CN101504424B - 微型多功能人体姿态智能检测仪及检测方法 - Google Patents

Abstract

一种微型多功能人体姿态智能检测仪及检测方法，属于人体姿态检测领域。该检测仪，包括：姿态传感检测单元、A/D转换单元、信息处理单元、存储单元、输入单元、输出单元、供电单元，其特征在于：所述输入单元包含工作模式选择子单元。利用了加速度计作为姿态传感器，为需要受检者提供部分运动状态下的运动参数，运动状态主要包括跑步、急速行走、跳跃等，提供参数包括跑步或行走频率、运动速度、跳跃高度和距离、初始起跳角度和速度。可以为那些需要进行姿态校正的人士提供最大范围的姿态信息，其中包括受检者处于相对静止、步行或乘车等多种情况下的姿态检测，实现提醒式的主动矫姿，培养良好习惯。

Description

微型多功能人体姿态智能检测仪及检测方法

技术领域

本发明涉及一种人体运动状态及姿态参数的检测仪及检测方法，属于人体姿态检测领域。通过加速度计组成姿态检测传感单元实现运动及人体姿态的实时采集，利用内置于微处理器中的数据处理算法分析处理数据，并判断被检测者当前的运动状态和身体姿态，给出分析结果。 

背景技术

人体运动姿态检测为运动科学以及康复医学提供定量的人体运动分析信息。现代人体运动检测方式一般有四种：1、固定视场中的多视角合成装置，一般通过特定空间中分布的摄像机镜头从不同角度摄取人体运动图像，再按空间关系重构运动过程；2、利用超声波、红外光波及无线电磁波在固定发射位置的三点定位方法，确定人体的运动绝对坐标；3、利用机械相对位移或检测元件特性的物理变化，检测人体运动中各个运动部位间的相对运动关系。如应变片式分布角度传感系统、光纤数据衣、数据手套等。上述几种方法对于人体的运动信息检测技术起到了非常积极的作用，但是由于计算复杂，设备昂贵以及结构复杂，通常仅限于特殊用途的使用，例如利用多视角CCD摄像机的运动分析，在运动员运动行为分析中起到了积极的作用；而数据手套等设备，由于高昂的价格，一般用于虚拟现实技术等领域。对于普通用途的需求，目前缺乏相关技术产品和技术。鉴于此，采用普通加速度传感器和惯性导航系统结台，可以构成一个六自由度空间位置测量系统，可以满足普通需要的运动姿态及相关信息的检测。 

在国内专利号为94226378.2专利中，发明人公开了一种利用水平开关、音乐模块等器件，实现了对使用人不良座姿提醒的电子矫姿装置。但是，该发明仅对前后方向的不良座姿检测有效，无法实现站立、行走左右方向侧倾的检测，有一定的局限性。另一项美国07/503,265的专利中，发明人公开了一种能够自动调节 背部肌肉拉力的设备，以纠正使用者背部的不良姿态，通过力学方法的被动矫姿技术，国内也有类似专申请(申请号：200420118736)。其他还有如利用视频和机械结合的方法，帮助使用者进行姿态矫正的专利。另一方面，现代医学矫形原理融合加速度传感器与惯性导航系统结合装置能够重现人体运动姿态，完成人体非正常运动姿态的分析并对于该类行为介入式干预，以确保良好的个人行为习惯。然而，该类医疗仪器系统组成复杂，设备大型化，存在于医院或学术机构。因此，作为一种治疗手段而不能作为个人日常行为长期培养手段。 

发明内容

本发明目的在于提供一个由于实时检测受检者运动状态及相关参数和在不同运动状态下的姿态的微型测量仪器及其测量方式。利用姿态传感器的检测信号，实现受检者运动状态的自动辨识(运动或者静止)以及在较低强度运动下的步速和频率检测。 

一种微型多功能人体姿态智能检测仪，包括：用于测量运动及姿态信息的姿态传感检测单元；与姿态传感检测单元相连的A/D转换单元；与A/D转换单元相连的用于实现运动模式的判别、运动参数的计算、身体姿态参数的计算提取的信息处理单元；用于输入指令、测量数据及计算数据存储的存储单元；实现指令输入的输入单元；实现数据输出的输出单元；为系统提供能量的供电单元；所述姿态传感检测单元所采用的传感器为水平加速度计和垂直加速度计；其特征在于：所述输入单元包含工作模式选择子单元。 

一种微型多功能人体姿态智能检测方法，其特征在于：利用水平加速度传感器和垂直加速度传感器作为姿态传感器，检测人体运动并实现站、立、行多种运动情况下的姿态检测；具体工作模式及实现方式如下： 

