基于人体姿态识别的矫姿系统技术方案

基于人体姿态识别的矫姿系统，属于运动姿态调整技术领域。本发明专利技术是为了解决现有人体运动信息识别技术受环境影响大，并不能为识别到的姿态作规范指导的问题。它包括：姿态采集单元：用于将姿态采集传感器固定在人体的相应部位，获取运动数据；采集数据处理单元：用于对运动数据进行处理，转换为上位机可识别的动作指令数据；数据传输单元：用于将所述动作指令数据传输给上位机；上位机：用于预构建人体模型，并将动作指令数据转换为人体模型的动作；同时将人体模型的动作与标准动作进行对照，获得姿态的矫正指导。本发明专利技术用于人体姿态的识别及矫姿。

Posture recognition system based on human posture recognition

Posture correction system based on human posture recognition belongs to the field of motion attitude adjustment technology. The invention aims at solving the problem that the existing human motion information recognition technology is greatly influenced by the environment, and can not provide a standard guidance for the identified posture. It includes the attitude acquisition unit, which is used to fix the attitude acquisition sensor on the corresponding part of the human body to obtain the motion data, and to collect the data processing unit, which is used to process the motion data and convert it to the identifiable action instruction data of the upper computer; the data transmission unit is used to transmit the action instruction data to the upper part of the body. The upper computer: the action of preconstructing the human body model and converting the action instruction data into the human model; at the same time, the action of the human body model is compared with the standard action, and the correction guidance of the posture is obtained. The invention is used for identifying and correcting posture of human body.

