CN103759739A - 一种多节点运动测量与分析系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多节点运动测量与分析系统，包括：至少一个运动测量模块及一接收器单元；所述运动测量模块通过可调节夹具绑定在手持式运动器械上，或者绑定在人体上，并且在人体上的绑定位置根据不同的测量需求重新分布；该运动测量模块包括：传感器模块，用于测量运加速度、角速度及磁力信息；第一微处理器模块，连接传感器模块，用于生成方位信息；第一RF模块，用于接收加速度、角速度、磁力及方位信息，并发送给接收器单元；接收器单元根据加速度、角速度、磁力及方位信息生成运动信息；并且对运动测量模块在绑定到人体上不同位置时进行校准。本发明可以根据实际需要灵活配置运动测量模块的位置和数量，在实现多种测量需求的同时降低了成本。

Description

一种多节点运动测量与分析系统

技术领域

本发明是关于运动测量技术，特别是关于一种多节点运动测量与分析系统。

背景技术

近年来，运动捕捉技术开始广泛应用于体育运动的动作捕捉与分析。运动捕捉技术可以以数字的方式记录对象的动作，当前常用的运动捕捉技术主要包括光学式运动捕捉和基于惯性传感器的运动捕捉：

光学式运动捕捉系统中通常包含4～32个相机，这些相机环绕待测物体排列，待测物体的运动范围处于相机的重叠区域。待测物体的关键部位贴上一些特质的反光点或者发光点作为视觉识别和处理的标志。系统标定后，相机连续拍摄待测物体的运动并把图像序列保存下来进行分析和处理，计算每一个标志点在某一瞬间的空间位置，并从而得到其准确的运动轨迹。光学式运动捕捉的优点是没有机械装置、有线电缆等的限制，允许物体的运动范围较大，并且采样频率较高，能够满足多数体育运动测量的需要。但是这种系统价格昂贵，系统的标定比较繁琐，只能捕捉相机重叠区域的物体运动，而且当运动比较复杂时，标志容易混淆和遮挡，从而产生错误的结果。

传统的机械式惯性传感器长期应用于飞机、船舶的导航，随着微机电系统（MEMS）技术的高速发展，微型惯性传感器的技术成熟，近年来，人们开始尝试基于微型惯性传感器的运动捕捉。基本方法是把惯性测量单元（IMU）连接到待测物体上并跟随待测物体一起运动。惯性测量单元通常包括微加速度计（测量加速度信号）以及微陀螺仪（测量角速度信号），通过对加速度信号的二次积分以及陀螺仪信号的积分，可以得到待测物体的位置信息以及方位信息。由于MEMS技术的应用，IMU的尺寸和重量可以做的很小，从而对待测物体的运动影响很小，并且对于场地的要求低，允许的运动范围大，同时系统的成本比较低。

MEMS惯性传感器以其体积小、重量轻、价格低等特点，目前已应用到一些体育运动的捕捉和分析中，如高尔夫球挥杆运动的捕捉和分析。具体做法是通过一定的夹具结构，把传感器模块安装到手持式运动器械上，在运动中传感器模块跟随器械一起运动并把器械的运动捕捉下来以无线的方式发送给一定的终端接收设备。该单节点的运动捕捉方式成本低，但是只能捕捉运动器械的运动而不能提供人体的运动数据。

美国专利US7689378揭示了一种高度小型化的包含MEMS传感器的运动捕捉系统，它可以嵌入到运动器械上而不影响运动器械本身的运动特征。其运动捕捉模块包括1个三轴加速度计、1个三轴陀螺仪和1个三轴磁力计，其中三维加速度计和三维陀螺仪可以对模块相对外界固定坐标系统的3维方位以及三维位移进行测量，三维磁力计结合三维加速度计根据本地地磁向量和重力场可以对模块的绝对空间进行测量。该方案的实现方式是把单个的传感器模块集成到运动器械（如高尔夫球杆等）上，从而把运动器械的运动轨迹捕捉下来并无线发送给接收装置。上述技术方案的单节点运动捕捉方式采用机械集成的安装方式，把传感器模块半永久安装固定到运动器械上，对于需要使用多个运动器械的运动来讲，每个运动器械上都要集成一个传感器模块，从而带来成本的提升。

美国专利US8589114揭示了一种单节点的运动捕捉与分析系统，把一个包含三轴加速度计和三维陀螺仪的传感器单元可调节地安装到运动器械的表面，把运动器械的运动捕捉下来，通过对运动数据的处理确定一个或者多个运动特征数值，把运动数据和特征数值无线发送到显示单元，以图形的形式把运动数据和运动特征数值显示出来。该方案采用可调节的传感器安装方式，可以灵活的进行安装和转移，给实际使用带来了便利。但是该方案采用单节点的运动捕捉方式，只能安装到运动器械上对运动中运动器械的运动进行分析，无法提供人体的运动信息。

发明内容

本发明提供一种多节点运动测量与分析系统，以协助用户建立正确的运动方式，并且可以根据实际需要灵活配置运动测量模块的位置和数量，使得系统能够在使用较少的运动测量模块的情况下获得所需的运动器械和人体的有用的运动信息，降低成本。

为了实现上述目的，本发明实施例提供一种多节点运动测量与分析系统，所述的多节点运动测量与分析系统包括：至少一个运动测量模块及一接收器单元；所述运动测量模块通过可调节夹具绑定在运动器械上，或者绑定在人体上，并且在所述人体上的绑定位置根据不同的测量需求重新分布；

