1.本发明涉及一种采集系统及方法，具体说，涉及一种对人体下肢运动信息进行采集的系统及其方法。
背景技术：
2.人体下肢运动信息即指人体下肢运动过程中各关节角度的变化，是反映人体步态运动状态最直接的运动学参数。所以，越贴近人体真实的运动规律信息对人体步态分析或下肢外骨骼机构的设计与研究越具有重要的作用和意义。作为采集系统，其关键在于采集和传输方案的设计，早期的采集系统多由人体穿戴测量机械机构，直接测量光电编码器输出的信息。随着传感器技术的进步，惯导系统逐步应用在人体运动信息采集的过程中，其能够较为容易的直接获取到人体的姿态信息。
3.为了满足分析和实际应用的要求，下肢运动信息采集系统必须具有低成本、采集过程简单方便、易于操作、数据实时且同步、传输稳定可靠。更重要的，系统必须能够针对不同的人群进行采集，具有通用性。
技术实现要素：
4.本发明的目的在于提供一种多通道人体下肢运动信息采集系统及方法，以解决上述问题。
5.本发明的实施例提供了一种多通道人体下肢运动信息采集系统及方法，其特征在于，该系统包括惯性传感器单元、蓝牙传输单元、fpga处理器及上位机单元。惯性传感器单元包括惯性传感器1#～惯性传感器7#；蓝牙传输单元包括蓝牙从模块1#～蓝牙从模块7#，蓝牙主模块1#～蓝牙主模块7#；上位机单元包括上位机软件与数据库。
6.进一步，惯性传感器单元所包含的惯性传感器1#～7#～分别用绑带穿戴于人体下肢各部位并保证在人体运动过程中始终与人体下肢保持紧致连接。
7.进一步，惯性传感器的数据通过蓝牙传输单元的蓝牙模块主从配对以无线的方式传输至fpga处理器。
8.进一步，fpga利用fifo暂存和同步传感器数据，再经usb传输至上位机单元。
9.进一步，上位机结合算法显示角度变化，数据库完成对采集数据的存储。
10.与现有技术相比本发明的有益效果是：该采集系统采集过程简单，使用方便。人体只需要穿戴传感器进行步态活动就能够采集完成的运动信息。与穿戴机械检测机构相比，该采集系统不会限制人体的活动，且无需任何辅助装置就可以适用于大多数人。该采集系统利用fpga的并行特性能够更好的同步数据，满足数据的实时性并结合usb2.0进行稳定的传输。该采集系统数据换算算法简单，具有切实的可行性。
附图说明
11.图1是本发明一种多通道人体下肢运动信息采集系统及方法的系统框图；
12.图2是人体穿戴惯性传感器示意图；
13.图3是采集过程流程图。
具体实施方式
14.下面结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所做的功能、方法上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。
15.参图1至图3所示，图1是本发明一种多通道人体下肢运动信息采集系统及方法的系统框图，图2是人体穿戴惯性传感器的示意图，图3是下肢运动信息采集的流程图。
16.本实施例提供了一种多通道人体下肢运动信息采集系统及方法，参图1所示，该下肢运动信息采集系统包括惯性传感器单元、蓝牙传输单元、fpga处理器及上位机单元。
17.本实施例中，参图1所示，所述惯性传感器单元包括惯性传感器1#～惯性传感器7#；所述蓝牙传输单元包括蓝牙从模块1#～蓝牙从模块7#，蓝牙主模块1#～蓝牙主模块7#；所述上位机单元包括上位机软件与数据库。
18.本实施例中，参图1、图2、图3所示，所述惯性传感器1#穿戴于人体腰部，获取人体腰部姿态信息；所述惯性传感器2#～惯性传感器4#穿戴于人体左大腿、左小腿、左足，获取人体左腿姿态信息；所述惯性传感器5#～惯性传感器7#穿戴于人体右大腿、右小腿、右足，获取人体右腿姿态信息。所述蓝牙从模块1#～蓝牙从模块7#与惯性传感器1#～惯性传感器7#结合，分别获取所述惯性传感器1#～惯性传感器7#的数据；所述蓝牙主模块1#～蓝牙主模块7#与所述蓝牙从模块1#～蓝牙从模块7#进行配对并与所述fpga处理器结合，将传感器数据无线传输至所述fpga处理器；所述fpga处理器利用fifo将数据进行暂存和同步时钟处理，传输至所述上位机单元；所述上位机单元利用关节角度解算算法解算关节角度并显示；所述步态数据库用于存储采集的运动信息。
19.本实施实例所述关节角度解算算法，以髋关节角度解算为例，叙述如下：
20.所述惯性传感器提供的姿态信息是针对惯性传感器固定坐标系0表示的，其以欧拉角形式输出，规定欧拉角的旋转次序为z-y-x，分别旋转的角度为φ、θ、可得旋转矩阵通式为：
[0021][0022]
