CN110720922B

CN110720922B - 对象身体尺寸测量方法、装置和系统

Info

Publication number: CN110720922B
Application number: CN201810783625.8A
Authority: CN
Inventors: 徐蔚峰; 郁彦彬
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2018-07-17
Filing date: 2018-07-17
Publication date: 2022-07-15
Anticipated expiration: 2038-07-17
Also published as: CN110720922A

Abstract

本发明涉及身体尺寸测量领域，尤其涉及一种基于可穿戴惯性测量单元的对象身体尺寸测量方法、装置和系统。所述方法包括如下步骤：在所述对象执行涉及一个或多个可转动部位的测量动作时，通过与所涉及的一个或多个可转动部位相关联的至少一个惯性测量单元采集运动数据；基于来自所述相关联的至少一个惯性测量单元中的每个惯性测量单元的运动数据来计算该惯性测量单元的旋转半径；并且根据所述相关联的至少一个惯性测量单元的旋转半径以及所述相关联的至少一个惯性测量单元与各自的可转动部位的相应位置关系来计算所述一个或多个可转动部位的尺寸。与传统身体尺寸测量方法相比，本发明的身体尺寸测量方法更加简单、高效。

Description

对象身体尺寸测量方法、装置和系统

技术领域

本发明涉及测量技术领域，尤其涉及一种对象身体尺寸测量方法、装置和系统。

背景技术

制造自动化是先进制造技术中的重要组成部分。其内涵就是发挥人的核心作用，人与机器共同组成一个系统，各自执行自己最擅长的工作，从而得到整个系统的最佳效益。当今，人机混合生产线被引入各类工厂中。当工程师设计机器生产线时，通过使用工业设计软件很容易知道机器的自动化移动。但是，工程师却很难知道人与机器交互的移动。

随着运动捕获技术的发展，工程师可以直接模拟出所设计的机器生产线与人的交互，知道所设计的机器是否适合人类操作，以及该机器是否能够与同一生产线的其它机器和人适当工作。这通常被称为人机分析。当工程师模拟混合生产线的人机交互时，人体尺寸是人机分析中的重要参数。人体尺寸的测量偏差影响被捕获运动的精度，进一步影响人机分析的结果。

目前，人体尺寸只能通过传统的长度测量工具或者专门的身体尺寸测量装置进行测量。传统的长度测量工具例如为直尺或卷尺。该方法需要测量所有的关节，操作复杂且耗时。有时，甚至需要他人的帮助。专门的身体尺寸测量装置例如为专利CN104434111A中描述的光学测量设备或专利KR101822571B1中描述的图像测量设备。这些方法测量速度快、精度高，且方便用户操作，但是却花费更多，因为需要额外购置专门的测量设备。而且，这些专门的测量设备不能被复用于运动捕获。

尽管在例如专利CN107422857A中描述的光学传感器既能进行运动捕获也能获得高精度的人体尺寸信息。但是，这种方法的硬件成本更高，算法更复杂，而且极大地受到光环境的影响，测量容易受到干扰。

因此，需要改进的身体尺寸测量方法和装置，以克服上述以及其他问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种简单、高效的对象身体尺寸测量方法、装置和系统，其允许进一步获得对象的运动姿态。

第一方面，提供一种对象身体尺寸测量方法，其中，一个或多个惯性测量单元(IMU)已被附着到所述对象的至少一个可转动部位，所述方法包括如下步骤：

在所述对象执行涉及一个或多个可转动部位的测量动作时，通过与所涉及的一个或多个可转动部位相关联的至少一个惯性测量单元采集运动数据；

基于来自所述相关联的至少一个惯性测量单元中的每个惯性测量单元的运动数据来计算该惯性测量单元的旋转半径；并且

根据所述相关联的至少一个惯性测量单元的旋转半径以及所述相关联的至少一个惯性测量单元与各自的可转动部位的相应位置关系来计算所述一个或多个可转动部位的尺寸。

惯性测量单元(IMU)是测量物体三轴姿态角(或角速率)以及加速度的装置。一般的，一个IMU包含了三个单轴的加速度计和三个单轴的陀螺，加速度计检测物体在载体坐标系统独立三轴的加速度信号，而陀螺检测载体相对于导航坐标系的角速度信号，测量物体在三维空间中的角速度和加速度，并以此解算出物体的姿态。常规地，IMU大多用在需要进行运动控制的设备，如汽车和机器人上；也被用在需要用姿态进行精密位移推算的场合，如手机、潜艇、飞机、导弹和航天器的惯性导航设备等。本发明的发明人首先注意到，由于IMU能够测量物体在三维空间中的角速度ω和加速度a，因此如果将向心加速度的公式a＝ω²×r(其中a表示向心加速度，ω表示物体圆周运动的角速度，而r表示物体圆周运动的半径)变型为r＝a/ω²，那么就能根据从IMU获得的角速度ω和加速度a这样的运动数据计算出IMU的运动半径。在这种情况下，如果将IMU附着到人体的可转动部位(例如手臂)上，并指挥人让附着有IMU的可转动部位围绕相应的关节进行规定的测量动作(例如匀速圆周运动)，那么就能够根据IMU与可转动部位的位置关系获得该可转动部位的尺寸。考虑到IMU本身就用于运动捕获，因此本发明实际上采用运动捕获设备来进行身体尺寸测量。因而，并未增加额外的身体尺寸测量设备。因此，本发明的身体尺寸测量方法在成本上要比光学测量方法便宜的多。由此，本发明为例如西门子工业设计软件的人机分析提供了用于人体尺寸测量的简单有效的测量方法。