模式0判断受检者是在运动还是静止状态： 

利用水平加速度传感器获得的水平速度大小和垂直加速度传感器获得的起伏频率快慢作为依据判断当前状态为静止或慢走或慢跑或快走或跑步； 

(1)、检测步速 

将水平加速度传感器获得的水平加速度信息通过以下处理获得速度信息，具 体如下公式：v＝v₀+∫_tadt 

其中：v₀是每一测量时刻的初始速度，a是测量出的水平加速度值，因为这种测量是连续进行的，v₀就是前一时刻的速度值，为已知量，t可以根据需要设定，取一个或多个起伏时间； 

(2)、检测频率 

采用垂直加速度过零点法测量频率，即垂直加速度符号每变号一次认为行走了一步，当时间累计达到给定时，用计数器数值除以时间即为频率； 

模式1用于测量跳跃参数，包括检测跳跃高度和距离、初始起跳角度和瞬间最大起跳速度信息： 

将坐标系分为水平和垂直平面，运动过程中水平矢量积分为跳跃距离，垂直矢量积分为跳跃高度，其中初始时刻合矢量与重垂的夹角即为初始起跳角度，合矢量大小即为最大起跳速度；公式如下： 

$S_{\mathrm{xy}}=1/2\underset{0}{\overset{t_1}{\mathrm{\Σ}}}(a_x+a_y){\mathrm{\Δt}}^2$

$S_{\mathrm{yz}}=1/2\underset{0}{\overset{t_2}{\mathrm{\Σ}}}(a_y+a_z){\mathrm{\Δt}}^2$

θ＝arccos(a_x+a_y+a_z)/g 

$V=\underset{0}{\overset{t_3}{\mathrm{\Σ}}}(a_x+a_y+a_z)\mathrm{\Δt}$

式中：a_x，a_y，a_z表示三轴方向的加速度；t₁ t₂ t₃分别为跳跃时间、跳跃上升至最大高度时间以及计量初始速度时刻；S_xy，S_yz分别为跳跃距离和跳跃高度；θ为初始起跳角度；V为瞬间最大速度。 

本发明还可以包括以下工作模式：模式2当0模式判断当前状态为静止时，可继续进行上身姿态测量： 

检测时保证检测仪随上身同步运动；利用三个相互垂直的加速度轴建立一空间笛卡尔坐标系，在低强度运动或相对静止状态下，通过测量三轴方向的静态加速度变化，确定被检测姿态坐标系与初始姿态的相对关系，并以此判断当前姿态的合理性。姿态可用下面公式确定： 

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_x=\arccos a_x/g\\ {\mathrm{\θ}}_y=\arccos a_y/g\\ {\mathrm{\θ}}_z=\arccos a_z/g\end{array}\right.$

式中：a_x，a_y，a_z表示三轴方向的加速度，g为重力加速度值；θ_x，θ_y，θ_z表示各轴与地垂的角度。 

该模式下的角度可以作为判断人体上身倾斜度的参考，当该角度大于一个阈值并保持不变，可以认为该人士处于非正常弯曲姿态。可以为那些需要进行姿态校正的人士提供姿态信息，实现提醒式的主动矫姿，培养良好习惯。 

所述的微型多功能人体姿态智能检测仪还可以包括一套上位计算机分析系统，通过RS232通讯接口，实现与计算机的通讯，并可利用计算机上的分析系统，结合历史数据，分析受检者的运动训练情况。大大提高本仪器的分析功能和数据处理能力。 

本申请中，上所述的微型多功能人体姿态智能检测仪，其中的运动姿态传感器可以根据需要选用相关的多轴加速度计。利用了加速度计作为姿态传感器，为需要受检者提供部分运动状态下的运动参数，运动状态主要包括跑步、急速行走、跳跃等，提供参数包括跑步或行走频率、运动速度、跳跃高度和距离、初始起跳角度和速度。如上所述的微型多功能人体姿态智能检测仪，其核心单元仅有普通腕式机械表机芯大小，使用起来非常方便，可以将它夹在紧身上衣上，甚至直接贴在皮肤上。与现有技术相比，本发明中采用多轴加速度传感器和微处理器，大幅提高了本发明仪器的智能处理和数据计算分析能力，克服了现有技术无法同时实现运动状态判断、运动参数和姿态检测的缺陷，实现了多功能同步检测；同时改进了现有姿态检测技术中无法实现空间全方位连续测量的不足，实现了人体空间姿态的连续测量，扩大了姿态检测的范围，提高了仪器的使用灵活性。通过改变传感器的精度，可以满足更多不同需求。 