【技术实现步骤摘要】
基于人体姿态识别的矫姿系统
本专利技术涉及基于人体姿态识别的矫姿系统，属于运动姿态调整

技术介绍
对人体动作进行捕捉进而识别的系统，己经被广泛运用于虚拟现实、生物力学、游戏、医疗康等其他人机交互领域，其中包括有基于机械的、光学的、声学的、电磁的等原理的人体动作捕捉系统，它利用数字信息技术来测量人体在三维空间的运动信息。机械式的人体动作捕捉装置容易使人体运动受限；基于光学的人体动作捕捉系统系统成本高、对环境要求高、安装起来比较繁琐；基于视频分析方法的人体动作捕捉系统在算法分析和实现方面比较复杂：当前人体姿态捕捉识别技术大多基于视频处理技术，其借助高精度摄像机实现人体动态成像图片；但存在价格昂贵，易受光线条件影响，存在视觉死角等缺点；基于声学的人体动作捕捉系统实时性比较差、易受干扰。
技术实现思路
本专利技术目的是为了解决现有人体运动信息识别技术受环境影响大，并不能为识别到的姿态作规范指导的问题，提供了一种基于人体姿态识别的矫姿系统。本专利技术所述基于人体姿态识别的矫姿系统，它包括：姿态采集单元：用于将姿态采集传感器固定在人体的相应部位，获取运动数据；采集数据处理单元：用于对运动数据进行处理，转换为上位机可识别的动作指令数据；数据传输单元：用于将所述动作指令数据传输给上位机；上位机：用于预构建人体模型，并将动作指令数据转换为人体模型的动作；同时将人体模型的动作与标准动作进行对照，获得姿态的矫正指导。在本专利技术的一个实施例中，所述姿态采集传感器包括两个，人体右臂的上臂和下臂各安装一个。在本专利技术的另一个实施例中，所述姿态采集传感器包括八个，人体双臂的上臂和下臂各安装一个，双腿的大腿和小腿各安装一个。在本专利技术的又一个实施例中，所述姿态采集传感器用于采集人体15个工作节点的动作，15个工作节点包括双臂的上臂和下臂与双腿的大腿和小腿8个节点，头部1个节点，上体2个节点，双手及双脚4个节点。在本专利技术的再一个实施例中，姿态采集传感器的型号为MPU9250。在本专利技术的再一个实施例中，所述姿态采集单元通过串口向采集数据处理单元传送数据。在本专利技术的再一个实施例中，所述将动作指令数据转换为人体模型的动作包括：初始化人体模型，保存人体模型各关节初始状态；然后通过串口接收动作指令数据，获取当前人体第n关节四元数，取前30次四元数数据放入缓存区，加权平均作为人体第n关节当前姿态数据，并使人体模型第n关节姿态与当前姿态数据匹配；继续接收第n个关节的动作指令数据，计算动作指令数据与相邻前一次动作指令数据的四元数旋转增量，对旋转增量进行坐标匹配，使人体模型第n个关节相应旋转，完成人体模型与使用者动作的匹配，n为人体关节的序列号。本专利技术的优点：本专利技术可用于使用者动作姿态的交互式学习，通过传感器捕捉人体姿态数据后，与标准姿态进行对照，完成标准运动姿态的学习。本专利技术的动作姿态捕捉方式无须顾及光线、隐私和视觉死角等问题，它通过无线传感器网络将数据传输到控制中心，能实现低功耗、低成本、高实时性的人体姿态识别并矫正。本专利技术可用于规范例如瑜伽、游泳、健身等的姿态。附图说明图1是本专利技术所述基于人体姿态识别的矫姿系统的连接框图；图2是数据传输单元发送动作指令数据的流程图；图3是姿态采集单元中姿态采集传感器的校准流程图；图4是数据传输单元接收动作指令数据的流程图；图5是在上位机中将动作指令数据转换为人体模型的动作的流程图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的实施方式进行详细的说明：基于人体姿态识别的矫姿系统，它包括：姿态采集单元1：用于将姿态采集传感器固定在人体的相应部位，获取运动数据；采集数据处理单元2：用于对运动数据进行处理，转换为上位机可识别的动作指令数据；数据传输单元3：用于将所述动作指令数据传输给上位机；上位机4：用于预构建人体模型，并将动作指令数据转换为人体模型的动作；同时将人体模型的动作与标准动作进行对照，获得姿态的矫正指导。由于姿态采集单元1需要固定在人体上，所以应该尽量满足具备小型化以及便携的特点，所有器件可采用贴片封装。结合图1所示，姿态采集单元1、采集数据处理单元2与数据传输单元3的数据发送部分可以作为数据的发送端，所述发送端还包括由充电电池和稳压芯片xc6206p302组成的供电系统。由于姿态采集单元1需要固定在人体上，所以不能采用电源线供电，故电源可采用可充电的锂电池，可通过TP4056电源管理芯片给锂电池充电，可通过LED灯提示锂电池的电量情况，例如充电时红色LED亮起，充满电时蓝色的LED灯亮；稳压芯片为xc6206p302可为微处理器以及各模块提供稳定的输入电压。可采用USB接口电路，一方面作为锂电池的充电接口，另一方面用作为上位机4与硬件电路的串口通讯。姿态采集单元1可以采用型号为MPU9250的九轴姿态传感器，MPU9250中的DMP可输出四元数、欧拉角以及加速度、角速度等信息。MPU9250是一个QFN封装的复合芯片(MCM)，它由2部分组成。一组是3轴加速度还有3轴陀螺仪，另一组则是AKM公司的AK8963-3轴磁力计。所以MPU9250是一款9轴运动跟踪装置，他在小小的3X3X1mm的封装中融合了3轴加速度，3轴陀螺仪以及数字运动处理器(DMP)。运动数字处理引擎(DMP)位于MPU9250内部，可以直接处理数据，减少了主控芯片的任务。只需要把所得到的加速度，陀螺仪，磁场值甚至外置的传感器的值直接给它即可，然后直接从寄存器读取计算好的值，或者直接把算好的值存入FIFO缓冲器。DMP有个中断引脚，可做来唤醒主控芯片。通过其数字运动处理器DMP即可得到所需的四元数与欧拉角。欧拉角是用来唯一地确定定点转动明体位置的三个一组独立角参量，由章动角θ、进动角ψ和自转角φ组成。欧拉角可以表达两个坐标系之间的相对偏差角度，可以通过三次不同的转动来到达目标坐标系，第一次可以选中任何一个轴，第二次选另外两个轴中一个，第三次选择第二次除外的另一个，有多种表示方法。如果刚体绕通过定点O的某一轴线以角速度ω转动，如已知任一瞬时t的ω各个分量，可根据欧拉运动学方程求出ψ、θ、j和时间t的关系，因而也就决定了刚体的运动。四元数在载体姿态描述方面的应用越来越多，它可以弥补用欧拉角在姿态描述过程中的不足，四元数作为描述行动的一种表现手法由一个实数加上三个虚数i、j、k组成，其可以表示为：q＝a+bi+cj+dk(1)还可以记为：通过四元数、欧拉角、加速度和角速度等信息进行计算便可捕捉一个刚体的运动，例如捕捉人体右臂的运动情况，只需在上下臂各自安装一个传感器，即可监测手臂的整体运动情况。采集数据处理单元2可采用型号为STM32F103的处理器。数据传输单元3可以分为数据发送部分和数据接收部分。数据发送部分可以采用NRF24L01模块；供电为3V，与本专利技术系统相符，无线支持的距离为20m，可以满足本专利技术使用范围，它同时有16个工作节点进行工作。可以满足本专利技术捕捉全身动作的需要，例如对于以下情况：所述姿态采集传感器用于采集人体15个工作节点的动作，15个工作节点包括双臂的上臂和下臂与双腿的大腿和小腿8个节点，头部1个节点，上体2个节点，双手及双脚4个节点。因此NRF24L01模块的节点数满足要求。上位机4通过获得的实时监测数据模拟使用者的运动姿态，并与本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于人体姿态识别的矫姿系统，其特征在于，它包括：姿态采集单元：用于将姿态采集传感器固定在人体的相应部位，获取运动数据；采集数据处理单元：用于对运动数据进行处理，转换为上位机可识别的动作指令数据；数据传输单元：用于将所述动作指令数据传输给上位机；上位机：用于预构建人体模型，并将动作指令数据转换为人体模型的动作；同时将人体模型的动作与标准动作进行对照，获得姿态的矫正指导。

【技术特征摘要】
1.一种基于人体姿态识别的矫姿系统，其特征在于，它包括：姿态采集单元：用于将姿态采集传感器固定在人体的相应部位，获取运动数据；采集数据处理单元：用于对运动数据进行处理，转换为上位机可识别的动作指令数据；数据传输单元：用于将所述动作指令数据传输给上位机；上位机：用于预构建人体模型，并将动作指令数据转换为人体模型的动作；同时将人体模型的动作与标准动作进行对照，获得姿态的矫正指导。2.根据权利要求1所述的基于人体姿态识别的矫姿系统，其特征在于，所述姿态采集传感器包括两个，人体右臂的上臂和下臂各安装一个。3.根据权利要求1所述的基于人体姿态识别的矫姿系统，其特征在于，所述姿态采集传感器包括八个，人体双臂的上臂和下臂各安装一个，双腿的大腿和小腿各安装一个。4.根据权利要求1所述的基于人体姿态识别的矫姿系统，其特征在于，所述姿态采集传感器用于采集人体15个工作节点的动作，15个工作节点包括双臂的上臂和下臂与双腿的大腿和小腿...

【专利技术属性】
技术研发人员：李添慧，刘玉琢，
申请(专利权)人：哈尔滨奇趣科技开发有限公司，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23