CN107643823A - 运动捕捉服装与用牛仔和其他服装捕捉运动的系统和方法 - Google Patents

运动捕捉服装与用牛仔和其他服装捕捉运动的系统和方法 Download PDF

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Abstract

一种实时运动捕捉系统(80)和服装(2)包括可穿戴活动监视器，其可以是一条牛仔裤。该可穿戴活动监视器包括多个传感器(30)，诸如设置在该服装(2)的缝合线(4)内的加速计、陀螺仪、磁力计。微处理器(40)和无线发射机(58)将运动数据传达给外部设备(64)。该微处理器(40)和无线发射机(58)可以包括在一个缝合线(4)内。弹性伸缩带(32)或柔性带(32)(诸如聚酰亚胺(kapton)带或织物制成的带)电耦合该传感器(30)和微处理器(40)并也设置在缝合线(4)内，并且缝合线内的组件用防水涂层(34)来涂敷。该外部设备(64)能够存储数据，或实时显示和分析数据，并且可以将该数据传达到进一步的电子设备(68)。

Description

运动捕捉服装与用牛仔和其他服装捕捉运动的系统和方法
技术领域
本发明涉及运动捕捉(短时运动捕捉)领域，即记录物体或人的移动的过程。本发明可以被用于军事、娱乐、体育、医疗以及各种其他应用。
背景技术
运动捕捉通常用于体育研究、电影制作和视频游戏研发中，以供借助于一个或多个相机来记录人类行动者的动作，这些相机配置成检测附连到行动者的身体的确定点处的多个标记的位置。这些标记可以用逆向反光材料来涂敷，从而反射在相机镜头附近产生的光。替换地，这些标记可以被提供有光源，例如，LED。相机的阈值可以被调节，所以仅有标记的光将会被采样到，而忽视行动者的皮肤和织物。所记录的移动可以由此被用来在3D环境中动画化数字角色模型。
进一步的技术提供了用以运动捕捉的无标记(marker-less)办法。这些系统不要求用户穿戴用于追踪的标记。借助于特殊的计算机算法，有可能来分析多流光学输入并标识人形，将它们分解成用于追踪的组成部分。
在上述提及的系统中，要求有一个或多个相机以供检测并记录用户的运动。结果，运动捕捉仅能够在录影棚中或在(诸)相机的视野范围内的有限空间中来实施。
机械追踪器，包括用户穿戴的刚性或柔性角度计也是公知的。这些角度测量设备向处理器提供了关节角度数据，其中运动学算法被用来确定用户的身体的位置。常规机械追踪系统受到不良精准度的不利影响，特别是当存在一个以上自由度时。
已知惯性测量设备被用于检测标记的位置而不需要相机，但是其一般与可以仅被用作运动捕捉系统的系统联用，并且一般是明显可见的、相对较重、笨重且通常是针对短期使用而设计的不舒适的装置。
需要改进的运动捕捉系统和便于使用的运动捕捉系统。
发明内容
本发明的一个目的是克服以上所列现有技术办法的缺陷并提供运动捕捉服装以及能够使用穿着舒适且具有时尚外观的服装来可靠地检测穿戴者的移动的运动捕捉系统。
本发明的进一步的目的在于提供简便地组装到服装上并能够用可靠的方式洗涤的运动捕捉系统。
这些和其他目的由本发明借助于如权利要求1所述的服装，通过如权利要求12所述的运动捕捉系统，通过如权利要求13所述的用于监视和分析运动的方法，以及通过如权利要求18所述的运动捕捉电路来达成。在诸从属权利要求将指示本发明的各优选方面。
具体而言，根据本发明，该服装包括织物并包括包含在该服装的缝合线内的多个惯性测量单元(IMU)。IMU被有益地配置成检测所有三轴上的360度的运动。
该方面有益地通过使用物理上舒适和/或具有时尚外观的日常服装来使得穿戴者的运动在用户的日常活动期间被检测到。
优选地，该服装进一步包括设置在该服装上或该服装中并电耦合到该多个IMU的至少一个微控制器。
根据本发明的一方面，该至少一个微控制器被包含在至少一个缝合线内。
一些实施例提供了，该服装进一步包括设置在至少一个缝合线内的LED和振动部件中的至少一者。这些实施例允许向用户提供视觉上和/或触觉上的有用信息。
优选地，该服装由牛仔布制成，以及在一些实施例中，该织物可以由弹性牛仔布制成。根据本公开的一方面，该多个IMU包括多个加速计。优选地，该多个IMU进一步包括多个陀螺仪和多个磁力计。该多个IMU与至少一个外部数据接收和处理设备(诸如，智能电话、计算机、或提供有处理器的其他电子设备)处于电通信。优选地，该服装进一步包括设置在该服装中或该服装上并适配成将来自该IMU的数据传送到外部数据接收和处理设备的无线发射机。
该多个IMU可以沿该缝合线，由设置在该缝合线内的柔性材料带彼此耦合。该柔性材料可以是塑料、或织物或导电纱。该带可包括多个电连接(诸如导电迹线、导线、电缆以及类似)以形成通信总线。
一些实施例提供了，该带是弹性伸缩达至少10％，且该电连接沿该带以弯曲路径(即，连续非线性路径)(诸如波浪状或锯齿状路径)布置。换言之，通过在该带的两端施加确定的力，该带可以被拉伸(即，通过增加其长度进行变形)达至少10％。当该力被移除时，该带弹性地返回到其原始大小。该电连接的波浪状或锯齿状或弯曲图案防止该连接在该带被拉伸时损坏。
