CN110766985A - 一种穿戴式运动传感互动教学系统及其运动传感方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种穿戴式运动传感互动教学系统及其运动传感方法，包括信号采集单元和数据处理单元，所述信号采集单元包括主机和若干个从机，若干个所述从机设置在人体各个关节；每个所述从机均包括相互连接的单片机和加速度传感器，每个所述单片机均连接至所述主机；所述数据处理单元包括CPU、输入输出模块、时钟模块和通信模块，所述输入输出模块、所述时钟模块和所述通信模块均与所述CPU相连接；所述通信模块包括实现所述数据处理单元与所述信号采集单元之间数据通信的无线通信模块和实现所述数据处理单元与上位机之间数据通信的通信接口。本发明将穿戴式运动传感技术引入教学，加强实验课程的互动性，具有小型化、低成本、高灵活性等特点。

Description

一种穿戴式运动传感互动教学系统及其运动传感方法

技术领域

本发明涉及人机交互传感技术，特别涉及一种穿戴式运动传感互动教学系统及其运动传感方法。

背景技术

传感器类课程是仪器仪表专业的主修课程，要求学生熟悉各类常用传感器的一般特性、工作原理及应用，掌握测试系统的设计和分析方法，并对测得的数据进行处理。该类课程具有很强的工程性和实践性，通过实验可使学生增加感性认识，进一步加深对理论知识的理解。目前，学院实验室已开设了很多相关的实验内容，供学生学习使用，效果良好。但由于实验条件所限，学生们除了依照规定实验步骤进行实验外，缺少互动式的教学体验，以致部分学生的实验兴趣和进一步探索的积极性不高，一定程度上影响了教学效果。为了改善目前的状况，有必要在实验环节中，引入交互式的教学设备，让学生们能够对部分传感器的特性进行亲身体验，培养其对该类课程的学习兴趣和科研动力。为了在传感器课程教学中融入交互式内容，本发明利用非电量电测法，基于加速度传感器，提出了一种可穿戴的运动传感系统装置，包括相关的结构设计和软硬件开发，可用于传感器类课程的教学及科研。

运动传感是利用相应的测量手段，测量、采集人体运动的部分生物力学参数，并对这些参数进行分析和处理，从而得以重建人体的结构和姿态或进行其它的应用。国外将加速度传感器应用于体育训练的研究比较领先。较早有采用压阻式三轴加速度传感器测量人体运动加速度与能量消耗的关系，实现对人体在坐、行走等日常活动中运动加速度的测量，进而由实验获得加速度值与人体运动能量消耗的关系。国内也有很多单位在此方面进行了深入的研究。来自中科院合肥智能机械研究所的钱朋安结合近年来相关研究的基础上从体育训练、医学临床辅助诊断、运动仿真研究等方面，就加速度传感器在人体运动检测中的研究现状进行分析。西安市第四军医大学生物医学工程系的焦纯、杨国胜等人利用三维加速度传感器设计并研制了一种训练强度监测仪来评估士兵训练状况和训练效率。天津大学的曹玉珍等基于加速度信号，研制了人体运动平衡检测系统。浙江大学杨清等人针对行走距离估计问题提出了基于单加速度传感器的行走距离估计方法，等等。但截至目前，尚未有在传感器课程中引入穿戴式运动传感互动教学系统。

发明内容

本发明的目的是是将穿戴式运动传感技术引入教学，提供一种小型化、低成本、高灵活性的人机交互系统及方法，加强实验课程的互动性。

本发明所采用的技术方案是：一种穿戴式运动传感互动教学系统，包括：

信号采集单元，所述信号采集单元包括主机和若干个从机，若干个所述从机设置在人体各个关节；每个所述从机均包括相互连接的单片机和加速度传感器，每个所述单片机均连接至所述主机；以及，

数据处理单元，所述数据处理单元包括CPU、输入输出模块、时钟模块和通信模块，所述输入输出模块、所述时钟模块和所述通信模块均与所述CPU相连接；所述通信模块包括实现所述数据处理单元与所述信号采集单元之间数据通信的无线通信模块和实现所述数据处理单元与上位机之间数据通信的通信接口。

进一步地，所述加速度传感器采用三轴加速度传感器；每个所述加速度传感器的输出端均连接一个集成运算放大器NE5532和RC滤波网络的巴特沃斯二阶有源低通滤波器。

进一步地，所述输入输出模块的输入部分采用包括设定、增加、减少、确定四个功能的按键，所述按键直接连接至所述CPU的I/O口；所述输入输出模块的输出部分采用LED指示灯和LCD点阵液晶显示器。

本发明所采用的另一技术方案是：一种基于上述穿戴式运动传感互动教学系统的运动传感方法，包括以下步骤：

步骤1，建立人体参数化模型；

步骤2，建立基于加速度传感器的运动传感网络作为信号采集单元；

步骤3，信号采集单元进行信号采集并与数据处理单元进行数据通信：

步骤4，数据处理单元对信号采集单元获得的多路数据进行分析处理，获得所需的人体运动信息；

步骤5，建立人体运动绝对坐标系，并建立人体运动绝对坐标系到显示平面坐标系的换算关系；

步骤6，人体运动实时显示。

进一步地，步骤1中，所述的人体参数化模型为基于15刚体法的人体运动简化数学模型，所述基于15刚体法的人体运动简化数学模型将人体的颈、腰、肩、肘、腕、髋、膝、踝关节视为关节点，将人体的头部、上躯干、下躯干、左上臂、左前臂、左手、左大腿、左小腿、左脚、右上臂、右前臂、右手、右大腿、右小腿、右脚视为刚体，简化后将关节之间的骨骼视为链，将人体躯干与四肢以铰链形式进行连接，将人体的四肢视为直线。

