專利名稱：一種動(dòng)作姿態(tài)捕捉裝置及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型是關(guān)于動(dòng)作姿態(tài)捕捉技術(shù)領(lǐng)域，具體來說是關(guān)于一種動(dòng)作姿態(tài)捕捉裝置及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
目前在電影制作及游戲制作領(lǐng)域中，經(jīng)常會(huì)用到動(dòng)作姿態(tài)捕捉技術(shù)，現(xiàn)有動(dòng)作姿態(tài)捕捉技術(shù)通常包括使用視頻追蹤方式(多點(diǎn)高速攝影輔以標(biāo)記球及視頻識(shí)別技術(shù))及多點(diǎn)慣性姿態(tài)系統(tǒng)這兩種技術(shù)解決方案。基于視頻追蹤技術(shù)(computer vision / tracking)的動(dòng)作姿態(tài)捕捉系統(tǒng)通常在目標(biāo)體表附著多個(gè)參考球/點(diǎn)，采用多臺(tái)高速攝像機(jī)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行拍攝，通過視頻識(shí)別技術(shù)獲取目標(biāo)體表參考球/點(diǎn)的軌跡后，通過3維模型計(jì)算恢復(fù)出目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)及運(yùn)動(dòng)軌跡。 其優(yōu)點(diǎn)在于，識(shí)別精度高，并且可以對(duì)目標(biāo)平動(dòng)進(jìn)行識(shí)別，但其也存在如下的問題整套系統(tǒng)非常復(fù)雜，需要多臺(tái)的攝影設(shè)備及運(yùn)算平臺(tái)，器材及相應(yīng)軟件價(jià)格昂貴， 使用成本高，在需要對(duì)高速人體運(yùn)動(dòng)時(shí)需要采用高速攝像設(shè)備，進(jìn)一步增大了成本。系統(tǒng)體積大、功耗大，布置復(fù)雜，需要場(chǎng)地大，操作不方便。使用者穿戴設(shè)備不方便。在有攝像機(jī)追蹤目標(biāo)身上的參考球/點(diǎn)遇到遮擋時(shí)使用受到限制。人體動(dòng)作恢復(fù)算法復(fù)雜，運(yùn)算量大，實(shí)時(shí)處理困難，數(shù)據(jù)交互能力一般。基于多點(diǎn)慣性姿態(tài)測(cè)量技術(shù)的動(dòng)作捕捉系統(tǒng)包括多個(gè)位于目標(biāo)身體上的傳感器節(jié)點(diǎn)，在使用時(shí)，需要對(duì)多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行集中采集處理并無線傳輸至上位機(jī)系統(tǒng)，由上位機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行姿態(tài)恢復(fù)運(yùn)算。其優(yōu)點(diǎn)在于，系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)潔，使用時(shí)不怕遮擋，但其也存在如下的問題多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)及中央節(jié)點(diǎn)之間為有線連接，給使用者穿戴及使用帶來不便。傳感器節(jié)點(diǎn)所需數(shù)目較多(一般不少于15個(gè)節(jié)點(diǎn))導(dǎo)致成本較高，由于每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)體積和重量較大，因此會(huì)給使用者帶來較重的負(fù)擔(dān)。集中計(jì)算導(dǎo)致系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集及同步速度較低(特別是多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)工作時(shí))，無法應(yīng)對(duì)高速動(dòng)作姿態(tài)捕捉要求。以上兩種動(dòng)作捕捉系統(tǒng)主要應(yīng)用于電影、動(dòng)漫、游戲制作、醫(yī)療診斷及復(fù)健、科學(xué)研究等專業(yè)領(lǐng)域，由于系統(tǒng)均較為復(fù)雜，成本較高且使用不便，因此并不能滿足一般領(lǐng)域的需要。
發(fā)明內(nèi)容為克服現(xiàn)有技術(shù)中動(dòng)作捕捉系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集及同步速度較低、構(gòu)成復(fù)雜、成本高且使用不便的問題，本實(shí)用新型提供一種動(dòng)作姿態(tài)捕捉系統(tǒng)。所述的動(dòng)作姿態(tài)捕捉系統(tǒng)包括用于生成姿態(tài)數(shù)據(jù)的上位機(jī)和與其連接的多個(gè)傳感器采集節(jié)點(diǎn)，其中，所述的傳感器采集節(jié)點(diǎn)包括[0016]用于采集傳感數(shù)據(jù)并根據(jù)所述的傳感數(shù)據(jù)計(jì)算姿態(tài)角數(shù)據(jù)的外擴(kuò)模塊；與所述的外擴(kuò)模塊相連、接收所述外擴(kuò)模塊輸出的姿態(tài)角數(shù)據(jù)、融合并同步所述的外擴(kuò)模塊輸出的姿態(tài)角數(shù)據(jù)的主模塊；與所述的主模塊相連、用于提供電力的電源模塊；與所述的主模塊相連、用于將所述融合并同步后的姿態(tài)角數(shù)據(jù)輸出的傳輸模塊。