这些实施例有益地增强了穿着舒适度，从而穿戴者在穿戴该服装时不会注意到嵌入在改服装中的电子元件的存在。
根据本公开的一方面，该服装进一步包括在带和IMU上以及在缝合线内的防水涂层。这方面有益地提供了该服装的电子组件与汗水、水以及任何其他液体或其他流体(诸如在洗涤期间将会经历的)隔离。
一些实施例可以提供，该服装是一条裤子。在一些此类裤子的实施例中，该缝合线包括，对于该条裤子的每条裤腿而言，沿穿戴者的腿纵向延伸的外侧缝合线和/或沿穿戴者的腿纵向延伸的内侧缝合线。每个外侧缝合线和/或每个内侧缝合线包括沿穿戴者的胫骨部分设置的至少一个IMU和沿穿戴者的腿的下方部分设置的至少一个IMU。
在一些此类裤子的实施例中，该缝合线包括沿穿戴者的腰部延伸的腰部缝合线。该腰部缝合线包括当穿戴时沿穿戴者的下背部设置的至少一个IMU。
在其他实施例中，该服装可以是上半身服装，诸如各种类型和版型的衬衫。
本发明的一个进一步的目的在于一种运动捕捉系统，其包括服装，设置在该服装中或该服装上并适配成至少传送来自惯性测量单元(IMU)的数据的无线发射机或收发机，以及外部设备，该服装包括织物且包括包含在该服装的缝合线内的多个IMU，该外部设备包括适配成接收并分析所传送的数据的处理器以及显示该数据的显示器。
优选地，该外部设备基于该数据控制至少一个另外的电子设备。
本发明的系统的一些实施例提供了，该多个IMU包括沿该缝合线由其上具有涂层的柔性材料带彼此耦合的至少一个加速计、至少一个陀螺仪和至少一个磁力计。经涂敷的聚酰亚胺(kapton)带进一步设置在该缝合线内，并且进一步包括在该缝合线中的耦合到该柔性带的LED和振动部件中的至少一者。在一些实施例中，IMU可以是由弹性伸缩总线彼此连接的电子元件岛，该弹性伸缩总线例如以波浪状或锯齿状路径布置的提供有电缆的织物总线。IMU可以形成在普通PCB上并可以涂敷有涂层，诸如树脂或模制塑料。
优选地，该系统进一步包括设置在该缝合线内的至少一个微控制器，该多个IMU由其上具有涂层的柔性材料带彼此耦合以及耦合道该微控制器，该经涂敷的带进一步设置在该缝合线内。
本发明的另一目的是提供用于实时监视和分析运动的方法，该方法包括：
-从设置在服装的缝合线内的多个惯性测量单元(IMU)获取运动数据，该服装置于非静止实体上；
-以及显示和分析该数据中的至少一者。
根据本发明的一方面，该方法进一步包括设置在一个缝合线内的至少一个微控制器，该至少一个微控制器无线地向一设备传送该数据，该设备包括处理器和显示器中的至少一者，其中该显示和分析中的至少一者包括分析关于人类穿戴者的股骨、胫骨和腓骨的每一者的角度、偏转、平移、位置和加速度的运动数据。
一些实施例可以提供，该方法进一步包括借助于至少一个IMU(优选地是布置在沿穿戴者的腰设置的服装的缝合线内的IMU)来检测重力矢量的步骤。在这些实施例中，获取运动数据的步骤是使用作为参考的重力矢量来执行的。
优选地，获取运动数据的方法步骤包括从加速计、陀螺仪和磁力计获得运动数据。该方法可包括使用应用线性二次估计方法的算法来分析数据。
一些实施例可以提供，该方法进一步包括使用该数据控制至少一个电子设备。优选地，该显示和分析数据中的至少一者包括在视觉显示器上视觉地显示与该运动数据相关联的移动。
一些实施例可以提供，该方法包括在收集时段收集运动数据以及在期望时显示所收集的数据的步骤。显示所收集的运动数据的步骤可包括显示每个人类穿戴者的股骨以及每个人类穿戴者的胫骨或腓骨的角度的静态分布(例如，直方图)。
本发明的一个进一步的目的是一种运动捕捉电路，其包括柔性材料带、由该带彼此耦合的多个惯性测量单元(IMU)、电连接到该IMU的微控制器、以及适配成将来自该IMU的数据传送到至少一个外部数据接收和处理设备的无线发射机，该柔性材料带包括形成通信总线的多个电连接。优选地，该带可弹性收缩达至少10％，并且该电连接沿该带用波浪状、锯齿状或其他弯曲路径布置。
有益地，该电路进一步包括防水涂层，该IMU和该带涂敷有由低压模塑工艺生成的防水涂层。该防水涂层在该带的电缆连接到IMU之后被施加，从而该防水涂层覆盖并密封整个IMU和该带的端点部分，其中该总线连接到IMU。
根据本发明的特定方面，使得该带被包含在服装的缝合线内。
根据一些实施例，该电路可包括一个或多个电池，例如可再充电电池。
附图说明
本发明从以下结合附图的详细说明中得到最好理解。需要强调，根据通常的实践，附图的各特征并不一定是按比例的。相反，为了清楚期间，各特征的尺寸被任意地放大或缩小。整个说明书和附图中，相同的数字标记相同的特征。
-图1示出了根据本公开各实施例的可穿戴活动监视器服装。图1A提供了图1中所示的服装的一部分的放大视图。
-图2示出了根据本公开各实施例的可穿戴活动监视器服装的缝合线的横截面视图。
-图3A示出了根据本公开各实施例的由设置在可穿戴活动监视器服装的缝合线内的柔性连接器耦合在一起的惯性测量单元IMU。