在一实施例中，所述的运动测量模块包括：

传感器模块，用于测量所述运动测量模块的加速度和角速度；

第一微处理器模块，连接所述的传感器模块，用于根据所述的加速度及角速度信息生成倾角信息；

第一RF模块，连接所述的第一微处理器模块，用于接收所述的加速度、角速度及倾角信息，并发送给所述的接收器单元。

在一实施例中，所述的运动测量模块包括：

传感器模块，用于测量所述运动测量模块的加速度、角速度及磁力信息；

第一微处理器模块，连接所述的传感器模块，用于根据所述的加速度、角速度及磁力信息生成方位信息；

第一RF模块，连接所述的第一微处理器模块，用于接收所述的加速度、角速度、磁力及方位信息，并发送给所述的接收器单元。

所述的接收器单元接收各个所述的运动测量模块中的所述的第一RF模块发送来的加速度、角速度等信息，根据所述的加速度、角速度等信息生成人体或者运动器械的运动轨迹、速度、角度、运动时序等运动信息；并且对运动测量模块在绑定到人体上不同位置时进行校准。

在一实施例中，所述运动测量模块的数量为2个或多个，其中一个运动测量模块通过可调节夹具或者机械集成的方式绑定在运动器械上；另外的运动测量模块绑定在人体上，并且在所述人体上的绑定位置根据不同的测量模式重新分布。

在一实施例中，其中一个运动测量模块向另外的运动测量模块发送时间同步指令。

在一实施例中，所述的接收器单元向每个运动测量模块发送时间同步指令。

在一实施例中，所述的接收器单元根据实时收到的各个运动测量模块的数据确定人体各个部位与运动器械的运动时序。所述的人体各个部位与运动器械的运动时序包括身体各个部位与运动器械的加速度在时间轴上达到峰值的先后顺序，达到峰值的时间间隙的大小，加速度峰值的大小；身体各部位与运动器械的速度在时间轴上达到峰值的先后顺序，达到峰值的时间间隙的大小，速度峰值的大小；身体各部位与运动器械的角度在时间轴上达到峰值的先后顺序，达到峰值的时间间隙的大小，角度峰值的大小。

在一实施例中，所述的接收器单元还用于将预先设定的参考运动信息中的运动轨迹以3D图形显示，并把运动信息中的运动轨迹以3D图形显示。

在一实施例中，所述运动器械上设置虚拟激光器，用于帮助直观显示所述运动器械的运动轨迹。

在一实施例中，绑定在所述人体上的运动测量模块的数量根据不同的测量模式进行升级。

在一实施例中，所述的传感器模块包括：

三轴MEMS微加速度计，用于测量所述运动测量模块的加速度；

三轴MEMS微陀螺仪，用于测量所述运动测量模块的角速度。

在一实施例中，所述的传感器模块包括：

三轴MEMS微加速度计，用于测量所述运动测量模块的加速度；

三轴MEMS微陀螺仪，用于测量所述运动测量模块的角速度；

三轴MEMS磁力计，用于测量所述运动测量模块的磁力。

在一实施例中，所述的第一微处理器模块具体用于：根据所述三轴MEMS微加速度计测量的所述重力加速度向量及所述三轴MEMS磁力计测量的磁力向量计算生成所述运动测量模块的静态三维姿态角度；根据所述三轴MEMS微陀螺仪测量的角速度计算生成所述运动测量模块的动态三维姿态角度；采用所述的静态三维姿态角度对所述的动态三维姿态角度进行修正，得到所述的运动测量模块的方位信息。

本发明实施例的有益效果在于，通过本发明的多节点运动测量与分析系统，可以同时测量运动器械和人体的运动信息，从而获得人体与运动器械的协调运动情况以协助用户建立正确的运动方式；并且可以根据实际需要灵活配置运动测量模块的位置和数量，使得系统能够在使用较少的运动测量模块的情况下获得所需的运动器械和人体的有用的运动信息，降低了成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例多节点运动测量与分析系统的一具体实例的示意图；

图2为本发明实施例多节点运动测量与分析系统的一具体实例的示意图；

图3为本发明实施例多节点运动测量与分析系统的一具体实例的示意图；

图4为本发明实施例多节点运动测量与分析系统的一具体实例的示意图；

图5为本发明实施例的运动测量模块的一具体实例的结构示意图；

图6为本发明实施例多节点运动测量与分析系统的一具体实例的示意图；

图7为本发明实施例多节点运动测量与分析系统的一具体实例的示意图；

图8为本发明实施例多节点运动测量与分析系统的一具体实例的示意图；

图9为本发明实施例多节点运动测量与分析系统的一具体实例的示意图；

图10所示为本发明实施例的多节点运动测量与分析系统的使用流程图；

图11为本发明实施例的运动测量模块的一具体实例的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1及图2所示，本发明实施例提供一种多节点运动测量与分析系统，所述的多节点运动测量与分析系统包括：至少一个运动测量模块101及一接收器单元103；运动测量模块101通过可调节夹具绑定在运动器械100上，或者绑定在人体200上，并且运动测量模块101在人体200上的绑定位置可以根据不同的测量需求重新分布。

安装到运动器械100的运动测量模块101通过调节可调节夹具的方式安装，可调节夹具可以固定到运动器械的各个位置。运动测量模块101与可调节夹具可以分离，使得安装在运动器械100的运动测量模块101可以方便的安装到人体200的各个部位。如图1所示，运动测量模块101通过可调节夹具绑定在运动器械100上，如图2所示，运动测量模块101绑定在人体200上。

本发明实施例仅利用一个能随意安装到人体或运动器械上的运动测量模块，就可以测量人体及运动器械的运动信息，根据实际需要灵活配置运动测量模块的位置，降低了成本。

如图3所示，运动测量模块的数量为2，其中一个运动测量模块101绑定在运动器械100上；另一个运动测量模块102绑定在人体200上，并且运动测量模块102在人体200上的绑定位置可以根据不同的测量模式重新分布。