进一步地，步骤2中，所述运动传感网络包括五个加速度传感器网络节点和一个主机，所述加速度传感器网络节点为人体的两个腕关节，腰关节和两个踝关节，在每个所述加速度传感器网络节点布置一个加速度传感器，每个加速度传感器通过数据线连接至所述主机，所述主机控制所有加速度传感器网络节点同步采集及数据上传，并将收集到的有效数据无线传输至数据处理单元。

进一步地，步骤3中，在所述信号采集单元的进行信号采集之前，采用集成运算放大器NE5532和RC滤波网络的巴特沃斯二阶有源低通滤波器对所述加速度传感器采集的信号进行抗干扰处理。

进一步地，步骤3中，所述的信号采集单元进行信号采集并与数据处理单元进行数据通信包括：所述信号采集单元的主机控制所有加速度传感器网络节点同步采集，并采用8位A/D转换器将经抗干扰处理处理后的所述加速度传感器输出的模拟信号进行模数转换为数字信号，再将数字信号无线传输至数据处理单元。

进一步地，步骤4中，所述的数据处理单元对信号采集单元获得的多路数据进行分析处理，获得所需的人体运动信息包括：

数据处理单元将获得的十六进制数字信号转换为十进制数据，根据公式(1)得到真实加速度值：

式中，a为真实加速度值，即为所需的人体运动信息；H为通讯得到的十进制数据；g为重力加速度；N为加速度传感器静止水平放置时得到的水平方向通讯数据；M为加速度传感器静止水平放置时得到的竖直方向通讯数据；设定人体躯干部分的加速度传感器为标准加速度传感器，M、N值由人体躯干部分的加速度传感器实测得出。

进一步地，步骤5中，所述的人体运动绝对坐标系为由XYZ组成的三维笛卡尔坐标系，所述的显示平面坐标系为由xy组成的二维笛卡尔坐标系，所述人体运动绝对坐标系的X轴正方向与所述显示平面坐标系的x轴正方向成135°角，所述人体运动绝对坐标系的Y轴为所述显示平面坐标系的x轴，所述人体运动绝对坐标系的Z轴为所述显示平面坐标系的y轴；所述的人体运动绝对坐标系到显示平面坐标系的换算关系如公式(2)所示：

式中，x₀为所述人体运动绝对坐标系X轴上的物体长度，x、y为物体长度x₀在所述显示平面坐标系的投影。

进一步地，步骤6中，所述的人体运动实时显示包括人体躯干部分的运动模拟显示和四肢部分的运动模拟显示；

所述的人体躯干部分的运动模拟显示中的人体躯干部分将人体的头部、躯干和肩膀作为整体，所述的人体躯干部分的运动模拟显示包括：

步骤6-1-1，人体躯干部分的所述加速度传感器的三轴方向与所述人体运动绝对坐标系的三个轴方向一一对应，根据公式(3)计算得到人体躯干部分的加速度：

式中，a_1X为人体躯干部分在所述人体运动绝对坐标系上X轴方向的加速度，a_1Y为人体躯干部分在所述人体运动绝对坐标系上Y轴方向的加速度，a_1Z为人体躯干部分在所述人体运动绝对坐标系上Z轴方向的加速度，a_X、a_Y和a_Z分别为根据步骤4数据处理单元处理得到的人体躯干部分在X轴、Y轴和Z轴方向上的真实加速度值，g为重力加速度；

步骤6-1-2，采用两步积分法得到位移：

第一步积分得到速度，采用公式(4)计算得到人体躯干部分的速度：

式中，t为时间，通过所述时钟模块设定，每隔一时间进行一次速度累加；v_Xn为在所述人体运动绝对坐标系上X轴方向累加得到的人体躯干部分的速度；v_Yn为在所述人体运动绝对坐标系上Y轴方向累加得到的人体躯干部分的速度；v_Zn为在所述人体运动绝对坐标系上Z轴方向累加得到的人体躯干部分的速度；v_X(n-1)为在所述人体运动绝对坐标系上X轴方向上一步累加得到的人体躯干部分的速度；v_Y(n-1)为在所述人体运动绝对坐标系上Y轴方向上一步累加得到的人体躯干部分的速度；v_Z(n-1)为在所述人体运动绝对坐标系上Z轴方向上一步累加得到的人体躯干部分的速度；

第二步积分得到位移，采用公式(5)计算得到人体躯干部分的位移：

式中，s_Xn为在所述人体运动绝对坐标系上X轴方向累加得到的人体躯干部分的位移；s_Yn为在所述人体运动绝对坐标系上Y轴方向累加得到的人体躯干部分的位移；s_Zn为在所述人体运动绝对坐标系上Z轴方向累加得到的人体躯干部分的位移；s_X(n-1)为在所述人体运动绝对坐标系上X轴方向上一步累加得到的人体躯干部分的位移；s_Y(n-1)为在所述人体运动绝对坐标系上Y轴方向上一步累加得到的人体躯干部分的位移；s_Z(n-1)为在所述人体运动绝对坐标系上Z轴方向上一步累加得到的人体躯干部分的位移；

步骤6-1-3，将步骤6-1-2获得的在所述人体运动绝对坐标系上X轴方向上的位移s_Xn按照步骤5建立的建立人体运动绝对坐标系到显示平面坐标系的换算关系投影至所述显示平面坐标中，得到位移s_Xn在所述显示平面坐标系的x轴上的投影s_x0和在y轴上的投影s_y0：

根据公式(7)计算得到人体躯干部分在所述显示平面坐标系x轴方向的位移s_x和y轴方向的位移s_y，从而实现人体躯干部分在显示平面上的运动模拟显示；

所述的四肢部分的运动模拟显示中，由于四肢部分的加速度传感器置于手腕和脚腕处，在运动过程中和竖直方向成一定的角度关系，通过固定于四肢上的加速度传感器的三个轴与重力方向之间的夹角检测人体四肢的运动姿态，具体包括：