-图3B和3C示出了根据本公开各实施例的形成IMU的通信总线的弹性伸缩带。图3D示出了图3B和3C的弹性伸缩带的横截面视图。
-图4A-4C示出了根据本公开各实施例的用于将传感器放置在可穿戴活动监视器服装上的各种布置。
-图5是解说根据本公开各实施例的方法的流程图。
-图6是根据本公开的各个实施例的运动捕捉系统的示意表示。
-图7示出了根据本公开特定实施例的所收集并显示的运动数据的图形表示。
具体实施方式
本公开提供了实时运动捕捉系统和服装。该服装是可穿戴活动监视器并且可以是一件衬衣或一条牛仔裤或者任何各种其他服装，并且其可以用牛仔布或其他合适的材料制成。可穿戴活动监视器包括多个传感器，诸如惯性测量单元，IMU。这多个惯性测量单元包括加速计、陀螺仪、磁力计和其他传感器。IMU彼此处于电通信，以及与至少一个微处理器处于电通信，并且同样与一个或多个外部数据接收和处理设备处于电通信。IMU有益地全都设置在服装的缝合线内。替换地陈述，在服装中，IMU被包含在形成在织物块之间的缝合线内。微处理器可以被包括在诸缝合线中的一者内，或者包括在服装中或服装上的另一位置处。在各实施例中，触觉通知设备和/或LED也可以被包括在诸缝合线中的一者中。由柔性材料(诸如，织物或塑料或导电纱)制成的带电耦合IMU与微处理器和任何其他设备，并且也被设置在缝合线内来提供缝合线内包含柔性电路板和IMU的准确可穿戴活动追踪器。带可以是柔性电路板(诸如聚酰亚胺(kapton)带)并且可以有益地用防水涂料涂敷，因为缝合线内可能有其他电子组件。
由IMU获得的运动数据可以由无线发射机(诸如配置成传送由IMU生成的数据的无线电天线)无线地传送到外部数据接收和处理设备，诸如计算机或其他处理器。无线发射机被设置在服装上或服装中并可以是微处理器的一部分。本公开提供了有吸引力的、舒适的、时尚的、非阻碍的、轻量级且可洗涤的可穿戴活动追踪器。在服装外不要求有电缆，连接是不可见的且布线是不可见的，因为诸组件设置在缝合线内，其中它们有涂层并由此与汗、水以及任何其他液体或其他流体隔离。
可穿戴活动监视器在医疗、理疗及康复、体育训练、体育表现分析、身体体形记录、姿势及平衡监控、体育伤害预防、行走和跑步的区别分析、监视人群的同步运动、跑步和行走的步态分析、投掷运动分析、监视老年人活动、睡眠器件通过身体移动进行的睡眠呼吸暂停分析领域，以及各种其他领域中得到应用。
IMU可以被放置在缝合线中并且缝合线可以相对于穿戴者的身体放置，从而使用加速计、陀螺仪和磁力计来通过测量身体部分的精确角度、偏转、位置和平移，以及身体部分的加速度和其他移动而在实时基础上来捕捉运动。IMU被有益地配置成检测所有三轴上的360度的运动。在使用具有有限范围的加速计的情况中，可以用互补的方式使用多个加速计来覆盖死角。
例如，以及将在附图中示出的，服装可以是一条裤子并且每条裤腿包括沿与穿戴者腿骨平行的方向延伸的外侧缝合线以及沿与穿戴者腿骨平行的方向延伸的内侧缝合线。外侧和内侧缝合线中的每一者可以包括沿穿戴者的两条大腿(股骨)部分设置的加速计、陀螺仪和磁力计中的每一者，以及同样沿穿戴者的小腿(胫骨和腓骨)设置的加速计、陀螺仪和磁力计三者来测量和监视穿戴者退步的每条骨骼。如上文所述，在本文中描述的一些实施例中，可以用互补方式来使用多个加速计。
本公开还提供了活动追踪系统。该系统包括如上文所述的可穿戴运动捕捉服装和设置在服装中或服装上并适配成能将数据从IMU传送到外部设备的无线发射机，诸如无线电天线。外部设备可包括处理器和显示器。外部设备可包括用于存储数据的存储器。显示器可以在屏幕或其他可视界面(诸如图形用户界面(GUI))上视觉地显示穿戴该服装的多个人的运动。处理器分析从所有IMU接收到的数据。在一些实施例中，外部设备提供反馈消息或警报，而在一些实施例中，外部设备基于数据分析向另一电子设备发送信号。在一些实施例中，系统还包括充当控制其来控制其他电子设备(诸如家用电器、计算机游戏、其他电子设备等等)的服装。从IMU获得的数据被提供到控制器，该控制器进而控制诸如前述示例的电子设备。
本公开还提供了用于实时运动捕捉和此类运动的分析的方法。该方法包括从可穿戴活动监视器(诸如本文中描述的服装)获得数据并将该数据递送给外部数据接收和处理设备，该外部数据接收和处理设备适配成接收并分析该数据以及图形地或以各种其他形式提供数据的显示。在其他实施例i中，该数据被存储并稍后被显示和分析。该方法包括通过将IMU放置在沿缝合线的恰适位置以及通过将缝合线放置在沿穿戴者的身体的恰适的位置来测量多个身体部分实时的精确角度、偏转、位置和平移以及身体部分的加速度和其他移动而获得数据。该方法包括无线地或以其他方式向包括处理器的外部数据接收和处理设备传送数据。外部数据接收和处理设备可以基于数据分析控制另一电子设备和/或提供反馈。各种算法和方法(诸如卡尔曼(Kalman)过滤，也被称作线性二次估计(LQE))可以被用来分析数据并以有用且用户友好的格式来呈现数据。