根據(jù)實(shí)施例，還可采用以下優(yōu)選的技術(shù)方案所述的外擴(kuò)模塊包括外擴(kuò)模塊主芯片和分別與之相連的用于感測(cè)加速度數(shù)據(jù)的加速度傳感器；用于感測(cè)角速度數(shù)據(jù)的陀螺儀傳感器；用于感測(cè)地磁場(chǎng)數(shù)據(jù)的磁阻式傳感器；用于感測(cè)氣壓數(shù)據(jù)的氣壓傳感器；以及用于接收GPS數(shù)據(jù)的GPS接收器。所述的動(dòng)作姿態(tài)捕捉系統(tǒng)還包括數(shù)據(jù)融合節(jié)點(diǎn)，分別與所述的上位機(jī)及所述的多個(gè)傳感器采集節(jié)點(diǎn)的傳輸模塊相連接。所述的傳感器采集節(jié)點(diǎn)的數(shù)目為1至6個(gè)，每個(gè)所述的傳感器采集節(jié)點(diǎn)包含的外擴(kuò)模塊的數(shù)目為1至5個(gè)。所述的傳輸模塊為藍(lán)牙模塊、Zigbee模塊、紅外模塊、射頻模塊、WIFI模塊、WiMax 模塊、GPRS模塊、CDMA模塊、3G模塊或LTE模塊。 所述的上位機(jī)為平板電腦、移動(dòng)電話、PDA或者電腦。本實(shí)用新型還提供一種動(dòng)作姿態(tài)捕捉裝置，所述的動(dòng)作姿態(tài)捕捉裝置包括用于采集傳感數(shù)據(jù)并計(jì)算出姿態(tài)角數(shù)據(jù)的外擴(kuò)模塊組、用于融合姿態(tài)角數(shù)據(jù)的主模塊、用于提供電力的電源模塊和用于將實(shí)審姿態(tài)角數(shù)據(jù)輸出的傳輸模塊，所述主模塊分別與所述外擴(kuò)模塊組、電源模塊、傳輸模塊連接。優(yōu)選的，所述外擴(kuò)模塊組包括佩戴在使用者小臂上的第一外擴(kuò)模塊、安裝在手持設(shè)備上的第二外擴(kuò)模塊和佩戴在使用者大臂上的第三外擴(kuò)模塊中的至少兩個(gè)。進(jìn)一步優(yōu)選的，所述的主模塊、第一外擴(kuò)模塊、電源模塊和傳輸模塊被封裝在了一個(gè)外殼中。再優(yōu)選的，所述的第一、第二及第三外擴(kuò)模塊均包括一個(gè)加速度傳感器、一個(gè)陀螺儀傳感器、一個(gè)磁阻式傳感器和一個(gè)微處理器。通過在一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)中設(shè)置多個(gè)外擴(kuò)節(jié)點(diǎn)，由傳感器節(jié)點(diǎn)中的外擴(kuò)節(jié)點(diǎn)首先對(duì)傳感數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和運(yùn)算，隨后由傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)多個(gè)外擴(kuò)節(jié)點(diǎn)的計(jì)算出的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合并同步，提升了傳感數(shù)據(jù)采集同步的速度和效率。并且簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低了成本且更加方便使用。

此處所說明的附圖用來提供對(duì)本實(shí)用新型的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分， 并不構(gòu)成對(duì)本實(shí)用新型的限定。在附圖中圖1是本實(shí)用新型實(shí)施例提供的一種動(dòng)作姿態(tài)捕捉系統(tǒng)拓?fù)鋱D。[0039]圖2是在本實(shí)用新型實(shí)施例提供的傳感器采集節(jié)點(diǎn)102的結(jié)構(gòu)框圖。圖3是在本實(shí)用新型實(shí)施例提供的外擴(kuò)模塊201的結(jié)構(gòu)框圖。圖4是本實(shí)用新型實(shí)施例提供的一種動(dòng)作姿態(tài)捕捉系統(tǒng)拓?fù)鋱D。圖5所示是本實(shí)施例提供的監(jiān)測(cè)及記錄人體手臂動(dòng)作的動(dòng)作姿態(tài)捕捉裝置500的模塊圖。圖6所示是本實(shí)施例提供的監(jiān)測(cè)及記錄人體手臂動(dòng)作的動(dòng)作姿態(tài)捕捉裝置500的佩戴示意圖。圖7所示是本實(shí)施例提供的監(jiān)測(cè)及記錄人體手臂動(dòng)作的動(dòng)作姿態(tài)捕捉裝置700的模塊圖。圖8所示是本實(shí)施例提供的監(jiān)測(cè)及記錄人體手臂動(dòng)作的動(dòng)作姿態(tài)捕捉裝置700的佩戴示意圖。
具體實(shí)施方式
為使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，下面結(jié)合實(shí)施方式和附圖，對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步詳細(xì)說明。在此，本實(shí)用新型的示意性實(shí)施方式及其說明用于解釋本實(shí)用新型，但并不作為對(duì)本實(shí)用新型的限定。本實(shí)用新型實(shí)施例提供一種動(dòng)作姿態(tài)捕捉系統(tǒng)，