在一实施例中，绑定在人体200上的运动测量模块102的数量根据不同的测量模式进行升级。从而可以在运动测量模块比较少、成本比较低的情况下获得更多的身体部位的运动信息。为了根据不同的测量模式进行升级，要求运动测量模块102为无线的运动测量模块，人体上各个运动测量模块分别通过无线方式与接收器单元103连接。现有技术中，绑定在人体上的多个传感器分别有线连接至绑定在人体上的中控模块，通过中控模块上送各个传感器的运动测量信息，因为中控模块上的接口有限，连接中控模块的传感器的数量有限，并且在增加传感器的情况下，接收器单元103没有处理新增加的传感器测量的数据的功能。而本申请的多个运动测量模块102分别无线连接（可以通过射频RF模块连接）至接收器单元103，没有接口的限制。本申请的接收器单元103可以实现多达20个运动测量模块数据的传输和处理，软件上提供了升级功能的支持，因而可以方便的根据需求对系统中运动测量模块的数量进行升级。

如图4所示，运动测量模块的数量为多个，其中一个运动测量模块101绑定在运动器械100上；另外的多个运动测量模块102绑定在人体200上，并且在人体200上的绑定位置可以根据不同的测量模式重新分布。运动测量模块101及运动测量模块102组成了多节点运动测量与系统。

对于图3及图4的实施例中运动测量模块的数量为2或者多个的情况，其中一个模块是安装在运动器械上的，该运动测量模块通过可调节夹具或者机械集成的方式绑定在运动器械上。

如图1至图4所示，运动测量模块101及运动测量模块102包括：传感器模块104，第一微处理器模块105及第一RF模块106。传感器模块104用于测量所述运动测量模块的加速度、角速度及磁力信息；第一微处理器模块105连接传感器模块104，用于根据所述的加速度、角速度及磁力信息生成方位信息；第一RF模块106连接所述的第一微处理器模块，用于接收的加速度、角速度、磁力及方位信息，并发送给接收器单元102。

在一实施例中，如图1至图4所示，运动测量模块101及运动测量模块102还可以包括：第一电池112及第一电源及电压转换模块113，第一电池112通过第一电源及电压转换模块113给传感器模块104、第一微处理器模块和第一RF模块供电；通过第一电源及电压转换模块113，USB电源可以第一电池112进行充电。

接收器单元103接收各个运动测量模块中的所述的第一RF模块106发送来的加速度、角速度、（或）磁力及方位信息，并根据的加速度、角速度、或磁力及方位信息生成人体及运动器械的运动轨迹、线/角速度、角度、位移、运动时序等运动信息。

接收处理器单元103可以置于远离人体的附近，也可以绑定到人体上，还可以与绑定人体的某个运动测量模块集成在一起。

对于图1及图2中的多节点运动测量与分析系统只有一个运动测量模块的情况，传感器模块104可以只测量运动测量模块的加速度、角速度信息，不需要测量磁力信息，第一微处理器模块105根据所述的加速度、角速度信息生成方位信息即可。接收器单元102该运动测量模块中的第一RF模块106发送来的加速度、角速度及方位信息，并根据的加速度、角速度及方位信息生成人体及运动器械的运动轨迹、线/角速度、角度、位移、运动时序等运动信息。

在一实施例中，如图5所示，传感器模块104包括三轴MEMS微加速度计201，三轴MEMS微陀螺仪202及三轴MEMS磁力计203。三轴MEMS微加速度计201可以测量所述运动测量模块的加速度，三轴MEMS微陀螺仪202可以测量所述运动测量模块的角速度，三轴MEMS磁力计203可以测量所述运动测量模块的磁力。第一微处理器模块105可以根据三轴MEMS微加速度计201测量的重力向量及三轴MEMS磁力计203测量的地磁向量计算生成运动测量模块的静态三维姿态角度；根据三轴MEMS微陀螺仪202测量的角速度计算生成运动测量模块的动态三维姿态角度；采用运动测量模块的静态三维姿态角度对动态三维姿态角度进行修正，获得运动测量模块的方位信息。所述的人体各个部位与运动器械的运动时序包括身体各个部位与运动器械的加速度在时间轴上达到峰值的先后顺序，达到峰值的时间间隙的大小，加速度峰值的大小；身体各部位与运动器械的速度在时间轴上达到峰值的先后顺序，达到峰值的时间间隙的大小，速度峰值的大小；身体各部位与运动器械的角度在时间轴上达到峰值的先后顺序，达到峰值的时间间隙的大小，角度峰值的大小。

在一实施例中，针对图1及图2中的多节点运动测量与分析系统只有一个运动测量模块的情况，如图11所示，传感器模块104包括三轴MEMS微加速度计201，三轴MEMS微陀螺仪202。三轴MEMS微加速度计201可以测量所述运动测量模块的加速度，三轴MEMS微陀螺仪202可以测量所述运动测量模块的角速度。第一微处理器模块105可以根据三轴MEMS微加速度计201测量的重力向量计算生成运动测量模块的静态倾角；根据三轴MEMS微陀螺仪202测量的角速度计算生成运动测量模块的动态三维姿态角度。

运动测量模块在人体上的绑定位置根据不同的测量模式（不同的测试需求对应不同的测量模式）重新分布。比如本次测量需要测量头部的运动状况，下一次测量可能需要测量肩部的运动状况，再下一次测量可能需要测量腿部的运动状况，运动测量模块可以根据测量需求安装到上述不同的测量部位。在各个运动测量模块第一次安装或者更换安装位置时，需要在接收器单元的人机交互界面上指定各个运动测量模块的实际安装位置。

