基于柔性电容式传感的人体运动测量系统开发与应用
发布时间：2020-07-20 16:22
【摘要】：在非结构化环境中监测人体肢体多自由度灵活运动是一项具有挑战性的任务,是研究人与假肢、外骨骼等机器人相互耦合作用的关键问题,传统的运动测量方法在顺应人体关节运动和适应不可预测的外部干扰方面受到限制。本文以实时测量下肢关节的关节角为目的,提出了一种基于柔性电容传感器网络的可穿戴运动测量系统,实现了水陆两栖复杂环境下的人体运动柔性测量。本文主要内容包括:论文首先对测量系统的硬件进行了设计:根据柔性应变传感器的应变测量原理选择了AD7746电容测量芯片,并对基于CAN总线的电容测量和传输系统进行了开发。然后完成了测量系统的软件部分:主要包括AD7746驱动和量程扩大算法等下位机程序设计,并基于C#设计了能够读取电容信号并进行实时绘图的上位机。接着,探究了该系统在人体下肢运动测量的应用:通过Vicon对柔性测量系统进行标定而建立了电容-关节角模型,下肢各关节测量绝对误差在16度以内;基于得到的电容-关节角模型,通过引入Unity3D游戏引擎,实现了可用于AR/VR领域的具有实时模拟人体下肢运动的可视化程序。最后在人体运动意图识别领域应用了柔性测量系统:使用逻辑回归算法分别对人体陆上(平地行走、上楼梯、下楼梯和上下蹲)及水下(行走、自由泳和蛙泳)的多种运动模式进行了识别,识别率达到97%以上。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP212;TP242
【图文】：
有标识点运动测量系统技术原理，本文可把有标识点测量系统分为光学式和非光学式。其中非类多，又可以细分为机械式、惯性式、电磁式和声学式等[20]。的光学运动捕捉系统使用部署在场地周围的多个深度相机来捕捉位于的被动式的红外反射点或者主动式的 LED 发光点，然后利用内置的算运动过程中关键点的空间位置，从而得到人体的运动姿态[21]，如图 1统广泛应用于生机电、运动表演和步态分析领域，是运动捕捉系统中最化领域内最出名的有来自英国的 Vicon、美国的 MotionAnalysis 及 Opti国内的有东方新锐系统[23]。虽然光学运动捕捉系统因其测量结果的高人体运动测量的基准测试系统，但其操作步骤繁琐、成本高并只能在固，无法为外骨骼提供实时信息。与此同时，反射点在运动过程中容易被的后期处理和测量结果的不准确性。
华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文捕捉系统需要被试穿上外骨骼，通过直接使用电阻的方法来测量关节角[20]。虽然现代化的机械式系统已经有了很大的改进，如 Measurand 公司的 ShapeWrap 动作捕捉系统[26]，如图 1.2 所示，但该方法对实验人员运动有干扰，特别是在高速运动情况下无法准确测量人体运动。
图 1.3 惯性运动测量系统 Xsens Moven电磁性运动捕捉系统，如 MotionStar 能够同时捕捉多人运动的并提供较高率，而不用担心遮挡和光线问题，如图 1.4 所示。电磁性系统主要通过使用磁场或者大线圈产生的磁场）来探测标记点的位置和方向，但价格昂贵并且大，另一方面系统容易受金属物品干扰而只能应用于指定环境[33]。Aubrnie 等人将该系统用于评价计算机辅助联合运动检查对神经介入手术后对背式的影响[34,35]。
本文编号：2763672
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP212;TP242
【图文】：
有标识点运动测量系统技术原理，本文可把有标识点测量系统分为光学式和非光学式。其中非类多，又可以细分为机械式、惯性式、电磁式和声学式等[20]。的光学运动捕捉系统使用部署在场地周围的多个深度相机来捕捉位于的被动式的红外反射点或者主动式的 LED 发光点，然后利用内置的算运动过程中关键点的空间位置，从而得到人体的运动姿态[21]，如图 1统广泛应用于生机电、运动表演和步态分析领域，是运动捕捉系统中最化领域内最出名的有来自英国的 Vicon、美国的 MotionAnalysis 及 Opti国内的有东方新锐系统[23]。虽然光学运动捕捉系统因其测量结果的高人体运动测量的基准测试系统，但其操作步骤繁琐、成本高并只能在固，无法为外骨骼提供实时信息。与此同时，反射点在运动过程中容易被的后期处理和测量结果的不准确性。
华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文捕捉系统需要被试穿上外骨骼，通过直接使用电阻的方法来测量关节角[20]。虽然现代化的机械式系统已经有了很大的改进，如 Measurand 公司的 ShapeWrap 动作捕捉系统[26]，如图 1.2 所示，但该方法对实验人员运动有干扰，特别是在高速运动情况下无法准确测量人体运动。
图 1.3 惯性运动测量系统 Xsens Moven电磁性运动捕捉系统，如 MotionStar 能够同时捕捉多人运动的并提供较高率，而不用担心遮挡和光线问题，如图 1.4 所示。电磁性系统主要通过使用磁场或者大线圈产生的磁场）来探测标记点的位置和方向，但价格昂贵并且大，另一方面系统容易受金属物品干扰而只能应用于指定环境[33]。Aubrnie 等人将该系统用于评价计算机辅助联合运动检查对神经介入手术后对背式的影响[34,35]。
【参考文献】
相关博士学位论文 前1条
1 梁清华;动态艺术数字化中的运动捕捉关键技术研究[D];北京交通大学;2016年
相关硕士学位论文 前1条
1 陈晓;可穿戴运动捕捉系统研究[D];西安工程大学;2018年
本文编号：2763672
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/zidonghuakongzhilunwen/2763672.html