步骤6-2-1，重力对步骤4数据处理单元处理得到的加速度传感器的真实加速度值的影响如公式(8)所示：

式中，D_Z，D_Y，D_Z分别为根据步骤4数据处理单元处理得到的人体四肢部分在X轴、Y轴和Z轴方向上的真实加速度值；l是由人体四肢部分的各个加速度传感器静止水平放置时测得的水平方向的真实加速度值，为与标准加速度传感器之间的误差；θ_X,θ_Y,θ_Z分别是人体四肢部分的加速度传感器的X,Y,Z轴与重力方向的夹角；

通过反函数得到人体四肢部分的加速度传感器的X,Y,Z轴与重力方向的夹角θ_X,θ_Y,θ_Z值：

步骤6-2-2，根据步骤6-2-1获得的人体四肢部分的加速度传感器的X,Y,Z轴与重力方向的夹角，确定人体四肢的指向方向；步骤6-1-2获得的人体躯干部分的加速度传感器的空间位移即为人体四肢关节点的空间位移，以人体四肢关节点为起点，将人体四肢肢长向X,Y,Z轴作投影，判断得到人体四肢部分的加速度传感器在空间中的位置；根据人体四肢的指向方向和人体四肢部分的加速度传感器在空间中的位置，确定人体四肢部分的运动情况。

本发明的有益效果是：

1.将穿戴式运动传感技术引入教学，加强了实验课程的互动性，可作为各大高校相关课程的教学仪器，具有较高的推广价值。

2.基于加速度传感器的运动参数采集系统便于获得速度、位移等参数，具有高灵活性、低成本、低功耗、小型化等特点。

3.基于15刚体法对复杂人体运动模型进行简化，以较小的系统开销实现了系统的实时运行与教学效果。

附图说明

图1：本发明穿戴式运动传感互动教学系统电路框图；

图2：本发明中的基于15刚体法的人体参数化模型示意图；

图3：本发明中的人体参数化模型的用户界面显示示意图；

图4：本发明中的人体运动三维坐标系示意图；

图5：本发明中的人体参数化模型与人体运动绝对坐标系的用户界面显示示意图。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

本发明利用非电量电测法，基于加速度传感器，开发了穿戴式运动传感互动教学系统，包括相关的结构设计和软硬件，用于传感器类课程的教学及科研。具体包含以下几个部分：

(1)人体参数化模型

人体的所有运动都是通过关节的运动来实现的，本发明提出了一种基于15刚体法的人体运动简化数学模型，重点分析了各个关节的自由度、运动幅度、关节约束联动及空间运动轨迹，推算运动姿态，构建了人体多刚体参数化运动学模型。该模型将关节视为关节点，将关节之间的骨骼视为链，将人体躯干与四肢以铰链形式进行连接。在简化模型中，人体在运动过程中始终保持四肢伸直，无屈膝、弯臂等动作，即把人体的四肢视作直线。

(2)基于加速度传感器的运动传感网络

加速度传感器是将由惯性作用产生的机械运动或变形转换为电信号的变化。本发明依照体积小、能耗低、成本低等要求，利用加速度传感器采集人体运动时的加速度参数，再对采集到的加速度数据进行处理、分析，进而得到人体在空间运动的相关信息。运动信息采集系统包括信号采集单元和数据处理单元。其中信息采集部分安装于肢体的各个测量点，由多个加速度计网络节点和一个主机组成传感网络。主机控制所有节点同步采集及数据上传，并将收集到的有效数据无线传输至数据处理部分。数据处理部分主要完成对信号采集单元获得的多路数据的分析处理，以及人机接口等功能。

(3)人体运动实时显示界面

本发明可在计算机或手机端进行下位机运动信息数据的界面同步显示，实现友好的人机交互。

本发明的具体实施方案如下：

如图1所示，一种穿戴式运动传感互动教学系统，包括信号采集单元和数据处理单元。

(一)信号采集单元

所述信号采集单元包括主机和若干个从机，若干个所述从机设置在人体各个关节。每个所述从机均包括相互连接的单片机和加速度传感器；所述单片机采用ATmega48单片机，每个所述单片机均连接至所述主机。

本发明选择了一款适合人体运动信息采集的加速度传感器作为加速度信号的获取组件。通常，人体运动加速度的频率和幅度都较低，加速度频率的极大值出现在跑或跳的运动中。运动加速度的幅度：在行走运动中加速度的幅度在垂直方向上均大于侧向和前后向，而且从人体的头部到脚部，幅度越来越大，频谱逐渐向高频率移动。行走时，垂直方向的加速度幅度为-0.3g～+0.8g，而水平方向上头部为-0.2g～0.2g，腰部为-0.3g～0.4g。在胫骨，垂直方向上加速度的幅度为-1.7g～3.3g，而水平方向上为-2.1g～2.3g，以自然速度行走时，垂直方向上人体上部的加速度频率范围为0.8Hz～5Hz，而其峰值出现在脚部接触到地面的时刻。较高的频率成分均是由脚和地面的冲击力所造成的，并不是由自主的肌肉收缩所导致。

根据上述特点，用于测量人体运动的加速度传感器的频率范围在0Hz～20Hz即可满足要求，测量幅度范围为-3g～+3g。为了便于在人体上进行安装，并尽可能减小加速度传感器本身对运动所产生的影响，在选择加速度传感器时除了考虑其性能还要考虑体积尽可能小、集成度高、成本低的产品。在本发明中采用了基于MEMS技术的三轴加速度传感器ADXL330，所述三轴加速度传感器的三轴方向与三维笛卡尔坐标系的三轴方向一一对应布置。