接收器单元103还可以对运动测量模块在绑定到人体上不同位置时进行校准。如上所述，在各个运动测量模块第一次安装或者更换安装位置时，需要利用接收器单元103对更换到人体不同位置的运动测量模块或者新增的运动测量模块进行校准。在接收器单元103的人机交互界面指定运动测量模块位置和数量后，接收器单元103根据运动测量模块安装的位置以及数量给出相应的校准流程指引，用户遵照指引完成给定的校准动作以消除模块的安装绑定误差。

校准的原则是使运动测量模块安装部位处于一个已知的姿态，然后根据测得的运动测量模块的姿态与已知的身体部位姿态对比确定运动测量模块安装方位的偏差。例如对于校准安装在臀部的单个运动测量模块的校准动作情况，人的校准动作为自然站立。例如对于背部单个运动测量模块的校准动作，为了使双肩水平，双手持一个Pad，那么人的标准校准动作为双肩水平，双手水平向前伸直持一个Pad的姿势。例如对于某手腕处模块的校准动作的情况，可能是手朝前平举手心朝下作为标准校准动作。

接收器单元103还可以根据人体生物力学约束及外界约束对计算生成的运动信息进行校准。

接收器单元103可以为一终端设备，或者接收器单元103包括接收处理器和终端设备，该终端设备包含：智能手机、掌上电脑、平板电脑、电视或PC等。针对接收器单元103为终端设备的实施例，及接收器单元103包括接收处理器和终端设备的实施例，下面分别说明。

1、接收器单元103为一终端设备

具体实施时，终端设备可以通过蓝牙或者其他无线模块接收各个运动测量模块中的第一RF模块106发送来的加速度、角速度等传感器信息，并根据接收的传感器信息生成运动信息，并将当前人体及运动器械的运动信息与预先设定的参考运动信息进行对比，生成比较结果。

在一实施例中，终端设备包括人机交互模块，终端设备将上述比较结果发送给人机交互模块，人机交互模块根据比较结果进行声光或者振动提示。在一实施例中，人机交互模块还可以是跟某个运动测量模块集成在一起。

在一实施例中，终端设备还可以包括：显示器及存储器，显示器可以用于显示人体与运动器械的运动轨迹、姿态、人体与运动器械的运动时序、运动速度等运动信息。存储器可以存储上述的运动信息及标准的参考运动轨迹或者运动时序，以根据标准的参考运动轨迹或运动时序对人体的运动提供实时的指导和反馈。

本发明实施例的多节点运动测量与分析系统可以实现各个运动测量模块之间的时间同步，该时间同步可以为点对点的同步方式。

在一实施例中，某个运动测量模块（如安装在运动器械上的运动模块或者人体上的）发送同步命令给其他的运动测量模块进行时间同步。根据该同步命令，终端设备可以根据实时收到的各个运动测量模块的数据确定人体的各个部位的运动时序。

在一实施例中，也可以由终端设备发起同步的方式，即终端设备发送同步命令给所有运动测量模块进行同步。根据该同步命令，终端设备可以根据实时收到的各个运动测量模块的数据确定人体的各个部位的运动时序。

2、接收器单元103包括接收处理器600和终端设备114

如图6至图9所示，接收处理器600包括：第二RF模块107、第二微处理器模块108、第三RF模块109及USB模块110。

第二RF模块107用于接收各个运动测量模块中的第一RF模块106发送来的加速度、角速度运动测量模块的传感器信息，并将传感器信息发送给第二微处理器模块108。

第二微处理器模块108连接第二RF模块107，用于根据传感器信息生成运动信息，并通过第三RF模块109或USB模块110将运动信息发送给终端设备1114。第二微处理器模块108还可以将当前人体及运动器械的运动信息与预先设定的参考运动信息进行对比，生成比较结果。

接收器单元103还可以包括：人机交互模块111，第二微处理器模块108将上述比较结果发送给人机交互模块111，人机交互模块111根据比较结果进行声光或者振动提示。在一实施例中，人机交互模块还可以是跟某个运动测量模块集成在一起。

接收器单元103还可以包括：显示器115及存储器116，显示器115（可以是电视机）可以用于显示人体与运动器械的运动轨迹、姿态、人体与运动器械的运动时序、运动速度等运动信息。存储器116可以存储上述的运动信息及标准的参考运动轨迹或者运动时序，以根据标准的参考运动轨迹或运动时序对人体的运动提供实时的指导和反馈。

在一实施例中，第二微处理器模块108不对加速度、角速度、磁力及方位信息进行复杂处理，仅将加速度、角速度、磁力及方位信息进行打包等简单处理后，通过第三RF模块109或USB模块110发送给终端设备114，由终端设备114进行处理。终端设备114根据传感器信息生成运动信息，并将运动信息与预先设定的参考运动信息进行比对，生成比对结果。

在一实施例中，接收器单元103还可以包括第二电源和电压转换模块117，第二RF模107、第二微处理器模块108、第三RF模块109、人机交互模块111等通过第二电源和电压转换模块117供电。

本发明实施例的多节点运动测量与分析系统还可以实现各个运动测量模块之间的时间同步，该时间同步可以为点对点的同步方式。

在一实施例中，某个运动测量模块（如安装在运动器械上的运动模块或者人体上的）发送同步命令给其他的运动测量模块进行时间同步。根据该同步命令，接收处理器600或者终端设备114可以根据实时收到的各个运动测量模块的数据确定人体的各个部位的运动时序。

在一实施例中，也可以由接收处理器600发起同步的方式，即接收处理器600发送同步命令给所有运动测量模块进行同步。根据该同步命令，接收处理器600或者终端设备114可以根据实时收到的各个运动测量模块的数据确定人体的各个部位的运动时序。

