本發(fā)明涉及傳感技術、運動生物力學、醫(yī)療衛(wèi)生等領域，特別涉及一種基于慣性傳感單元的人體動作重構(gòu)與分析系統(tǒng)及方法。

背景技術：
人體動作捕捉與重構(gòu)技術是3D人物動畫、醫(yī)療、生物運動力學研究中的重要研究方向，成為改善人們?nèi)粘Ｉ畹牟豢苫蛉钡囊婚T技術，利用計算機技術捕捉重構(gòu)人體動作在計算機視覺領域和光學掃描領域中備受關注，人們利用視頻手段跟蹤、捕捉人體的動作，或利用光學標記定位方法掃描人體，獲得人體運動參數(shù)并從運動中重建人體的結(jié)構(gòu)和姿勢，最終目的是對人體運動行為進行理解分析并加以應用。人體動作捕捉與重構(gòu)技術主要應用在3D虛擬實現(xiàn)、生物運動分析、醫(yī)療評估與康復方案制定等領域，對人的日常生活和人機交互智能化產(chǎn)生深遠影響。但是基于視覺或者基于光學的人體動作捕捉與重構(gòu)技術有很大的局限性，其必須在可見光的情況下才能對人體運動進行捕捉和重構(gòu)，或者是價格高昂、方案實現(xiàn)復雜。根據(jù)國家專利局檢索中心專利查詢，有人針對人體頭部運動設計了頭部姿態(tài)感應裝置和方法，其主要應用在頭頸部康復和運動訓練，申請?zhí)柺牵篊N201110327998.2，公開號是：CN103076045A。該專利利用慣性傳感器對頭部的各種運動狀態(tài)進行判斷并獲取頭部運動參數(shù)。該專利研究重點在于單一頭部運動姿態(tài)數(shù)據(jù)分析，而沒有涉及人體動作三維虛擬重構(gòu)與人體運動分析。因此，基于慣性傳感器技術和無線通訊技術實現(xiàn)實時人體動作捕捉從而重構(gòu)3D虛擬人體模型，有著重要的研究意義和實際應用意義。

技術實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是提供一種基于慣性傳感單元的人體動作重構(gòu)與分析系統(tǒng)，采用無線方式實現(xiàn)各部分通信，能夠在不影響人體正常運動的前提下對快速人體動作進行虛擬重現(xiàn)并進行分析，使之能方便、廣泛地應用在人們的日常生活中，甚至取代傳統(tǒng)的計算機輸入設備。為了達到上述目的，本發(fā)明所采用的技術方案為：一種基于慣性傳感單元的人體動作重構(gòu)與分析系統(tǒng)，包括姿態(tài)信息獲取系統(tǒng)、WIFI無線路由器和中心計算機；所述姿態(tài)信息獲取系統(tǒng)用于實時獲取人體姿態(tài)信息，包括人體動作加速度數(shù)據(jù)、角速度數(shù)據(jù)、地磁數(shù)據(jù)、姿態(tài)角、四元數(shù)以及歐拉角。姿態(tài)信息獲取系統(tǒng)由多個慣性傳感單元組成，每個慣性傳感單元分別安裝在人體的一個部位，慣性傳感單元將采集到的姿態(tài)信息數(shù)據(jù)通過WIFI無線路由器實時發(fā)送到中心計算機，中心計算機中的應用軟件通過融合慣性傳感單元信息對人體動作進行重構(gòu)，并提取運動參數(shù)加以分析，為用戶提供實時分析結(jié)果。所述慣性傳感單元包括電池、電源管理模塊、九軸慣性傳感器和嵌入式WIFI微控制器；所述電池為慣性傳感單元供電，電源管理模塊提供充電及斷電功能；所述九軸慣性傳感器包括三軸加速度傳感器、三軸陀螺儀傳感器和三軸地磁傳感器，分別用于采集加速度信號、角速度信號和地磁信號，九軸慣性傳感器與嵌入式WIFI微控制器之間采用串行通信方式連接；嵌入式WIFI微控制器自帶WIFI無線通信模塊；嵌入式WIFI微控制器采集加速度、角速度及地磁信號并將三者數(shù)據(jù)進行融合得到姿態(tài)角、四元數(shù)及歐拉角等姿態(tài)信息數(shù)據(jù)，同時將這些姿態(tài)信息數(shù)據(jù)通過WIFI無線通信模塊經(jīng)由WIFI無線路由器發(fā)送到中心計算機；嵌入式WIFI微控制器與中心計算機之間采用TCP通信協(xié)議連接，用于接收指令和上傳實時數(shù)據(jù)；嵌入式WIFI微控制器接收計算機應用軟件發(fā)出的指令并完成同步、啟動采集、停止采集、校準、休眠、斷電等規(guī)定動作。