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)說明。實(shí)施例一圖1是本實(shí)用新型實(shí)施例提供的一種動(dòng)作姿態(tài)捕捉系統(tǒng)拓?fù)鋱D，如圖1所示，動(dòng)作姿態(tài)捕捉系統(tǒng)包括上位機(jī)101和多個(gè)傳感器采集節(jié)點(diǎn)102，其中上位機(jī)101，用于接收姿態(tài)角數(shù)據(jù)，并根據(jù)所述的姿態(tài)角數(shù)據(jù)生成姿態(tài)數(shù)據(jù)。在本實(shí)用新型實(shí)施例中，上位機(jī)101可以是個(gè)人計(jì)算機(jī)或手持設(shè)備，包括但不限于基于Windows，Linux, MacOS的個(gè)人計(jì)算機(jī)(包括膝上型計(jì)算機(jī)及臺(tái)式個(gè)人計(jì)算機(jī))或運(yùn)行Android，iOS, Rim, WPOS等操作系統(tǒng)的移動(dòng)電話，平板電腦，PDA等手持設(shè)備。上位機(jī) 101內(nèi)安裝有一上位機(jī)軟件系統(tǒng)，該軟件系統(tǒng)包括人體逆向動(dòng)力學(xué)計(jì)算功能，三維建模及動(dòng)畫生成功能，模式識(shí)別及信息提取功能，數(shù)據(jù)庫(kù)功能，及信息傳播交互功能。在本實(shí)用新型實(shí)施例中，上位機(jī)101可以接收多個(gè)傳感器采集節(jié)點(diǎn)102生成的姿態(tài)角數(shù)據(jù)，姿態(tài)角數(shù)據(jù)由傳感器采集節(jié)點(diǎn)102根據(jù)傳感數(shù)據(jù)計(jì)算得出，傳感數(shù)據(jù)包括但不限于加速度數(shù)據(jù)、角速度數(shù)據(jù)、地磁場(chǎng)數(shù)據(jù)、氣壓數(shù)據(jù)和/或GPS數(shù)據(jù)，上位機(jī)101通過其上位機(jī)軟件系統(tǒng)對(duì)生成的姿態(tài)角數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，可以生成姿態(tài)數(shù)據(jù)，從而完成對(duì)人體動(dòng)作姿態(tài)的捕捉。多個(gè)傳感器采集節(jié)點(diǎn)102，用于采集傳感數(shù)據(jù)，根據(jù)傳感數(shù)據(jù)生成姿態(tài)角數(shù)據(jù)并輸
出ο在本實(shí)用新型實(shí)施例中，傳感器采集節(jié)點(diǎn)102設(shè)置于被捕捉對(duì)象的身上，采集被捕捉對(duì)象的各種動(dòng)作，生成傳感數(shù)據(jù)，并通過無線方式將采集到的傳感數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī) 101。圖2是在本實(shí)用新型實(shí)施例提供的傳感器采集節(jié)點(diǎn)102的結(jié)構(gòu)框圖，如圖2所示， 傳感器采集節(jié)點(diǎn)102包括[0056]外擴(kuò)模塊201，用于采集傳感數(shù)據(jù)并根據(jù)所述的傳感數(shù)據(jù)計(jì)算姿態(tài)角數(shù)據(jù)。在本實(shí)用新型實(shí)施例中，外擴(kuò)模塊201可以包括多個(gè)傳感器，如三軸陀螺儀傳感器，三軸加速度傳感器，三軸磁阻傳感器，氣壓傳感器等，外擴(kuò)模塊201通過這些傳感器對(duì)人體動(dòng)作姿態(tài)進(jìn)行捕捉，生成各種姿態(tài)角數(shù)據(jù)，并將姿態(tài)角數(shù)據(jù)發(fā)送至主模塊202，外擴(kuò)模塊201與主模塊202主芯片通過有線方式相連接，并從主模塊202獲取電力。在本實(shí)用新型實(shí)施例中，圖2以傳感器采集節(jié)點(diǎn)102包括3個(gè)外擴(kuò)模塊201為例進(jìn)行說明，在實(shí)際使用中，每個(gè)傳感器采集節(jié)點(diǎn)可以包含任意個(gè)外擴(kuò)模塊201所有外擴(kuò)模塊201模塊均將生成的姿態(tài)角數(shù)據(jù)匯總傳輸給主模塊202模塊進(jìn)行無線傳輸，而所用電力亦由與主模塊202相連的電源模塊203提供。因此，在外擴(kuò)模塊201數(shù)量較多時(shí)，供電能力與傳輸能力均遇到瓶頸，造成無線數(shù)據(jù)刷新率降低，待機(jī)時(shí)間下降等問題，同時(shí)考慮到無線傳輸協(xié)議的限制，通?？梢愿鶕?jù)實(shí)際需要將外擴(kuò)模塊201的數(shù)量設(shè)置為1個(gè)至5個(gè)。在本實(shí)用新型實(shí)施例中，圖3是在本實(shí)用新型實(shí)施例提供的外擴(kuò)模塊201的結(jié)構(gòu)框圖，如圖3所示，外擴(kuò)模塊201包括外擴(kuò)模塊主芯片301，用于采集并計(jì)算傳感器302至306感測(cè)到的傳感數(shù)據(jù)，得到姿態(tài)角數(shù)據(jù)，并將姿態(tài)角數(shù)據(jù)發(fā)送至主模塊202。外擴(kuò)模塊主芯片301可以將采集到的傳感數(shù)據(jù)計(jì)算成可以直接表征姿態(tài)的歐拉角格式或四元素格式，計(jì)算前的原始傳感數(shù)據(jù)信息量極大，經(jīng)外擴(kuò)模塊主芯片301計(jì)算后直接向主模塊202輸出有效數(shù)據(jù)，減少了數(shù)據(jù)傳輸量， 提高了同步速度。加速度傳感器302，與外擴(kuò)模塊主芯片301相連，用于感測(cè)加速度數(shù)據(jù)，并將感測(cè)到的加速度數(shù)據(jù)發(fā)送至外擴(kuò)模塊主芯片301。陀螺儀傳感器303，與外擴(kuò)模塊主芯片301相連，用于感測(cè)角速度數(shù)據(jù)，并將感測(cè)到的角速度數(shù)據(jù)發(fā)送至外擴(kuò)模塊主芯片301。磁阻式傳感器304，與外擴(kuò)模塊主芯片301相連，用于感測(cè)地磁場(chǎng)數(shù)據(jù)，并將感測(cè)到的地磁場(chǎng)數(shù)據(jù)發(fā)送至外擴(kuò)模塊主芯片301。氣壓傳感器305，與外擴(kuò)模塊主芯片301相連，用于感測(cè)氣壓數(shù)據(jù)，并將感測(cè)到的氣壓數(shù)據(jù)發(fā)送至外擴(kuò)模塊主芯片301。GPS接收器306，與外擴(kuò)模塊主芯片301相連，用于接收GPS數(shù)據(jù)，并將接收到的 GPS數(shù)據(jù)發(fā)送至外擴(kuò)模塊主芯片301。在本實(shí)用新型實(shí)施例中，外擴(kuò)模塊201可以根據(jù)實(shí)際需要，只包含上述傳感器302 至306中的一種或幾種，而不包含以上全部5種傳感器，也可以包含更多其他種類的傳感
