本發(fā)明涉及傳感器應(yīng)用領(lǐng)域，具體地說(shuō)是涉及一種基于慣性傳感器與柔性傳感器，用來(lái)識(shí)別人體動(dòng)作的系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：
人體動(dòng)作識(shí)別技術(shù)主要基于兩類(lèi)方法：基于視頻圖像的識(shí)別系統(tǒng)與基于穿戴式傳感器的系統(tǒng)。所述基于視頻圖像的識(shí)別系統(tǒng)是通過(guò)一個(gè)或幾個(gè)視頻攝像頭捕捉人體動(dòng)作畫(huà)面，經(jīng)過(guò)特別設(shè)計(jì)的圖像處理算法，確定人體動(dòng)作及人體動(dòng)作狀態(tài)。但是，基于視頻的識(shí)別系統(tǒng)通常因?yàn)閿z像機(jī)安裝在固定的地點(diǎn)，只能在安裝了特定攝像機(jī)的地點(diǎn)進(jìn)行視頻捕捉和識(shí)別。而人體是一個(gè)活動(dòng)的對(duì)象，當(dāng)被檢測(cè)者離開(kāi)視頻攝像頭可檢測(cè)的范圍時(shí)，該系統(tǒng)就無(wú)法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與動(dòng)作識(shí)別。另外，光線、倒影也會(huì)造成數(shù)據(jù)誤差，并且還可能會(huì)對(duì)被檢測(cè)者造成個(gè)人隱私的泄漏?；诖┐魇絺鞲衅鞯淖R(shí)別系統(tǒng)是指嵌入了微型傳感器的可穿戴的設(shè)備，包括衣服、帽子、鞋、腰帶、護(hù)膝等，系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)檢測(cè)人體的動(dòng)作情況，并且與現(xiàn)有的無(wú)線通訊技術(shù)相結(jié)合，識(shí)別系統(tǒng)不會(huì)受到檢測(cè)地點(diǎn)的限制，從而能夠達(dá)到很好的效果。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是采用穿戴式傳感器，提供一種基于慣性傳感器與柔性傳感器信號(hào)采集裝置，通過(guò)無(wú)線發(fā)送信號(hào)，在分析機(jī)計(jì)算機(jī)接收端自動(dòng)識(shí)別人體動(dòng)作。不同類(lèi)型多傳感器采集人體動(dòng)作信號(hào)保證了信號(hào)的可靠，由于使用穿戴式傳感器，使得人體動(dòng)作識(shí)別系統(tǒng)不受檢測(cè)地點(diǎn)的限制。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下的技術(shù)方案：本發(fā)明提供的組合傳感器識(shí)別人體動(dòng)作的系統(tǒng)，其包含有：用于使系統(tǒng)正常工作的電源模塊；用于采集人體動(dòng)作信號(hào)的數(shù)據(jù)采集模塊，由水平放置于人體腰前部位的慣性傳感器與置于肘關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)部位的柔性傳感器組成；用于數(shù)據(jù)信號(hào)處理的信號(hào)調(diào)理模塊，其通過(guò)導(dǎo)線分別與所述慣性傳感器、柔性傳感器相連；用于控制與協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)的微控制器模塊；用于傳送數(shù)據(jù)給動(dòng)作分析機(jī)的無(wú)線通訊模塊以及用于動(dòng)作對(duì)比的動(dòng)作分析機(jī)；所述動(dòng)作分析機(jī)為內(nèi)置動(dòng)作模式識(shí)別模型的計(jì)算機(jī)。所述慣性傳感裝置可以采用三軸重力加速度計(jì)、三軸陀螺儀中的一種或多種。所述三軸重力加速度計(jì)的量程可以為±1.5g～6g，三軸陀螺儀量程可以取±250°～500°，采樣頻率可以設(shè)定為50Hz～100Hz。所述柔性傳感器可以為雙向傳感器，初始阻值為10K，應(yīng)變片發(fā)生彎曲形變時(shí)阻值發(fā)生變化，變化范圍為1～20K。采用在護(hù)肘與護(hù)膝或者服裝內(nèi)置入所述柔性傳感器。所述柔性傳感器可以在每一肘關(guān)節(jié)或膝關(guān)節(jié)處使用2～4應(yīng)變片組成電橋電路，其長(zhǎng)度11～12cm，寬度0.9～1cm，厚度0.09～0.1cm。