所述WIFI無線路由器是中心計算機與姿態(tài)信息獲取系統(tǒng)之間的中繼站，姿態(tài)信息獲取系統(tǒng)的慣性傳感單元經(jīng)由WIFI無線路由器與中心計算機保持無線WIFI連接。WIFI無線路由器具有多信道自適應功能，為中心計算機與姿態(tài)信息獲取系統(tǒng)之間提供可靠的數(shù)據(jù)交互鏈路；所述中心計算機經(jīng)由WIFI無線路由器與慣性傳感單元之間構(gòu)成星型結(jié)構(gòu)；中心計算機控制并配置慣性傳感單元工作，同時接收、存儲和處理慣性傳感單元上傳的姿態(tài)信息數(shù)據(jù)并實時將各慣性傳感單元數(shù)據(jù)進行融合以完成人體動作的重構(gòu)；在人體動作重構(gòu)的基礎上進一步提取運動參數(shù)并分析處理。所述慣性傳感單元被封裝在盒子內(nèi)，與外接綁帶一起構(gòu)成可穿戴設備。為了完成人體動作的重構(gòu)，根據(jù)人體生物力學特征和關節(jié)及節(jié)段運動約束關系，將17個慣性傳感單元分別佩戴在人體的17個部位，17個部位分別是：頭部、左肩、右肩、左上臂、右上臂、左下臂、右下臂、左手、右手、胸口、腰、左上腿、右上腿、左下腿、右下腿、左腳和右腳。所述姿態(tài)信息獲取系統(tǒng)中的慣性傳感單元可以根據(jù)需要增加或減少，以滿足不同的應用場合。所述的一種基于慣性傳感單元的人體動作重構(gòu)與分析系統(tǒng)，其特征在于：姿態(tài)信息獲取系統(tǒng)中的多個慣性傳感單元并發(fā)向WIFI無線路由器發(fā)送數(shù)據(jù)，并由WIFI無線路由器傳遞給中心計算機處理，同時WIFI無線路由器將中心計算機發(fā)出數(shù)據(jù)傳遞給多個慣性傳感單元，從而完成數(shù)據(jù)的交互。所述中心計算機建立人體虛擬三維模型并根據(jù)接收到的姿態(tài)信息數(shù)據(jù)驅(qū)動對應人體部位，將人體各個部位在三維空間內(nèi)的姿態(tài)實時顯示出來，從而完成人體動作的重構(gòu)。首先將姿態(tài)信息獲取系統(tǒng)的慣性傳感單元全部上電，進行功能初始化，中心計算機利用WIFI無線路由器將控制信號傳送至人體部位上佩戴的姿態(tài)信息獲取系統(tǒng)的慣性傳感單元，啟動姿態(tài)信息獲取系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集工作，人體進行各種動作。所述中心計算機根據(jù)姿態(tài)信息獲取系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)得到位置、速度、角度、角速度、加速度、角加速度等運動參數(shù)，并繪制重力加速度-時間曲線、角速度-時間曲線以及人體各個環(huán)節(jié)位移速度-時間曲線、關節(jié)角度-時間曲線、位移加速度-時間曲線、關節(jié)角加速度-時間曲線等。