基于加速度传感器的人体运动信息采集系统设计.docx

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基于加速度传感器的人体运动信息采集系统设计

毕业设计说明书

基于加速度传感器的人体运动信息

采集系统设计

学生姓名：

学号：

学院：

专业：

指导教师：

2012年6月

基于加速度传感器的人体运动信息采集系统设计

摘要

人类运动与人体健康息息相关，一直以来受到人们的广泛关注，随着运动生物力学、人体测量学的发展，人们对人体运动的研究日益深入。

本文以运动生物力学理论为基础，对人体运动参数的测量和分析方法进行了研究，主要目的在于探索运动生物力学参数之间的关系，通过运动生物力学参数的测量、分析揭示人体运动的规律，在人体姿态识别、体育训练等方面提供理论指导。

在对人体结构及人体运动的特点进行了介绍和总结的基础上，为了便于人体运动研究，建立了人体运动的棒状模型及便于分析计算的人体坐标系。

通过对常用人体运动参数测量方法的分析，提出了利用加速度参数进行运动测量和分析的方法。

应用加速度传感器实现了对肢体运动的测量，并利用加速度参数与速度、位移等参数之间的数学关系实现了对其它运动参数的求解，从而对人体运动的姿态、动作轨迹等进行分析。

自行设计了运动采集系统，系统分为信号采集单元与数据处理单元两个部分，以ARM7、三轴加速度计ADXL330为核心，可实现最多5个传感器网络节点的信息采集及数据分析。

在对系统完成性能测试的基础上进行了运动测量的实验，并将其应用到电脑游戏的控制中进行可靠性的测试，实验结果验证了利用运动信息采集系统对人体运动信息进行采集和分析的方法是可行的。

利用加速度参数对人体简单运动进行分析的方法方便可行，但在复杂运动的分析中，则需要更多的信息进行综合分析。

因此，对于人体运动的研究，应综合多种方法，尽可能获取更多的信息，以使得人体运动分析更加科学、合理。

关键词：

运动生物力学，人体模型，运动信息采集，加速度传感器，运动测量

DesignofHumanMotionInformationCollectionSystem

BasedonAccelerationSensor

ABSTRACT

Humanhasalwayspaidbroadattentiontobodymotionrelatingclosetohumanhealth.Withthedevelopmentofmotionbiomechanicsandanthropometry,peoplehaveincreasinglydeeplystudiedhumanbodymotion.Thepaperfocusesonthemeasurementofbodymotionparametersandanalysismethodofbodymotionbasedonthetheoryofmotionbiomechanics.Thecontentsinvolvethestudyontherelationshipbetweenparametersofmotionbiomechanics,theanalysisofthelawofbodymotionbymeasuringmotionbiomechanicsparameterstoprovidetheoreticalguidanceforrecognitionofhumangesture,physicaltraining,andsoon.

Humanstructureandcharacteristicsofbodymotionareanalyzedandsummarized,onthebasisofwhichrodmodelandcoordinatesystemofhumanbodyarebuilttoprovideconvenienceforthestudyofbodymotion.Themethodofmeasuringbodymotionwithaccelerationsensorispresentedwiththeanalysisofcommonmeasurementmethodofbodymotionparameters.Themeasurementofextremityisperformedbyaccelerationsensor;othermotionparametersaresolvedbythemathematicalrelationshipbetweenaccelerationparameterandvelocity,displacement,etc..Thereby,motiongestureandactiontraceofhumanbodycanbeanalyzed.

Asystemwhichconsistsofsignalcollectionunitanddataprocessingunitisdevelopedtocompletecollectionanddataanalysisfromthemotioninformationatmost5sensornetworknodesusingARM7andADXL330.Theexperimentsofmotionmeasurementaredoneonthebasisofperformingthetestingofsystemperformance,andthesystemisappliedincomputergameforthereliabilitytesting.Theresultsshowthatcollectingandanalyzingmotioninformationofhumanbodybythesystemisafeasiblemethod.