应能领会到，尽管本发明的具体实施例采用惯性测量单元来测量对象身体尺寸以及运动姿态，但是其他可以采集物体运动的加速度和角速度的测量设备也是可以应用于本发明的构思的。

术语“可转动部位”指的是诸如人体的对象可围绕相应关节或骨骼转动的身体部分，例如包括头、肩膀、大臂、小臂、手掌、手指、腰部、大腿、小腿、脚，等等。

术语“测量动作”指的是所述可转动部位围绕诸如相应关节或骨骼的解剖结构点进行的转动或圆周运动。这样，本发明就能更有利地使用来自IMU的运动数据并借助向心加速度的公式来计算身体相应部位的尺寸。应能领会到，所述测量动作也可以是其他类圆周运动。在这种情况下，只要增加适当的传感器，就能与IMU共同测量所述运动半径，进而确定相应部位的尺寸。

术语“运动数据”指的是IMU采集的物体(例如可转动部位)在三维空间中的角速度ω和加速度a。

优选地，所述圆周运动为匀速圆周运动。这样，仅借助IMU采集的运动数据就可以执行所述计算，并且算法简单。即使所述圆周运动为非匀速圆周运动，也可以通过增加适当的传感器来执行所述计算。

在本发明的一个示例中，对所述旋转半径的所述计算优选地还包括：确定每个惯性测量单元进行所述匀速圆周运动的时间区间；根据每个惯性测量单元在所述时间区间内每个采样时间点处采集的运动数据来计算该惯性测量单元在该采样时间点处的瞬时旋转半径；并且通过对每个惯性测量单元在所述时间区间内的瞬时旋转半径求平均来计算每个惯性测量单元的旋转半径。采用每个IMU的平均旋转半径，而不是直接使用每个IMU的瞬时旋转半径，可以减少测量误差，从而提高身体部位尺寸测量的精度。

在本发明的另一个示例中，对所述旋转半径的所述计算优选地还包括：确定每个惯性测量单元静止时的开始时间；确定每个惯性测量单元进行所述匀速圆周运动的时间区间；计算每个惯性测量单元在所述时间区间内的速度；计算每个惯性测量单元在所述时间区间内的角速度；并且基于所述速度和所述角速度来计算每个惯性测量单元的旋转半径。这样，提供了一种替代的方法来计算每个IMU的旋转半径。

在本发明的又一个示例中，所述速度优选地是通过对每个惯性测量单元在所述时间区间内各采样时间点处的瞬时速度求平均来计算得到的；并且，所述角速度优选地是通过对每个惯性测量单元在所述时间区间内各采样时间点处的瞬时角速度求平均来计算得到的。这种通过“先平均再计算”的方式能够更好地滤除测量误差。

在本发明的再一个示例中，如果连续N个采集的运动数据的变化小于第一阈值，则最后一个采集的运动数据的采样时间点被设定为所述时间区间的时间下限；并且如果连续M个采集的运动数据的变化大于第二阈值，则第一个采集的运动数据的采样时间点被设定为所述时间区间的时间上限，其中N、M均为大于2的正整数。通过这种方式，可用更准确地判断出IMU是否执行匀速圆周运动。

所述圆周运动例如包括前后摆动、左右摆动和上下摆动中的至少一种。这样，可以根据不同可转动部位的解剖结构特性，执行相应的圆周运动，从而提高了测量效率。另外，考虑到有些可转动部位可能无法执行完整的圆周运动，例如，受限于解剖结构，头部无法执行完整的前后或左右圆周运动，因此确定出IMU进行圆周运动的时间区间是非常有必要的。

第二方面，提供了一种计算机可读介质，其存储有计算机程序可读代码，所述计算机程序可读代码被配置为使得在由合适的计算机或处理器运行时，使所述计算机或处理器执行前面任一段落所述的方法。

第三方面，提供了一种计算设备，包括一个或多个处理器；以及存储器。所述存储器存储一个或多个指令，所述指令在被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器执行前面任一段落所述的方法。

第四方面，提供了一种对象身体尺寸测量装置，所述装置包括：

一个或多个惯性测量单元，其被配置为被附着到所述对象的至少一个可转动部位，其中，在所述对象执行涉及一个或多个可转动部位的测量动作时，与所涉及的一个或多个可转动部位相关联的至少一个惯性测量单元被进一步配置为采集运动数据；以及