在一实施例中，还可以为终端设备114发起同步的方式，即终端设备114发送同步命令给接收处理器600，由接收处理器600或者终端设备114再发同步命令给所有运动测量模块，或者终端设备114直接发送同步命令给所有的运动测量模块进行同步。根据该同步命令，接收处理器600或者终端设备114可以根据实时收到的各个运动测量模块的数据确定人体的各个部位以及运动器械的运动时序。

本发明具体实施时，运动信息包括人体与运动器械在各个时刻的三维姿态、运动轨迹、运动速度与位移、实际运动姿态与参考运动姿态之间的偏差、实际运动轨迹与参考运动轨迹之间的偏差、人体与运动器械的协调运动时序等。所述的人体各个部位与运动器械的运动时序包括身体各个部位与运动器械的加速度在时间轴上达到峰值的先后顺序，达到峰值的时间间隙的大小，加速度峰值的大小；身体各部位与运动器械的速度在时间轴上达到峰值的先后顺序，达到峰值的时间间隙的大小，速度峰值的大小；身体各部位与运动器械的角度在时间轴上达到峰值的先后顺序，达到峰值的时间间隙的大小，角度峰值的大小。

本发明具体实施时，接收器单元103还可以将预先设定的参考运动信息中的运动轨迹以3D图形显示，并把运动信息中的运动轨迹以3D图形显示。通过接收器单元103的显示屏以3D图形的方式把目标运动信息（如球杆或者人体的运动轨迹、运动时序等）显示到显示屏上，用户可以缓慢的运动努力使自己的实际运动情况与屏幕上的目标运动信息重叠和吻合，接收器单元103把测量到的挥杆运动数据与设定的挥杆运动数据进行比较，并根据比较结果对训练者进行语音或者其他方式的提醒。在确保真实运动信息能够与目标运动信息吻合的基础上，用户可以逐渐提升运动速度，最终达到在正常运动速度下实际运动信息能够与标准运动信息很好的吻合，从而可以建立准确的运动方式，达到良好的训练效果。

手持式运动器械可以为高尔夫球杆、网球拍、羽毛球拍、棒球杆、壁球杆、曲棍球杆等，本发明仅以高尔夫球杆进行说明。

本发明具体实施时，完成运动后，用户可以在接收器单元的软件界面上浏览刚刚完成的动作信息，比如身体某部位的运动轨迹、运动器械的运动轨迹、人体或者运动器械的运动速度、在某时间点身体和运动器械的姿态、人体和运动器械的协调运动时序等，也可以对历史运动数据进行浏览和比较。为了使观看运动轨迹更直观，在接收器单元的人机交互界面上，可以使用一些虚拟的辅助器械（如虚拟激光、虚拟平面等）等辅助图形显示，比如在运动器械的一端安装虚拟激光器，通过激光在地面的投影，使得挥杆过程中杆的在空中的轨迹及地面投影的轨迹清楚直观的显示，可以直观的看到运动器械在空中的摆动轨迹。例如在高尔夫球挥杆运动中，在高尔夫球杆杆头平面法线方向或者竿头平面法线方向安装激光器，则可以直观的看到球杆在摆动过程的扭转情况。运动数据可以在本地进行存储，也可以通过网络进行分享。

本发明具体实施时，运动测量模块可以通过夹具绑定在所述手持式运动器械上，或者通过机械集成的方式绑定在手持式运动器械上。在完成夹具的安装校准后，运动测量模块安装到夹具上不再需要进行校准流程。绑定在人体上的运动测量模块可以通过传感器服、绑带或者是两者相结合的方式绑定在人体上。

本发明具体实施时，用户所从事运动的整个运动过程可以由几个关键帧划分为不同的运动阶段，如对于高尔夫挥杆运动，其挥杆过程的关键帧包括初始球杆对齐、挥杆到达的最高点、挥杆的击球点等；除了所述的划分运动阶段的关键帧，整个过程还可以包括一些感兴趣的关键帧，如挥杆时双手到达水平位置、双手到达最低点的位置等。运动过程的关键帧可以利用运动测量模块，根据加速度及姿态进行确定。

运动过程中的关键帧由某个特定运动测量模块（如安装于手持式运动器械上的运动测量模块）或者多个运动测量模块综合运动测量数据实时确定，根据所述的关键帧的检测系统自动完成整个运动过程的测量和记录。关键帧的确定可以根据加速度及静止姿态等信息，例如判断初始球杆对齐的关键帧时，可以根据加速度及静止姿态判断是不是初始球杆对齐。

本发明具体实施时，多节点运动测量与分析系统还可以设置参考目标运动姿态/运动时序以及运动器械轨迹方向。可以通过调整接收器单元上的软件界面的模型的运动轨迹，直接调用已保存的教练的或其他人的运动轨迹。参考目标运动姿态/运动时序可以为手动设置的或者采用实际捕捉的自己或者其他人运动姿态/运动时序。运动器械的目标轨迹方向可以为：把运动器械或者运动测量模块沿目标运动方向水平放置于地面后，按接收器单元软件界面上的相应按钮。接收器单元还可以记录当前手持式运动器械或者运动测量模块的方位并把此方位作为后面运动轨迹方向的一个参考。

图10所示为本发明实施例的多节点运动测量与分析系统的使用流程图，如图10所示，该流程包括：

S1001：把各个运动测量模块安装到人体和运动器械上。

在一实施例中，安装到运动器械上的方式为可调节、便于拆卸的夹具安装方式。夹具可以紧固安装到不同直径的运动器械上。运动测量模块可以方便的安装到夹具上，也可以方便的拆下来安装到另一个运动器械的夹具上。运动测量模块安装到人体的方式可以为绑带安装，也可以采用特定的传感器服进行安装，还可以是两者的结合。

S1002：开启系统并制定各个运动测量模块的安装位置。

完成各个模块的安装固定后，开启各个运动测量模块的电源以及接收器单元的电源，建立接收器单元与运动测量模块的连接，并在接收器单元的人机交互界面上指定各个运动测量模块的安装位置。

