CN203350813U

CN203350813U - 一种信息采集系统、人机交互系统及一种鞋

Info

Publication number: CN203350813U
Application number: CN 201320069772
Authority: CN
Inventors: 宋子健; 刘高峰; 金辉; 吕建勋
Original assignee: Individual
Current assignee: Hangzhou Shouhua Technology Co ltd
Priority date: 2013-02-06
Filing date: 2013-02-06
Publication date: 2013-12-18
Anticipated expiration: 2023-02-06

Abstract

本实用新型涉及一种信息采集系统、人机交互系统及一种鞋。本实用新型提供的运动信息采集系统包括：数据采集单元，用于采集加速度数据；数据处理单元，对加速度数据进行处理；电源单元，用于为所述运动信息采集系统供电及电源控制芯片。

Description

一种信息采集系统、人机交互系统及一种鞋

技术领域

本实用新型涉及模式识别、电子信息技术与计算机科学领域，尤其设计一种带有运动数据检测与体感游戏功能的鞋和系统。

背景技术

随着电子技术的发展，传统制鞋业领域出现了一种新型运动鞋——智能运动鞋。智能运动鞋是一种运动或者健身的辅助工具，其在普通运动鞋内部安装传感器以测算用户的运动数据。

然而，现有的智能运动鞋只能用来测量速度、里程、高度等“直接”、“简单”的运动数据，不具备对所测量的数据进行处理、分析的能力。也就是说，其无法对人体运动模式这种“间接”数据进行识别，如对人体脚步移动方向的判断，也就更不可能进一步利用人体不同的动作进行人机交互的控制，如进行PC或手机端的游戏交互控制等。

人体运动模式识别的主要难点在于三点：其一、用于人机交互如体感游戏控制过程中，人的运动是没有规律性的，多属于随机动作，因此相比于跑步和走路这种规律性运动，运动模式的准确识别难度要比测量速度和里程等数据大的多；其二、MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems微机电系统)元件具有漂移的特性，随着使用时间的推移和温度的变化，其输出值会随之漂移，因此这种漂移特性给人体运动模式识别的方法提出了更高的要求；其三、每个人的脚部运动模式有其特殊性，如有些人是外八字步和内八字步等，需要给出一种普适性的实现方案，可以适应于大多数人群，这也给运动模式识别带来了很大的困难。

而在游戏娱乐领域，对于需要用脚来进行的游戏，如跳舞类、足球类游戏，以及最新的跑酷类游戏，大多数依然还是在用传统人机交互方式如手柄、键盘以及触摸屏来控制。如国内非常流行的跳舞机类游戏《劲舞团》和《QQ炫舞》，基本还是在用键盘的“上下左右”等方向键来控制。目前已经有部分跳舞机类游戏采用了“跳舞毯”进行游戏，但是这种跳舞毯的局限性较大，比如，跳舞毯的大小是固定的，对于不同身高腿长的人群(大人和小孩子)，没有普遍适应性；再如，用户需要踩到固定的位置(压电感应的传感器放置位置)，才能产生控制信号，用户的运动空间受到跳舞毯大小和放置位置的制约，控制方式死板。

综上所述，无论是运动领域还是娱乐领域，特别是适于用脚来完成的游戏，亟待一种没有束缚的新型控制方式，以人脚部的运动状态(例如移动方向)来直接控制运动或游戏，达到一种自然和谐人机交互的目的。

实用新型内容

1、本实用新型所要解决的技术问题

本实用新型旨在提供一种低成本、低功耗的一种信息采集系统、人机交互系统及一种鞋，以实现人机交互，特别是实现人体脚部的运动数据测量以及运动模式识别。

2、解决其技术问题采用的技术方案

本实用新型所述的一种运动信息采集系统，包括：数据采集单元，用于采集加速度数据，其包括用于获得采样周期T的三个轴向的电压信号Ｖ_x，V_y和V_z的基于三轴加速度传感器；数据处理单元，对所述加速度数据进行处理，其包括中央处理单元，所述中央处理单元用于处理所述电压信号V_x，V_y和V_z并根据所述电压信号Vx，Vy和Vz获得运动信息；电源单元，用于为所述运动信息采集系统供电；以及电源控制芯片，用于将所述电源单元输出的电压处理稳定为所述运动信息采集系统其他各模块所需的电压。

其中，所述电源单元采用锂电池。

本实用新型还提供一种鞋，包括：鞋子本体，和前述的运动信息采集系统，所述运动信息采集系统用于获得用户所穿的鞋子本体的运动信息。

本实用新型还提供一种人机交互系统，包括前述的运动信息采集系统，所述运动信息采集系统用于获得用户脚部的运动信息；无线接收模块，所述无线接收模块通过无线传输的方式与所述运动信息采集系统进行无线连接；终端；其中，无线接收模块与终端通过外设接口进行直接连接。

