CN107885335A - 一种基于有机柔性纤维应变传感器的动作捕捉系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开的一种基于有机柔性纤维应变传感器的动作捕捉系统，包括数据采集控制装置、PC机及若干个有机柔性纤维应变传感器；其中，所述有机柔性纤维应变传感器为核壳结构纤维，内层为敏感材料层，外层为绝缘保护层，通过编织方式嵌入可穿戴仿行编织物中；有机柔性纤维应变传感器通过引线与数据采集控制装置的输入端相连，数据采集控制装置固定在可穿戴仿行编织物上；PC机通过无线网络与有机柔性纤维应变传感器及数据数据采集控制装置连接，并能够根据数据采集控制装置处理所得的动作姿态数据进行姿态计算并实时重建人体动作姿态模型。该系统绝缘效果好，准确度高，使用安全，能够更好的实现人体细微动作的捕捉。

Description

一种基于有机柔性纤维应变传感器的动作捕捉系统

技术领域

本发明涉及智能传感器、可穿戴技术及动作捕捉技术领域，具体涉及一种基于有机柔性纤维应变传感器的动作捕捉系统。

背景技术

近年来，随着虚拟现实(VR)技术的迅猛发展，动作捕捉技术引起了广泛的关注和重视。动作捕捉技术是准确测量运动物体在三维空间的运动状态的技术，通过安装在特定运动部位的传感器获得运动物体的姿态信息，并将其传输到PC机，经过数据处理得到运动部位的空间信息，并应用计算机图形技术进行姿态重构。动作捕捉技术在动画制作、人机交互、游戏、体育训练和康复治疗等领域具有广阔的应用前景。

上世纪70年代末，迪士尼公司率先将动作捕捉技术应用在动画制作过程中。随后计算机技术的快速发展，动作捕捉技术不断提高，并逐步走向实用化。时至今日，动作捕捉技术的实现方案也越来越多，根据其中传感设备的不同，可以分为机械式、光学式、声学式、电磁式以及惯性式。2009年微软推出Kinect体感摄像机，它依靠相机捕捉三维空间的运动动作，已经成功应用在医疗手术、体感游戏等方面。但是该系统受遮挡因素的影响，只能完成部分人体运动信息采集。惯性式捕捉技术是目前研究最多、应用较好的技术。我国公司南京布塔信息科技有限公司推出基于惯性式的动作捕捉技术。荷兰XSENS也推出相应的惯性测量单元。但是，这些技术成本均较高，很难准确捕捉微小动作(手指弯曲等)，同时对体验者的动作限制较大。可以说，动作捕捉技术是今后动画制作、医疗和游戏领域的重要技术。但是，目前已有的动作捕捉技术普遍存在传感系统精度低、成本高、对细微动作敏感程度低等不足，还不能大范围推广应用。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于有机柔性纤维应变传感器的动作捕捉系统，该系统绝缘效果好，准确度高，使用安全，能够更好的实现人体细微动作的捕捉。

本发明是通过以下技术方案来实现：

本发明公开了一种基于有机柔性纤维应变传感器的动作捕捉系统，包括数据采集控制装置、PC机及若干个有机柔性纤维应变传感器；其中：

所述有机柔性纤维应变传感器为核壳结构纤维，内层为敏感材料层，外层为绝缘保护层，通过编织方式嵌入可穿戴仿行编织物中；有机柔性纤维应变传感器通过引线与数据采集控制装置的输入端相连，数据采集控制装置固定在可穿戴仿行编织物上；PC机通过无线网络与有机柔性纤维应变传感器及数据数据采集控制装置连接，并能够根据数据采集控制装置处理所得的动作姿态数据进行姿态计算并实时重建人体动作姿态模型。