S1003：对各个运动测量模块的安装位置进行校准。

安装到运动器械的运动测量模块的校准通过夹具安装时对夹具的校准实现，运动测量模块安装到夹具上时不再需要进行校准。运动测量模块安装到人体时，需要对人体的安装位置进行校准。具体做法是，根据运动测量模块的数量和安装位置进行一系列的校准动作完成安装位置和方位的校准。

S1004：对运动测量与分析系统的工作模式进行选择。

运动测量与分析系统的工作模式有两种，一种为测量模式，另一种为指导模式。

S1005：进行测量模式。

在此模式下用户自由进行运动，运动测量系统把用户的真实运动情况捕捉下来，供用户进行分析和研究；另一种为指导模式，在此模式下需要设定标准的运动信息，如标准的人体和运动器械的运动时序、运动轨迹等，用户按照显示屏上的标准运动信息的指导进行慢速跟随练习，然后逐步提高速度直到正常速度。运动测量与分析系统还根据捕捉到的用户实际运动与参考运动的偏离情况提供实时的反馈。

S1006：进行指导模式。

若选定了指导模式，接下来可以设定运动器械的目标运动方向以及人体和运动器械的标准运动信息。设定运动器械目标运动方向的方法可以为把运动器械或者运动测量模块沿目标运动方向摆好，然后按接收器单元软件界面上相应的按钮完成设定。设定运动器械和人体的标准运动信息，可以为在接收器单元软件界面上手动对目标姿态、轨迹、时序等进行设定和调节，也可以直接采用捕捉到的自己或者其他人的实际运动信息数据作为目标运动信息。

接下来用户可以正常进行运动了。在运动过程中，各个运动测量模块把相应绑定对象的运动数据（包括加速度、角速度、磁力信号等）采集下来并计算相应的空间姿态，然后把采集数据以及计算的结果发送给接收器单元。接收器单元根据无线接收的各个运动测量模块的运动数据，计算身体或者运动器械的位置、线/角速度、姿态角度、运动时序、运动轨迹等信息。

S1007：运动跟随。

若当前工作模式为指导模式，接收器单元的显示屏上会以3D图形的方式将目标运动信息显示出来，用户可以缓慢运动以努力使自己的实际运动与显示的标准运动信息重叠。接收器单元还会根据用户实际运动与标准参考运动的偏差给出相应的提示。

S1008：完成运动后，用户可以在接收器单元的软件界面上浏览刚刚完成的动作信息，比如身体某部位的运动轨迹、运动器械的运动轨迹、在某时间点身体和运动器械的姿态、人体和运动器械的协调运动时序等，也可以对历史运动数据进行浏览和比较。为了使观看运动轨迹更直观，在接收器单元的人机交互界面上，可以使用一些虚拟的辅助器械（如虚拟激光、虚拟平面等）等辅助图形显示，比如在运动器械的一端安装虚拟激光器，通过激光在地面的投影，可以直观的看到运动器械在空中的摆动轨迹；比如在高尔夫球挥杆运动中，在高尔夫球杆杆头平面法线方向安装激光器，则可以直观的看到球杆在摆动过程的扭转情况。运动数据可以在本地进行存储，也可以通过网络进行分享。

下面结合高尔夫挥杆训练的具体的例子对本发明的具体实施方式进行说明。

1、两节点运动测量与分析系统举例：

在本实施例中，运动测量与分析系统包括两个运动测量模块和一个智能手持式设备。运动测量模块通过蓝牙与智能手持式设备连接。一个运动测量模块通过夹具安装在高尔夫球杆上，另一个运动测量模块则通过绑带或者传感器服绑定到手腕或者头部、背部等其他部位。

智能手持式设备可以为智能手机、掌上电脑、平板电脑等安装了相应终端软件的手持式设备。智能手持式设备可以放在人身上（如口袋中），也可以放在一侧地上或者架子上。

运动测量模块中的微处理器模块可以根据传感器模块测得的加速度、磁力以及角速度等信息可以计算运动测量模块的绝对空间方位（相对于大地坐标）和相对的空间位移（相对于初始位置）。运动测量模块中的RF模块把传感器的原始测量数据和计算的结果数据以无线的方式发送给智能手持式设备。智能手持式设备根据接收到的数据可以计算一些衍生的挥杆运动数据，如击球的速度、角度、击球的身体与球杆的运动时序等。

在使用两节点运动测量与分析系统时，首先把运动测量模块的夹具安装到高尔夫球杆上，若需要使用多根球杆，可以在每个球杆上都安装上夹具。在安装夹具的时候对齐夹具的安装位置。然后把一个运动测量模块卡扣到待使用的球杆的夹具上。然后把另一个运动测量模块通过绑带或者传感器服的方式绑定到身体的某部位，如手腕处。然后把两个传感器的电源打开，运动测量模块在电源开启后自动进入节能的待机模式。然后开启智能手持式设备的相应终端软件，在软件中选择要使用的球杆，指定人体安装运动测量模块的安装位置，并建立智能手持式设备与运动测量模块之间的无线通信连接。建立连接后，运动测量模块进入工作模式。运动测量模块可以用一个指示灯对模块不同的工作状态进行指示，譬如待机模式下，指示灯慢速闪烁；建立连接过程中，指示灯快速闪烁；建立连接后，运动测量模块进入工作模式，指示灯常亮。

在智能手持式设备与运动测量模块建立连接后，需要对安装到身体上的运动测量模块进行安装位置的校准操作。比如身体上的模块安装在手腕位置时，终端设备要求你做一个手臂朝前平举（手心朝下）的动作。按照智能手持式设备上的提示完成校准动作后，在改变传感器安装位置之前都不需要再进行校正的流程。