其中，所述外设接口为USB接口、迷你USB接口或微型USB接口。

其中，其中所述无线接收模块与所述运动信息采集系统的无线连接所采用的装置为Zigbee装置或低功耗蓝牙装置。

其中，所述终端是PC机、手机或智能电视。

其中，所述无线接收模块包括：USB／UART接口转换芯片，用于将所述无线接收模块接收到的数据类型转换为可传输格式。

3、与现有技术相比具有的有益效果

本实用新型与现有技术相比其功能创新在于以下几点：

本实用新型不仅可以进行运动数据的测量，还可以准确的检测人体脚部的运动模式，进行体感游戏控制。

附图说明

图1为设置有无线传感综合模块的鞋子本体示意图；

图2为鞋子本体上局部坐标系示意图；

图3为本实用新型中的无线传感综合模块与无线接收模块的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例以将运动处理装置放置在鞋子中为例对本实用新型作进一步的详细说明。

本实用新型提出了一种基于三轴加速度计和低功耗无线通讯技术的信息采集系统、人机交互系统及一种鞋。硬件系统结构组成如图1所示，所述的鞋子本体1在底部设置有运动信息采集系统2，所述的运动信息采集系统2与无线接收模块3之间基于无线通讯进行连接，无线接收模块3直接与PC机等终端设备连接。所述的运动信息采集系统2与无线接收模块3进行通信，无线接收模块3用于接收鞋子本体1的运动信息，所得到的运动信息可以应用于数据分析、仿真虚拟训练或人机交互。所获得的信息可用于实时检测用户的脚步移动的动作数据等，或记录下动作数据用于赛后的分析，也可以实时的进行仿真训练或者人机交互用。运动信息采集系统2上采用低功耗单片机作为中央处理器，人体脚部运动数据的解算过程全部在运动信息采集系统2内部完成，实现了更高的集成度。

所述的运动信息采集系统2安置在鞋子本体中，例如鞋子本体底部，并且运动信息采集系统的质心作为局部坐标系的原点，鞋子本体局部坐标系的建立如图2所示。

以下，本实用新型以将运动信息采集系统2安置在鞋子本体的底部的足弓处为例进行说明，本领域技术人员可以理解，在不影响美观和舒适的前提下，该模块也可以设置在鞋子本体的侧部、后部或上部等任意位置。

所述的硬件系统总体结构实现如附图3所示，包括运动信息采集系统2和无线接收模块3。其中，所述运动信息采集系统2包括：加速度传感器、信号调理单元、中央处理单元、第一无线传输模块、数据存储单元、电源单元和电源控制芯片。所述的电源单元用于为加速度传感器、信号调理单元、中央处理单元、第一无线传输模块和数据存储单元供电；所述的电源控制芯片用于将电源单元输出电压稳定到其他模块所需的电压；所述的加速度传感器采集鞋子本体加速度运动信息并经过信号调理单元调理为可用信号后，发送到中央处理单元，经过相关计算，得到人体的运动信息，并经过无线传输的发送端发送给无线接收模块。所述无线接收模块3包括面向PC、手机等带有外设接口(例如USB接口，迷你USB接口或微型USB接口等)的设备，其包含第二无线传输模块，USB／UART接口转换芯片、电源芯片以及外设接口，所述的第二无线传输模块的接收端接收发送端的数据，并通过接口转换后，转换为可传输的格式。

所述的加速度传感器为三轴加速度计。在优选实施例中，可以采用KXD94加速度计芯片(KXD94是Kionix公司生产的三轴加速度计)，该器件测量范围为最大±13g，灵敏度系数为200mV／g(5V供电)，工作电压为2.5～5.25V；该加速度计功耗很低，电流约0.9-1.5mA，可以满足整体设计的低功耗要求。KXD94三路输出分别代表X轴输出、Y轴输出、Z轴输出，提供给后续信号调理单元之后最终被中央处理单元的单片机AD采集。

在优选实施例中，所述的中央处理单元可以是TI公司的MSP430F247单片机，可以满足信息的实时采集并进行在线计算得到位移信息的要求。MSP430系列是超低功耗的单片机品种，很适合电池供电的长时间工作场合。MSP430芯片活动模式电流225uA，待机状态仅0.8uA，掉电模式0.1uA。采用数字控制振荡器，从待机到唤醒模式响应时间不超过6us。4K的RAM容量，8路12位AD采集，I2C／SPI接口、UART／USART等。MSP430可以有效实现本实用新型要求的集成度高、低功耗、低成本的嵌入式应用。