人体在运动过程中，加速度传感器所采集的信号除有效的加速度信号外还存在来自外部的干扰信号，如果对加速度传感器的输出不进行任何处理而直接进行分析应用，将无法得到准确的结果，须对加速度传感器输出的信号进行相应的降噪处理，以得到正确的加速度信息。由于前述人体运动加速度的频率一般为0～20Hz，可将高于20Hz的加速度信号视为干扰信号。为了减小干扰信号的影响，可在加速度传感器的输出端采用截止频率为20Hz的低通滤波器，以去除高频噪声；为了减小加速度传感器输出信号在传递过程中的衰减，可利用电压跟随器进行阻抗的匹配，以提高下一级电路的输入阻抗。本发明在每个所述加速度传感器的输出端均连接一个集成运算放大器NE5532和RC滤波网络的巴特沃斯二阶有源低通滤波器，其中，所述巴特沃斯二阶有源低通滤波器的运算放大器接成电压跟随器的形式，减小干扰信号影响的同时加快带宽外传输系数的衰减速度。

(二)数据处理单元

所述数据处理单元的主要功能是完成对信号采集单元所采集到的多路加速度数据进行分析和处理，可以实现系统功能的设定、数据的存储以及与信号采集单元之间、上位机之间的通信。所述数据处理单元包括CPU、内存扩展电路、输入输出模块、时钟模块、通信模块和电源电路，所述内存扩展电路、所述输入输出模块、所述时钟模块、所述通信模块和所述电源电路均与所述CPU相连接。

所述CPU采用ARM7芯片STR710F-Z2T6作为处理核心，该芯片具有较丰富的内部资源，可用来分析并处理来自信号采集单元的加速度数据，并获得所需的人体运动信息。

所述通信模块包括数据处理单元与信号采集单元的之间的通信以及数据处理单元与上位机之间的通信。其中，所述数据处理单元与所述信号采集单元之间采用无线通信模块进行数据通信，所述无线通信模块采用蓝牙模块DFBM-CS120，其电路原理与所述信号采集单元相同，所述蓝牙模块的电路设计与所述信号采集单元的从机相同；所述数据处理单元与上位机之间的通信采用USB方式进行数据通信，所述数据处理单元共设有一个USB接口和两个COM通信接口。

所述输入输出模块主要用于用户输入指令或进行功能设定以及输出显示各类相关信息。所述输入输出模块的输入部分采用按键方式，直接接至所述ARM7芯片的I/O口，设有四个功能键，分别为：设定、增加、减少、确定；所述输入输出模块的输出部分采用LED指示灯和LCD点阵液晶显示器。所述按键一端经上拉电阻接至电源，另一端接地，并联0.1uF电容，起到硬件防抖动功能。当所述按键被按下时，I/O口检测为低电平；所述输入输出模块的输出部分的LED指示的LED发光二极管采用共阴极接法，阳极经过限流电阻接至I/O口。

所述数据处理单元的供电采用LM117稳压芯片对输入电压进行稳压，产生3.3V直流电压，供给所述数据处理单元中各个单元。

在对人体运动信息进行采集测量时，先进行功能设定，然后将信号采集单元的从机分别安装于肢体不同的特征点上进行测量。具体的测量点可参照人体参数化模型的相关设定。

上述穿戴式运动传感互动教学系统的运动传感方法，包括以下步骤：

步骤1，建立人体参数化模型

本发明中，在所述上位机的VB中建立人体参数化模型。

人体运动模型不仅可体现人体结构的复杂性和多样性，也体现人体运动的局限性和内部的运动特性。目前，人体运动计算机仿真建模方法主要有多刚体动力学法、有限元分析法、骨骼肌肉神经系统综合分析法以及实验方法等，每种方法都有自己的优势和特点，也存在各自的局限性。本发明采用多刚体动力学模型，把人体简化为多刚体系统，把人体的肌肉、肌腱等软组织处理为各刚体间的作用力和力矩，建立人体棒状模型。该模型满足牛顿定律，在物理上概念清楚，在人体运动仿真中被广泛采用。在该模型中，将人体的颈、腰、肩、肘、腕、髋、膝、踝关节视为关节点，将人体的头部、上躯干、下躯干、左上臂、左前臂、左手、左大腿、左小腿、左脚、右上臂、右前臂、右手、右大腿、右小腿、右脚视为刚体，简化后将关节之间的骨骼视为链，将人体躯干与四肢以铰链形式进行连接。将各个关节点位置连接即形成棒图，即简化的人体运动模型。图2为基于15刚体的简化人体参数化模型。

本发明采用了五只加速度传感器进行人体运动信息采集，分别对应躯干与四肢。此处假定人体在运动过程中保持四肢伸直，无屈膝、弯臂等姿态，即把人体的四肢均视为直线，将人体四肢模型用两点确定的一条直线表示：一点为人体躯干上代表关节的点，另一点为四肢上加速度传感器所确定的点。为了区分不同的加速度传感器，标注了不同的颜色于加速度传感器上，同时人体参数化模型上与加速度传感器对应的点标注与对应加速度传感器相同的颜色，以便加速度传感器与人体对应部位相对应，如图3所示，左臂标注为红色，右臂标注为紫色，左腿标注为绿色，右腿标注为蓝色，躯干与头部、肩膀作为一个整体标注为灰色。

为了能够定量的描述人体的运动情况，在建立人体参数化模型过程中按照一定的人体比例建立了参数化的人体模型。假设人体身高1700毫米，身宽750毫米，两肩宽900毫米。人体头部为圆形，半径400毫米。躯干高度700毫米，宽500毫米。四肢可假定等长，为600毫米。