接下来，可以设定击球的目标方向。设定击球的目标方向可以为把球杆沿击球方向水平放置，然后按智能手持式设备的终端软件界面上的设定击球目标方向的按钮，即完成目标方向的设定，终端软件会保存球杆上运动测量模块的沿球杆的方向并将其作为目标击球方向，在后续的显示中会将目标击球方向与实际击球轨迹进行比较。还可以对挥杆过程一些关键点的目标球杆角度进行设定，比如上杆过程到最高点时球杆的角度等。

上面的设定击球目标方向以及目标球杆姿态的步骤为可选的步骤，即也可以在完成传感器安装和校准后直接进入挥杆运动的测量。

在挥杆之前，一般球手都会做高尔夫球杆头与球对准的动作，运动测量模块会对此动作进行侦测，一旦检测到此动作，则会自动在对准过程中对运动测量模块的空间方位进行标定。具体的标定方法是模块根据磁力计以及加速度计的测量信号，得到运动测量模块的绝对空间方位，并以此作为运动测量模块的计算空间方位。标定完成后，运动测量模块给智能手持式设备发送控制命令，智能手持式设备会发出提示声音并发送同步命令给两个运动测量模块，同时启动数据记录。运动测量模块收到同步命令后对模块发送数据的编号进行清零。智能手持式设备收到相同编号的运动测量数据则表示该组数据为同一时刻采集的。

本发明运动测量与分析系统可以侦测击球事件，侦测的方法是在对准事件发生后如果监测到设定范围的加速度的突变，则判定为击球事件。在检测到击球事件后，运动测量模块同样发生控制命令给智能手持式设备，智能手持式设备会保存两个事件（对准与击球）之间的数据，并根据这些数据计算球的飞行轨迹、飞行距离、挥杆力量比例等衍生数据，同时结束数据的记录和保存。如果运动测量模块在一定时间内没有侦测到任何事件（对准事件以及击球事件），则运动测量模块会自动进入待机状态以节约能量。有的球手可能在击球之前会有多次对齐的动作，智能手持式设备将以击球前的最后一次对齐动作作为对准事件。通过对一些事件的侦测，挥杆/拍辅助训练装置自动完成对挥杆过程的自动测量控制而不需要额外的辅助装置以及操控动作。若在上一步中没有进行目标击球方向的设定，则智能手持式设备会把对齐事件发生时杆头平面的法线方向作为目标击球方向。

若在上一步中设定了挥杆过程中的目标球杆姿态，则在挥杆过程中，智能手持式设备会给出相应的提示，例如上杆过程球杆角度达到设定的最高点角度时，智能手持式设备会给出下杆的提示声音。

在完成挥杆击球过程后，球手可以在智能手持式设备上对刚刚完成的挥杆动作进行浏览和分析。智能手持式设备会以图形的方式显示挥杆过程的球杆的运动轨迹、击球的角度和速度、球的参考飞行轨迹、人体与球杆的协调运动时序等。为了更直观的看到球杆的运动情况，在智能手持式设备的图形界面的高尔夫球杆的一端安装虚拟激光器，通过激光在地面的投影，可以直观的看到球杆在空中的摆动轨迹。在高尔夫球杆杆头平面法线方向还可以安装激光器，可以直观的看到球杆在摆动过程的扭转情况。若身体上的运动测量模块安装在手腕上，则可以看到手腕的运动轨迹、手握球杆的角度的变化轨迹；若安装在头部，则可以看到头部扭转和俯仰的轨迹；若安装在躯干上，则可以看到身体扭转的轨迹等等。通过变换人体安装运动测量模块的安装位置，可以得到球杆与对应身体某部位的运动时序图，通过对球杆与身体不同部位时序图的分析，球手可以判断自己的身体发力顺序是否正确，从而能够根据分析结果进行改进。

2、多节点半身运动测量分析系统举例

本实施例中，多节点半身运动测量与分析系统包括12个运动测量模块，一个接收处理器模块和一个终端设备。多节点半身运动测量系统除了在高尔夫球杆上绑定一个运动测量模块，还在半身（如上半身的手、上臂、下臂、肩部、头、背、臀部等处）绑定11个运动测量模块，因此，多节点半身运动测量系统可以同时测量球杆以及半身的运动。接收处理器模块与各个运动测量模块以无线方式进行通讯。接收处理器模块包括一个无线接收天线，使得训练者可以在一定范围内活动的同时还能进行良好的无线通讯。接收处理器模块以无线的方式接收各个运动测量模块的运动测量数据并发送给终端设备。终端设备为一PC或者一平板电脑。接收处理器模块与终端设备通过USB进行数据传输并通过USB从终端设备获得电源。终端设备获得接收处理器模块发送过来的运动测量数据后进行处理和计算，获得人体和运动器械的有用的运动信息，运动信息包括人与运动器械的运动轨迹、姿态、速度、运动时序等。终端设备还把运动数据以图形或者数字的形式显示出来。终端设备上还保存标准的参考运动信息以对人的运动提供指导。

具体使用多节点半身运动测量分析系统时，首先把11个模块按照指定的顺序绑定到身体相应部位，如果不是按照指定的顺序安装，则需要在终端设备的界面上设定实际的安装方式。然后开启各个模块的电源并在终端设备上开启相应运动测量终端软件，在软件中输入训练者的身高、臂展、臀高等数据，然后建立软件与运动测量模块之间的连接。