式(4)中，k代表惯性传感器标号即1#～7#，髋关节角度以所述惯性传感器1#提供的腰部姿态信息和所述惯性传感器2#提供的大腿处的姿态信息转换所得，已知腰部旋转矩阵根据式(4)为大腿处旋转矩阵根据式(4)为则髋关节旋转角度由旋转矩阵表示，可由式解得，其形式为：
[0023][0024]
利用式(4)与式(5)相等可得，髋关节的旋转角度为：
[0025][0026]
其余关节角度均依照此算法解算，不再赘述。
[0027]
本发明提供一种多通道人体下肢运动信息采集系统及方法，具有如下有益效果：
[0028]
1)人体穿戴方便，采集过程简单。
[0029]
2)与穿戴机械检测机构相比，该采集系统不会限制人体的活动，且无需任何辅助装置就可以适用于大多数人，更能满足实际需求。
[0030]
3)该采集系统利用fpga的并行特性能够更好的同步数据，满足数据的实时性并结合usb2.0进行稳定的传输。
[0031]
4)该采集系统数据换算算法简单，具有切实的可行性。
[0032]
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。
[0033]
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
技术特征：
1.一种多通道的人体下肢运动信息采集系统及方法，其特征在于：该系统包括惯性传感器单元、蓝牙传输单元、fpga处理器及上位机单元，惯性传感器单元包括惯性传感器1#～惯性传感器7#；蓝牙传输单元包括蓝牙从模块1#～蓝牙从模块7#，蓝牙主模块1#～蓝牙主模块7#；上位机单元包括上位机软件与数据库；惯性传感器1#穿戴于人体腰部，获取人体腰部姿态信息；惯性传感器2#～惯性传感器4#穿戴于人体左大腿、左小腿、左足，获取人体左腿姿态信息；惯性传感器5#～惯性传感器7#穿戴于人体右大腿、右小腿、右足，获取人体右腿姿态信息；由此，惯性传感器可获取人体下肢全部姿态信息；蓝牙从模块1#～蓝牙从模块7#与蓝牙主模块1#～蓝牙主模块7#进行配对；蓝牙从模块1#～蓝牙从模块7#接收惯性传感器1#～惯性传感器7#的数据并无线传输至蓝牙主模块1#～蓝牙主模块7#；蓝牙主模块1#～蓝牙主模块7#将数据传输至fpga处理器，由此，将多通道数据完成人体至处理器的传输，采集过程结束；fpga处理器通过uart接口接收数据，利用usb2.0传出数据至上位机单元，其时钟不同步，利用fifo暂存多通道传感器数据并做时钟同步处理，完成后将数据通过usb传输至上位机单元；上位机软件利用关节角度解算算法将下肢姿态信息转换成下肢的运动信息，即各关节角度，关节角度解算算法具体指，相邻部位的姿态信息可通过旋转变换关系进而转换出连接两部位的关节角变化，最后，上位机软件可进行角度曲线的显示，并利用数据库保存该采集数据以建立步态数据库，步态数据库可包含所有被采集者的步态数据，进而应用于人体步态分析/预测、外骨骼机构控制等领域；关节角度解算算法具体指，相邻部位的姿态信息可通过旋转变换关系进而转换出连接两部位的关节角变化，以髋关节角度解算为例：惯性传感器提供的姿态信息是针对惯性传感器固定坐标系0表示的，其以欧拉角形式输出，规定欧拉角的旋转次序为z-y-x，分别旋转的角度为φ、θ、可得旋转矩阵通式为：式(1)中，k代表惯性传感器标号即1#～7#，髋关节角度以惯性传感器1#提供的腰部姿态信息和惯性传感器2#提供的大腿处的姿态信息转换所得，已知腰部旋转矩阵根据式(1)为大腿处旋转矩阵根据式(1)为则髋关节旋转角度由旋转矩阵表示，可由式解得，其形式为：利用式(1)与式(2)相等可得，髋关节的旋转角度为：
其余关节角度均依照此算法解算，不再赘述。
技术总结
本发明涉及一种多通道的人体下肢运动信息采集系统及方法，该采集系统基于FPGA技术设计和开发而成，系统硬件包含：惯性传感器、蓝牙传输单元、FPGA处理器及计算机。多通道是指系统中含有多个惯性传感器与FPGA的传输通道，多个惯性传感器分别穿戴在人体下肢的不同部位，传感器数据通过蓝牙传输单元传输至FPGA，由于FPGA采集数据的同步性，该系统保证了采集过程的实时性。另外，FPGA处理器通过FIFO缓存数据，结合USB2.0技术传输数据至上位机，利用同步时钟保证传输过程不丢失任何数据。由此，该采集系统具有同步、实时、稳定等高性能，适用于人体步态分析、外骨骼机构控制等领域。外骨骼机构控制等领域。外骨骼机构控制等领域。
技术研发人员：蓝贞雄 戴智鹏 陈定甲 何振梁
受保护的技术使用者：南宁师范大学
技术研发日：2021.07.26
技术公布日：2022/2/15