步骤2，建立基于加速度传感器的运动传感网络作为信号采集单元。

运动传感网络的作用是实时同步采集被测点的三维运动信息，并将所采集到的信息上传至数据处理单元。

所述运动传感网络包括五个加速度传感器网络节点和一个主机，所述加速度传感器网络节点为人体的两个腕关节，腰关节和两个踝关节。在每个所述加速度传感器网络节点布置一个加速度传感器，所述加速度传感器作为运动传感网络的节点，分别安装于人体不同的被测点，每个加速度传感器通过数据线连接至所述主机，所述主机控制所有加速度传感器网络节点同步采集及数据上传，并将收集到的有效数据无线传输至数据处理单元。

步骤3，信号抗干扰处理。

在所述主机进行信号采集之前，采用集成运算放大器NE5532和RC滤波网络的巴特沃斯二阶有源低通滤波器对所述加速度传感器采集的信号进行抗干扰处理。

步骤4，信号采集单元进行信号采集并与数据处理单元进行数据通信。

所述信号采集单元的主机控制所有加速度传感器网络节点同步采集，所述加速度传感器输出的模拟信号经抗干扰处理后进行模数转换转换为数字信号，其中，模数转换环节采用所述从机的ATmega48单片机内部自带的8位A/D转换器。由加速度传感器、巴特沃斯二阶有源低通滤波器与单片机及相关外围电路组成信号采集单元的从机，信号采集单元的主机通过I²C总线与所有从机组成网络，控制从机完成信号的转换与发送。所述主机通过I²C总线控制从机进行信号的采集以及转换结果的读取，并将转换结果以无线通信的方式发送到数据处理单元。

信号采集单元与数据处理单元之间数据的无线传输采用蓝牙模块DFBM-CS120完成，蓝牙模块与数据处理单元的CPU之间采用异步串行通信接口，其传输数据符合以下规律：

……AA 7A 7B 7C AA BB 7D 7E 7F AA BB……

其中，“AA”是开始传输数据的标志，“7A 7B 7C”是第一个加速度传感器的传输数据；“AA BB”则是第一个加速度传感器的数据与第二个加速度传感器的数据的分隔位，“AABB”后面是第二个加速度传感器的传输数据。依此类推，五个加速度传感器的数据全部通讯完毕后再从“AA”开始循环。

步骤4，运动信息数据处理：数据处理单元对信号采集单元获得的多路数据进行分析处理，获得所需的人体运动信息。

蓝牙模块的输出数据为十六进制数字信号，数据处理单元将获得的十六进制数字信号转换为十进制数据。

以第一个加速度传感器为例，将其静止水平放置，可以如“81 81 9B”的通讯数据(该通讯数据为十六进制数字信号)，转化为十进制得：129、129、155。其中：129即加速度为0时的通讯数据，而155是加速度为1g(即重力产生的加速度)的通讯数据。加速度与通讯数据的关系符合以下数学模型：

式中，a为真实加速度值，即为所需的人体运动信息；H为通讯得到的十进制数据；g为重力加速度；N为加速度传感器静止水平放置时得到的水平方向通讯数据；M为加速度传感器静止水平放置时得到的竖直方向通讯数据；设定人体躯干部分的加速度传感器为标准加速度传感器，M、N值由人体躯干部分的加速度传感器实测得出。

步骤5，建立人体运动三维坐标系，并建立人体运动三维坐标系到显示平面坐标系的换算关系。

本发明中，在所述上位机的VB中建立人体运动三维坐标系。

首先，在VB中用Scale在作为整个运动仿真图像容器的图片框中建立显示平面坐标系，显示平面坐标系为由xy组成的二维笛卡尔坐标系，图片框(All)宽12000，高7500，坐标系的原点为VB默认坐标系的(4500,3750)点，显示平面坐标系的x轴正方向向右，y轴正方向向上。

人体参数化模型的参数如步骤1中所示。鉴于以上建立的显示平面坐标系，我们可以把坐标原点作为人体重心的x方向投影点，人体两脚对称位于x轴上原点两侧，身高方向同人体身高方向，将人体绘制于显示平面坐标系中。

人体运动可被分解为各肢体在空间中位置的变化过程，可以根据人体运动的空间建立绝对坐标系，通过分析肢体在此坐标系中的位移过程，获得人体的运动特征，如图5所示。以被测人体运动的空间为基础建立人体运动绝对坐标系，肢体的每个关节在人体运动绝对坐标系的三个正交轴上产生一个投影，根据每个关节的坐标位置，即可推算出该环节在空间中的姿态及位置。使用人体运动绝对坐标系可以降低运算量并降低因测量误差带来的积累偏差。

所述人体运动绝对坐标系即在上述已建立的显示平面坐标系的基础上建立，由X-Y-Z轴组成。将显示平面坐标系的x轴与y轴平分，即于两轴都成45°做线，即可得到第三个轴。人体运动绝对坐标系的X轴正向与显示平面坐标系的x轴正向成135°角，人体运动绝对坐标系的Y轴即显示平面坐标系的x轴，人体运动绝对坐标系的Z轴即显示平面坐标系的y轴，符合右手坐标系。所述人体运动绝对坐标系表示的是实际中的由XYZ组成的三维笛卡尔坐标系，即三轴两两垂直，在程序中通过45°达到视觉上的垂直效果。人体运动绝对坐标系的X-Y平面即现实中的水平面，人体运动绝对坐标系的Z轴即竖直方向。我们可以把坐标原点作为人体重心的X-Y平面方向投影点，人体两脚对称位于Y轴上原点两侧，身高方向同人体身高方向，将人体绘制于人体运动绝对坐标系中，即可得到如图5所示的人体模型置于人体运动绝对坐标系的视觉效果。

基于人体运动绝对坐标系为三维的立体坐标，除达到视觉上的三维效果以外，在图像表达上仍要回归人机界面所对应的显示平面，而不是真正的立体空间中，因此，建立人体运动绝对坐标系到显示平面坐标系的换算关系。