计算单元，其被配置为基于来自所述相关联的至少一个惯性测量单元中的每个惯性测量单元的运动数据来计算该惯性测量单元的旋转半径，并被配置为根据所述相关联的至少一个惯性测量单元的旋转半径以及所述相关联的惯性测量单元与各自的可转动部位的相应位置关系来计算所述一个或多个可转动部位的尺寸。

在本发明的一个示例中，所述计算单元优选地被集成在所述惯性测量单元中。由于IMU采用微机电系统(MEMS)，因此很容易将计算单元与IMU集成在一起。这样的集成芯片不但能够更加快速地计算出对象可转动部位的尺寸，而且相对于光学测量设备成本十分低廉。

在本发明的另一个示例中，所述计算单元优选地与所述惯性测量单元是分立的。在这种情况下，所述装置优选地还包括接收单元，所述接收单元被配置为接收从所述惯性测量单元发送的所述运动数据。相应地，所述计算单元优选地被配置为从所述接收单元获得所述运动数据并执行所述计算。这样，本发明可以方便地采用现成的IMU来测量运动数据，从而简化了对所述对象身体尺寸测量装置的结构设计。

第五方面，提供了一种运动捕获系统，包括：

根据前面段落所述的对象身体尺寸测量装置；以及

姿态分析单元，其被配置为通过组合所述至少一个可转动部位的所述尺寸和来自所述一个或多个惯性测量单元的实时运动数据来分析所述至少一个可转动部位的实时姿态。

借助于这样的运动捕获系统，本发明不但能够简单、高效地测量人体身体部位的尺寸，而且还能够同时分析出各部位的运动姿态。由此，本发明在不需要单独估计人体尺寸的情况下，改善了人机分析的精度。另外，本发明的运动捕获系统也不容易受到环境因素的影响。此外，基于IMU的运动捕获系统比光学定位系统要便宜的多。

在本发明的一个示例中，所述对象身体尺寸测量装置优选地包括至少17个惯性测量单元以用于全身运动捕获。这样，本发明还能够测量对象的整体身体长度。鉴于惯性测量单元的价格低廉，即使17个惯性测量单元的总体成本也远远低于专门的光学测量设备。

本领域的技术人员在阅读并理解说明书之后将意识到本申请的其他方面。

附图说明

下面将结合实施例并且参照附图更加具体地介绍和解释本发明，在附图中：

图1为17个惯性测量单元布置在人体上的示意图。

图2为本发明实施例提供的运动捕获系统的结构框图。

图3为本发明实施例提供的对象身体尺寸测量方法300的流程图。

图4为本发明实施例提供的IMU旋转半径计算方法400的流程图。

图5为本发明另一实施例提供的IMU旋转半径计算方法500的流程图。

图6为本发明实施例提供的用于进行对象身体尺寸测量的计算设备的方框图。

附图标记列表：

1～17：穿戴在人体各可转动部位上的IMU

100：人体

200：运动捕获系统

210：身体尺寸测量装置

220：一个或多个IMU

230：运动数据接收器

240：身体尺寸计算单元

250：姿态分析单元

300：对象身体尺寸测量方法

310：在进行测量动作时采集运动数据

320：将采集到的运动数据发送到运动数据接收器

330：根据每个IMU采集的运动数据来计算该IMU的旋转半径

340：根据旋转半径和相应的位置关系来计算可转动部位的尺寸

400：IMU旋转半径计算方法

410：确定每个IMU进行圆周运动的时间区间

420：计算每个IMU的瞬时旋转半径

430：通过对每个IMU在时间区间的瞬时旋转半径求平均来计算每个IMU的旋转半径

500：IMU旋转半径的另一计算方法

510：确定每个IMU静止时的开始时间

520：确定每个IMU进行圆周运动的时间区间

530：计算每个IMU在时间区间内的平均速度

540：计算每个IMU在时间区间内的平均角速度

550：基于所述平均速度和所述平均角速度来计算每个IMU的旋转半径

600：计算设备

610：一个或多个处理器

620：存储器

具体实施方式

如前所述，在逐步推进的人机混合生产方式中，人体尺寸是人机分析的重要参数。目前，要么采用诸如直尺或卷尺的长度测量工具要么采用光学或图像测量设备来进行人体尺寸的测量。但是，前者操作复杂且耗时，后者虽然速度快、精度高，却成本高昂，还需要另置专门的测量设备和复杂的分析软件。为此，本发明开创性地使用惯性测量单元(IMU)来测量诸如人体的对象身体尺寸。基于IMU的对象身体尺寸测量简单、高效，加速了人机分析的仿真和验证，从而加速了人机混合生产线的设计周期。而且，与光学测量相关，基于IMU的对象身体尺寸测量不容易受到环境因素的影响。