附图说明

图1是本发明的微型多功能人体姿态智能检测仪结构示意图； 

图2是本发明的微型多功能人体姿态智能检测仪原理框图； 

图3是本发明的微型多功能人体姿态智能检测仪实现流程图； 

图4是本发明的微型多功能人体姿态智能检测仪面板图。 

图5是本发明中军姿检测实施例原理示意图。 

图中标号名称：1、传感单元：2、数据处理单元；3、调节单元；4、提示单元；5、电源模块；6、指示单元；7、加速度计；8、微型计算机；9、工作模式选择；10、语音或震动提示。 

具体实施方式

为了达到上述目的，本发明提供了一种微型运动及姿态检测装置(图2)，用于对受检者的运动状态及身体姿态进行测量。该装置包括：1、传感单元：用于测量运动及姿态信息；2、数据处理单元：用于实现运动模式的判别、运动参数的计算、身体姿态参数的计算提取；3、调节单元：用于实现测量及计算数据的存储，指令的输入以及信息的输出等功能，该单元有数据存储器、工作模式选择输入接口、信息输出接口；4、提示单元：在需要时还提供语音、振动等提示功能；5、电源模块：为系统提供能量；6、指示单元：指示系统当前工作状态。 

如上述仪器，图1所述的微型多功能人体姿态智能检测仪，其中包括的7、加速度计：用于检测运动状态及相关参数，上身的姿态检测及参数测量；8、微型计算机：作为仪器的主控中心，用于数据的计算及分析处理、整个检测仪器的逻辑控制、人机交互以及数据程序的存储等；利用其内置的A/D转换器，实现数据的采集与转换；同时利用其内置的存储器(FLASH)保存系统工作程序、初始数据以及分析结果等。9、工作模式选择按钮一组2个：用于选择工作模式0、1、2；其中0模式表示运动方式检测，该模式下可判断受检者是在运动还是静止状态，若是静止状态，则进行姿态测量，否则不做处理；1模式下可测量运动状态下的跑步或步行频率，运动速度等运动基本参数；2模式用于在跳跃式的参数测量，可以检测跳跃高度和距离、初始起跳角度和瞬间最大起跳速度等。10、语音或震动提示：用于指示系统工作状态。 

图4为仪器面板，有指示区11、调节操作区12两组按钮。指示区分别显示当前系统工作状态，包括：电源状态、当前工作模式(0、1、2)。调节操作区包括提示选择、音量控制、录音三组按钮，用于选择提示方式为振动还是语音方式；音量控制按钮调节音量大小；录音按钮可以跟新提示语音。 

图3为该系统工作流程。系统开机等待用户选择工作模式。确定好工作模式，系统即运行该模式下的程序。 

如上所述的微型多功能人体姿态智能检测仪，其中的运动姿态传感器可以根据需要选用相关的多轴加速度计。 

如上所述的微型多功能人体姿态智能检测仪还提供了一套上位计算机分析系统，通过RS232通讯接口，实现与计算机的通讯，并可利用计算机上的分析系统，结合历史数据，分析受检者的运动训练情况。 

如上所述的微型多功能人体姿态智能检测仪，其核心单元仅有普通腕式机械表机芯大小，使用起来非常方便，可以将它夹在紧身上衣上，甚至直接贴在皮肤上。 

实施例1 

运动模式的判断及检测： 

可以通过测量水平加速度和垂直加速度数值，判断当前运动状态。水平加速度可以直接反映出运动速度的快慢，但是单纯依靠该测量值判断运动并不可靠，例如受检者乘车骑车时就无法准确判断。此时可以配合垂直加速度的测量，因为人在运动过程中会伴随有身体的起伏运动，同时起伏频率和幅度也会随运动状态发生变化。因此结合水平和垂直两种加速度的测量值，可以比较准确判断受检者当前的运动状态。 

当两者均在一个接近于零的小范围内变化，判断为基本处于静止状态；当水平移动速度不大(例如：＜1.0m/s)，同时起伏频率不太大(例如：＜1Hz)，判断为慢速行走；同理，当平均移动速度较快(1.0～2.0m/s)，同时起伏频率较大(1～3Hz)时，判断为慢跑或快走；如果速度超过设定值(15m/s)，频率大于20Hz时，本检测仪器将认定为状态无法辨识，因为此时已超出了人的通常运动行为；介于上述值之间的，则可认定为跑步。 