图1示出了服装2，其在所解说的实施例中是一条裤子。在根据本公开各方面的其他实施例中，服装2可以是任何其他服装，例如，诸如可以由人、其他动物穿戴，或者诸如可以被放置在可移动设备上的其他服装。在所解说的实施例中，服装2包括至少位于每条裤腿10的外侧位置6和内侧位置8的缝合线4。当服装2由穿戴者穿戴时，缝合线4一般沿穿戴者的腿的纵向方向延伸并因此一般与裤腿10的上方部分14的穿戴者的股骨平行以及与裤腿10的下方部分16的穿戴者的胫骨和腓骨平行。
本公开的可穿戴活动监视器的一个优点在于形成可穿戴活动监视器的电子组件被设置在例如缝合线4内并因此是非可视的。替换地陈述，形成可穿戴活动监视器的电子组件被织物包围并在服装缝合线内。缝合线可以是服装的一部分，其中两个重叠的织物部分被结合在一起，但是在其他实施例中，所公开的系统可以被形成在其他类型的服装缝合线中。图1A中示出里的缝合线4的特写。图1和1A中所示的缝合线4表示了一种缝合线实施例，但是各种类型的缝合线在其他实施例中被使用。各种缝合类型和其他方法可以被用来在其他实施例中形成缝合线。在一些特定有益实施例中，服装2是一条牛仔裤，但是在其他实施例中使用其他材料和其他服装。在其他实施例中，服装2可以是由穿戴者穿戴的服装，包括但不限于短裤、衬衫、连体衣、腿套和袖套，以及类似。服装2可以由牛仔布、弹性牛仔布或各种其他合适的材料制成。
服装有益地是紧身服或塑形服，从而设置在缝合线内的内侧测量单元、IMU或其他传感器被相对于穿戴者的身体精确地放置。
图1A示出了由两个织物片20、22形成的缝合线4。两片织物片20、22可以被结合在一起通过缝合26来形成缝合线4。完全在缝合线4内部且以虚线示出的是传感器30和柔性连接器32。传感器30可以是惯性测量单元IMU或其他传感器，以及其他组件。在各种实施例中，传感器30可以是加速计、陀螺仪、磁力计或其他合适的运动传感器，而在其他实施例中，可以使用互补加速计。传感器30彼此处于电通信，以及与至少一个微处理器处于电通信，并且与一个或多个外部数据接收和处理设备处于电通信。在一些实施例中，传感器30被设置在连接带上或者由其他柔性连接器(诸如导线、纤维以及类似)耦合在一起。柔性连接器32同样被设置在缝合线4内并且是窄长形带，诸如其将会适合于常规服装缝合线。在一些实施例中，柔性电路板(诸如聚酰亚胺板(或“聚酰亚胺带”))被用作柔性连接器32。聚酰亚胺(kapton)是由杜邦(DuPont)公司在1960年代晚期研发的聚酰亚胺薄膜，其跨宽范围的温度仍能保持稳定并且通常被用于柔性印刷电路等等。在其他实施例中，可以使用其他柔性类型的电路板和带状或其他形式的其他类型的柔性塑料材料和/或柔性绝缘材料，或各种合适的连接器。在其他实施例中，柔性连接器32可以由其他柔性材料(诸如织物、导电纱或其他合适的材料)形成。柔性连接器32可以是包括多个电连接并形成通信总线的带。如将在以下进一步具体描述的，多个传感器30被耦合到柔性连接器32。
图2示出了诸如图1和1A中所示的缝合线4的横截面视图。传感器30和柔性连接器32被放置在由织物块20、22形成的缝合线4内。在各实施例中，传感器30和柔性连接器32还有益地用防水涂层34涂敷。在一些实施例中，柔性连接器32由防水材料包封电连接支撑并且仅传感器30被用防水涂层34涂敷。各种合适的材料可以被用作防水涂层34，诸如用于隔离电子器件或者与诸如商业上可用的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)树脂(其为一种塑料)的材料冷塑型的树脂涂层。在其他实施例中，可以使用诸如其他热塑性塑料(例如，聚酰胺-6-6，PA66(即，尼龙66))。在还有其他实施例中，其他合适的材料可以被用作防水涂层34。
图3A中示出了设置在柔性连接器上的柔性连接器32和传感器30的一些细节。图3A示出了包括联结到柔性连接器32的多个传感器30的运动捕捉电路。在一些实施例中，柔性连接器32和传感器30安排可包括不大于1.5cm的宽度w，但是其他实施例中使用其他合适的宽度，使得柔性连接器32设置在服装缝合线4内。传感器30可以是惯性测量单元IMU，诸如加速计、陀螺仪和磁力计，但是其他传感器可以用于其他实施例中。已知加速计和陀螺仪分别指示加速度和角速度，并且可以因此被用于准确地指示运动以及可以提供运动捕捉功能。磁力计可以主要充当提供相对于地球磁场的方向信息的罗盘。磁力计对于提供包括绝对方向的位置信息是有用的，特别是与加速计和陀螺仪联用时。传感器30彼此电耦合以及诸如由导电元件(例如，迹线、导线等)电耦合到柔性连接器32上的其他组件，但是其他实施例中使用其他用于电连接的装置。可以使用各种合适的导电材料。例如，柔性连接器32可包括多个电缆38，优选地是同轴电缆38。