Theanalysisofsimplebodymotionusingaccelerationparameterisaconvenientandfeasiblemethod.Butmoreinformationisrequiredtobeanalyzedsyntheticallyinthecomplexmotion.Therefore,itisnecessaryforthestudyofbodymotiontosynthesizeavarietyofmethodsandobtainasmuchinformationaspossible,whichmakestheanalysisofbodymotionmorescientificandrational.

KeyWords：

Motionbiomechanics,Bodymotionmodel,Collectionofmotioninformation,Accelerationsensor,MotionMeasuremen

1绪论

1.1课题研究的背景、目的和意义

1.1.1课题研究背景

人类作为物质世界的一种生物体，理所当然是与运动密切相关的，现有科学技术也明确的告诉我们，物质的运动时绝对的，大到宏观世界宇宙间的天体、星系，小到微观世界的分子、离子、电子等，都是无时无刻不在运动。

而人类也在社会的不断发展进步中，对运动的认识也在逐步深入，研究的范围也在不断拓展。

随着时代的发展，当代的人们对健康的更加关注及需求，也推动着与其息息相关的人体运动研究的发展。

从而使得人体运动测量学、人体运动生物力学等学科的研究也取得了巨大的进步。

而且各种体育赛事已经深入到人类活动的每一个角落，体育竞技的强度也在不断提升，整个社会都在努力地寻求突破，需要掌握更多的人体运动信息，这也进一步促进了整个人类社会在这个领域的巨大投入。

因此，对人体运动信息的研究也就成了现代科学研究的一项重要的学科，以人体的运动为研究对象，精确地获取人体在运动过程中位移、速度、加速度、力以及肌电信号等，并进行处理以及分析，是现代生物医学发展的重要推动力，也备受青睐及关注。

1.1.2课程研究目的及意义

在研究人体运动时，我们实际上把人体当做一个物质的合成体，通过人体的外部运动表现出来信息，去分析人体的内部运动，诸如脑部的运动：

思维、决策等形成完成外部动作的指令的过程等。

而且我们必须由外到内的去分析研究，分析两者之间的联系及纽带，这样才能更好地认识人体自身，获得足够的科学依据，来为人类社会的发展做出应有的贡献。

总所周知，人体的构造十分的复杂，故而对人体运动学的研究也就要涉及的很多的学科，要找到这些学科如运动学、动力学、人体解剖学等诸多学科的交叉，采集人体运动信息，以及在各种力的作用下，人体内部器官系统力学与人体进行局部或者整体运动时，人体在时间和空间的位置，姿势、运动状态等的变化规律，继而进行分析研究[1]。

在对人体运动信息的研究过程中，最关键的一环就是对人体运动信息的检测和采集，而人体运动检测技术囊括了医学、物理学、数学、计算机科学等诸多学科，又与虚拟现实技术、建模技术、计算机动画技术、模式识别技术、人机交互技术、数据可视化技术、及传感器技术息息相关。

相应的，人体运动学的应用领域也是十分的广阔，主要包括在以下几个领域[2]：

医学保健领域，主要应用于对人体运动功能及损伤做出更直接有效地评估，分析受损原因，以利于更好地救治及预防[3]；体育领域，可以通过对运动员运动时所蕴藏的生物力学信息探测分析来塑造运动技术的标准模式，找到运动技术最佳的途径，从而改善训练的方式，使运动员能够在运动技术上有所突破，更有力地参与到竞技比赛中，获得更加优异的成绩；教育交流领域，可以通过对肢体语言所传达的信息去分析人体的内部活动，甚至可以解决与聋哑人的交流问题；虚拟现实领域，主要应用于人与虚拟现实环境的交互，将真实生活中的人体运动映射到虚拟环境。

因此，对人体运动信息的采集无论是在理论研究还是实际应用中都有着非常广泛的应用和非常重大的意义。

1.2人体运动信息采集及应用的发展与现状

据人类现有的文字记载，早在公元前500年到300年，古希腊的哲学家己经有了描述分析人体运动的记载，但真正意义上的人体运动研究是和人体解剖学的完善及力学的发展分不开的。

法国物理学家笛卡尔在17世纪初曾经尝试着将人体看作机器，并从纯力学的观点建立了一个十分复杂的人体结构模型，甚至包括神经系统的功能，其研究思想很有创造性和影响性，目前仍然有不少力学专家丰富这种理论分析方法并取得成就。

