CN210776589U - 一种贴附式手部动作捕捉系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种贴附式手部动作捕捉系统。包括多个姿态传感器模块和主控射频模块；每个姿态传感器模块主要由柔性基底、姿态传感器电路板和姿态传感器芯片组成；姿态传感器模块Ⅲ贴附于手背，以姿态传感器模块Ⅲ为中心分别延伸出与五个手指和手腕方向位置相对应的五个手指分支和一个手腕分支；在食指、中指、无名指、小拇指分支的近节和中节处分别设有姿态传感器模块Ⅰ和姿态传感器模块Ⅱ，在大拇指分支的近节与远节处分别设有姿态传感器模块Ⅰ和姿态传感器模块Ⅱ，在手腕分支的腕关节处设有姿态传感器模块Ⅳ；姿态传感器模块Ⅳ沿手臂方向通过柔性排线连接有主控射频模块。本实用新型通过测量人手各个部位的姿态数据对手部动作进行捕捉。

Description

一种贴附式手部动作捕捉系统

技术领域

本实用新型属于电子信息技术领域，具体涉及一种贴附式手部动作捕捉系统。

背景技术

人手的活动情况或多或少会对人们的日常活动产生一定的影响，例如，当手部伸肌或屈肌发生病变时，就会影响人的日常抓握动作。因此，对手部姿态动作的研究，在体育运动，医疗康复，虚拟现实等领域都非常重要。手部活动情况主要采用动作捕捉系统进行数据采集，一般较为典型的手部动作捕捉方法主要有两种——接触式动作捕捉和非接触式动作捕捉。其中非接触式动作捕捉系统主要采用的是摄像机进行手部运动学研究，这种方法能够比较容易地捕捉到手部的运动，但是这种动作捕捉方法往往受到环境背景以及捕捉仪器的干扰，例如遮挡和黑暗环境等，最后将导致动作捕捉的精度不够，无法完成预期目标。因此，接触式动作捕捉系统往往广泛应用于手部动力学研究。

目前，最流行的接触式手部动作捕捉系统，通常设计成手套式样，并且集成了多种传感器，例如有光纤传感，弯曲度传感器，磁力传感器，霍尔传感器，姿态传感器等。其中弯曲度传感器和姿态传感器在手部动作捕捉系统中应用最为广泛。弯曲度传感器通常部署于手指的弯曲部位，用于测量手指的弯曲情况，但是这种传感器的可重复性并不理想，并且误差会随着时间的累计而增大。对于这种传感器来说，另一个限制就是，其只能测量单个自由度的旋转角度，却无法对多自由度角度进行测量。另外，对于普通的接触式动作捕捉系统来说，由于其手套式的设计，使用者需要穿戴手套进行手部活动，在抓握或者接触物体时会导致手部感觉失真，产生不真实的测量结果，同时该设计的结构复杂性也较高，在使用上仍然存在一定的不便。

实用新型内容

为了解决背景技术中的问题，本实用新型提供了一种贴附式手部动作捕捉系统，该系统通过测量人手各个部位的姿态数据对手部动作进行捕捉。

本实用新型采用的技术方案如下：

包括多个姿态传感器模块和主控射频模块，姿态传感器模块包括姿态传感器模块Ⅰ、姿态传感器模块Ⅱ、姿态传感器模块Ⅲ和姿态传感器模块Ⅳ；姿态传感器模块Ⅲ贴附于手背，以姿态传感器模块Ⅲ为中心分别延伸出与五个手指和手腕方向位置相对应的五个手指分支和一个手腕分支，五个手指分支为分别贴附于食指、中指、无名指、小拇指、大拇指的食指分支、中指分支、无名指分支、小拇指分支、大拇指分支，手腕分支贴附于手腕部位；在食指、中指、无名指、小拇指分支的近节和中节处分别设有姿态传感器模块Ⅰ和姿态传感器模块Ⅱ，在大拇指分支的近节与远节处分别设有姿态传感器模块Ⅰ和姿态传感器模块Ⅱ，在手腕分支的腕关节处设有姿态传感器模块Ⅳ；相邻两个姿态传感器模块之间通过柔性排线连接。