对于基于45度角所建立的第三轴(即，人体运动绝对坐标系的X轴)，等量长度下，其长度在视觉上给人的感觉是其他轴的

倍，同时第三轴在两个轴上的投影分别是cos135°和sin135°。设人体运动绝对坐标系X轴上的物体长度为x₀，那么其在显示平面坐标系的投影x、y为：

鉴于所建立的模型利用线段表示，可直接通过以上换算得到投影实现三维效果。作为图形的躯干部分，假定其在运动保持直立，不转身、弯曲，仅有空间位置的移动。

鉴于所建立的人体参数化模型利用线段表示，可直接通过公式(2)换算得到投影实现三维效果。作为图形的躯干部分，假定其在运动保持直立，不转身、弯曲，仅有空间位置的移动。

步骤6，人机界面的同步运动模拟显示。

通过以上建立的人体模型，对于头部、躯干、肩膀这一整体采用VB中的图形控件或画线控件的方法实现运动，可以在程序运行过程中改变其某些属性值；而对于四肢则采用后绘图方法实现运动，在程序运行不断执行清图、绘图的循环，使图像具有运动的效果。

(6.1)人体躯干部分的运动模拟显示

步骤6-1-1，人体躯干部分的模拟显示时，将加速度传感器垂直置于人体躯干处，而人体躯干部位在运动过程中已假定不转身、弯曲，即相当于仅在空间位置移动，这样置于人躯干处的加速度传感器也是进行空间位置的移动，其传感轴方向不发生变化，而人体基本直立，因此只要放置加速度传感器的轴方向与空间轴方向重合，在运动过程中传感轴的方向即始终与空间轴的方向重合，即，人体躯干部分的所述加速度传感器的三轴方向与所述人体运动绝对坐标系的三个轴方向一一对应。加速度传感器自身重力对数据的影响全部集中在竖直轴上，在竖直方向的加速度基础上减去一倍重力加速度即可实现分离。

根据公式(3)计算得到人体躯干部分的加速度：

式中，a_1X为人体躯干部分在所述人体运动绝对坐标系上X轴方向的加速度，a_1Y为人体躯干部分在所述人体运动绝对坐标系上Y轴方向的加速度，a_1Z为人体躯干部分在所述人体运动绝对坐标系上Z轴方向的加速度，a_X、a_Y和a_Z分别为根据步骤4数据处理单元处理得到的人体躯干部分在X轴、Y轴和Z轴方向上的真实加速度值，g为重力加速度；

步骤6-1-2，获得加速度信息后，将加速度进行两步积分以得到位移，积分可通过累加实现。

第一步积分得到速度，采用公式(4)计算得到人体躯干部分的速度：

式中，t为时间，通过所述时钟模块设定，每隔一时间进行一次速度累加；v_Xn为在所述人体运动绝对坐标系上X轴方向累加得到的人体躯干部分的速度；v_Yn为在所述人体运动绝对坐标系上Y轴方向累加得到的人体躯干部分的速度；v_Zn为在所述人体运动绝对坐标系上Z轴方向累加得到的人体躯干部分的速度；v_X(n-1)为在所述人体运动绝对坐标系上X轴方向上一步累加得到的人体躯干部分的速度；v_Y(n-1)为在所述人体运动绝对坐标系上Y轴方向上一步累加得到的人体躯干部分的速度；v_Z(n-1)为在所述人体运动绝对坐标系上Z轴方向上一步累加得到的人体躯干部分的速度；

第二步积分得到位移，假定其为匀加速运动，采用公式(5)计算得到人体躯干部分的位移：

式中，s_Xn为在所述人体运动绝对坐标系上X轴方向累加得到的人体躯干部分的位移；s_Yn为在所述人体运动绝对坐标系上Y轴方向累加得到的人体躯干部分的位移；s_Zn为在所述人体运动绝对坐标系上Z轴方向累加得到的人体躯干部分的位移；s_X(n-1)为在所述人体运动绝对坐标系上X轴方向上一步累加得到的人体躯干部分的位移；s_Y(n-1)为在所述人体运动绝对坐标系上Y轴方向上一步累加得到的人体躯干部分的位移；s_Z(n-1)为在所述人体运动绝对坐标系上Z轴方向上一步累加得到的人体躯干部分的位移；时间与速度积分的时间相同，累加即可得到位移。

两步积分采用不同的积分方式，可减小累计误差。

步骤6-1-3，将位移坐标进行换算，改变图形控件的相关属性，最终实现图形的运动。坐标换算是将人体运动绝对坐标系中X轴数据投影到显示平面坐标中，而图形控件主要是改变Left、Top的属性，使其与位移建立数据关联，从而实现运动模拟显示。

将步骤6-1-2获得的在所述人体运动绝对坐标系上X轴方向上的位移s_Xn按照步骤5建立的建立人体运动绝对坐标系到显示平面坐标系的换算关系投影至所述显示平面坐标中，得到位移s_Xn在所述显示平面坐标系的x轴上的投影s_x0和在y轴上的投影s_y0：

根据公式(7)计算得到人体躯干部分在所述显示平面坐标系x轴方向的位移s_x和y轴方向的位移s_y，从而实现人体躯干部分在显示平面上的运动模拟显示；

(6.2)四肢部分的运动模拟显示

由于四肢部分的加速度传感器置于手腕和脚腕处，在运动过程中和竖直方向成一定的角度关系，通过固定于四肢上的加速度传感器的三个轴与重力方向之间的夹角检测人体四肢的运动姿态。

