【摘要】：在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中監(jiān)測(cè)人體肢體多自由度靈活運(yùn)動(dòng)是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù),是研究人與假肢、外骨骼等機(jī)器人相互耦合作用的關(guān)鍵問題,傳統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)測(cè)量方法在順應(yīng)人體關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)和適應(yīng)不可預(yù)測(cè)的外部干擾方面受到限制。本文以實(shí)時(shí)測(cè)量下肢關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)角為目的,提出了一種基于柔性電容傳感器網(wǎng)絡(luò)的可穿戴運(yùn)動(dòng)測(cè)量系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了水陸兩棲復(fù)雜環(huán)境下的人體運(yùn)動(dòng)柔性測(cè)量。本文主要內(nèi)容包括:論文首先對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的硬件進(jìn)行了設(shè)計(jì):根據(jù)柔性應(yīng)變傳感器的應(yīng)變測(cè)量原理選擇了AD7746電容測(cè)量芯片,并對(duì)基于CAN總線的電容測(cè)量和傳輸系統(tǒng)進(jìn)行了開發(fā)。然后完成了測(cè)量系統(tǒng)的軟件部分:主要包括AD7746驅(qū)動(dòng)和量程擴(kuò)大算法等下位機(jī)程序設(shè)計(jì),并基于C#設(shè)計(jì)了能夠讀取電容信號(hào)并進(jìn)行實(shí)時(shí)繪圖的上位機(jī)。接著,探究了該系統(tǒng)在人體下肢運(yùn)動(dòng)測(cè)量的應(yīng)用:通過Vicon對(duì)柔性測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定而建立了電容-關(guān)節(jié)角模型,下肢各關(guān)節(jié)測(cè)量絕對(duì)誤差在16度以內(nèi);基于得到的電容-關(guān)節(jié)角模型,通過引入U(xiǎn)nity3D游戲引擎,實(shí)現(xiàn)了可用于AR/VR領(lǐng)域的具有實(shí)時(shí)模擬人體下肢運(yùn)動(dòng)的可視化程序。最后在人體運(yùn)動(dòng)意圖識(shí)別領(lǐng)域應(yīng)用了柔性測(cè)量系統(tǒng):使用邏輯回歸算法分別對(duì)人體陸上(平地行走、上樓梯、下樓梯和上下蹲)及水下(行走、自由泳和蛙泳)的多種運(yùn)動(dòng)模式進(jìn)行了識(shí)別,識(shí)別率達(dá)到97%以上。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TP212;TP242
【圖文】：

有標(biāo)識(shí)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)技術(shù)原理，本文可把有標(biāo)識(shí)點(diǎn)測(cè)量系統(tǒng)分為光學(xué)式和非光學(xué)式。其中非類多，又可以細(xì)分為機(jī)械式、慣性式、電磁式和聲學(xué)式等[20]。的光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)使用部署在場(chǎng)地周圍的多個(gè)深度相機(jī)來捕捉位于的被動(dòng)式的紅外反射點(diǎn)或者主動(dòng)式的 LED 發(fā)光點(diǎn)，然后利用內(nèi)置的算運(yùn)動(dòng)過程中關(guān)鍵點(diǎn)的空間位置，從而得到人體的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)[21]，如圖 1統(tǒng)廣泛應(yīng)用于生機(jī)電、運(yùn)動(dòng)表演和步態(tài)分析領(lǐng)域，是運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)中最化領(lǐng)域內(nèi)最出名的有來自英國(guó)的 Vicon、美國(guó)的 MotionAnalysis 及 Opti國(guó)內(nèi)的有東方新銳系統(tǒng)[23]。雖然光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)因其測(cè)量結(jié)果的高人體運(yùn)動(dòng)測(cè)量的基準(zhǔn)測(cè)試系統(tǒng)，但其操作步驟繁瑣、成本高并只能在固，無(wú)法為外骨骼提供實(shí)時(shí)信息。與此同時(shí)，反射點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)過程中容易被的后期處理和測(cè)量結(jié)果的不準(zhǔn)確性。

華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文捕捉系統(tǒng)需要被試穿上外骨骼，通過直接使用電阻的方法來測(cè)量關(guān)節(jié)角[20]。雖然現(xiàn)代化的機(jī)械式系統(tǒng)已經(jīng)有了很大的改進(jìn)，如 Measurand 公司的 ShapeWrap 動(dòng)作捕捉系統(tǒng)[26]，如圖 1.2 所示，但該方法對(duì)實(shí)驗(yàn)人員運(yùn)動(dòng)有干擾，特別是在高速運(yùn)動(dòng)情況下無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量人體運(yùn)動(dòng)。

圖 1.3 慣性運(yùn)動(dòng)測(cè)量系統(tǒng) Xsens Moven電磁性運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)，如 MotionStar 能夠同時(shí)捕捉多人運(yùn)動(dòng)的并提供較高率，而不用擔(dān)心遮擋和光線問題，如圖 1.4 所示。電磁性系統(tǒng)主要通過使用磁場(chǎng)或者大線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)）來探測(cè)標(biāo)記點(diǎn)的位置和方向，但價(jià)格昂貴并且大，另一方面系統(tǒng)容易受金屬物品干擾而只能應(yīng)用于指定環(huán)境[33]。Aubrnie 等人將該系統(tǒng)用于評(píng)價(jià)計(jì)算機(jī)輔助聯(lián)合運(yùn)動(dòng)檢查對(duì)神經(jīng)介入手術(shù)后對(duì)背式的影響[34,35]。

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 梁清華;動(dòng)態(tài)藝術(shù)數(shù)字化中的運(yùn)動(dòng)捕捉關(guān)鍵技術(shù)研究[D];北京交通大學(xué);2016年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前1條

1 陳曉;可穿戴運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)研究[D];西安工程大學(xué);2018年

本文編號(hào)：2763672