每个姿态传感器模块主要由柔性基底、姿态传感器电路板和姿态传感器芯片组成，柔性基底上表面贴附有姿态传感器电路板，姿态传感器芯片集成于姿态传感器电路板上；柔性基底底部设有与手指形状相适配的拱形面，姿态传感器模块通过柔性基底底部的拱形面贴附于手指。

姿态传感器模块Ⅳ沿手臂方向通过柔性排线连接有主控射频模块。

每个手指分支的姿态传感器模块Ⅰ和姿态传感器模块Ⅱ组成测量单元用于测量每个手指第一指间关节的姿态数据，姿态传感器模块Ⅲ分别和各个姿态传感器模块Ⅰ组成测量单元用于测量每个手指掌指关节的姿态数据，姿态传感器模块Ⅲ和姿态传感器模块Ⅳ组成测量单元用于测量腕部关节的姿态数据。

所述姿态数据包括各个关节的欧拉角、加速度、角速度和地磁角度。

所有姿态传感器模块均与主控射频模块相连，姿态传感器模块采集的姿态数据通过主控射频模块传输至上位机。

柔性排线包括柔性集线排线和柔性冗余排线，柔性排线呈弯曲状布置；姿态传感器模块Ⅰ和姿态传感器模块Ⅱ之间通过柔性冗余排线相连，大拇指分支的姿态传感器模块Ⅰ与姿态传感器模块Ⅲ之间通过柔性冗余排线相连，其余手指分支的姿态传感器模块Ⅰ均通过柔性集线排线连接至姿态传感器模块Ⅲ，姿态传感器模块Ⅲ和姿态传感器模块Ⅳ之间通过柔性冗余排线相连，姿态传感器模块Ⅳ和主控射频模块之间通过柔性集线排线相连。

柔性排线、柔性基底均采用具有延展性的柔性材料。

所述主控射频模块两侧均连接有魔术贴束缚带，通过将两侧的魔术贴束缚带绑至手臂使主控射频模块束缚于上臂处。

主控射频模块位于柔性基底上表面，主控射频模块的柔性基底底部设有与手臂形状相适配的拱形面。

本实用新型的有益效果：

1、本实用新型为接触式动作捕捉系统，与非接触动作捕捉系统需采用摄像机进行手部运动捕捉相比，不会受到环境背景以及捕捉仪器的干扰。

2、本实用新型简化了现有技术中接触式动作捕捉系统的结构，从原来的穿戴式设备发展为贴附式设备，具有一定的便携性与易用性。

3、本实用新型采用柔性排线结构，具有弯曲和延展性，使得使用者活动不受干扰，手部感觉不失真。

4、本实用新型的姿态传感器模块贴附于柔性基底上，柔性基底底部拱形面具有一定的形变特性，能够契合不同人群的手指形状。

附图说明

图1为本实用新型整体结构图。

图2为本实用新型的姿态传感器模块结构示意图。

图中：姿态传感器模块Ⅱ(1)、姿态传感器模块Ⅰ(5)、姿态传感器模块Ⅲ(11)、姿态传感器模块Ⅳ(12)、柔性集线排线(13)、主控射频模块 (14)、魔术贴束缚带(15)、柔性冗余排线(16)、姿态传感器电路板(18)、柔性基底(19)、姿态传感器芯片(20)。

