戴于手指、耳垂等多個(gè)身體部位，使用靈活方便。為了實(shí)現(xiàn)通用性和模塊功能復(fù)用，優(yōu)選地，佩戴于手臂(左右臂皆可)的慣性運(yùn)動(dòng)傳感器11和佩戴于胸部的慣性運(yùn)動(dòng)傳感器11均采用同樣的電路布局，在實(shí)際安裝使用中，安裝于臂膀處的慣性運(yùn)動(dòng)傳感器11只安裝溫度傳感器13，而佩戴于胸前的慣性運(yùn)動(dòng)傳感器11只安裝心率傳感器15。請(qǐng)參閱圖5，所述數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)器17包括第二主控單片機(jī)171、數(shù)據(jù)接收單元172及VR數(shù)據(jù)通信接口173，所述數(shù)據(jù)接收單元172及所述VR數(shù)據(jù)通信接口173均連接于所述第二主控單片機(jī)171，所述數(shù)據(jù)接收單元172連接所述多個(gè)慣性運(yùn)動(dòng)傳感器11、所述溫度傳感器13及所述心率傳感器15。所述數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)器17接收各個(gè)慣性運(yùn)動(dòng)傳感器11上傳的姿態(tài)角和加速度信息、融合數(shù)據(jù)并打包、打包數(shù)據(jù)上傳至所述VR設(shè)備21；所述數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)器17的數(shù)據(jù)處理流程如圖6所示。本實(shí)施例中，所述數(shù)據(jù)接收單元172通過(guò)藍(lán)牙4.0協(xié)議連接所述多個(gè)慣性運(yùn)動(dòng)傳感器11、所述溫度傳感器13及所述心率傳感器15，采用輪詢掃描的方式實(shí)現(xiàn)各個(gè)慣性運(yùn)動(dòng)傳感器11及溫度傳感器13、心率傳感器15采集的數(shù)據(jù)的上傳，其掃描頻率高于慣性運(yùn)動(dòng)傳感器11的數(shù)據(jù)發(fā)送速率。可以理解的是，接收到的數(shù)據(jù)包含了加速度、姿態(tài)角、溫度和心率信息，但是慣性傳感器受電子設(shè)備干擾易產(chǎn)生誤差，如果不及時(shí)消除誤差還會(huì)累計(jì)。因此，所述數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)器17還需要完成數(shù)據(jù)的濾波、平滑和封裝打包處理，本實(shí)施例采用的卡爾曼濾波算法，詳見(jiàn)數(shù)據(jù)融合模塊19的數(shù)據(jù)融合算法。VR設(shè)備21通過(guò)VR數(shù)據(jù)通信接口173與數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)器17連接，數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)器17可直接固定于VR設(shè)備21的表面；本實(shí)施例中，VR數(shù)據(jù)通信接口173包含電源線、地線和兩組SPI數(shù)據(jù)線，正常狀態(tài)下一組備用。此外，還附加了電源穩(wěn)壓系統(tǒng)、各色指示燈及外置USB接口，其中，電源穩(wěn)壓系統(tǒng)用于保證各芯片工作在穩(wěn)定的狀態(tài)，各色指示燈用于指示數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)器17的工作狀態(tài)，外置USB接口用于方便數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)器17的鋰電池充電。所述數(shù)據(jù)融合模塊19用于解決采用慣性運(yùn)動(dòng)傳感器帶來(lái)的測(cè)量誤差累積問(wèn)題，本實(shí)施例中采用卡爾曼濾波算法，對(duì)每一個(gè)所述慣性運(yùn)動(dòng)傳感器的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)先進(jìn)行獨(dú)立的濾波，再將濾波后的數(shù)據(jù)按照所述慣性運(yùn)動(dòng)傳感器在身體的位置進(jìn)行封裝，打包成完整的數(shù)據(jù)包?？柭鼮V波算法對(duì)傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波時(shí)，線性時(shí)變系統(tǒng)的離散狀態(tài)方程和觀測(cè)方程為：X(k)＝F(k,k-1)·X(k-1)+T(k,k-1)·U(k-1)Y(k)＝H(k)·X(k)+N(k)X(k)和Y(k)分別是k時(shí)刻的狀態(tài)矢量和觀測(cè)矢量，F(xiàn)(k,k-1)為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，U(k)為k時(shí)刻動(dòng)態(tài)噪聲，T(k,k-1)為系統(tǒng)控制矩陣，H(k)為k時(shí)刻觀測(cè)矩陣，N(k)為k時(shí)刻的觀測(cè)噪聲。具體的濾波流程分為兩大部分：①時(shí)間更新模塊(預(yù)測(cè)模塊)依據(jù)初始輸入估計(jì)和協(xié)方差估計(jì)預(yù)測(cè)計(jì)算下一時(shí)刻的狀態(tài)估計(jì)和誤差協(xié)方差估計(jì):狀態(tài)估計(jì):誤差協(xié)方差估計(jì):②測(cè)量更新模塊(修正模塊)依據(jù)實(shí)際測(cè)量值更新觀測(cè)值估計(jì)和協(xié)方差估計(jì)，具體如下：計(jì)算卡爾曼增益：K(k)＝P(k)HT(k)(H(k)P(k)HT(k)+R(k))T,其中，R(k)為離散系統(tǒng)量測(cè)噪聲序列的方差陣。