步骤6-2-1，加速度的获取与躯干部分模拟显示中加速度的获取步骤相同，且无需分离重力分量。

步骤6-2-2，获得加速度值，重力对步骤4数据处理单元处理得到的加速度传感器的真实加速度值有一定影响，其影响可通过下式表示：

式中，D_Z，D_Y，D_Z分别为根据步骤4数据处理单元处理得到的人体四肢部分在X轴、Y轴和Z轴方向上的真实加速度值；l是由人体四肢部分的各个加速度传感器静止水平放置时测得的水平方向的真实加速度值，为与标准加速度传感器之间的误差；θ_X,θ_Y,θ_Z分别是人体四肢部分的加速度传感器的X,Y,Z轴与重力方向的夹角。

通过反函数得到人体四肢部分的加速度传感器的X,Y,Z轴与重力方向的夹角θ_X,θ_Y,θ_Z值：

步骤6-2-3，在建立人体参数化模型时，已假定人体肢长600毫米，根据步骤6-2-1获得的人体四肢部分的加速度传感器的X,Y,Z轴与重力方向的夹角，确定人体四肢的指向方向；步骤6-1-2获得的人体躯干部分的加速度传感器的空间位移即为人体四肢关节点的空间位移，以人体四肢关节点为起点，将人体四肢肢长向X,Y,Z轴作投影，判断得到人体四肢部分的加速度传感器在空间中的位置；根据人体四肢的指向方向和人体四肢部分的加速度传感器在空间中的位置，确定人体四肢部分的运动情况，即可完成四肢部分的运动模拟显示。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种穿戴式运动传感互动教学系统，其特征在于，包括：

信号采集单元，所述信号采集单元包括主机和若干个从机，若干个所述从机设置在人体各个关节；每个所述从机均包括相互连接的单片机和加速度传感器，每个所述单片机均连接至所述主机；以及，

数据处理单元，所述数据处理单元包括CPU、输入输出模块、时钟模块和通信模块，所述输入输出模块、所述时钟模块和所述通信模块均与所述CPU相连接；所述通信模块包括实现所述数据处理单元与所述信号采集单元之间数据通信的无线通信模块和实现所述数据处理单元与上位机之间数据通信的通信接口。

2.根据权利要求1所述的一种穿戴式运动传感互动教学系统，其特征在于，所述加速度传感器采用三轴加速度传感器；每个所述加速度传感器的输出端均连接一个集成运算放大器NE5532和RC滤波网络的巴特沃斯二阶有源低通滤波器。

3.根据权利要求1所述的一种穿戴式运动传感互动教学系统，其特征在于，所述输入输出模块的输入部分采用包括设定、增加、减少、确定四个功能的按键，所述按键直接连接至所述CPU的I/O口；所述输入输出模块的输出部分采用LED指示灯和LCD点阵液晶显示器。

4.一种基于上述权利要求1至3任一项所述的穿戴式运动传感互动教学系统的运动传感方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，建立人体参数化模型；

步骤2，建立基于加速度传感器的运动传感网络作为信号采集单元；

步骤3，信号采集单元进行信号采集并与数据处理单元进行数据通信：

步骤4，数据处理单元对信号采集单元获得的多路数据进行分析处理，获得所需的人体运动信息；

步骤5，建立人体运动绝对坐标系，并建立人体运动绝对坐标系到显示平面坐标系的换算关系；

步骤6，人体运动实时显示。

5.根据权利要求4所述的一种穿戴式运动传感互动教学系统的运动传感方法，其特征在于，步骤1中，所述的人体参数化模型为基于15刚体法的人体运动简化数学模型，所述基于15刚体法的人体运动简化数学模型将人体的颈、腰、肩、肘、腕、髋、膝、踝关节视为关节点，将人体的头部、上躯干、下躯干、左上臂、左前臂、左手、左大腿、左小腿、左脚、右上臂、右前臂、右手、右大腿、右小腿、右脚视为刚体，简化后将关节之间的骨骼视为链，将人体躯干与四肢以铰链形式进行连接，将人体的四肢视为直线。

6.根据权利要求4所述的一种穿戴式运动传感互动教学系统的运动传感方法，其特征在于，步骤2中，所述运动传感网络包括五个加速度传感器网络节点和一个主机，所述加速度传感器网络节点为人体的两个腕关节，腰关节和两个踝关节，在每个所述加速度传感器网络节点布置一个加速度传感器，每个加速度传感器通过数据线连接至所述主机，所述主机控制所有加速度传感器网络节点同步采集及数据上传，并将收集到的有效数据无线传输至数据处理单元。

7.根据权利要求4所述的一种穿戴式运动传感互动教学系统的运动传感方法，其特征在于，步骤3中，在所述的信号采集单元进行信号采集之前，采用集成运算放大器NE5532和RC滤波网络的巴特沃斯二阶有源低通滤波器对所述加速度传感器采集的信号进行抗干扰处理。

8.根据权利要求4所述的一种穿戴式运动传感互动教学系统的运动传感方法，其特征在于，步骤3中，所述的信号采集单元进行信号采集并与数据处理单元进行数据通信包括：所述信号采集单元的主机控制所有加速度传感器网络节点同步采集，并采用8位A/D转换器将经抗干扰处理处理后的所述加速度传感器输出的模拟信号进行模数转换为数字信号，再将数字信号无线传输至数据处理单元。

9.根据权利要求4所述的一种穿戴式运动传感互动教学系统的运动传感方法，其特征在于，步骤4中，所述的数据处理单元对信号采集单元获得的多路数据进行分析处理，获得所需的人体运动信息包括：

数据处理单元将获得的十六进制数字信号转换为十进制数据，根据公式(1)得到真实加速度值：

式中，a为真实加速度值，即为所需的人体运动信息；H为通讯得到的十进制数据；g为重力加速度；N为加速度传感器静止水平放置时得到的水平方向通讯数据；M为加速度传感器静止水平放置时得到的竖直方向通讯数据；设定人体躯干部分的加速度传感器为标准加速度传感器，M、N值由人体躯干部分的加速度传感器实测得出。