下面结合附图对本发明实施例提供的方法和设备进行详细说明。

图1为17个惯性测量单元布置在人体上的示意图。

采用惯性测量单元(IMU)进行人体尺寸测量，就需要首先将用到的IMU穿戴在待测人体100的适当部位。优选地，如图1所示，为了测量整个身体各部位尺寸，将至少17个IMU布置在人体100背面的不同可转动部位处。例如，将IMU 1布置在人体100的中间腰椎、将IMU 2布置在人体100的锁骨与脊柱相交处的正下方、将IMU 3布置在人体100的头部正中央、将IMU 4布置在人体100的左侧锁骨中央、将IMU 5布置在人体100的左大臂中央、将IMU 6布置在人体100的左小臂中央、将IMU 7布置在人体100的左手掌中央、将IMU 8布置在人体100的右侧锁骨中央、将IMU 9布置在人体100的右大臂中央、将IMU 10布置在人体100的右小臂中央、将IMU 11布置在人体100的右手掌中央、将IMU 12布置在人体100的左大腿中央、将IMU13布置在人体100的左小腿中央、将IMU 14布置在人体100的左脚跟、将IMU 15布置在人体100的右大腿中央、将IMU 16布置在人体100的右小腿中央、将IMU 17布置在人体100的右脚跟。在图1中，实心圆点表示各部位转动所围绕的关节或骨骼(例如腰椎)。应当能够理解，针对测量的部位，可以选择适当数量的IMU，并将其布置在相应的位置处。另外，为了进行更精确的测量，更多数量的IMU也是允许的。在一个示例中，可以将IMU事先布置在专门的外套中，以方便待测人员穿上所述外套就能将各个IMU固定到适当的位置处。

图2为本发明实施例提供的运动捕获系统200的结构框图。

运动捕获系统200包括一个或多个惯性测量单元(IMU)220、运动数据接收器230、身体尺寸计算单元240和姿态分析单元250。IMU 220可以如上所述地那样在进行测量之前被布置到待测人员中可转动部位的适当位置。在测量期间，待测人员按照要求将被测量尺寸的可转动部位执行相应的测量动作，同时所述IMU 220实时采集运动数据。优选地，IMU采集的运动数据包括测量部位在三维空间中的角速度ω和加速度a。IMU 220的采样率优选地大于200Hz。应当能够理解，如果不进行姿态分析，以其他采样率采集的运动数据也能用来计算身体尺寸。在一个示例中，运动捕获系统200可以通过语音或图像的方式根据数据库中预先存储的测量动作要求来指挥待测人员执行相应的测量动作。在另一示例中，操作员可以根据相应的测量动作要求口头指挥待测人员。

在一个示例中，身体尺寸计算单元240可以被集成到IMU 220中。于是，身体尺寸计算单元240可以被配置为根据IMU采集的运动数据来计算相应的可转动部位的尺寸。具体计算方法将在下文进行详细描述。在这种情况下，IMU 220和身体尺寸计算单元240可以共同构成对象身体尺寸测量装置210。这样，可以将计算得到的对象身体尺寸用于各种目的。

在另一示例中，IMU 220将测得的运动数据发送给分立的运动数据接收器230。然后，身体尺寸计算单元240接收来自运动数据接收器230的运动数据并据此计算出相应的可转动部位的尺寸。在这种情况下，身体尺寸计算单元240与IMU 220也是分立的，并且IMU220、运动数据接收器230以及身体尺寸计算单元240可以共同构成对象身体尺寸测量装置210(未示出)。这样的对象身体尺寸测量装置可以直接采用市售的各自IMU，因而简化了结构设计。

无论以何种方式计算出可转动部位的尺寸，姿态分析单元250通过组合来自身体尺寸计算单元240的身体尺寸结果和来自运动数据接收器230的由IMU 220实时测量的运动数据而分析一个或多个可转动部位的姿态。有利地，通过采用惯性测量单元(IMU)，本发明可以同时进行身体部分尺寸测量和运动姿态分析。

图3为本发明实施例提供的对象身体尺寸测量方法300的流程图。该方法优选地可以通过图2所示的运动捕获系统200或对象身体尺寸测量装置210来执行。应当理解，所述方法300也可以通过其他方式，例如其他计算单元或计算机处理器来执行。

在诸如待测人员的对象已穿戴好适当数量的IMU之后，就可以开始对象身体尺寸测量。

在步骤310处，针对待测量并已布置有IMU的可转动部位，待测人员按照要求执行涉及一个或多个可转动部位的测量动作。同时，与所涉及的一个或多个可转动部位相关联的至少一个IMU采集运动数据。优选地，所述运动数据包括可转动部位在三维空间中的角速度ω和加速度a。

可选地，在步骤320处，例如通过有线连接或无线连接，相关联的IMU将各自采集到的运动数据分别发送到运动数据接收器230。在身体尺寸计算单元240集成到IMU 220中的情况下，相关联的IMU也可以将所采集到的运动数据直接输出给身体尺寸计算单元240。在这种情况下，可以省略步骤320。

在步骤330处，例如身体尺寸计算单元240，根据相关联的至少一个IMU中的每个IMU采集到的运动数据来计算该IMU的旋转半径r_i_j，其中i表示测量动作的组序号，而j表示IMU的号码。旋转半径的具体计算方法将参照附图4-5进行详细描述。