完成连接后，接收处理器模块会进行一个运动测量模块的同步过程。具体的实现方式是：接收处理器模块发送一个同步的指令给所有的运动测量模块，各个运动测量模块在收到指令后同时对发送数据的编号进行清零。完成同步后，就可以进行人体上的各个运动模块安装误差的校准，按照软件的指示，训练者依次摆出指定的校准动作或者姿态如T姿态、自然站立姿态、云手动作等。终端设备根据人体所摆的姿态以及所做的动作对模块的按照误差以及身体各部分尺寸偏差进行修正，从而能够准确的测量人体运动数据。接下来把最后一个运动测量模块通过夹具的方式安装到球杆的指定位置并在终端设备上选定相应的球杆。

在训练中，如果选定了系统的工作模式为指导模式，则可以设定人的标准运动信息以及击球的目标轨迹等，设定的方法可以为通过网络下载的标准的挥杆运动数据，也可以为捕捉到的自己的实际运动数据。最后就可以进行正常的挥杆训练。在挥杆过程中，运动测量模块同样会对对准事件以及击球事件进行侦察，从而会自动完成挥杆过程的数据捕捉和记录。

在训练中，如果工作模式选择了指导模式，终端设备会以3D图形的方式把目标运动信息（如球杆或者人体的运动轨迹、运动时序等）显示到显示屏上，用户可以缓慢的运动努力使自己的实际运动情况与屏幕上的目标运动信息重叠和吻合，终端设备把测量到的挥杆运动数据与设定的挥杆运动数据进行比较，并根据比较结果对训练者进行语音或者其他方式的提醒。在确保真实运动信息能够与目标运动信息吻合的基础上，用户可以逐渐提升运动速度，最终达到在正常运动速度下实际运动信息能够与标准运动信息很好的吻合，从而可以建立准确的运动方式，达到良好的训练效果。

在本实施例中，绑定到身体的各个运动测量模块可以取下来重新安装到新的位置上去，比如把手、上臂、下臂的模块取下来安装到脚、小腿、大腿上，则可以对下半身及躯干的运动进行测量和运动指导。从而在运动模块数量比较少、成本比较低的情况下完成全身的运动测量和指导。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (12)

1.一种多节点运动测量与分析系统，其特征在于，所述的多节点运动测量与分析系统包括：至少一个运动测量模块及一接收器单元；所述运动测量模块通过可调节夹具绑定在运动器械上，或者绑定在人体上，并且在所述人体上的绑定位置根据不同的测量需求重新分布；

所述的运动测量模块包括：

传感器模块，用于测量所述运动测量模块的加速度、角速度信息；

第一微处理器模块，连接所述的传感器模块，用于根据所述的加速度、角速度信息生成方位信息；

第一RF模块，连接所述的第一微处理器模块，用于接收所述的加速度、角速度及方位信息，并发送给所述的接收器单元；

所述的接收器单元接收各个所述的运动测量模块中的所述的第一RF模块发送来的加速度、角速度及方位信息，根据所述的加速度、角速度及方位信息生成运动信息；并且对运动测量模块在绑定到人体上不同位置时进行校准。

2.根据权利要求1所述的多节点运动测量与分析系统，其特征在于，所述运动测量模块的数量为2或多个，其中一个运动测量模块通过可调节夹具绑定在运动器械上；另外的运动测量模块绑定在人体上，并且在所述人体上的绑定位置根据不同的测量模式重新分布。

3.根据权利要求2所述的多节点运动测量与分析系统，其特征在于，其中一个运动测量模块向另外的运动测量模块发送时间同步指令。

4.根据权利要求2所述的多节点运动测量与分析系统，其特征在于，所述的接收器单元向每个运动测量模块发送时间同步指令。

5.根据权利要求3或4所述的多节点运动测量与分析系统，其特征在于，所述的接收器单元根据实时收到的各个运动测量模块的数据确定人体各个部位与运动器械的运动时序。

6.根据权利要求5所述的多节点运动测量与分析系统，其特征在于，所述的人体各个部位与运动器械的运动时序包括身体各个部位与运动器械的加速度在时间轴上达到峰值的先后顺序，达到峰值的时间间隙的大小，加速度峰值的大小；身体各部位与运动器械的速度在时间轴上达到峰值的先后顺序，达到峰值的时间间隙的大小，速度峰值的大小；身体各部位与运动器械的角度在时间轴上达到峰值的先后顺序，达到峰值的时间间隙的大小，角度峰值的大小。

7.根据权利要求1所述的多节点运动测量与分析系统，其特征在于，所述的接收器单元还用于将预先设定的参考运动信息中的运动轨迹以3D图形显示，并把运动信息中的运动轨迹以3D图形显示。

8.根据权利要求1所述的多节点运动测量与分析系统，其特征在于，所述运动器械上设置虚拟激光器，用于直观显示所述运动器械的运动轨迹。

9.根据权利要求2所述的多节点运动测量与分析系统，其特征在于，绑定在所述人体上的运动测量模块的数量根据不同的测量模式进行升级。

10.根据权利要求1所述的多节点运动测量与分析系统，其特征在于，所述的传感器模块包括：

三轴MEMS微加速度计，用于测量所述运动测量模块的加速度；

三轴MEMS微陀螺仪，用于测量所述运动测量模块的角速度。

11.根据权利要求10所述的多节点运动测量与分析系统，其特征在于，所述的传感器模块包括三轴MEMS微磁力计，用于测量所述运动测量模块的磁力。

12.根据权利要求11所述的多节点运动测量与分析系统，其特征在于，所述的第一微处理器模块具体用于：根据所述三轴MEMS微加速度计测量的重力加速度向量及所述三轴MEMS磁力计测量的磁力向量计算生成所述运动测量模块的静态三维姿态角度；根据所述三轴MEMS微陀螺仪测量的角速度计算生成所述运动测量模块的动态三维姿态角度；根据所述的静态三维姿态角度对所述的动态三维姿态角度进行修正，得到所述的运动测量模块的方位信息。

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