10.根据权利要求4所述的一种穿戴式运动传感互动教学系统的运动传感方法，其特征在于，步骤5中，所述的人体运动绝对坐标系为由XYZ组成的三维笛卡尔坐标系，所述的显示平面坐标系为由xy组成的二维笛卡尔坐标系，所述人体运动绝对坐标系的X轴正方向与所述显示平面坐标系的x轴正方向成135°角，所述人体运动绝对坐标系的Y轴为所述显示平面坐标系的x轴，所述人体运动绝对坐标系的Z轴为所述显示平面坐标系的y轴；所述的人体运动绝对坐标系到显示平面坐标系的换算关系如公式(2)所示：

式中，x₀为所述人体运动绝对坐标系X轴上的物体长度，x、y为物体长度x₀在所述显示平面坐标系的投影。

11.根据权利要求4所述的一种穿戴式运动传感互动教学系统的运动传感方法，其特征在于，步骤6中，所述的人体运动实时显示包括人体躯干部分的运动模拟显示和四肢部分的运动模拟显示；

所述的人体躯干部分的运动模拟显示中的人体躯干部分将人体的头部、躯干和肩膀作为整体，所述的人体躯干部分的运动模拟显示包括：

步骤6-1-1，人体躯干部分的所述加速度传感器的三轴方向与所述人体运动绝对坐标系的三个轴方向一一对应，根据公式(3)计算得到人体躯干部分的加速度：

式中，a_1X为人体躯干部分在所述人体运动绝对坐标系上X轴方向的加速度，a_1Y为人体躯干部分在所述人体运动绝对坐标系上Y轴方向的加速度，a_1Z为人体躯干部分在所述人体运动绝对坐标系上Z轴方向的加速度，a_X、a_Y和a_Z分别为根据步骤4数据处理单元处理得到的人体躯干部分在X轴、Y轴和Z轴方向上的真实加速度值，g为重力加速度；

步骤6-1-2，采用两步积分法得到位移：

第一步积分得到速度，采用公式(4)计算得到人体躯干部分的速度：

式中，t为时间，通过所述时钟模块设定，每隔一时间进行一次速度累加；v_Xn为在所述人体运动绝对坐标系上X轴方向累加得到的人体躯干部分的速度；v_Yn为在所述人体运动绝对坐标系上Y轴方向累加得到的人体躯干部分的速度；v_Zn为在所述人体运动绝对坐标系上Z轴方向累加得到的人体躯干部分的速度；

v_X(n-1)为在所述人体运动绝对坐标系上X轴方向上一步累加得到的人体躯干部分的速度；v_Y(n-1)为在所述人体运动绝对坐标系上Y轴方向上一步累加得到的人体躯干部分的速度；v_Z(n-1)为在所述人体运动绝对坐标系上Z轴方向上一步累加得到的人体躯干部分的速度；

第二步积分得到位移，采用公式(5)计算得到人体躯干部分的位移：

式中，s_Xn为在所述人体运动绝对坐标系上X轴方向累加得到的人体躯干部分的位移；s_Yn为在所述人体运动绝对坐标系上Y轴方向累加得到的人体躯干部分的位移；s_Zn为在所述人体运动绝对坐标系上Z轴方向累加得到的人体躯干部分的位移；s_X(n-1)为在所述人体运动绝对坐标系上X轴方向上一步累加得到的人体躯干部分的位移；s_Y(n-1)为在所述人体运动绝对坐标系上Y轴方向上一步累加得到的人体躯干部分的位移；s_Z(n-1)为在所述人体运动绝对坐标系上Z轴方向上一步累加得到的人体躯干部分的位移；

步骤6-1-3，将步骤6-1-2获得的在所述人体运动绝对坐标系上X轴方向上的位移s_Xn按照步骤5建立的建立人体运动绝对坐标系到显示平面坐标系的换算关系投影至所述显示平面坐标中，得到位移s_Xn在所述显示平面坐标系的x轴上的投影s_x0和在y轴上的投影s_y0：

根据公式(7)计算得到人体躯干部分在所述显示平面坐标系x轴方向的位移s_x和y轴方向的位移s_y，从而实现人体躯干部分在显示平面上的运动模拟显示；

所述的四肢部分的运动模拟显示中，由于四肢部分的加速度传感器置于手腕和脚腕处，在运动过程中和竖直方向成一定的角度关系，通过固定于四肢上的加速度传感器的三个轴与重力方向之间的夹角检测人体四肢的运动姿态，具体包括：

步骤6-2-1，重力对步骤4数据处理单元处理得到的加速度传感器的真实加速度值的影响如公式(8)所示：

式中，D_Z，D_Y，D_Z分别为根据步骤4数据处理单元处理得到的人体四肢部分在X轴、Y轴和Z轴方向上的真实加速度值；l是由人体四肢部分的各个加速度传感器静止水平放置时测得的水平方向的真实加速度值，为与标准加速度传感器之间的误差；θ_X,θ_Y,θ_Z分别是人体四肢部分的加速度传感器的X,Y,Z轴与重力方向的夹角；

通过反函数得到人体四肢部分的加速度传感器的X,Y,Z轴与重力方向的夹角θ_X,θ_Y,θ_Z值：

步骤6-2-2，根据步骤6-2-1获得的人体四肢部分的加速度传感器的X,Y,Z轴与重力方向的夹角，确定人体四肢的指向方向；步骤6-1-2获得的人体躯干部分的加速度传感器的空间位移即为人体四肢关节点的空间位移，以人体四肢关节点为起点，将人体四肢肢长向X,Y,Z轴作投影，判断得到人体四肢部分的加速度传感器在空间中的位置；根据人体四肢的指向方向和人体四肢部分的加速度传感器在空间中的位置，确定人体四肢部分的运动情况。

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