在一个示例中，所述测量动作包括(但不限于)以下动作，且要计算的相应旋转半径为：

1、弯腰并保持头与后背在一条直线上，同时获得IMU 2、IMU 3、IMU 4和IMU 8的旋转半径：r_1_2、r_1_3、r_1_4和r_1_8。

2、T字站位，转动身体并手臂与肩膀在一条直线上，同时获得IMU 4和IMU 8的旋转半径：r_2_4和r_2_8。

3、抬头和低头并保持头与颈部在一条直线上，同时获得IMU 3的旋转半径：r_3_3。

4、摆动整个手臂并保持大臂、小臂和手掌在一条直线上，同时获得IMU 5、IMU 6、IMU 7、IMU 9、IMU 10和IMU 11的旋转半径：r_4_5、r_4_6、r_4_7、r_4_9、r_4_10和r_4_11。

5、摆动小臂并保持小臂与手掌在一条直线上，同时获得IMU 6、IMU 7、IMU 10和IMU 11的旋转半径：r_5_6、r_5_7、r_5_10和r_5_11。

6、摆动手掌，同时获得IMU 7和IMU 11的旋转半径：r_6_7和r_6_11。

7、摆动整条腿并保持大腿与小腿在一条直线上，保持脚垂直于小腿，同时获得IMU12、IMU 13、IMU 14、IMU 15、IMU 16和IMU 17的旋转半径：r_7_12、r_7_13、r_7_14、r_7_15、r_7_16和r_7_17。

8、摆动小腿并保持脚垂直于小腿，同时获得IMU 13、IMU 14、IMU 16和IMU 17的旋转半径：r_8_13、r_8_14、r_8_16和r_8_17。

9、摆动脚，同时获得IMU 14和IMU 17的旋转半径：r_9_14和r_9_17。

应能领会到，在每个测量动作被执行之前最好静止至少1秒钟。优选地，这些测量动作是所涉及的一个或多个可转动部位围绕相应的关节或骨骼(例如腰椎)进行的稳定、顺滑的至少部分圆周运动，包括前后摆动、左右摆动和上下摆动中的至少一种。更优选地，所述测量动作为匀速圆周运动。根据测量需要，本领域技术人员也能想到其他测量动作。为了更好的测量结果，每个测量动作都要做一次以上。

应能领会到，根据运动捕获的需要可以省略一些测量动作。例如，如果只需要对人体上半身进行运动捕获，则上述针对下半身的测量动作7、8、9可以被省略。如果只需要对手臂进行运动捕获，则只需完成上述涉及手臂的测量动作4、5、6。

有利地，身体尺寸测量也可以扩展到手指的长度测量。手指长度测量的原理与手臂/腿长度测量的原理一样。

在步骤340处，例如身体尺寸计算单元240，根据所述相关联的至少一个惯性测量单元的旋转半径以及所述相关联的至少一个惯性测量单元与各自的可转动部位的相应位置关系来计算所述一个或多个可转动部位的尺寸。

在一个示例中，每个可转动部位到其转动相应的关节或骨骼的距离d可以根据该可转动部位所涉及的IMU以及所述IMU与各自的可转动部位的相应位置关系来计算得到。例如，各可转动部位的相关距离的计算等式如下所示：

d_身体＝(r_1_4+r_1_8+(r_1_3-r_1_2))/3；

d_头＝r_3_3；

d_肩膀宽度＝(r_4_5-r_2_4)+(r_4_9-r_2_8)；

d_左大臂＝r_4_6-r_5_6；

d_右大臂＝r_4_10-r_5_10；

d_左小臂＝r_5_7-r_6_7；

d_右小臂＝r_5_11-r_6_11；

d_左半手掌＝r_6_7；

d_右半手掌＝r_6_11；

d_左大腿＝r_7_13-r_8_13；

d_右大腿＝r_7_16-r_8_16；

d_左小腿＝(r_8_14²-r_9_14²)^1/2；

d_右小腿＝(r_8_17²-r_9_17²)^1/2。

在阅读并理解本发明之后，本领域技术人员应能到其他部位该如何计算。替代地，也可以采用其他类似方法来计算可转动部位的尺寸。

图4为根据本发明一个示例的用于计算IMU旋转半径r_i_j的方法400的流程图。该方法优选地可以通过图2所示的身体尺寸计算单元240来执行。应当理解，所述方法400也可以通过其他方式，例如其他计算单元或计算机处理器来执行。假设每个IMU都围绕诸如关节或骨骼的解剖点进行匀速圆周运动。那么，根据向心加速度的公式可以导出，所述IMU到该点的距离为r＝a/ω²，其中a是向心加速度而ω是IMU圆周运动的角速度。所述a和ω也是IMU的输出。所计算出的距离就是IMU的旋转半径。