ο主模塊202，與所述的外擴(kuò)模塊201相連，用于接收外擴(kuò)模塊輸出的姿態(tài)角數(shù)據(jù)， 融合并同步所述的外擴(kuò)模塊輸出的姿態(tài)角數(shù)據(jù)。在本實(shí)用新型實(shí)施例中，主模塊202接收外擴(kuò)模塊201計(jì)算到的姿態(tài)角數(shù)據(jù)，并對(duì)接收到的多個(gè)外擴(kuò)模塊201生成的姿態(tài)角數(shù)據(jù)進(jìn)行融合并同步。外擴(kuò)模塊201計(jì)算到的姿態(tài)角數(shù)據(jù)為短數(shù)據(jù)幀，主模塊202將多個(gè)201發(fā)來的短數(shù)據(jù)幀，進(jìn)行有效信息提取，拼組成長(zhǎng)數(shù)據(jù)幀，再加上禎頭禎尾發(fā)送，不但可以解決同步問題，也可減小數(shù)據(jù)傳輸量，間接提高傳輸速度刷新率。電源模塊203，與所述的主模塊202相連，用于提供電力。[0070]在本實(shí)用新型實(shí)施例中，電源模塊203為主模塊202提供電力，并通過主模塊202 為外擴(kuò)模塊201和傳輸模塊204提供電力，在本實(shí)用新型的另一實(shí)施例中，電源模塊203也可以直接為外擴(kuò)模塊201和傳輸模塊204提供電力，電源模塊203可以使用充電電池或干電池。傳輸模塊204，與所述的主模塊202相連，用于將融合并同步后的姿態(tài)角數(shù)據(jù)輸
出ο在本實(shí)用新型實(shí)施例中，傳輸模塊204通過有線方式與主模塊202相連，接收主模塊202生成的融合并同步后的姿態(tài)角數(shù)據(jù)，并將融合并同步后的姿態(tài)角數(shù)據(jù)通過無線方式發(fā)送至上位機(jī)101。在本實(shí)用新型實(shí)施例中，傳輸模塊204可以為藍(lán)牙模塊、Zigbee模塊、紅外模塊、 射頻模塊、WIFI模塊、WiMax模塊、GPRS模塊、CDMA模塊、3G模塊或LTE模塊，也可以根據(jù)實(shí)際需要包括其中兩種或兩種以上的無線傳輸模塊。動(dòng)作姿態(tài)捕捉系統(tǒng)可以包括任意個(gè)傳感器采集節(jié)點(diǎn)，此處并無嚴(yán)格限制，可以通過修改協(xié)議擴(kuò)展到更多，但是無線傳輸帶寬不是無限的，因此一般不會(huì)多于IOM個(gè)節(jié)點(diǎn)。 在本實(shí)用新型實(shí)施例中，圖ι以動(dòng)作姿態(tài)捕捉系統(tǒng)包括6個(gè)傳感器采集節(jié)點(diǎn)102為例進(jìn)行說明，在實(shí)際使用中，當(dāng)傳感器采集節(jié)點(diǎn)采用無線射頻協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，由于無線射頻協(xié)議最多支持到6個(gè)節(jié)點(diǎn)，并且節(jié)點(diǎn)增加后，由于每個(gè)節(jié)點(diǎn)會(huì)均分帶寬，單個(gè)節(jié)點(diǎn)的實(shí)際可用帶寬會(huì)變窄。因此可以根據(jù)實(shí)際需要將傳感器采集節(jié)點(diǎn)102的數(shù)量設(shè)置為1個(gè)至6個(gè)， 用以表征不同級(jí)別的動(dòng)作捕捉及姿態(tài)恢復(fù)。圖4是本實(shí)用新型實(shí)施例提供的一種動(dòng)作姿態(tài)捕捉系統(tǒng)拓?fù)鋱D，如圖4所示，動(dòng)作姿態(tài)捕捉系統(tǒng)包括上位機(jī)401、多個(gè)傳感器采集節(jié)點(diǎn)402和數(shù)據(jù)融合節(jié)點(diǎn)403，與圖1不同之處在于，圖4所示動(dòng)作姿態(tài)捕捉系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)融合節(jié)點(diǎn)403，分別與上位機(jī)401及多個(gè)傳感器采集節(jié)點(diǎn)402相連接，用于接收多個(gè)傳感器采集節(jié)點(diǎn)402輸出的姿態(tài)角數(shù)據(jù)，將所述的姿態(tài)角數(shù)據(jù)融合并同步后發(fā)送至上位機(jī)401。在本實(shí)用新型實(shí)施例中，數(shù)據(jù)融合節(jié)點(diǎn)403通過無線方式與多個(gè)傳感器采集節(jié)點(diǎn) 402相連接，接收傳感器采集節(jié)點(diǎn)402發(fā)送的姿態(tài)角數(shù)據(jù)。無線方式包括但不限于藍(lán)牙方式、Zigbee方式、紅外方式、射頻方式、WIFI方式、WiMax方式、GPRS方式、CDMA方式、3G方式和LTE方式中的一種或幾種。流行的無線傳輸方式如藍(lán)牙，鼠標(biāo)等外設(shè)所用2. 4G射頻等均有節(jié)點(diǎn)數(shù)限制，藍(lán)牙為7，鼠標(biāo)等用的2. 4G射頻為6，因此可以同時(shí)工作的傳感器采集節(jié)點(diǎn)數(shù)目受到限制，即便可以通過通訊協(xié)議補(bǔ)償無線傳輸時(shí)的節(jié)點(diǎn)數(shù)限制問題，過多節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的同步也是一個(gè)大問題。