在一些实施例中，IMU(即，传感器30)可以是形成在常规PCB上的电子器件岛，并由可以是弹性伸缩柔性连接器的带32彼此连接。具体而言，针对图3B和3C，示出了包括提供有多个电缆38的带32的弹性伸缩总线。电缆38沿弯曲路径(即，连续非线性路径)(诸如波浪状(波状)或锯齿状路径)布置。图3B中所示的带32具有小于图3C中所示的带32的可伸缩性的弹性可伸缩性，从而对于给定长度的带32，图3C的电缆38具有比图3B的实施例长的长度。换言之，对于给定长度的带32，图3C中所示的电缆38允许更大的拉伸。电缆38倾向于在松弛位置(即，缺少拉伸力)比在施加拉伸力时遵循更弯曲的路径。换言之，当拉伸力被施加到带32时，电缆38遵循在形状上更为线性的路径，即，电缆38被拉直(straighten out)。通常，带32可弹性伸缩达至少10％。例如，带32可以由包括通过编织耦合到电缆38的可伸缩纱线的织物形成。
图3D中示出了图3B和3C中所示的带32的横截面视图。在该实施例中，电缆38是具有外导体38a和内导体38b的同轴电缆。例如，一同轴电缆38可以用于将IMU或其他电子组件连接到电源，其他同轴电缆38可以被用于传送数据。
除了传感器30之外，图3A还示出了设置在柔性连接器32上的微控制器40。使用了各种微控制器。在其他实施例中，微控制器40可以被设置在服装2中或服装2上的各种其他位置。在一些实施例中，微控制器可以被设置为牛仔裤上方或皮带上的纽扣，但是微控制器也可以被设置在任何各种其他合适的位置。在各实施例中，柔性连接器32具有蓝牙电路系统以及微控制器40。在各实施例中，微控制器40包括无线地传送从传感器30获得的数据的无线电天线。蓝牙电路系统使得柔性连接器32上的组件和柔性连接器32本身能够与外部数据接收和处理设备(诸如，计算机、平板、蜂窝电话或其他个人电子设备或处理器)通信。蓝牙电路系统包括各种合适的无线传输设备(诸如无线电天线)以将数据无线或以其他方式传送到一个或多个外部组件。
再次参见图3A，柔性连接器32和传感器30的相对宽度可以根据其他实施例而变化。在一些实施例中，柔性连接器32包括放大的平台部分来容适传感器30，并且在其他实施例中，柔性连接器32包括恒定的宽度。柔性连接器32以及因此的传感器30可以使用端子42连接到外部电子设备。在一些实施例中，端子42可以被用来将柔性连接器32连接到电源、电池或电池充电器，或其他电子设备。在一些实施例中，微控制器40包括可以为可再充电电池的电池，并且根据此类实施例，端子42可以提供到电池充电器的连接。在一些实施例中，端子42可以提供到无线发射机的连接，诸如在一些实施例中，可以放置在缝合线外。在一些实施例中，给出触觉或视觉反馈设备39来向穿戴者提供反馈。在一些实施例中，反馈设备39可以是发光二极管，LED设备，而在其他实施例中，反馈设备39可以是用来向穿戴者提供触觉反馈的振动部件。根据各种其他实施例，柔性连接器32可包括同样设置在缝合线4内的附加组件。
在一些实施例中，端子42可以提供到计算机或其他处理器(诸如可以被用来编程微控制器40和/或更新微控制器40的固件)的连接。
图4A给出了根据本公开个方面的缝合线4内的传感器的位置的一个实施例。在图4A中，传感器位置44在裤腿10的上方部分14的缝合线4上，而传感器位置46在裤腿10的下方部分16的缝合线4上。图4A示出了每条裤腿上的外侧位置6上的两个传感器位置44和46以及内侧位置8上的两个传感器位置44和46，但是在其他实施例中可以使用各种其他位置和布置。在一些实施例中，在每个传感器位置44、46，由三个传感器—加速计、陀螺仪和磁力计，但是在其他实施例中，在传感器位置可以使用其他类型和数目的传感器。进一步，在其他实施例中，使用了其他传感器位置。例如，加速计、陀螺仪和磁力计可以放置成在沿服装裤腿10的上方部分14的任何各种其他位置处非常接近彼此，并且在其他实施例中，加速计、陀螺仪和磁力计可以放置成在各种位置远离彼此，但是各自都沿裤腿10的上方部分14。对于沿裤腿10的下方部分16放置传感器30而言也是如此。在一些实施例中，加速计、陀螺仪和磁力计可以放置成在沿下方部分16的任何各种位置(诸如在传感器位置46)处紧邻彼此，以及在其他实施例中，加速计、陀螺仪和磁力计或其他合适的传感器可以在沿下方部分16的各种位置处远离彼此。
本公开提供了通过将IMU或其他传感器放置在沿缝合线的恰适位置以及通过将缝合线放置在沿穿戴者的身体的恰适的位置来使用前述传感器测量多个身体部分实时的精确角度、偏转、位置和平移以及身体部分的加速度和其他移动而获得数据。图4A中的图形48解说了诸如可以从传感器位置44处的三个传感器获得的三个数据曲线51、52、53的示例。
图4A示出了腰部位置7上的进一步的传感器位置45。在该实施例中，服装可包括沿穿戴者的腰延伸的腰部缝合线4。腰部缝合线4包括沿腰部位置7(优选地在穿戴时，在穿戴者的下背部)设置的至少一个IMU 30。
在位置45处设置的IMU可以被用于检测重力矢量，从而通过将在位置45处检测到的重力矢量作为参考，可以获得多个身体部分的角度、偏转、位置和平移。
图4B和4C解说了根据本公开的缝合线4内的运动传感器的布置的两个其他实施例。在图4B中，沿服装裤腿10的上方部分14仅存在一个传感器位置44，并且沿服装裤腿10的下方部分16仅存在一个传感器位置46。在图4B中，传感器位置44、46中的每一者在裤腿10的外侧位置6。相反，在图4C中，沿服装裤腿10的上方部分14仅给存在一个传感器位置44，并且沿服装裤腿10的下方部分16仅存在了一个传感器位置46，但是传感器位置44、46中的每一者位于裤腿10的内侧位置8。
