基于体感网的人体运动测量及其评价

发布时间：2017-05-26 10:23

  本文关键词：基于体感网的人体运动测量及其评价，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：体感网是最近十年才兴起的一个概念,并且以相对于传统无线网络具有的明显优势而引起各科研单位广泛的兴趣。本文依托于体感网,设计出了一套用于人体运动测量和评价的便携式设备,该设备可以用于人体在复杂路面(如上下楼梯,上下坡)进行人体运动学和动力学的测量分析。同时也可以针对各种运动类型进行人体氧气消耗的测量,从而对人体运动的强度进行评价。本论文的主要研究工作如下：1、具体介绍了体感网的基本概念及其组成,以及国内外各研究机构以体感网为平台在几大热门领域所做的研究成果。另外专门针对人体爬楼梯介绍了一些最新的研究成果。2、介绍体感网测量系统的硬件组成部分并对各个节点传感器进行误差分析及其标定。本系统主要由7个9轴惯性传感器,一双用于测量人体步态和足底压力的智能鞋,用于测量耗氧量的传感器以及一个总的控制器。各个传感器与控制器之间用CAN总线连接,控制器通过五路WIFI模块与PC机通信,传输速率达到1OOHz。3、介绍体感网测量系统的软件组成部分。首先,利用传感器的测量模型设计了基于四元数的扩展卡尔曼滤波器,对三轴角速度和四元数进行实时更新。然后利用四元数在空间坐标转换的性质设计了依托于本套实验设备的姿态估计算法,实时捕捉人体运动过程中的空间姿态。另外,采用反正切模糊成员函数对人体在爬楼梯时步态进行识别。4、根据拉格朗日原理,利用慢速行走的准静态特征,建立起人体慢速爬楼梯状态下的七连杆的动力学模型。在该模型中将整个步态行走相分为双脚着地相,左脚着地右脚摆动相,左脚着地右脚虚触地相,右脚着地左脚摆动相以及右脚着地左脚虚触地相的5个子步态相。5、利用设计的体感网人体测量系统,对人体爬楼梯状态过程中的步态进行了识别,进而在0kg,5kg,10kg,15kg的负重下进行人体负重爬楼梯实验,并且将实验结果与经典的基于高速相机的运动捕捉技术进行比较,验证了模型的正确性。其次对负重爬楼梯状态下能量消耗进行了实验,并且同平地行走的能量消耗进行了对比,该结果可以作为不同负重下关节力矩大小的一个直观反映,同时也表明爬楼梯时人体的耗能量远远大于在平地行走时的耗能量。
【关键词】：体感网 慢速爬楼梯 动力学模型 四元数 步态识别 能量评价 卡尔曼滤波
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH69;TP212.9
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 第一章 绪论8-16
• 1.1 课题研究背景及意义8-10
• 1.1.1 体感网的组成8-10
• 1.1.2 体感网的特点10
• 1.2 国内外研究现状10-13
• 1.2.1 运动测量系统分类10-11
• 1.2.2 无线体感网在运动监测方面的研究现状11-13
• 1.2.3 人体在爬楼梯状态下的特征研究现状13
• 1.3 论文主要研究内容13-16
• 第二章 体感网测量系统的硬件开发16-32
• 2.1 系统总体结构与原理16
• 2.2 传感节点的工作原理16-28
• 2.2.1 惯性传感器节点16-23
• 2.2.2 足底力传感器节点的设计23-27
• 2.2.3 氧消耗量测量模块的设计27-28
• 2.3 系统数据网络协议28-31
• 2.3.1 CAN数据通讯28-29
• 2.3.2 WIFI无线通讯协议29-30
• 2.3.3 总体通信机制设计30-31
• 2.4 本章小结31-32
• 第三章 体感网测量系统的软件开发32-42
• 3.1 基于四元数的卡尔曼滤波算法设计32-35
• 3.1.1 基于四元数的传感器测量模型32-33
• 3.1.2 扩展卡尔曼滤波器设计算法33-35
• 3.2 基于四元数的姿态估计算法35-38
• 3.2.1 方向余弦矩阵35-36
• 3.2.2 四元数姿态估计算法设计36-38
• 3.3 基于模糊理论的步态识别38-40
• 3.3.1 人体爬楼梯行走的步态周期38
• 3.3.2 基于模糊理论的步态识别算法38-40
• 3.4 上位机界面设计40-41
• 3.5 本章小结41-42
• 第四章 人体慢速爬楼梯动力学模型42-50
• 4.1 人体的基本轴和基本平面42
• 4.2 人体慢速爬楼梯动力学建模42-49
• 4.2.1 单脚支撑相44-47
• 4.2.2 双脚支撑相47-48
• 4.2.3 左(右)脚支撑,右(左)脚虚触地相48-49
• 4.3 本章小结49-50
• 第五章 测量系统在爬楼梯过程中的应用50-60
• 5.1 传感器配置50
• 5.2 慢速爬楼梯步态识别实验50-53
• 5.2.1 实验背景及目的50-51
• 5.2.2 实验方案51
• 5.2.3 实验结果与分析51-53
• 5.3 慢速爬楼梯下肢动力学分析实验53-56
• 5.3.1 实验背景及目的53
• 5.3.2 实验方案53-54
• 5.3.3 实验结果与分析54-56
• 5.4 爬楼梯能量消耗实验56-58
• 5.4.1 实验背景及目的56
• 5.4.2 实验方案56-57
• 5.4.3 实验结果与分析57-58
• 5.5 本章小结58-60
• 第六章 总结与展望60-62
• 6.1 工作总结60-61
• 6.2 不足与展望61-62
• 致谢62-64
• 参考文献64-68
• 作者简介68

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