因此在本實(shí)用新型實(shí)施例中，數(shù)據(jù)融合節(jié)點(diǎn)403將從多個(gè)傳感器采集節(jié)點(diǎn)402接收到的姿態(tài)角數(shù)據(jù)進(jìn)行融合及同步處理，將從多個(gè)傳感器采集節(jié)點(diǎn)402接收到的長(zhǎng)數(shù)據(jù)幀，進(jìn)行有效信息提取，拼組成更長(zhǎng)的數(shù)據(jù)幀，再加上禎頭禎尾發(fā)送，進(jìn)一步解決了同步問題，也進(jìn)一步減小了數(shù)據(jù)傳輸量，間接提高傳輸速度刷新率。最后將融合及同步后的姿態(tài)角數(shù)據(jù)通過有線或無線方式發(fā)送至上位機(jī)401的數(shù)據(jù)通信接口(包括但不限于數(shù)據(jù)線接口，串口或USB接口)。圖4所示動(dòng)作姿態(tài)捕捉系統(tǒng)中上位機(jī)401和多個(gè)傳感器采集節(jié)點(diǎn)402與圖1中的上位機(jī)101、多個(gè)傳感器采集節(jié)點(diǎn)102相似，故在此不再贅述，在傳感器采集節(jié)點(diǎn)402數(shù)目較少的動(dòng)作姿態(tài)捕捉系統(tǒng)中，因?yàn)橹恍璞O(jiān)測(cè)并記錄人體部分軀干的動(dòng)作，所以上位機(jī)401可以采用手機(jī)或平板電腦作為應(yīng)用端。由于數(shù)據(jù)量較少，可以省去第二級(jí)數(shù)據(jù)融合節(jié)點(diǎn)403，多自由度傳感器采集節(jié)點(diǎn)402直接與上位機(jī)401進(jìn)行無線通訊。多自由度傳感器采集節(jié)點(diǎn)402中的外擴(kuò)模塊作為數(shù)據(jù)采集端；采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算，計(jì)算成可以直接表征姿態(tài)的歐拉角格式或四元素格式再傳輸給主模塊202。原始數(shù)據(jù)信息量極大，經(jīng)計(jì)算后直接輸出有效數(shù)據(jù)。后傳給主模塊；主模塊作為下位機(jī)節(jié)點(diǎn)對(duì)計(jì)算后的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合及同步后，通過無線數(shù)據(jù)傳輸將經(jīng)融合處理后的數(shù)據(jù)傳給上位機(jī) 401應(yīng)用端硬件；應(yīng)用端軟件將傳輸來的數(shù)據(jù)進(jìn)行恢復(fù)、三維建模及體動(dòng)作分析、以及動(dòng)畫展示等處理。外擴(kuò)模塊的電源由主節(jié)點(diǎn)提供，主節(jié)點(diǎn)可使用充電電池或干電池供電。在傳感器采集節(jié)點(diǎn)402數(shù)目較多的動(dòng)作姿態(tài)捕捉系統(tǒng)中，因?yàn)樾枰O(jiān)測(cè)并記錄大量傳感器反饋回的數(shù)據(jù)，所以上位機(jī)401可以采高性能平板電腦或便攜式計(jì)算機(jī)作為應(yīng)用端。系統(tǒng)的外擴(kuò)模塊作為數(shù)據(jù)采集端；采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)計(jì)算后傳給主模塊；主模塊對(duì)計(jì)算后的姿態(tài)角數(shù)據(jù)做數(shù)據(jù)一級(jí)同步及融合，然后通過無線數(shù)據(jù)傳輸將經(jīng)一級(jí)同步及融合處理后的數(shù)據(jù)傳給數(shù)據(jù)融合節(jié)點(diǎn)403 ；數(shù)據(jù)經(jīng)該數(shù)據(jù)融合節(jié)點(diǎn)403的二級(jí)融合處理后，再通過數(shù)據(jù)線傳給上位機(jī)401應(yīng)用端硬件；應(yīng)用端硬件將傳輸來的數(shù)據(jù)進(jìn)行恢復(fù)、三維建模及動(dòng)畫生成等處理。外擴(kuò)模塊的電源由主模塊提供，主模塊使用充電電池或干電池供電，數(shù)據(jù)融合節(jié)點(diǎn)403可以從外部取電，同時(shí)數(shù)據(jù)融合節(jié)點(diǎn)403可以對(duì)多個(gè)主模塊同時(shí)進(jìn)行供電和充電。本實(shí)用新型采用“多個(gè)具有本地計(jì)算及無線傳輸功能的慣性測(cè)量傳感器節(jié)點(diǎn)”測(cè)量各個(gè)節(jié)點(diǎn)的角速度，加速度，及地磁分量；進(jìn)而得出該節(jié)點(diǎn)的“姿態(tài)角”；并將測(cè)量數(shù)據(jù)通過無線數(shù)據(jù)傳輸方式傳輸?shù)絺€(gè)人計(jì)算機(jī)或手持設(shè)備中，通過計(jì)算恢復(fù)出目標(biāo)的整體動(dòng)作姿態(tài)。而算法中的逆向人體動(dòng)力學(xué)建模方法，則可以使得本實(shí)用新型所采用的慣性姿態(tài)節(jié)點(diǎn)數(shù)量顯著少于傳統(tǒng)慣性姿態(tài)系統(tǒng)中所需要的節(jié)點(diǎn)數(shù)目。而整合了手持設(shè)備的應(yīng)用方式，使得該系統(tǒng)的人機(jī)交互能力大大優(yōu)于傳統(tǒng)的兩種方案。本實(shí)用新型實(shí)施例提供的動(dòng)作姿態(tài)捕捉系統(tǒng)，通過其傳感器采集節(jié)點(diǎn)中的外擴(kuò)模塊采集傳感數(shù)據(jù)并根據(jù)所述的傳感數(shù)據(jù)計(jì)算姿態(tài)角數(shù)據(jù)，可以減小外擴(kuò)模塊傳遞給主模塊的數(shù)據(jù)量，減少了帶寬占用，提高了刷新率和同步速度。