通常，在一条裤子的情况中，服装2的缝合线包括，对于这条裤子的每条裤腿10，沿穿戴者的腿的纵向延伸的外侧缝合线4，和/或沿穿戴者的腿的纵向延伸的内侧缝合线4。每个外侧缝合线4和/或每个内侧缝合线4包括沿穿戴者的股骨设置的至少一个IMU 30和沿穿戴者的腿的下方部分16设置的至少一个IMU 30。
除了图4A-4C中所示的之外，可以使用各种其他数目的传感器和位置，并且传感器可以在各种实施例中被不同地放置。
本公开提供了一种系统和方法，其中运动和方向信息诸如由图3A中所示的微控制器40或服装上或服装中设置的另一合适的无线传送设备无线地传送。参照图5，用于监视并分析实时运动的方法可包括：如上文所描述的，将多个惯性测量单元(IMU)设置在服装的分隔号线内，该服装置于非静止实体上(步骤100)；如上文所描述的，从该多个惯性测量单元(IMU)获取运动数据(步骤102)；以及如本文中所描述的，显示和/或分析数据(步骤104)。与运动数据相关联的移动可以被呈现在视觉显示器上。该方法还可包括将运动数据传达到另一电子设备(步骤106)。
图6示出了根据本发明一个实施例的运动捕捉系统80，其包括与服装2相关联的无线收发机58，该无线收发机58向与外部设备64相关联的收发机62传送数据60，该外部设备64包括适配成接收并分析所传送的数据的处理器以及显示该数据的显示器66。在一些实施例中，运动捕捉系统80还包括另一电子设备68，诸如以下所描述的。在各实施例中，设置在服装2上或服装2中的无线传送设备可以附加地包括发射机和接收机二者并用作无线收发机58。无线收发机58可以使用蓝牙(BT)、低能耗蓝牙(BLE)、或其他合适的无线无线电结束通信模块来通信。外部设备64可以是或可包括计算机、各种处理器和其他数据分析特征。在一些实施例中，外部设备64是平板或蜂窝电话或其他个人电子设备。显示器66可以用许多格式(诸如图形或用表格形式)来显示经分析的数据。在各种有益的实施例中，显示器66用示出服装的穿戴者的实时运动的视觉形式呈现了数据。外部设备64可包括GUI以供用户使用来分析、操纵和显示数据。在各实施例中，外部设备64可以分析和显示实时数据，并还包括存储器，从而数据也可以被存储并在期望时在稍后的时间被分析和显示。
在一些实施例中，显示和分析的步骤104可包括在收集时段收集运动数据的步骤和当期望时显示所收集的数据的步骤。所收集的数据可以如图7中所示的那样被图形地显示，虽然在其他实施例中可以呈现出其他显示。具体而言，外部设备64可以分析所收集的数据并显示每个人类穿戴者的股骨和每个人类穿戴者的胫骨和腓骨的角度的静态分布90(例如直方图)。例如，所收集的运动数据可以用以对应于针对每条腿的股骨(91、92)和胫骨(93、94)收集的最小和最大角度的角度布置的多个分段91-94来显示。图7示出了一条腿(例如，右腿)的所收集的运动数据的图形表示。具体而言，分段91和92表示股骨在收集时段期间达成的最小角度和最大角度。分段93和94表示胫骨在收集时段期间达成的最小角度和最大角度。
用户可以借助图形用户界面在有关一条腿的运动数据的显示和另一条腿的运动数据的显示之间切换，从而可能的非对称的移动可以用简单而直观的方式为用户图形地显示。
各种方法和算法可以被用来处理和分析所传送的运动和位置数据以及用有用的形式来呈现显示或以其他方式呈现数据。在一些实施例中，可使用卡尔曼(Kalman)过滤。卡尔曼过滤(也被称作线性二次估计)是使用一系列随时间观察的测量(包含静态噪声和其他非准确性)并产生比仅基于单个测量更为精准的位置变量的估计(通过使用贝叶斯(Bayesian)推断并估计每个时间帧的变量上的联合可能性分布)的算法。
卡尔曼过滤实施例仅出于示例而呈现，并且在各实施例中，使用了各种数据分析和呈现方法。
在各实施例中，多个服装2向外部设备(诸如外部设备64)传送数据，并且数据处理和分析可包括比较从多个穿戴者接收到的数据。
再次参见图6，在一些实施例中，外部设备64使用接收并经处理的数据来控制电子设备68，诸如通过信号70的方式。在一些实施例中，电子设备68是游戏设备，而在其他实施例中，电子设备68可以是家用电器或汽车电器、计算机游戏、游戏操纵杆，或者其可以表示能够接收信号(从外部设备64无线地或以其他方式传送的)并受此类信号控制的电子设备的任何各种其他应用。可以实现基于穿戴者的移动来玩的各种游戏，并且这些游戏是在移动设备或其他平台上的。在其他实施例中，包括如上文所述的服装2的系统可以直接与电子设备68通信。根据该实施例，数据信号72由无线发射机(诸如收发机58)直接传送到电子设备，而在各实施例中，多个服装可以直接与电子设备68通信。