一種基于慣性傳感單元的人體動作重構(gòu)與分析方法，其特征在于實現(xiàn)流程為：(a)姿態(tài)信息獲取系統(tǒng)的所有慣性傳感單元上電，完成系統(tǒng)初始化等工作；(b)通過中心計算機發(fā)送出同步時鐘指令，使姿態(tài)信息獲取系統(tǒng)的各個慣性傳感單元具有統(tǒng)一的系統(tǒng)時間；(c)判斷是否接收到開始指令，若是則進入(d)，否則繼續(xù)等待；(d)各個慣性傳感單元開始采集加速度、角速度和地磁傳感器的數(shù)據(jù)信息并暫時存儲；(e)各個慣性傳感單元將采集到的數(shù)據(jù)進行融合計算得到當前肢體部位的姿態(tài)信息數(shù)據(jù)并暫時存儲；(f)慣性傳感單元判斷是否采集到設定的包姿態(tài)信息數(shù)據(jù)，若是則進入步驟(g)；否則轉(zhuǎn)到步驟(d)；(g)慣性傳感單元將設定時間內(nèi)采集得到的傳感器數(shù)據(jù)和計算得到姿態(tài)信息數(shù)據(jù)通過WIFI無線通信方式發(fā)送給中心計算機；(h)判斷數(shù)據(jù)是否發(fā)送成功，若是則進入步驟(i)，否則轉(zhuǎn)到步驟(g)；(i)判斷是否接收到停止指令，若是則進入步驟(j)，否則轉(zhuǎn)到步驟(d)；(j)數(shù)據(jù)采集過程結(jié)束。本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術的有益效果是：(1)本發(fā)明利用中心計算機的協(xié)調(diào)和同步作用以及分布在人體上的各個慣性傳感單元利用三軸加速度傳感器、三軸陀螺儀傳感器、三軸地磁傳感器采集人體各個環(huán)節(jié)的運動加速度、角速度和地磁信號，再通過融合計算，得到人體各個環(huán)節(jié)在空間內(nèi)的姿態(tài)信息，并通過無線通信方式傳送給路由器，路由器統(tǒng)一傳遞給計算機，由計算機建立虛擬人體模型并實時顯示與分析。(2)本發(fā)明中的姿態(tài)信息獲取系統(tǒng)與路由器之間以無線網(wǎng)絡通信方式進行數(shù)據(jù)傳輸，避免了有線電氣連接造成的導線過多帶來的不便與不適。(3)本發(fā)明即使在無光的情況下，也可以獲取人體運動信息并快速建立虛擬模型，相比傳統(tǒng)利用光學打點標記和視頻圖像捕捉方式，本發(fā)明受周圍環(huán)境影響較小，適應性較強。(4)本發(fā)明將姿態(tài)信息獲取系統(tǒng)以可穿戴設備形式固定到人體上，避免了穿戴緊身衣服，最大限度減小了人體的不舒適感，同時避免因不舒適感造成的人體動作變形僵硬。(5)本發(fā)明中各慣性傳感單元都具有一個獨立的微控制模塊，能夠?qū)T性傳感器信號進行高速采集，并及時進行融合計算，高效獲得姿態(tài)信息，利用無線網(wǎng)絡迅速傳遞數(shù)據(jù)，準確并及時將人體運動姿態(tài)信息傳遞給中心計算機，最大限度的減少了中心計算機運算負荷。(6)本發(fā)明可以根據(jù)需要對人體進行專項的動作重構(gòu)與分析，調(diào)整姿態(tài)信息獲取系統(tǒng)的慣性傳感單元佩戴個數(shù)與佩戴位置，可以對手臂、腿、頭部等部位進行專項動作重構(gòu)與分析，用戶使用自由度高，使用范圍較廣。附圖說明圖1為本發(fā)明系統(tǒng)中心計算機、WIFI無線路由器、姿態(tài)信息獲取系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡示意圖和姿態(tài)信息獲取系統(tǒng)安裝佩戴示意圖；圖2為本發(fā)明姿態(tài)信息獲取系統(tǒng)中慣性傳感單元結(jié)構(gòu)框圖；圖3為本發(fā)明方法的工作流程圖。具體實施方式如圖1所示，一種基于慣性傳感單元的人體動作重構(gòu)與分析系統(tǒng)包括基于慣性傳感單元101的姿...