本實(shí)用新型實(shí)施例提供的動(dòng)作姿態(tài)捕捉系統(tǒng)，通過其主模塊對(duì)接收到的姿態(tài)角數(shù)據(jù)進(jìn)行同步及融合，解決了傳感器采集節(jié)點(diǎn)中外擴(kuò)模塊數(shù)目受到限制的問題，同時(shí)減少了數(shù)據(jù)傳輸量節(jié)省了帶寬占用，提高了刷新率和同步速度。本實(shí)用新型實(shí)施例提供的動(dòng)作姿態(tài)捕捉系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)融合節(jié)點(diǎn)對(duì)各傳感器采集節(jié)點(diǎn)輸出的姿態(tài)角數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的同步及融合，解決了傳感器采集節(jié)點(diǎn)數(shù)目受到限制的問題，同時(shí)減少了數(shù)據(jù)傳輸量節(jié)省了帶寬占用，提高了刷新率和同步速度。實(shí)施例二本實(shí)用新型實(shí)施例提供一種監(jiān)測(cè)及記錄人體手臂動(dòng)作的動(dòng)作姿態(tài)捕捉裝置，本系統(tǒng)由于只需要對(duì)人體手臂的動(dòng)作進(jìn)行動(dòng)作姿態(tài)捕捉，因此傳感器采集節(jié)點(diǎn)數(shù)目較少。圖5所示是本實(shí)施例提供的監(jiān)測(cè)及記錄人體手臂動(dòng)作的動(dòng)作姿態(tài)捕捉裝置500的模塊圖，圖6所示是本實(shí)施例提供的監(jiān)測(cè)及記錄人體手臂動(dòng)作的動(dòng)作姿態(tài)捕捉裝置500的佩戴示意圖，結(jié)合圖5和圖6所示，動(dòng)作姿態(tài)捕捉裝置500包括用于佩戴在使用者小臂的傳感器采集節(jié)點(diǎn)501及用于安裝在手持設(shè)備上的外擴(kuò)模塊502，其中，傳感器采集節(jié)點(diǎn)501 中進(jìn)一步包括主模塊503、外擴(kuò)模塊504、電源模塊505和傳輸模塊506。各模塊的結(jié)構(gòu)和功能與實(shí)施例一中的同名單元類似，故在此不再贅述。其中傳感器采集節(jié)點(diǎn)501中的外擴(kuò)模塊504用于采集小臂的動(dòng)作并計(jì)算出相應(yīng)的姿態(tài)角數(shù)據(jù)，外擴(kuò)模塊502用于采集手持設(shè)備的動(dòng)作并計(jì)算出相應(yīng)的姿態(tài)角數(shù)據(jù)，電源模塊505為主模塊503提供電力，外擴(kuò)模塊504和502通過主模塊503獲得電力，主模塊503 將從外擴(kuò)模塊504和502接收到的姿態(tài)角數(shù)據(jù)進(jìn)行融合及同步處理后，通過傳輸模塊506 輸出至上位機(jī)進(jìn)行運(yùn)算。在本實(shí)用新型實(shí)施例中，主模塊503、外擴(kuò)模塊504、電源模塊505和傳輸模塊506 被封裝在了一個(gè)外殼中，主模塊503與外擴(kuò)模塊502之間由數(shù)據(jù)線相連接，數(shù)據(jù)線負(fù)責(zé)傳輸數(shù)據(jù)及向外擴(kuò)模塊502供電。在本實(shí)用新型實(shí)施例中，外擴(kuò)模塊502和504均主要由一個(gè)加速度傳感器、一個(gè)陀螺儀傳感器、一個(gè)磁阻式傳感器和一個(gè)微處理器(ARM Cortex-M3)組成，當(dāng)揮動(dòng)手臂時(shí)，外擴(kuò)模塊504和502上的三個(gè)傳感器就會(huì)分別將各自所采集到的空間位置信息(三個(gè)空間向量的加速度、角速度、地磁場(chǎng)量)通過數(shù)據(jù)接口(I2C或者SPI)傳輸給微處理器，微處理器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理計(jì)算后輸出。外擴(kuò)模塊502和504輸出的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)傳輸線傳給主模塊503，主模塊503包括一個(gè)功能更強(qiáng)大的微處理器⑶Π ARM Cortex-M3)。微處理器通過串口將外擴(kuò)模塊502和 504傳輸來的數(shù)據(jù)(歐拉角及四元數(shù)數(shù)據(jù))進(jìn)行轉(zhuǎn)存，信息提取及數(shù)據(jù)融合處理，之后將融合后的數(shù)據(jù)傳輸給傳輸模塊506，傳輸模塊506可以是一藍(lán)牙模塊，傳輸模塊506通過無線傳輸將數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞謾C(jī)或平板電腦上。手機(jī)上可以安裝相應(yīng)的軟件，該軟件將傳輸來的數(shù)據(jù)經(jīng)逆向動(dòng)力學(xué)計(jì)算、三維建模及動(dòng)畫生成將手臂揮動(dòng)的姿態(tài)恢復(fù)出來，并可以通過視頻供使用者觀看?？捎靡暂o助運(yùn)動(dòng)教學(xué)，機(jī)器人控制或醫(yī)療恢復(fù)訓(xùn)練等場(chǎng)合。本實(shí)用新型實(shí)施例提供的動(dòng)作姿態(tài)捕捉裝置，通過其傳感器采集節(jié)點(diǎn)中的外擴(kuò)模塊采集傳感數(shù)據(jù)并根據(jù)所述的傳感數(shù)據(jù)計(jì)算姿態(tài)角數(shù)據(jù)，可以減小外擴(kuò)模塊傳遞給主模塊的數(shù)據(jù)量，減少了帶寬占用，提高了刷新率和同步速度。本實(shí)用新型實(shí)施例提供的動(dòng)作姿態(tài)捕捉裝置，通過其主模塊對(duì)接收到的姿態(tài)角數(shù)據(jù)進(jìn)行同步及融合，解決了傳感器采集節(jié)點(diǎn)中外擴(kuò)模塊數(shù)目受到限制的問題，同時(shí)減少了數(shù)據(jù)傳輸量節(jié)省了帶寬占用，提高了刷新率和同步速度。