在各实施例中，系统还可以提供听觉、视觉或其他紧急警报。在一些实施例中，各种移动或移动模式(诸如过度旋转、高冲击或不可缓解的自由落体，或各种其他移动或更多模式)可以触发紧急警报。在一些实施例中，可以向用户提供各种其他形式的视觉和/或触觉反馈，即非紧急通知。警报或其他通知可以被视觉地呈现在诸如各种显示器上，诸如可以在外部设备64上。在其他实施例中，警报或通知可以是触觉通知，诸如可穿戴设备(诸如具有振动电机的蜂窝电话)上的振动。在一些实施例中，服装本身的缝合线(参见图3A中的反馈设备)内的发光二极管LED或振动部件被用来经由视觉和/或触觉反馈向用户传达警报或其他通知。紧急情况的通知或其他反馈可以由外部设备64获得并作为信号74提供给收发机58。在一些实施例中，微控制器40生成通知并将同一通知发送给缝合线内的LED或振动部件。视觉或触觉反馈可以是单词或多次振动响铃(vibrational beeps)(即“振铃(veep)”)或单词或多次LED闪光来告知用户服装被启动、服装处于减少功能组、服装处于全监视功能等等。一些实施例可以提供在由IMU获取的移动数据的基础上，反馈通知可以由外部设备64获得。反馈通知可以作为信号74被提供给收发机58，从而微控制器40生成通知并将同一通知发送给缝合线内的反馈设备39(LED或振动部件)。在一些实施例中，反馈设备39可包括布置在服装的缝合线内与穿戴者身体的特定部分相关联的不同位置处的多个振动部件，从而响应于IMU获取且由外部设备64分析的运动数据，触觉反馈可以别提供给穿戴者的身体的不同部分。例如，触觉反馈可以被用于在锻炼期间通知穿戴者穿戴者的身体部分的错误和/或正确的移动。
在一些实施例中，外部设备64可以提供由无线收发机58接收的固件更新。
所公开的服装和系统使得数据被分析并用于各种有益的目的和应用。在一些实施例中，所公开的系统提供了监视穿戴者穿着的一件以上服装(诸如两件服装，例如，一条裤子和一件上身服装)。在一个实施例中，所公开的服装和系统提供了监视群体体育活动。例如，单个训练者可以同时检查多个运动员来确定当学生在进行他们的训练动作时，是否例如所有的学生都在做正确的事情，或者处于竞赛的目的来检查多个运动员。这可以实时完成或者稍后在线下完成，因为存储数据所要求的存储器的大小是较小的，并且训练者可以稍后比较对象之间的数据并作出各种确定。在其他实施例中，例如，通过分析田径运动员或其他执行者的移动，达成了伤害预防的优点。运动数据可以被用于跑步或行走类型以及平衡分析。数据可以展示那条腿被更多地使用，以及穿戴者的步伐是否在时间上一致。步态分析还可以被用来建议解剖学矫治术以及确定鞋子的合适类型，诸如跑步鞋。可以达成各种其他类型的活动追踪。基于数据分析还可以监视睡眠行为。
在一些实施例中，基于传感器数据和身体测量(诸如高度、重量、腿长以及类似)的整合，数据还可以辅助计算燃烧的卡路里。在还有其他实施例中，执行者(诸如舞蹈演员或田径运动员(诸如滑雪运动员或滑板运动员))可以开发出特定的动作并记录有本公开所提供的捕捉数据，而非不得不回顾可能包括许多无关细节的冗长的视频。
前述仅解说了本公开的原理。因此将理解，本领域内技术人员将能构思出各种布置，它们尽管未在本文中明确描述或示出，但仍然体现了本发明的原理并因此被包括在其精神和范围内。进一步，本文中所记载的所有示例和条件语言主要旨在仅出于教学的目的而表达并旨在辅助理解本公开的原理以及发明人所做出的使本领域进步的概念，并且其被解读为不对此类具体记载的示例和情况进行限制。此外，本文中记载本公开的原理、方面和实施例的所有陈述及其具体示例旨在涵盖其结构和功能上的等同。此外，此类等同旨在包括当前知晓的等同和在未来开发得到的等同，即，所开发出的执行相同功能的任何元素，而无论其结构。
本示例性实施例的描述旨在结合所附附图的图像来阅读，附图应被认为是整个书面描述的一部分。在说明书中，相对关系术语，诸如“下方”、“上方”、“水平”、“垂直”、“以上”、“以下”、“上”、“下”、“顶部”和“底部”及其衍生(例如，“水平地”、“向下地”、“向上地”等等)应当被解读为指随后描述或在正讨论的附图中所示的取向。这些相对关系术语是为了方便描述，并不要求装置以特定取向构建或操作。涉及附连、耦合以及类似(诸如“连接”和“互连”)的术语是指一种关系，其中诸结构被通过中间结构彼此直接或间接紧固或附连，以及二者都可移除或刚性附连或相关，除非另外明确描述。
虽然本发明就诸示例性实施例而言进行了描述，但其并不限于此。相反，所附权利要求应当被广义解读，以包括本发明的其他变体和实施例，这可以由本领域技术人员在不脱离本发明的范围或等同范围的情况下做出。

Claims (21)

1.一种服装(2)，其包括织物并包括包含在所述服装(2)的缝合线(4)内的多个惯性测量单元(IMU)(30)。
2.如权利要求1所述的服装(2)，其特征在于，进一步包括设置在所述服装(2)上或者设置在所述服装(2)的至少一个所述缝合线(4)内、且电耦合到所述多个IMU(30)的至少一个微控制器(40)。
3.如前述任一项权利要求所述的服装(2)，其特征在于，进一步包括设置在所述服装(2)中或所述服装(2)上并适配成将来自所述IMU(30)的数据(60)无线地传送到至少一个外部数据接收和处理设备(64)的无线发射机。