依據(jù)觀測(cè)量更新估計(jì)：其中，Z(k)為實(shí)際測(cè)量的M維觀測(cè)向量，K(k)＝P(k)HT(k)(H(k)P(k)HT(k)+R(k))-1。更新協(xié)方差誤差估計(jì)：P(k+1)＝(I-K(k)H(k))P(k)?？柭鼮V波示意圖見(jiàn)附圖7，另外，濾波是針對(duì)每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)獨(dú)立進(jìn)行，濾波后的數(shù)據(jù)還需依據(jù)節(jié)點(diǎn)在人體位置封裝打包，VR設(shè)備21依據(jù)相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)才能夠獲取正確的人體姿態(tài)信息。濾波后的姿態(tài)角和加速度數(shù)據(jù)封裝打包的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖8a和圖8b所示，其中圖8a的包頭MPUXX中XX代表節(jié)點(diǎn)的兩位編號(hào)，如01代表左臂節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)器判別“MPU01”則可判定數(shù)據(jù)包為左臂節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)；其他同理。圖8b中“MOTION”包頭代表為數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)器發(fā)送的數(shù)據(jù)包的包頭，以供上位機(jī)和VR設(shè)備判別和接收數(shù)據(jù)。相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明提出了一種實(shí)時(shí)反應(yīng)人體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)和身體狀況的慣性人體運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)，為軀體移動(dòng)性障礙VR康復(fù)儀提供必要的姿態(tài)信息和身體參數(shù)，由微型節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)器、VR數(shù)據(jù)通信接口組成。數(shù)據(jù)采集的微傳感節(jié)點(diǎn)的原始傳感器數(shù)據(jù)包括三軸加速度，三軸陀螺儀，三軸磁力計(jì)、體溫和心率等基本參數(shù)，然后通過(guò)節(jié)點(diǎn)的射頻模塊無(wú)線發(fā)送到數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)器，數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)器接收各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包并打包通過(guò)VR數(shù)據(jù)通信接口傳輸?shù)絍R設(shè)備，通過(guò)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解算和融合，在VR顯示屏實(shí)時(shí)模擬顯示肢體的運(yùn)動(dòng)狀況和心率、體溫信息，并且支持存儲(chǔ)和查看。其優(yōu)點(diǎn)在于：1)節(jié)點(diǎn)小巧，便于攜帶且可隨意增減，使用方便，只要此系統(tǒng)和一臺(tái)VR設(shè)備即可進(jìn)行康復(fù)訓(xùn)練，解除了對(duì)場(chǎng)地和訓(xùn)練師的要求；且能夠使患者體驗(yàn)到沉浸式訓(xùn)練效果，訓(xùn)練效果容易得到保證。2)通過(guò)在人體各個(gè)部位布置微型傳感節(jié)點(diǎn)，能夠?qū)崟r(shí)采集運(yùn)動(dòng)人體的各種運(yùn)動(dòng)參數(shù)和體溫心率等，使人能夠及時(shí)了解身體運(yùn)動(dòng)的情況，便于患者了解自己身體運(yùn)動(dòng)狀況和制定后續(xù)的訓(xùn)練計(jì)劃，存儲(chǔ)的訓(xùn)練數(shù)據(jù)可以提供給治療師，以評(píng)估康復(fù)訓(xùn)練的效果。3)節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)器間采用無(wú)線通信方式，經(jīng)過(guò)前期反復(fù)的硬件結(jié)構(gòu)、電子線路、軟件的優(yōu)化和實(shí)地試驗(yàn)，無(wú)線方式很好的發(fā)揮了有線方式高速、穩(wěn)定、準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也克服了它安裝卸載麻煩成本高的缺點(diǎn)。以上所述實(shí)施例僅表達(dá)了本發(fā)明的幾種實(shí)施方式，其描述較為具體和詳細(xì)，但并不能因此而理解為對(duì)本發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)，這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。因此，本發(fā)明專利的保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3