實(shí)施例三圖7所示是本實(shí)施例提供的監(jiān)測(cè)及記錄人體手臂動(dòng)作的動(dòng)作姿態(tài)捕捉裝置700的模塊圖。圖8所示是本實(shí)施例提供的監(jiān)測(cè)及記錄人體手臂動(dòng)作的動(dòng)作姿態(tài)捕捉裝置700的佩戴示意圖。參見圖7和圖8所示，動(dòng)作姿態(tài)捕捉裝置700包括用于佩戴在使用者小臂的傳感器采集節(jié)點(diǎn)701、用于佩戴在使用者大臂的傳感器采集節(jié)點(diǎn)707及用于安裝在手持設(shè)備上的外擴(kuò)模塊702，其中，傳感器采集節(jié)點(diǎn)701中進(jìn)一步包括主模塊703、外擴(kuò)模塊704、 電源模塊705和傳輸模塊706。各模塊的結(jié)構(gòu)和功能與實(shí)施例一中的同名單元類似，故在此不再贅述。其中傳感器采集節(jié)點(diǎn)701中的外擴(kuò)模塊704用于采集小臂的動(dòng)作并計(jì)算出相應(yīng)的姿態(tài)角數(shù)據(jù)，外擴(kuò)模塊707用于采集大臂的動(dòng)作并計(jì)算出相應(yīng)的姿態(tài)角數(shù)據(jù)，外擴(kuò)模塊702 用于采集手持設(shè)備的動(dòng)作并計(jì)算出相應(yīng)的姿態(tài)角數(shù)據(jù)，電源模塊705為主模塊703提供電力，外擴(kuò)模塊704、707和702通過主模塊703獲得電力，主模塊703將從外擴(kuò)模塊704、707 和702接收到的姿態(tài)角數(shù)據(jù)進(jìn)行融合及同步處理后，通過傳輸模塊706輸出至上位機(jī)進(jìn)行運(yùn)算。在本實(shí)用新型實(shí)施例中，主模塊703、外擴(kuò)模塊704、電源模塊705和傳輸模塊706 被封裝在了一個(gè)外殼中，主模塊703與外擴(kuò)模塊702、707之間由數(shù)據(jù)線相連接，數(shù)據(jù)線負(fù)責(zé)傳輸數(shù)據(jù)及向外擴(kuò)模塊702、707供電。在本實(shí)用新型實(shí)施例中，外擴(kuò)模塊704、707和702均主要由一個(gè)加速度傳感器、 一個(gè)陀螺儀傳感器、一個(gè)磁阻式傳感器和一個(gè)微處理器(ARM Cortex-M3)組成，當(dāng)揮動(dòng)手臂時(shí)，外擴(kuò)模塊704、707和702上的三個(gè)傳感器就會(huì)分別將各自所采集到的空間位置信息 (三個(gè)空間向量的加速度、角速度、地磁場(chǎng)量)通過數(shù)據(jù)接口(I2C或者SPI)傳輸給微處理器，微處理器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理計(jì)算后輸出。外擴(kuò)模塊704、707和702輸出的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)傳輸線傳給主模塊703，主模塊703 包括一個(gè)功能更強(qiáng)大的微處理器(如ARM Cortex-M3)。微處理器通過串口將外擴(kuò)模塊702 和704傳輸來的數(shù)據(jù)(歐拉角及四元數(shù)數(shù)據(jù))進(jìn)行轉(zhuǎn)存，信息提取及數(shù)據(jù)融合處理，之后將融合后的數(shù)據(jù)傳輸給傳輸模塊706，傳輸模塊706可以是一藍(lán)牙模塊，傳輸模塊706通過無線傳輸將數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞謾C(jī)或平板電腦上。手機(jī)上可以安裝相應(yīng)的軟件，該軟件將傳輸來的數(shù)據(jù)經(jīng)逆向動(dòng)力學(xué)計(jì)算、三維建模及動(dòng)畫生成將手臂揮動(dòng)的姿態(tài)恢復(fù)出來，并可以通過視頻供使用者觀看?？捎靡暂o助運(yùn)動(dòng)教學(xué)，機(jī)器人控制或醫(yī)療恢復(fù)訓(xùn)練等場(chǎng)合。本實(shí)用新型實(shí)施例提供的動(dòng)作姿態(tài)捕捉系統(tǒng)，通過其主模塊對(duì)接收到的姿態(tài)角數(shù)據(jù)進(jìn)行同步及融合，解決了傳感器采集節(jié)點(diǎn)中外擴(kuò)模塊數(shù)目受到限制的問題，同時(shí)減少了數(shù)據(jù)傳輸量節(jié)省了帶寬占用，提高了刷新率和同步速度。本實(shí)用新型實(shí)施例提供的動(dòng)作姿態(tài)捕捉系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)融合節(jié)點(diǎn)對(duì)各傳感器采集節(jié)點(diǎn)輸出的姿態(tài)角數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的同步及融合，解決了傳感器采集節(jié)點(diǎn)數(shù)目受到限制的問題，同時(shí)減少了數(shù)據(jù)傳輸量節(jié)省了帶寬占用，提高了刷新率和同步速度。以上所述的具體實(shí)施方式
，對(duì)本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式