实施例2 

步速和频率的检测： 

对于行走或跑步过程的参数检测，最关键的是速度和频率两个参数。本实施例将具体给出两个参数的检测实现方法。将本检测仪置于身体腰部后侧腰椎出，因为在运动过程中，腰椎处最稳定，最适合作为检测点，测量步速。因为测量采用的是加速度传感器，需要计算方可获得速度信息，具体如下公式： 

v＝v₀+∫_tadt 

其中：v₀是每一测量时刻的初始速度，a是测量出的水平加速度值。因为这种测量是连续进行的，v₀就是前一时刻的速度值，为已知量，t可以根据需要设定，取一个或多个起伏时间。需要指出的是，根据上式计算获得的速度，实际上并非实际运动速度的精确值。误差主要来自于传感器水平轴的水平度，加速度计因漂移而产生的累计误差以及传感器本身的固有误差等。 

频率的测量采用垂直加速度过零点(即符号变号)，当垂直加速度由零变为正值时，计数器加以，认为行走了一步，当时间累计达到给定时，用计数器数值除以时间即为频率。因为行走时，身体会随之产生一个起伏过程，垂直方向输出的加速度也会随之改变符号。 

采用本实施例时，尽可能使本仪器面板前部箭头保持与地面垂直。 

实施例3 

军姿检测： 

本实施例主要涉及军人站姿、座姿以及行姿上身姿态的检测。将本检测仪佩戴于受检者上身，保证其可以随上身同步运动。在本实施例中，将上身看作刚体，其上的任一点运动即可认为是整个刚体的运动。以本测量仪器为原点，利用三个相互垂直的加速度轴建立一空间笛卡尔坐标系。在低强度运动或相对静止状态下，通过测量三轴方向的静态加速度变化，确定被检测姿态坐标系与初始姿态的相对关系，并以此判断当前姿态的合理性。姿态可用下面公式确定： 

θ_xy＝arccos(a_x+a_y)/g 

θ_yz＝arccos(a_y+a_z)/g 

式中：a_x，a_y，a_z表示三轴方向的加速度，g为重力加速度值；θ_xy，θ_yz表示上身倾 斜角度，如图(5)所示。当二者或其一小于设定阈值则报警。 

Claims (6)

1.一种微型多功能人体姿态智能检测仪，包括：

用于测量运动及姿态信息的姿态传感检测单元；

与姿态传感检测单元相连的A/D转换单元；

与A/D转换单元相连的用于实现运动模式的判别、运动参数的计算、身体姿态参数的计算提取的信息处理单元；

用于输入指令、测量数据及计算数据存储的存储单元；

实现指令输入的输入单元；

实现数据输出的输出单元；

为系统提供能量的供电单元；

所述姿态传感检测单元所采用的传感器为水平加速度计和垂直加速度计；

其特征在于：

所述输入单元包含工作模式选择子单元。

2.根据权利要求1所述的微型多功能人体姿态智能检测仪，其特征在于：所述输出单元包含提示功能子单元。

3.根据权利要求1所述的微型多功能人体姿态智能检测仪，其特征在于：所述检测仪还包括一个将历史数据输入上位计算机分析系统的接口。

4.一种微型多功能人体姿态智能检测方法，其特征在于：

利用水平加速度传感器和垂直加速度传感器作为姿态传感器，检测人体运动并实现站、立、行多种运动情况下的姿态检测；具体工作模式及实现方式如下：

模式0判断受检者是在运动还是静止状态：

利用水平加速度传感器获得的水平速度大小和垂直加速度传感器获得的起伏频率快慢作为依据判断当前状态为静止或慢走或慢跑或快走或跑步；

模式1用于测量跳跃参数，包括检测跳跃高度和距离、初始起跳角度和瞬间最大起跳速度信息：

将坐标系分为水平和垂直平面，运动过程中水平矢量积分为跳跃距离，垂直矢量积分为跳跃高度，其中初始时刻水平矢量与垂直矢量的合矢量与水平矢量的夹角即为初始起跳角度，合矢量大小即为最大起跳速度。

5.根据权利要求4所述的微型多功能人体姿态智能检测方法，其特征在于还包括以下工作模式：

模式2当模式0判断当前状态为静止时，可继续进行上身姿态测量：

检测时保证检测仪随上身同步运动；

利用三个相互垂直的加速度轴建立一空间笛卡尔坐标系，在低强度运动或相对静止状态下，通过测量三轴方向的静态加速度变化，确定被检测姿态坐标系与初始姿态的相对关系，并以此判断当前姿态的合理性。

6.根据权利要求4所述的微型多功能人体姿态智能检测方法，其特征在于：还包括将历史数据输入上位计算机分析系统进行受检者的运动训练情况分析。

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