所述電橋電路的四個(gè)橋臂可以由電阻R1、電阻R2、電阻R3、電阻R4組成，其中任2～4個(gè)電阻是柔性傳感器，測(cè)量電橋取4個(gè)橋臂的初始電阻相等，即R1=R2=R3=R4=10K，AC兩端接電源為輸入口，BD兩端為電橋輸出，電橋輸出電壓：式中：U0為信號(hào)輸出電壓；UAB與UAD為U0跨接的電橋兩臂電壓；UAC電橋工作電壓；當(dāng)R1R4=R2R3時(shí)，則電橋輸出為零，則稱(chēng)電橋處于平衡狀態(tài)；當(dāng)柔性傳感器的形狀隨著膝蓋的曲度發(fā)生彎曲形變時(shí)，阻值發(fā)生變化，設(shè)處于平衡狀態(tài)的電橋各橋臂由電阻增量為ΔR1、ΔR2、ΔR3、ΔR4，則電橋的輸出電壓為：此時(shí)，電橋處于非平衡狀態(tài)，輸出的模擬信號(hào)幅值及頻率反映出的即是肘關(guān)節(jié)或膝關(guān)節(jié)處的運(yùn)動(dòng)特征。本發(fā)明提供的組合傳感器識(shí)別人體動(dòng)作的方法，是利用上述組合傳感器識(shí)別人體動(dòng)作的系統(tǒng)來(lái)識(shí)別人體日常六種動(dòng)作，這些動(dòng)作包括行走、跑步、跳躍、跌倒、站立和坐下。本發(fā)明方法中，可以將慣性傳感器置于人體腰部正前方，以獲取人體動(dòng)作過(guò)程中的慣性數(shù)據(jù)，得到人體動(dòng)作狀況參數(shù)；在人體肘關(guān)節(jié)的內(nèi)外兩側(cè)和人體膝關(guān)節(jié)的內(nèi)外兩側(cè)均成對(duì)地放置柔性傳感器，由各關(guān)節(jié)兩側(cè)的柔性傳感器組成4個(gè)檢測(cè)信號(hào)電橋；當(dāng)人體運(yùn)動(dòng)時(shí)，肘關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的彎曲，使相應(yīng)電橋產(chǎn)生電信號(hào)，反應(yīng)了對(duì)應(yīng)關(guān)節(jié)的彎曲程度；人體動(dòng)作數(shù)據(jù)由信號(hào)調(diào)理模塊進(jìn)行處理，成為微控制器模塊內(nèi)含的A/D可接收信號(hào)，微控制器模塊將調(diào)理后的數(shù)據(jù)信號(hào)濾波、標(biāo)度變換處理后傳輸?shù)綗o(wú)線通訊模塊，無(wú)線通訊模塊接收數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)送往動(dòng)作分析機(jī)，動(dòng)作分析機(jī)將接收到的檢測(cè)數(shù)據(jù)與分析機(jī)內(nèi)存儲(chǔ)的動(dòng)作模式數(shù)據(jù)進(jìn)行人體動(dòng)作模式對(duì)比，以此確定出人體動(dòng)作類(lèi)型。本發(fā)明提供的上述方法可以用于肢體康復(fù)中的患者以及老年人日常生活的監(jiān)護(hù)。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下主要的優(yōu)點(diǎn)：1.不同類(lèi)型傳感器采集人體動(dòng)作信號(hào)保證了信號(hào)的可靠，由于采用穿戴式傳感器對(duì)人體動(dòng)作信息進(jìn)行采集與識(shí)別，且通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)傳送方式，避免了基于視頻采集信息受到場(chǎng)地和地點(diǎn)的限制。使被測(cè)人體可以在無(wú)線信號(hào)覆蓋范圍內(nèi)自由活動(dòng)。2.將慣性傳感器置于腰間，獲取人體軀干的動(dòng)作信息，具有簡(jiǎn)潔、方便的特點(diǎn)。3.引入柔性傳感器獲取人體動(dòng)作過(guò)程中肘關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)彎曲程度信息，與慣性傳感器信號(hào)結(jié)合，提升人體動(dòng)作的判定。4.柔性傳感器的引入有助于人體動(dòng)作信息采集的同時(shí)，不會(huì)給人體的運(yùn)動(dòng)帶來(lái)不便與不適感，同時(shí)易嵌入到服裝中。附圖說(shuō)明圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明的人體傳感器佩戴示意圖。