在优选实施例中，第一和第二无线传输模块Zigbee芯片采用TI公司的CC2520和CC2531。其中CC2520作为下位机无线传输用，CC2531作为终端接收器无线传输用。CC2520工作频率2.4G，最大传输速率为250kbps，工作电压为1.8V～3.8V，接收发送状态电流为18.5ma，空闲时电流为3ua，唤醒时间500us；CC2531工作频率2.4G，最大传输速率为250kbps，工作电压为2V～3.6V，接收发送状态电流为20.5ma，空闲时电流为1ua，唤醒时间600us，且CC2531片上集成了8051MCU，具有更高的集成度。Zigbee芯片相比较蓝牙，具有低成本，低功耗，传输距离长的优势，更契合本实用新型的设计思想。

在优选实施例中，电源单元采用锂电池供电，电池采用可充电超薄锂电池，容量200-300mAh，工作电压6V，充放电次数可达500次，即使使用很频繁也可以保证至少一年的使用时间。

在优选实施例中，电源控制芯片可使用AMS1117-3.3作为电源稳压芯片，使电源单元输出稳定为3.3V，可以为ARM、三轴加速度计、及第一无线传输模块稳定供电。AMS1117-3.3芯片输入电压范围4.75～12V，输出电压3.267～3.333V，输出电流1A，工作温度-40～125℃。

在优选实施例中，针对PC机、手机、智能电视等带有USB口的设备设计，无线接收模块主要包括无线接收、USB／UART接口转换芯片、电源芯片以及USB接口。无线接收主要用于接收运动信息采集系统发送过来的体感数据。而信号类型转换芯片为FT232R，FT232R为USB／UART转换芯片，其主要功能是在内部硬件逻辑作用下实现USB和一步串行数据传输接口的转换。芯片内部继承了1024位的EEPROM和多频率时钟发生器(6MHz，12MHz，24MHz，48MHz)。电源芯片采用上文提到的AMS1117-3.3，提供3.3V输出为FT232R和Zigbee模块供电。USB接口用于与终端设备如PC机相连，完成数据传输以及电源供电功能。

以上仅为本实用新型的一个实施例，具体地人机交互过程中，各具体参数可以根据情况做不同选择。

为了更加具象地说明本实用新型，实施例中以鞋子作为运动信息采集系统的载体进行了说明，然而本领域技术人员可以理解，对于由运动信息采集系统和无线接收模块组成的人机互动系统，并非只能用于鞋子中，本实用新型提供的包括运动处理模块和无线接收模块的人机交互系统可以在更广阔的领域得到应用。

上述实施例仅用于说明本实用新型，其中各部件的结构、连接方式等都是可以变化的，凡是在本实用新型技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本实用新型的保护范围之外。

Claims

1.一种运动信息采集系统，其特征在于，包括：

数据采集单元，用于采集加速度数据，其包括用于获得采样周期T的三个轴向的电压信号V_x，V_y和V_z的基于三轴加速度传感器；

数据处理单元，对所述加速度数据进行处理，其包括中央处理单元，所述中央处理单元用于处理所述电压信号V_x，V_y和V_z并根据所述电压信号V_x，V_y和V_z获得运动信息；

电源单元，用于为所述运动信息采集系统供电；以及

电源控制芯片，用于将所述电源单元输出的电压处理稳定为所述运动信息采集系统其他各模块所需的电压。

2.根据权利要求1所述的运动信息采集系统，其特征在于，所述电源单元采用锂电池。

3.一种鞋，其特征在于，包括：

鞋子本体，和

如权利要求1-2中的任一项所述的运动信息采集系统，所述运动信息采集系统用于获得用户所穿的鞋子本体的运动信息。

4.一种人机交互系统，其特征在于，包括：

如权利要求1-2中的任一项所述的运动信息采集系统，所述运动信息采集系统用于获得用户脚部的运动信息；

无线接收模块，所述无线接收模块通过无线传输的方式与所述运动信息采集系统进行无线连接；

终端；

其中，无线接收模块与终端通过外设接口进行直接连接。

5.根据权利要求4所述的人机交互系统，其特征在于，所述外设接口为USB接口、迷你USB接口或微型USB接口。

6.根据权利要求4所述的人机交互系统，其特征在于，其中所述无线接收模块与所述运动信息采集系统的无线连接所采用的装置为Zigbee装置或低功耗蓝牙装置。

7.根据权利要求4所述的人机交互系统，其特征在于，所述终端是PC机、手机或智能电视。

8.根据权利要求4所述的人机交互系统，其特征在于，所述无线接收模块包括：

USB／UART接口转换芯片，用于将所述无线接收模块接收到的数据类型转换为可传输格式。