而已，并不用于限定本實(shí)用新型的保護(hù)范圍，凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種動(dòng)作姿態(tài)捕捉系統(tǒng)，其特征在于，所述的動(dòng)作姿態(tài)捕捉系統(tǒng)包括用于生成姿態(tài)數(shù)據(jù)的上位機(jī)和與其連接的多個(gè)傳感器采集節(jié)點(diǎn)，其中，所述的傳感器采集節(jié)點(diǎn)包括用于采集傳感數(shù)據(jù)并根據(jù)所述的傳感數(shù)據(jù)計(jì)算姿態(tài)角數(shù)據(jù)的外擴(kuò)模塊； 與所述的外擴(kuò)模塊相連、接收所述外擴(kuò)模塊輸出的姿態(tài)角數(shù)據(jù)、融合并同步所述的外擴(kuò)模塊輸出的姿態(tài)角數(shù)據(jù)的主模塊；與所述的主模塊相連、用于提供電力的電源模塊；與所述的主模塊相連、用于將所述融合并同步后的姿態(tài)角數(shù)據(jù)輸出的傳輸模塊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的動(dòng)作姿態(tài)捕捉系統(tǒng)，其特征在于，所述的外擴(kuò)模塊包括 外擴(kuò)模塊主芯片和分別與之相連的用于感測(cè)加速度數(shù)據(jù)的加速度傳感器； 用于感測(cè)角速度數(shù)據(jù)的陀螺儀傳感器； 用于感測(cè)地磁場(chǎng)數(shù)據(jù)的磁阻式傳感器； 用于感測(cè)氣壓數(shù)據(jù)的氣壓傳感器；以及用于接收GPS數(shù)據(jù)的GPS接收器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的動(dòng)作姿態(tài)捕捉系統(tǒng)，其特征在于，所述的動(dòng)作姿態(tài)捕捉系統(tǒng)還包括數(shù)據(jù)融合節(jié)點(diǎn)，分別與所述的上位機(jī)及所述的多個(gè)傳感器采集節(jié)點(diǎn)的傳輸模塊相連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一所述的動(dòng)作姿態(tài)捕捉系統(tǒng)，其特征在于，所述的傳感器采集節(jié)點(diǎn)的數(shù)目為1至6個(gè)，每個(gè)所述的傳感器采集節(jié)點(diǎn)包含的外擴(kuò)模塊的數(shù)目為1至5個(gè)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的動(dòng)作姿態(tài)捕捉系統(tǒng)，其特征在于，所述的傳輸模塊為藍(lán)牙模塊、Zigbee模塊、紅外模塊、射頻模塊、WIFI模塊、WiMax模塊、GPRS模塊、CDMA模塊、3G模塊或LTE模塊。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的動(dòng)作姿態(tài)捕捉系統(tǒng)，其特征在于，所述的上位機(jī)為平板電腦、移動(dòng)電話、PDA或者電腦。
7.一種動(dòng)作姿態(tài)捕捉裝置，其特征在于，所述的動(dòng)作姿態(tài)捕捉裝置包括用于采集傳感數(shù)據(jù)并計(jì)算出姿態(tài)角數(shù)據(jù)的外擴(kuò)模塊組、用于融合姿態(tài)角數(shù)據(jù)的主模塊、用于提供電力的電源模塊和用于將實(shí)審姿態(tài)角數(shù)據(jù)輸出的傳輸模塊，所述主模塊分別與所述外擴(kuò)模塊組、電源模塊、傳輸模塊連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的動(dòng)作姿態(tài)捕捉裝置，其特征在于，所述外擴(kuò)模塊組包括佩戴在使用者小臂上的第一外擴(kuò)模塊、安裝在手持設(shè)備上的第二外擴(kuò)模塊和佩戴在使用者大臂上的第三外擴(kuò)模塊中的至少兩個(gè)。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的動(dòng)作姿態(tài)捕捉裝置，其特征在于，所述的主模塊、第一外擴(kuò)模塊、電源模塊和傳輸模塊被封裝在了一個(gè)外殼中。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的動(dòng)作姿態(tài)捕捉裝置，其特征在于，所述的第一、第二及第三外擴(kuò)模塊均包括一個(gè)加速度傳感器、一個(gè)陀螺儀傳感器、一個(gè)磁阻式傳感器和一個(gè)微處理
專利摘要本實(shí)用新型是關(guān)于一種動(dòng)作姿態(tài)捕捉裝置及系統(tǒng)，所述的動(dòng)作姿態(tài)捕捉系統(tǒng)包括上位機(jī)和多個(gè)傳感器采集節(jié)點(diǎn)，其中多個(gè)傳感器采集節(jié)點(diǎn)，用于采集傳感數(shù)據(jù)，根據(jù)傳感數(shù)據(jù)生成姿態(tài)角數(shù)據(jù)并輸出；所述的傳感器采集節(jié)點(diǎn)包括外擴(kuò)模塊，用于采集傳感數(shù)據(jù)并根據(jù)所述的傳感數(shù)據(jù)計(jì)算姿態(tài)角數(shù)據(jù)；主模塊，與所述的外擴(kuò)模塊相連，接收外擴(kuò)模塊輸出的姿態(tài)角數(shù)據(jù)，融合并同步所述的外擴(kuò)模塊輸出的姿態(tài)角數(shù)據(jù)；電源模塊，與所述的主模塊相連，用于提供電力；傳輸模塊，與所述的主模塊相連，用于將融合并同步后的姿態(tài)角數(shù)據(jù)輸出；上位機(jī)，用于接收姿態(tài)角數(shù)據(jù)，并根據(jù)所述的姿態(tài)角數(shù)據(jù)生成姿態(tài)數(shù)據(jù)。
文檔編號(hào)H04N7/24GK202218347SQ20112036029
公開日2012年5月9日 申請(qǐng)日期2011年9月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月23日
發(fā)明者倫納德·斯科特·赫夫, 劉昊揚(yáng), 戴若犁, 林翰 申請(qǐng)人:倫納德·斯科特·赫夫, 劉昊揚(yáng), 戴若犁, 林翰