圖3為本發(fā)明中柔性傳感器在人體不同動(dòng)作時(shí)的形態(tài)變化。圖4為本發(fā)明中柔性傳感器電橋電路原理圖。具體實(shí)施方式為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。實(shí)施例1：組合傳感器識(shí)別人體動(dòng)作的系統(tǒng)該系統(tǒng)是一種基于慣性傳感器與柔性傳感器組合識(shí)別人體動(dòng)作的系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，包含有：用于采集人體動(dòng)作信號(hào)的數(shù)據(jù)采集模塊；用于供電使模塊正常工作的電源模塊；用于數(shù)據(jù)信號(hào)處理的信號(hào)調(diào)理模塊；用于控制與協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)的微控制器模塊；用于傳送數(shù)據(jù)給動(dòng)作分析機(jī)的無(wú)線通訊發(fā)送模塊和無(wú)線通訊接收模塊，以及用于動(dòng)作對(duì)比的動(dòng)作分析機(jī)。所述數(shù)據(jù)采集模塊（圖1），由水平放置于人體腰前部位的慣性傳感器3（圖2）與置于肘關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)部位的柔性傳感器1、柔性傳感器2、柔性傳感器4和柔性傳感器5組成（圖2），它們通過(guò)導(dǎo)線分別與信號(hào)調(diào)理模塊（圖1）相連。柔性傳感器和慣性傳感器用以獲取人體動(dòng)作時(shí)的肘關(guān)節(jié)與膝關(guān)節(jié)的彎曲數(shù)據(jù)和三軸慣性數(shù)據(jù)。所述慣性傳感器包括三軸重力加速度計(jì)、三軸陀螺儀中的一種或多種，可以由市場(chǎng)上購(gòu)買(mǎi)。三軸重力加速計(jì)的量程取±1.5g～6g，供電電壓2.2V～3.6V。三軸陀螺儀特征為：量程取±250°～500°，±2000°/s，供電電壓2.5V～3.6V，適當(dāng)?shù)剡x取慣性傳感器的量程可準(zhǔn)確追蹤快速與慢速的動(dòng)作，采樣頻率為50Hz～100Hz。動(dòng)作時(shí)人體加速度與傾角發(fā)生變化，慣性傳感器輸出與加速度、角速度成正比的電壓信號(hào)，放置于肘關(guān)節(jié)與膝關(guān)節(jié)處內(nèi)外兩側(cè)的柔性傳感器，則會(huì)根據(jù)人體不同動(dòng)作時(shí)，肘關(guān)節(jié)與膝關(guān)節(jié)彎曲程度輸出對(duì)應(yīng)的電壓模擬信號(hào)，數(shù)據(jù)采集模塊輸出數(shù)據(jù)經(jīng)信號(hào)調(diào)理模塊進(jìn)行調(diào)理。所述柔性傳感器放置于肘關(guān)節(jié)與膝關(guān)節(jié)的護(hù)肘與護(hù)膝內(nèi)外兩側(cè)，或者置于柔性服裝的肘關(guān)節(jié)與膝關(guān)節(jié)部位，不會(huì)對(duì)人體運(yùn)動(dòng)帶來(lái)不便與不適，采用電橋電路可精準(zhǔn)地捕捉肘關(guān)節(jié)與膝關(guān)節(jié)的彎曲程度。圖1所述電源模塊，通過(guò)導(dǎo)線分別與數(shù)據(jù)采集模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、微控制器模塊及無(wú)線通訊發(fā)送模塊相連，提供這些模塊以及柔性傳感器、慣性傳感模塊正常工作的3V電源。所述信號(hào)調(diào)理模塊（圖1）為帶有高共模抑制比運(yùn)算放大器的數(shù)據(jù)信號(hào)處理模塊，該模塊將柔性傳感器電橋（圖4）輸出電壓0～0.2V和慣性傳感器3（圖2）輸出電壓0～1.2V的動(dòng)作信號(hào)進(jìn)行濾波、放大，將信號(hào)變?yōu)?～3V電壓信號(hào)，然后傳輸?shù)轿⑻幚砥髂K（圖1）中的A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。圖1所述微控制器模塊通過(guò)導(dǎo)線與信號(hào)調(diào)理模塊相連，微控制器模塊內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換器。