具体实施方式

如图1所示，一种贴附式手部动作捕捉系统包括多个姿态传感器模块和主控射频模块14，姿态传感器模块包括姿态传感器模块Ⅰ5、姿态传感器模块Ⅱ1、姿态传感器模块Ⅲ11和姿态传感器模块Ⅳ12；姿态传感器模块Ⅲ11贴附于手背，以姿态传感器模块Ⅲ11为手背中心分别延伸出与五个手指和手腕方向位置相对应的五个手指分支和一个手腕分支，五个手指分支为分别贴附于食指、中指、无名指、小拇指、大拇指的食指分支、中指分支、无名指分支、小拇指分支、大拇指分支，手腕分支贴附于手腕部位；在食指、中指、无名指、小拇指分支的近节和中节处分别设有姿态传感器模块Ⅰ5和姿态传感器模块Ⅱ1，在大拇指分支的近节与远节处分别设有姿态传感器模块Ⅰ5和姿态传感器模块Ⅱ1，在手腕分支的腕关节处设有姿态传感器模块Ⅳ12。姿态传感器模块Ⅳ12沿手臂方向通过柔性排线连接有主控射频模块14，主控射频模块14两侧均连接有魔术贴束缚带15，通过将两侧的魔术贴束缚带15绑至手臂使得主控射频模块14可束缚于上臂处。

姿态传感器模块Ⅰ5和姿态传感器模块Ⅱ1之间通过柔性冗余排线16相连，大拇指分支的姿态传感器模块Ⅰ5与姿态传感器模块Ⅲ11之间通过柔性冗余排线16相连，其余手指分支的姿态传感器模块Ⅰ5均通过柔性集线排线13连接至姿态传感器模块Ⅲ11，姿态传感器模块Ⅲ11和姿态传感器模块Ⅳ12之间通过柔性冗余排线16相连，姿态传感器模块Ⅳ12和主控射频模块14之间通过柔性集线排线13相连。姿态传感器模块Ⅰ5和姿态传感器模块Ⅱ1，每个姿态传感器模块之间为形成并联关系，并且姿态传感器模块Ⅱ1的内部信号汇总于姿态传感器模块Ⅰ5中。大拇指分支的姿态传感器模块Ⅰ5通过柔性冗余排线16与姿态传感器模块Ⅲ11进行并联，将大拇指分支的姿态传感器模块Ⅰ1的内部信号汇总于姿态传感器模块Ⅲ11中。其余每个分支上的姿态传感器模块Ⅰ5汇总了当前分支上的姿态传感器模块Ⅱ1与姿态传感器模块Ⅰ5的内部信号，并且通过柔性集线排线13汇总于姿态传感器模块Ⅲ11。姿态传感器模块Ⅲ11汇总了姿态传感器模块Ⅱ1、姿态传感器模块Ⅰ5和姿态传感器模块Ⅲ11的所有内部信号，并且通过柔性冗余排线16与姿态传感器模块Ⅳ12进行并联，将姿态传感器模块Ⅲ11 所汇总的内部信号传输至姿态传感器模块Ⅳ12中。姿态传感器模块Ⅳ12通过柔性集线排线13与主控射频模块14进行并联，将姿态传感器模块Ⅳ12所汇总的所有内部信号传输至主控射频模块14进行处理。

如图2所示，每个姿态传感器模块主要由柔性基底19、姿态传感器电路板18和姿态传感器芯片20组成，柔性基底19上表面通过粘着剂贴附有姿态传感器电路板18，姿态传感器芯片20集成于姿态传感器电路板18上；柔性基底19 底部设有拱形面，能够与手指表面、手背表面以及手臂表面相互契合，以适应不同的人手结构。

具体实施例：

使用者将本实用新型贴附于手部的正确位置，即在每个手指的近节、中节处以及上臂近腕部位固定相应的姿态传感器模块；打开电源，使用者进行手部运动，主控芯片所有姿态传感器模块采集到的姿态数据通过主控射频模块14传输至上位机。

每根手指分支的姿态传感器模块Ⅰ5和姿态传感器模块Ⅱ1组成测量单元，测量得到每根手指第一指间关节的姿态数据；姿态传感器模块Ⅲ11分别和各个姿态传感器模块Ⅰ5组成测量单元，测量得到每根手指掌指关节的姿态数据；姿态传感器模块Ⅲ11和姿态传感器模块Ⅳ12组成测量单元，测量得到腕部关节的姿态数据；从而完成手部运动的姿态数据采集。