优选地，有机柔性纤维应变传感器的内层敏感材料为碳材料与聚二甲基硅氧烷聚合物的复合可拉伸材料。

优选地，碳材料为石墨烯、碳纳米管和还原氧化石墨烯中的一种或几种。

优选地，有机柔性纤维应变传感器的外层绝缘保护层为高弹性的聚二甲基硅氧烷聚合物。

优选地，有机柔性纤维应变传感器的核壳结构纤维的直径为0.8～2mm；内层敏感层的直径为0.5～1.5mm。

优选地，每个有机柔性纤维应变传感器通过数据总线连接至数据采集控制装置，并通过ZigBee无线传输至PC机进行数据处理和图像重建。

优选地，每个有机柔性纤维应变传感器为一个独立节点，用于获得所处部位的姿态数据。

优选地，数据采集控制装置采用STM32微处理器为核心，包含JN5139无线透传模块、SP3485收发器芯片和电源模块，满足数据实时采集和传送要求。

优选地，PC机通过三维建模软件设计三维人体模型，然后导入人体姿态重构软件，通过读取人体动作姿态数据，进行解析、转换、缩放，得到对应的旋转角度值，最后驱动三维虚拟模型相应部分绕相应轴进行旋转，实现人体姿态的捕捉。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明公开的基于有机柔性纤维应变传感器的动作捕捉系统，包括用于获得人体运动部位的运动姿态数据的若干个有机柔性纤维应变传感器，用于对人体运动姿态数据进行处理的数据采集控制装置，以及具有PC软件和能够根据数据采集控制装置处理所得的姿态数据进行计算并实时重构人体的动作姿态模型的PC机；可以通过构建传感器单元来获取人体的动作的姿态信息，将人体抽象成多个关键关节，将人体各个关节的动作姿态融合来模拟整个人体模型的动作姿态；再通过无线传输技术实现关节点数据的传输；最后在PC端对获得的姿态数据进行处理，实时重建人体动作姿态；以无线的方式实现人体动作的捕捉，能克服现有技术中远程操纵难的缺陷。具体优点如下：

1、本发明的有机柔性纤维应变传感器具有类似导线的核壳结构，使得柔性应变传感器绝缘效果好，体积小，准确度高，使用安全，对人体动作影响小，同时具有良好的编织特性，适合于可穿戴设备。

2、本发明所采用的有机柔性纤维应变传感器，能对手指等的细微动作实现高精度测量，可以更好地实现人体细微动作的捕捉。

3、本发明所应用的有机柔性纤维应变传感器成本低廉，使得整个系统成本大幅降低。

4、本发明采用无线传输技术，使得设备结构简单。对动作束缚小，因而具有广阔的市场应用前景。

附图说明

图1是本发明基于有机柔性纤维应变传感器的动作捕捉系统示意图；

图2是本发明基于有机柔性纤维应变传感器的动作捕捉系统框图；

图3是本发明中有机柔性纤维应变传感器的横断面结构示意图；

图4是本发明的数据采集示意图；

图5是本发明的传感器节点布置示意图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

参见图1，本发明公开的一种基于有机柔性纤维应变传感器的动作捕捉系统，包含固定于人体各个关节处的有机柔性纤维应变传感器，数据采集控制装置，用于数据传输的无线传输网络和数据处理的PC机。

本发明的基于有机柔性纤维应变传感器的动作捕捉系统的主要工作原理，可参见图2，包含多个有机柔性纤维应变传感器，数据采集控制装置，PC机。所述的有机柔性纤维应变传感器是一种核壳结构纤维，内层是敏感材料，外层是绝缘保护层，如图3所示。通过编织方式嵌入可穿戴仿形织物；所述的有机柔性纤维应变传感器引线采用导电银胶连接，并采用绝缘粘接剂密封处理，有机柔性纤维应变传感器的引线与数据采集控制装置的输入端相连；数据采集控制装置采用绝装置密封，并固定在仿形编织物上；PC机为安装有人体模型重建软件、数据处理系统，通过ZigBee无线网络与有机柔性纤维应变传感器、数据采集控制装置进行连接，并能够根据所述数据采集控制装置处理所得的动作姿态数据进行姿态计算并实时重建人体动作姿态模型。

如图3所示，所述有机柔性纤维应变传感器为一种核壳结构的聚合物复合纤维材料，所述核壳结构的纤维应变传感器的内层直径为0.5～1.5mm，整体直径尺寸为0.8～2mm；所述外层绝缘保护层为高弹性的聚二甲基硅氧烷聚合物；所述的敏感材料是碳材料与聚二甲基硅氧烷聚合物的复合可拉伸材料，具体实施时，聚二甲基硅氧烷为Smooth-on公司的Ecoflex系列硅橡胶，绝缘粘接剂为室温固化的硅橡胶粘接剂Sil-Poxy(Smooth-on)。

所述敏感层掺杂的碳材料为石墨烯、碳纳米管、还原氧化石墨烯中的任意一种或多种的组合。

所述仿形编织物为弹性的针织物，织物的材质为纯棉、化纤、合成材料、混纺或亚麻。具体实施时，仿形织物为锦纶或氨纶。

其中，每个有机柔性纤维应变传感器单元之间通过数据总线连接至主控制系统，并通过ZigBee以无线传输方式传输至PC端进行数据处理和图像重建。ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议，是一种短距离、低功耗的无线通讯技术。具体实施时，主控制系统包括与STM32微处理器，和电池模块(选用锂离子电池，供电续航能力强)，以及JN5139无线透传模块，SP3485收发器，RS485总线结构等。PC机通过人体模型重建软件对该动作姿态数据进行解算，驱动建立的三维人体模型运动，具体通过Direct3D图形显示库进行三维动画编程实现人体动作的显示。该基于有机柔性纤维应变传感器的动作捕捉系统的数据采集和传输示意图可参见图4。具体地，本实施例的基于有机柔性纤维应变传感器的动作捕捉系统中，各子系统的设置如下：