該微控制器模塊將采集的人體動(dòng)作信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，應(yīng)用程序?qū)?shù)字信號(hào)進(jìn)行濾波、數(shù)據(jù)整理、標(biāo)度轉(zhuǎn)換等處理，然后將數(shù)據(jù)送往無(wú)線通訊發(fā)送模塊和無(wú)線通訊接收模塊，在整個(gè)本發(fā)明系統(tǒng)中起到A/D轉(zhuǎn)換、運(yùn)算、控制與協(xié)調(diào)作用。所述無(wú)線通訊模塊包括無(wú)線通訊發(fā)送模塊和無(wú)線通訊接收模塊，采用RadioFrequency（RF）芯片。它們將采集到的人體動(dòng)作信號(hào)發(fā)送到動(dòng)作分析機(jī)，傳輸距離在10米～1000米，無(wú)線傳輸速率10kbps、250kbps，供電電壓2.1～3.6VDC。該無(wú)線通訊模塊工作在433MHz、2.4GHz等通用ISM頻段，與動(dòng)作分析系統(tǒng)之間通過(guò)無(wú)線射頻方式進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸。所述動(dòng)作分析機(jī)(圖1)為內(nèi)置動(dòng)作模式識(shí)別模型的計(jì)算機(jī)，將接收到的實(shí)時(shí)人體動(dòng)作數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫(kù)中所存儲(chǔ)的動(dòng)作數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，判斷得出相似度較高的實(shí)時(shí)動(dòng)作類(lèi)型，其平均識(shí)別率達(dá)到90%以上。本發(fā)明提供的上述組合傳感器識(shí)別人體動(dòng)作系統(tǒng)(圖1)，其工作過(guò)程是：數(shù)據(jù)采集模塊中的柔性傳感器和慣性傳感器采集人體動(dòng)作信號(hào)，將采集的模擬信號(hào)送往信號(hào)調(diào)理模塊，信號(hào)調(diào)理后送到微控制器模塊中，再通過(guò)無(wú)線通訊發(fā)送模塊、無(wú)線通訊接收模塊送到動(dòng)作分析機(jī)中，與該動(dòng)作分析機(jī)存儲(chǔ)的動(dòng)作模式數(shù)據(jù)進(jìn)行人體動(dòng)作模式對(duì)比，確定動(dòng)作類(lèi)型。信號(hào)調(diào)理模塊對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行濾波及信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)化處理，將兩種傳感器采集到的模擬量數(shù)值轉(zhuǎn)換為微控制器模塊的A/D轉(zhuǎn)換可接受的范圍。微控制器模塊負(fù)責(zé)把調(diào)理后的數(shù)據(jù)信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換，數(shù)字濾波，標(biāo)度變換等處理之后傳輸?shù)綗o(wú)線通訊發(fā)送模塊。無(wú)線通訊接收模塊接收到這些信號(hào)后，再將動(dòng)作數(shù)據(jù)送往動(dòng)作分析機(jī)中與所存儲(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行類(lèi)比，從而佩帶者只要做出相似模式的動(dòng)作，其動(dòng)作方式即可被識(shí)別。實(shí)施例2：柔性傳感器的制作該柔性傳感器的制作分為以下四個(gè)步驟：步驟1：組成成分包括銅箔薄片1/4"x4.5"，醋酸纖維素條1/4"x4.5"x0.01"（厚度），熱縮管3/8"（直徑）x5"，電阻材料5/16"×5"。銅箔薄片：采用工業(yè)上銅箔薄片用來(lái)制作柔性電路。有一層薄銅包裹在醋酸纖維素條這類(lèi)塑料上。使用單面的銅，銅箔包裹的材料一面是銅，另一面是塑料，用剪刀把材料剪切成長(zhǎng)4.5"寬1/4"長(zhǎng)條狀。在每一條底部焊接上6"的金屬絲。電阻材料：可選用布料，塑料和紙。這里使用的是導(dǎo)電型黑色塑料聚乙烯帶。這種含有碳元素的聚乙烯做成的單層袋在濕度變化下不會(huì)改變其導(dǎo)電性。之后把這些袋子剪切為長(zhǎng)5"，寬3/8"的長(zhǎng)條。