在步骤410处，例如身体尺寸计算单元240或计算机处理器，确定每个IMU进行圆周运动，优选进行匀速圆周运动的时间区间[t₁，t₂]。

理想情况下，当IMU进行匀速圆周运动时，其切线加速度为零，只具有与运行方向垂直的固定的向心加速度。因此，当IMU连续采集到N个运动数据且这N个运动数据的变化小于预先定义的第一阈值时，例如当N个连续采集的加速度a的变化小于阈值thre_a_t1并且N个连续采集的角速度ω的变化小于阈值thre_ω_t1时，将这些运动数据中最后一个采集的运动数据的时间确定为所述时间区间的下限t₁。当IMU再次连续采集到M个运动数据且这M个运动数据的变化大于预先定义的第二阈值时，例如当M个连续采集的加速度a的变化大于阈值thre_a_t2并且M个连续采集的角速度ω的变化大于阈值thre_ω_t2时，将这些运动数据中第一个采集的运动数据的时间确定为所述时间区间的上限t2。这里，N、M均为大于2的正整数。

在步骤420处，例如身体尺寸计算单元240或计算机处理器，根据每个IMU在所述时间区间[t₁，t₂]内每个采样时间点处采集的运动数据来计算该IMU在该采样时间点处的瞬时旋转半径。

根据等式r_i_j_k＝a_k/ω_k ²来计算瞬时旋转半径。在该等式中，a_k是所述时间区间[t₁，t₂]期间加速度的第k次采样值，而ω_k是所述时间区间[t₁，t₂]期间加速度的第k次采样值，其中k＝1，…,M(M为大于1的正整数)。这样，获得了包含M个瞬时旋转半径的集合。

在步骤430处，例如身体尺寸计算单元240或计算机处理器，通过对每个IMU在所述时间区间[t₁，t₂]内的瞬时旋转半径r_i_j_k求平均来计算每个IMU的旋转半径r_i_j。可以使用任何平均方法，例如算术平均、平方评价、调和平均，等等。

图5为根据本发明另一个示例的用于计算IMU旋转半径r_i_j的方法500的流程图。该方法优选地可以通过图2所示的身体尺寸计算单元240来执行。应当理解，所述方法500也可以通过其他方式，例如其他计算单元或计算机处理器来执行。假设每个IMU都围绕诸如关节或骨骼的解剖点进行匀速圆周运动。那么，根据向心加速度的公式可以导出，所述IMU到该点的距离还可以为r＝v/ω，其中v表示IMU圆周运动的线速度(切向速度)而ω是IMU圆周运动的角速度。所述ω也是IMU的输出，而v能够根据IMU的输出计算得到。所计算出的距离就是IMU的旋转半径。

在步骤510处，例如身体尺寸计算单元240或计算机处理器，确定每个IMU静止时的开始时间t₀。

理想情况下，当IMU静止时，其角速度ω和加速度a都接近零。因此，当IMU连续采集到N个运动数据且这N个运动数据的变化小于预定阈值thre_zero时，例如当N个连续采集的加速度a的变化小于阈值thre_a_zero并且N个连续采集的角速度ω的变化小于阈值thre_ω_zero时，将这些运动数据中最后一个采集的运动数据的时间确定为开始时间t₀。

在步骤520处，例如身体尺寸计算单元240或计算机处理器，确定每个IMU进行圆周运动，优选进行匀速圆周运动的时间区间[t₁，t₂]。

在步骤530处，例如身体尺寸计算单元240或计算机处理器，计算每个IMU在所述时间区间[t₁，t₂]内的平均速度

在所述时间区间[t₁，t₂]内的任意采样时间点处，IMU的瞬时速度为

在该等式中，a_t是时间区间[t₁，t₂]内采样时间t_i处的加速度而t_s是采样间隔。那么，在时间区间[t₁，t₂]内进行匀速圆周运动的平均速度为

其中n是时间区间[t₁，t₂]内采样数据的数量。

在步骤540处，例如身体尺寸计算单元240或计算机处理器，计算每个IMU在所述时间区间[t₁，t₂]内的平均角速度

在时间区间[t₁，t₂]内进行匀速圆周运动的平均角速度为

其中n是时间区间[t₁，t₂]内采样数据的数量，而ω_i是时间区间[t₁，t₂]内采样时间t_i处的瞬时角速度。

在步骤550处，例如身体尺寸计算单元240或计算机处理器，基于所述平均速度

和所述平均角速度

来计算每个IMU的旋转半径

应能领会到，在本发明的构思下，本领域技术人员也可以采用其他方法来计算每个IMU的旋转半径。

图6为本发明实施例提供的用于进行对象身体尺寸测量的计算设备600的方框图。根据一个实施例，计算设备600可以包括一个或多个处理器610。处理器610执行在计算机可读存储介质(即，存储器620)中存储或编码的一个或多个计算机可读指令。