4.如前述任一项权利要求所述的服装(2)，其特征在于，所述多个IMU(30)沿所述缝合线(4)由进一步设置在所述缝合线(4)内的柔性材料带(32)彼此电耦合，并且所述带(32)包括形成通信总线的多个电连接(38)。
5.如权利要求4所述的服装(2)，其特征在于，所述带(32)可弹性伸缩达至少10％，所述电连接(38)沿所述带(32)以弯曲路径布置。
6.如权利要求4或5所述的服装(2)，其特征在于，所述柔性材料包括塑料、织物或导电纱，所述服装(2)进一步包括至少在所述缝合线(4)内的IMU(30)上的防水涂层。
7.如前述任一项权利要求所述的服装(2)，其特征在于，所述服装(2)是一条裤子，优选地由牛仔布制成。
8.如权利要求7所述的服装(2)，其特征在于，所述缝合线(4)包括，对于所述裤子的每条裤腿(10)，沿穿戴者的腿纵向延伸的外侧缝合线(4)和/或沿所述穿戴者的腿纵向延伸的内侧缝合线(4)，每个所述外侧缝合线(4)和/或每个所述内侧缝合线(4)包括沿穿戴者的股骨设置的所述多个IMU(30)中的至少一者，以及沿所述穿戴者的腿的下方部分(16)设置的所述多个IMU(30)中的至少一者。
9.如权利要求8所述的服装(2)，其特征在于，所述缝合线(4)包括沿所述穿戴者的腰部延伸的腰部缝合线(4)，所述腰部缝合线(4)包括其中设置的所述多个IMU(30)中的至少一者。
10.如前述任一项权利要求所述的服装(2)，其特征在于，所述多个IMU(30)包括多个加速计、陀螺仪和磁力计。
11.如前述任一项权利要求所述的服装(2)，其特征在于，进一步包括在至少一个所述缝合线(4)内设置的LED(39)和一个或多个振动部件(39)中的至少一者。
12.一种运动捕捉系统(80)，包括：
如前述权利要求3-11中任一者所述的服装(2)，以及
外部设备(64)，其包括适配成接收和分析所传送的数据(60)的处理器，以及显示所述数据的显示器(66)，优选地，所述外部设备(64)基于所述数据控制至少一个进一步的电子设备(68)。
13.一种用于监视和分析实时运动的方法，所述方法包括：
从设置在服装(2)的缝合线(4)内的多个惯性测量单元(IMU)(30)获取运动数据(102)，所述服装(2)置于非静止实体上；
向包括处理器和显示器(66)中的至少一者的设备(64)无线地传送所述数据(60)；以及
显示和分析所述数据中的至少一者(104)。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，进一步包括所述多个IMU(30)中的一者检测重力矢量，其中所述获取运动数据(102)是使用所述重力矢量作为参考执行的。
15.如权利要求13或14所述的方法，其特征在于，所述显示和分析中的至少一者(104)包括分析关于人类穿戴者的股骨以及所述人类穿戴者的胫骨或腓骨的角度、偏转、平移、位置和加速度的运动数据，以及在所述显示器(66)上视觉地显示与所述运动数据相关联的移动。
16.如权利要求13-15中任一项所述的方法，其特征在于，进一步包括微控制器，所述微控制器接收从所述设备(64)无线地传送(74)的数据，以及基于从所述设备(64)无线地传送(74)的所述数据提供触觉反馈，优选地，所述触觉反馈响应于所述运动数据由所述IMU获取且由所述外部设备(64)分析而被提供给所述穿戴者的身体的不同部分。
17.如权利要求13-16中任一项所述的方法，其特征在于，所述显示和分析中的至少一者(104)包括在收集时段收集所述数据以及当期望时显示所收集的数据，所述显示所收集的数据包括图形地显示每个人类穿戴者的股骨和每个人类穿戴者的胫骨或腓骨的角度的静态分布。
18.一种运动捕捉电路，其包括柔性材料带(32)、由所述带(32)彼此电耦合的多个惯性测量单元(IMU)(30)、与所述多个IMU(30)电连接的微控制器(40)、以及适配成将来自所述IMU(30)的数据无线地传送到至少一个外部数据接收和处理设备(64)的无线发射机(58)，其中所述柔性材料带(32)包括形成通信总线的多个电连接(38)，其中所述带(32)可弹性伸缩达至少10％，所述多个电连接(38)沿所述带(32)以弯曲路径布置。
19.如权利要求18所述的运动捕捉电路，其特征在于，所述无线发射机(58)进一步包括能够从所述至少一个外部数据接收和处理设备(64)接收数据(74)的无线接收机。
20.如权利要求18或19所述的运动捕捉电路，其特征在于，进一步包括防水涂层(34)，所述IMU(30)和所述带(32)涂敷有所述防水涂层(34)，所述防水涂层(34)由低压模塑工艺生成。
21.如权利要求18-20中任一者所述的运动捕捉电路，其特征在于，进一步包括由所述带(32)电连接到所述多个IMU(30)和所述无线接收机(58)的LED(39)和振动部件(39)中的至少一者。
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