1)传感器节点

在上述传感器网络中，每个传感器就是一个独立的节点，主要用于获得各个关键部件的姿态数据。这里采用常规的分层骨架结构模型将人体模型抽象出17个关键关节点，相应的关节分别是臀腹关节、左胸肩关节、右胸肩关节、左肩关节、右肩关节、左肘关节、右肘关节、左腕关节、右腕关节、胸颈关节、头颈关节、左腿根关节、右腿根关节、左膝关节、右膝关节、左躁关节和右躁关节。各个关节点的姿态信息经过处理后就可以有效的反映整个人的动作姿态。如图5所示，每一个黑色圆点代表一个关节部位。

本实施例的基于有机柔性纤维应变传感器的动作捕捉系统，将人体运动模型抽象成17个关键节点(如图5所示的黑色圆点)，通过在这些关键部位固定柔性纤维传感器来实时地采集人体的姿态数据。然后将采集的姿态数据通过RS485总线传送至主控制系统，主控制系统处理后通过ZigBee无线网络协议传输至PC端。

2)数据采集控制装置

数据采集控制装置采用STM32微处理器为核心，包含JN5139无线透传模块、SP3485收发器芯片和电源模块，电源模块选用锂离子电池。能够满足数据实时采集和传送的要求。

3)数据处理和图像重建系统(PC机)

通过3Dmax设计的三维人体模型，采用插件导出.X文件格式，.X文件中包含模型的所有顶点及Mesh数据，最后将其导入Direct3D。通过读取无线接收端串口获得的人体动作姿态数据，然后根据读取的数据，进行适当的解析、转换、缩放，得到对应的旋转角度值，最后驱动虚拟模型相应部分绕相应轴进行旋转，实现人体姿态的捕捉。

综上所述，本发明实施例阐述了基于有机柔性纤维应变传感器的动作捕捉系统的设计原理和实现方法，该基于有机柔性纤维应变传感器的动作捕捉系统通过构建17个传感器节点来获取人体的动作的姿态信息，将人体抽象成多个关键关节，将人体各个关节的动作姿态融合来模拟整个人体模型的动作姿态；通过ZigBee无线传输技术实现关节点数据的传输；最后在PC端对获得的姿态数据进行处理，实时重建人体动作姿态；以无线的方式实现人体动作的捕捉，能克服现有技术中远程操纵难的缺陷。

Claims (9)

1.一种基于有机柔性纤维应变传感器的动作捕捉系统，其特征在于，包括数据采集控制装置、PC机及若干个有机柔性纤维应变传感器；其中：

所述有机柔性纤维应变传感器为核壳结构纤维，内层为敏感材料层，外层为绝缘保护层，通过编织方式嵌入可穿戴仿行编织物中；有机柔性纤维应变传感器通过引线与数据采集控制装置的输入端相连，数据采集控制装置固定在可穿戴仿行编织物上；PC机通过无线网络与有机柔性纤维应变传感器及数据数据采集控制装置连接，并能够根据数据采集控制装置处理所得的动作姿态数据进行姿态计算并实时重建人体动作姿态模型。

2.根据权利要求1所述的基于有机柔性纤维应变传感器的动作捕捉系统，其特征在于，有机柔性纤维应变传感器的内层敏感材料为碳材料与聚二甲基硅氧烷聚合物的复合可拉伸材料。

3.根据权利要求2所述的基于有机柔性纤维应变传感器的动作捕捉系统，其特征在于，碳材料为石墨烯、碳纳米管和还原氧化石墨烯中的一种或几种。

4.根据权利要求1所述的基于有机柔性纤维应变传感器的动作捕捉系统，其特征在于，有机柔性纤维应变传感器的外层绝缘保护层为高弹性的聚二甲基硅氧烷聚合物。

5.根据权利要求1所述的基于有机柔性纤维应变传感器的动作捕捉系统，其特征在于，有机柔性纤维应变传感器的核壳结构纤维的直径为0.8～2mm；内层敏感层的直径为0.5～1.5mm。

6.根据权利要求1所述的基于有机柔性纤维应变传感器的动作捕捉系统，其特征在于，每个有机柔性纤维应变传感器通过数据总线连接至数据采集控制装置，并通过ZigBee无线传输至PC机进行数据处理和图像重建。

7.根据权利要求1～6中任意一项所述的基于有机柔性纤维应变传感器的动作捕捉系统，其特征在于，每个有机柔性纤维应变传感器为一个独立节点，用于获得所处部位的姿态数据。

8.根据权利要求1～6中任意一项所述的基于有机柔性纤维应变传感器的动作捕捉系统，其特征在于，数据采集控制装置采用STM32微处理器为核心，包含JN5139无线透传模块、SP3485收发器芯片和电源模块，满足数据实时采集和传送要求。

9.根据权利要求1～6中任意一项所述的基于有机柔性纤维应变传感器的动作捕捉系统，其特征在于，PC机通过三维建模软件设计三维人体模型，然后导入人体姿态重构软件，通过读取人体动作姿态数据，进行解析、转换、缩放，得到对应的旋转角度值，最后驱动三维虚拟模型相应部分绕相应轴进行旋转，实现人体姿态的捕捉。