在一个实施例中，在存储器620中存储计算机可执行指令，其当执行时使得一个或多个处理器610执行前述的任一种方法。

本发明实施例提供的机器可读介质上存储有机器可读指令，该机器可读指令在被处理器执行时，使处理器执行前述的任一种方法。具体地，可以提供配有机器可读介质的系统或者装置，在该机器可读介质上存储着实现上述实施例中任一实施例的功能的软件程序代码，且使该系统或者装置的计算机或处理器读出并执行存储在该机器可读介质中的机器可读指令。

在这种情况下，从机器可读介质读取的程序代码本身可实现上述实施例中任何一项实施例的功能，因此机器可读代码和存储机器可读代码的机器可读介质构成了本发明的一部分。

机器可读介质的实施例包括软盘、硬盘、磁光盘、光盘(如CD-ROM、CD-R、CD-RW、DVD-ROM、DVD-RAM、DVD-RW、DVD+RW)、磁带、非易失性存储卡和ROM。可选择地，可以由通信网络从服务器计算机上或云上下载程序代码。

需要说明的是，上述各流程和各系统结构图中不是所有的步骤和模块都是必须的，可以根据实际的需要忽略某些步骤或模块。各步骤的执行顺序不是固定的，可以根据需要进行调整。上述各实施例中描述的系统结构可以是物理结构，也可以是逻辑结构，即，有些模块可能由同一物理实体实现，或者，有些模块可能分由多个物理实体实现，或者，可以由多个独立设备中的某些部件共同实现。

以上各实施例中，硬件单元可以通过机械方式或电气方式实现。例如，一个硬件单元可以包括永久性专用的电路或逻辑(如专门的处理器、FPGA或ASIC)来完成相应操作。硬件单元还可以包括可编程逻辑或电路(如通用处理器或其它可编程处理器)，可以由软件进行临时的设置以完成相应操作。具体的实现方式(机械方式、或专用的永久性电路、或者临时设置的电路)可以基于成本和时间上的考虑来确定。

上文通过附图和优选实施例对本发明进行了详细展示和说明，然而本发明不限于这些已揭示的实施例，基与上述多个实施例本领域技术人员可以知晓，可以组合上述不同实施例中的代码审核手段得到本发明更多的实施例，这些实施例也在本发明的保护范围之内。

综上，本发明实施例提供了一种基于可穿戴惯性测量单元的对象身体尺寸测量方法、装置和系统。在将一个或多个惯性测量单元附着到所述对象的至少一个可转动部位之后，所述方法包括如下步骤：在所述对象执行涉及一个或多个可转动部位的测量动作时，通过与所涉及的一个或多个可转动部位相关联的至少一个惯性测量单元采集运动数据；基于来自所述相关联的至少一个惯性测量单元中的每个惯性测量单元的运动数据来计算该惯性测量单元的旋转半径；并且根据所述相关联的至少一个惯性测量单元的旋转半径以及所述相关联的至少一个惯性测量单元与各自的可转动部位的相应位置关系来计算所述一个或多个可转动部位的尺寸。与传统身体尺寸测量方法相比，本发明的身体尺寸测量方法更加简单、高效。而且，本发明还能进一步分析运动姿态，由此加速了人机分析的仿真和验证，进而加速了人机混合生产线的设计周期。

Claims

1.对象身体尺寸测量方法(300)，其中，一个或多个惯性测量单元(220)已被附着到所述对象(100)的至少一个可转动部位，所述方法包括如下步骤：

在所述对象执行涉及一个或多个可转动部位的测量动作时，通过与所涉及的一个或多个可转动部位相关联的至少一个惯性测量单元(220)采集运动数据(310)；所述测量动作包括可转动部位围绕相应的解剖结构点的至少部分匀速圆周运动；

确定每个惯性测量单元进行所述匀速圆周运动的时间区间[t₁，t₂]；其中，如果连续N个采集的运动数据的变化小于第一阈值，则最后一个采集的运动数据的采样时间点被设定为所述时间区间的时间下限t₁；并且如果连续M个采集的运动数据的变化大于第二阈值，则第一个采集的运动数据的采样时间点被设定为所述时间区间的时间上限t₂，其中N、M均为大于2的正整数；

基于来自所述相关联的至少一个惯性测量单元(220)中的每个惯性测量单元在所述时间区间[t₁，t₂]内的运动数据来计算该惯性测量单元的旋转半径(330)；并且

根据所述相关联的至少一个惯性测量单元(220)的旋转半径以及所述相关联的至少一个惯性测量单元(220)与各自的可转动部位的相应位置关系来计算所述一个或多个可转动部位的尺寸(340)。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，基于来自所述相关联的至少一个惯性测量单元(220)中的每个惯性测量单元在所述时间区间[t₁，t₂]内的运动数据来计算该惯性测量单元的旋转半径(330)，包括：

根据每个惯性测量单元在所述时间区间[t₁，t₂]内每个采样时间点处采集的运动数据来计算该惯性测量单元在该采样时间点处的瞬时旋转半径(420)；并且

通过对每个惯性测量单元在所述时间区间[t₁，t₂]内的瞬时旋转半径求平均来计算每个惯性测量单元的旋转半径(430)。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，基于来自所述相关联的至少一个惯性测量单元(220)中的每个惯性测量单元在所述时间区间[t₁，t₂]内的运动数据来计算该惯性测量单元的旋转半径(330)，包括：