Claims (6)

1.一种贴附式手部动作捕捉系统，其特征在于：包括多个姿态传感器模块和主控射频模块(14)，姿态传感器模块包括姿态传感器模块Ⅰ(5)、姿态传感器模块Ⅱ(1)、姿态传感器模块Ⅲ(11)和姿态传感器模块Ⅳ(12)；

姿态传感器模块Ⅲ(11)贴附于手背，以姿态传感器模块Ⅲ(11)为中心分别延伸出与五个手指和手腕方向位置相对应的五个手指分支和一个手腕分支，五个手指分支为分别贴附于食指、中指、无名指、小拇指、大拇指的食指分支、中指分支、无名指分支、小拇指分支、大拇指分支，手腕分支贴附于手腕部位；在食指、中指、无名指、小拇指分支的近节和中节处分别设有姿态传感器模块Ⅰ(5)和姿态传感器模块Ⅱ(1)，在大拇指分支的近节与远节处分别设有姿态传感器模块Ⅰ(5)和姿态传感器模块Ⅱ(1)，在手腕分支的腕关节处设有姿态传感器模块Ⅳ(12)；相邻两个姿态传感器模块之间通过柔性排线连接；

每个姿态传感器模块主要由柔性基底(19)、姿态传感器电路板(18)和姿态传感器芯片(20)组成，柔性基底(19)上表面贴附有姿态传感器电路板(18)，姿态传感器芯片(20)集成于姿态传感器电路板(18)上；柔性基底(19)底部设有与手指形状相适配的拱形面，姿态传感器模块通过柔性基底(19)底部的拱形面贴附于手指；

姿态传感器模块Ⅳ(12)沿手臂方向通过柔性排线连接有主控射频模块(14)。

2.根据权利要求1所述的一种贴附式手部动作捕捉系统，其特征在于：每个手指分支的姿态传感器模块Ⅰ(5)和姿态传感器模块Ⅱ(1)组成测量单元用于测量每个手指第一指间关节的姿态数据，姿态传感器模块Ⅲ(11)分别和各个姿态传感器模块Ⅰ(5)组成测量单元用于测量每个手指掌指关节的姿态数据，姿态传感器模块Ⅲ(11)和姿态传感器模块Ⅳ(12)组成测量单元用于测量腕部关节的姿态数据。

3.根据权利要求2所述的一种贴附式手部动作捕捉系统，其特征在于，所有姿态传感器模块均与主控射频模块(14)相连，姿态传感器模块采集的姿态数据通过主控射频模块(14)传输至上位机。

4.根据权利要求1所述的一种贴附式手部动作捕捉系统，其特征在于：柔性排线包括柔性集线排线(13)和柔性冗余排线(16)，柔性排线呈弯曲状布置；姿态传感器模块Ⅰ(5)和姿态传感器模块Ⅱ(1)之间通过柔性冗余排线(16)相连，大拇指分支的姿态传感器模块Ⅰ(5)与姿态传感器模块Ⅲ(11)之间通过柔性冗余排线(16)相连，其余手指分支的姿态传感器模块Ⅰ(5)均通过柔性集线排线(13)连接至姿态传感器模块Ⅲ(11)，姿态传感器模块Ⅲ(11)和姿态传感器模块Ⅳ(12)之间通过柔性冗余排线(16)相连，姿态传感器模块Ⅳ(12)和主控射频模块(14)之间通过柔性集线排线(13)相连。

5.根据权利要求1所述的一种贴附式手部动作捕捉系统，其特征在于：柔性排线、柔性基底均采用具有延展性的柔性材料。

6.根据权利要求1所述的一种贴附式手部动作捕捉系统，其特征在于：所述主控射频模块(14)两侧均连接有魔术贴束缚带(15)，通过将两侧的魔术贴束缚带(15)绑至手臂使主控射频模块(14)束缚于上臂处。

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