步驟2：制作雙向柔性傳感器（材料分層組裝）電阻材料夾在兩片銅箔薄片中，銅箔一側(cè)面向電阻材料。步驟3：組裝將之前所做的多層材料插入到熱縮管中，使材料與熱縮管完全重合。步驟4：傳感器的封裝在熱縮管的每端都涂上少量的硅膠，大約24小時(shí)封口即可風(fēng)干。經(jīng)過(guò)上述步驟，實(shí)現(xiàn)柔性傳感器的制作。圖3所示，為本發(fā)明中柔性傳感器在人體不同動(dòng)作時(shí)的形態(tài)，在每一肘關(guān)節(jié)或膝關(guān)節(jié)處使用2～4應(yīng)變片組成電橋電路，其長(zhǎng)度11～12cm，寬度0.9～1cm，厚度0.09～0.1cm。柔性傳感器為雙向傳感器，初始阻值為10K，應(yīng)變片發(fā)生彎曲形變時(shí)阻值發(fā)生變化，變化范圍為1～20K，對(duì)應(yīng)電橋產(chǎn)生―0.2～0～+0.2VDC信號(hào)（通常為0～+0.2VDC），反應(yīng)相應(yīng)關(guān)節(jié)彎曲程度。為了使電橋電路更精準(zhǔn)的捕捉肘關(guān)節(jié)與膝關(guān)節(jié)的彎曲程度，采用護(hù)肘與護(hù)膝或者服裝內(nèi)置入柔性傳感器。如圖4所示，為柔性傳感器電橋電路原理圖，它的四個(gè)橋臂由R1、R2、R3、R4的四個(gè)電阻組成（其中任2～4個(gè)電阻可以是柔性傳感器），測(cè)量電橋取4個(gè)橋臂的初始電阻相等，即R1=R2=R3=R4=10K，AC兩端接電源為輸入口，BD兩端為電橋輸出。電橋輸出電壓：由上式可知，當(dāng)R1R4=R2R3時(shí)，則電橋輸出為零，則稱(chēng)電橋處于平衡狀態(tài)。當(dāng)柔性傳感器的形狀隨著膝蓋的曲度發(fā)生彎曲形變時(shí)，阻值發(fā)生變化，設(shè)處于平衡狀態(tài)的電橋各橋臂由電阻增量為ΔR1、ΔR2、ΔR3、ΔR4，則電橋的輸出電壓為：此時(shí)，電橋處于非平衡狀態(tài)，輸出的模擬信號(hào)幅值及頻率反映出的即是膝蓋處的運(yùn)動(dòng)特征。實(shí)施例3：組合傳感器識(shí)別人體動(dòng)作的方法利用上述組合傳感器識(shí)別人體動(dòng)作的系統(tǒng)來(lái)識(shí)別人體日常六種動(dòng)作，這些動(dòng)作包括行走，跑步，跳躍，跌倒，站立和坐下。適合于肢體康復(fù)中的患者以及老年人日常生活的監(jiān)護(hù)。該方法是：將慣性傳感器3與柔性傳感器1、柔性傳感器2、柔性傳感器4和柔性傳感器5放置于人體不同部位（圖2）。即將慣性傳感器3置于人體腰部正前方（圖2），以獲取人體動(dòng)作過(guò)程中的慣性數(shù)據(jù)，得到人體動(dòng)作狀況參數(shù)；將柔性傳感器1-1、1-2和柔性傳感器2-1、2-2成對(duì)地放置人體肘關(guān)節(jié)的內(nèi)外兩側(cè)（圖3），同樣將柔性傳感器4-1、4-2和柔性傳感器5-1、5-2也成對(duì)地放置人體膝關(guān)節(jié)的內(nèi)外兩側(cè)（圖3）。由各關(guān)節(jié)兩側(cè)的柔性傳感器，組成圖4所示的檢測(cè)信號(hào)電橋，共計(jì)4個(gè)電橋。當(dāng)人體運(yùn)動(dòng)時(shí)，肘關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的彎曲，使相應(yīng)電橋產(chǎn)生電信號(hào)，反應(yīng)了對(duì)應(yīng)關(guān)節(jié)的彎曲程度。人體動(dòng)作數(shù)據(jù)由信號(hào)調(diào)理模塊（圖1）進(jìn)行處理，成為微控制器模塊（圖1）內(nèi)含的A/D可接收信號(hào)。微控制器模塊（圖1）將調(diào)理后的數(shù)據(jù)信號(hào)濾波、標(biāo)度變換處理后傳輸?shù)綗o(wú)線通訊發(fā)送模塊（圖1）。無(wú)線通訊接收模塊（圖1）接收數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)送往動(dòng)作分析機(jī)（圖1），動(dòng)作分析機(jī)（圖1）將接收到的檢測(cè)數(shù)據(jù)與分析機(jī)內(nèi)存儲(chǔ)的動(dòng)作模式數(shù)據(jù)進(jìn)行人體動(dòng)作模式對(duì)比，從此確定出人體動(dòng)作類(lèi)型。