计算每个惯性测量单元在所述时间区间[t₁，t₂]内的平均速度

(530)；

计算每个惯性测量单元在所述时间区间[t ₁，t₂]内的平均角速度

(540)；并且

基于所述平均速度

和所述平均角速度

来计算每个惯性测量单元的旋转半径(550)。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述平均速度

是通过对每个惯性测量单元在所述时间区间[t₁，t₂]内各采样时间点处的瞬时速度(v_i)求平均来计算得到的；并且其中，所述平均角速度

是通过对每个惯性测量单元在所述时间区间[t₁，t₂]内各采样时间点处的瞬时角速度(ω_i)求平均来计算得到的。

5.根据权利要求1-4中的任一项所述的方法，其中，所述测量动作包括前后摆动、左右摆动和上下摆动中的至少一种。

6.计算机可读介质，其存储有计算机程序可读代码，所述计算机程序可读代码被配置为使得在由合适的计算机或处理器运行时，使所述计算机或处理器执行权利要求1-5中的任一项所述的方法。

7.计算设备(600)，包括：

一个或多个处理器(610)；以及

存储器(620)，所述存储器存储一个或多个指令，所述指令在被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器执行根据权利要求1-6中的任一项所述的方法。

8.对象身体尺寸测量装置(210)，包括：

一个或多个惯性测量单元(220)，其被配置为被附着到所述对象的至少一个可转动部位，其中，在所述对象执行涉及一个或多个可转动部位的测量动作时，与所涉及的一个或多个可转动部位相关联的至少一个惯性测量单元(220)被进一步配置为采集运动数据；所述测量动作包括可转动部位围绕相应的解剖结构点的至少部分匀速圆周运动；以及

计算单元(240)，其被配置为确定每个惯性测量单元进行所述匀速圆周运动的时间区间[t₁，t₂]；其中，如果连续N个采集的运动数据的变化小于第一阈值，则最后一个采集的运动数据的采样时间点被设定为所述时间区间的时间下限t₁；并且如果连续M个采集的运动数据的变化大于第二阈值，则第一个采集的运动数据的采样时间点被设定为所述时间区间的时间上限t₂，其中N、M均为大于2的正整数；基于来自所述相关联的至少一个惯性测量单元(220)中的每个惯性测量单元在所述时间区间[t₁，t₂]内的运动数据来计算该惯性测量单元的旋转半径，并且被配置为根据所述相关联的至少一个惯性测量单元(220)的旋转半径以及所述相关联的至少一个惯性测量单元(220)与各自的可转动部位的相应位置关系来计算所述一个或多个可转动部位的尺寸。

9.根据权利要求8所述的装置，其中，所述计算单元(240)被进一步配置为：

根据每个惯性测量单元在所述时间区间[t₁，t₂]内每个采样时间点处采集的运动数据来计算该惯性测量单元在该采样时间点处的瞬时旋转半径；并且

通过对每个惯性测量单元在所述时间区间[t₁，t₂]内的瞬时旋转半径求平均来计算每个惯性测量单元的所述旋转半径。

10.根据权利要求8所述的装置，其中，所述计算单元(240)被进一步配置为：

计算每个惯性测量单元在所述时间区间[t₁，t₂]内的平均角速度

并且

基于所述平均速度

和所述平均角速度

来计算每个惯性测量单元的旋转半径。

11.根据权利要求10所述的装置，其中，所述计算单元(240)被进一步配置为通过对每个惯性测量单元在所述时间区间[t₁，t₂]内各采样时间点处的瞬时速度(v_i)求平均来计算所述平均速度

并且通过对每个惯性测量单元在所述时间区间[t₁，t₂]内各采样时间点处的瞬时角速度(ω_i)求平均来计算所述平均角速度

12.根据权利要求8-11中的任一项所述的装置，其中，所述计算单元(240)被集成在所述惯性测量单元(220) 中。

13.根据权利要求8-11中的任一项所述的装置，其中，所述计算单元(240)与所述惯性测量单元(220)是分立的，其中，所述装置还包括接收单元(230)，所述接收单元被配置为接收从所述惯性测量单元(220)发送的所述运动数据，并且其中，所述计算单元(240)被配置为从所述接收单元(230)获得所述运动数据并执行所述计算。

14.运动捕获系统(200)，包括：

根据权利要求8-13中的任一项所述的对象身体尺寸测量装置(210)；以及

姿态分析单元(250)，其被配置为通过组合计算出的所述一个或多个可转动部位的所述尺寸和来自所述一个或多个惯性测量单元的实时运动数据来分析所述一个或多个可转动部位的实时姿态。

15.根据权利要求14所述的系统，其中，所述对象身体尺寸测量装置(210)包括至少17个惯性测量单元(220)以用于全身运动捕获。