与笛卡尔同时代的意大利解剖学家博雷利将解剖学和力学结合起来，比较系统地研究了动物和人体的运动，并完成了学术著作《论动物的运动》一书。

至此，人体运动的研究基本处在力学原理性分析阶段。

十九世纪末，意大利科学家列奥纳多·达·芬奇从人体解剖和力学的角度，研究了人体的各种姿势和运动，其中对人体步态的力学研究和近代人体运动学研究相仿，首先提出了“一切能够运动的生物体都遵循力学定律而运动”的重要观点。

1.2.1人类对人体运动研究的发展历程

人体运动研究从力学原理性分析阶段进入实验测量阶段的早期学者是法国生理学家韦伯兄弟。

他们在1836年用时钟计时的方法测量了人在走路过程中的时间空间特征，并得出了步速和身体支撑时间成反比关系的结论。

他们的法国同行缪勒（G.Muller）用同样的方法测量了人体走和跑时下肢支撑期和摆动期的时间和比例关系，此时的人体运动测量手段应该说很简陋[4]。

后来摄影影像技术的引入，使运动测量手段有了很大的飞跃。

1877年，美国摄影师麦布里奇（E.Muybridge）用24台照相机拍摄了马奔跑的连续照片，后来他又拍摄了人体走、跑等动作的连续照片，并在1901年发表了专著《运动中的人体运动图像》，从而奠定了影像测量方法的基础。

几年后，马勒（Maler）、德美尼（Demeni）等提出了运动轨迹定位照相法和连续光点照相法，这些方法直到现在仍被用来研究人体运动。

20世纪30年代英国生理学家希尔（A.V.Hill）开展了关于肌力的研究，取青蛙的缝匠肌为试样，通过测量肌肉在缩短过程中的肌张力、肌肉缩短速度、肌肉产生的热量及肌肉维持痉挛状态所需的热量，并按照热力学第一定律建立了与实验结果一致的希尔方程。

从此，人体运动生物力学的一个重要领域：

肌力与肌肉的生理特性的相关研究逐渐发展起来。

20世纪后半叶以来，计算机及电子技术的飞速发展以及传感技术、优化技术等智能分析技术的应用带来更为准确便捷的现代测量技术。

继阿马尔（Amaer）研制了第一台两分量测力台，使运动生物力学进入在体动力学测量后，莱曼德（Reymond）在伽伐尼（Galvani）《论在肌肉运动中的电力》的基础上，创立了肌电测量技术。

阿马尔和埃弗特曼（Elftman）基于人体运动效率，创立了力能学测量技术，后人从此技术进一步发展了肌力优化技术和能量优化技术。

高速摄影技术、传感测量技术以及同步测量技术应用于运动生物力学的测量后，使得人体运动生物力学测量的研究进入了三维运动学和空间力学研究的层面上，为全面研究人体运动效能提供了良好的保证。

与此同时，多刚体动力学和计算力学的在解决人体运动学问题的同时，获得了实验技术的支持。

1.2.2人体运动信息的应用现状

以测量及同步测量技术为标志的现代运动生物力学测量技术，己经使得人体的运动测量可实现实时化、可视化以及三维空间范围内的测量分析。

虽然现代测量技术为运动生物力学的发展提供了强有力的催化剂，但是我们应该认识到研究生物运动的力学问题，根本上取决于测量研究技术以及分析技术。

学术界的研究者己经意识到现代测量技术应用于人体运动分析的局限性源于对人体运动力学的本质认识还不够深入。

运动生物力学的测量技术还依赖于其他学科，如计算机技术、电子测量技术、人体生理学等相关学科的发展。

当代高科技理论与技术对运动训练领域全面、深入的渗透和介入已成为当今竞平的体育训练和大赛中，运动员的整套动作都将被详细记录，用于赛后技体育发展的主要趋势。

目前在体育训练中，有着相对成熟的训练规律和方法，但是人体的个体差异性较大，如何能够科学地运用这些规律就要求对运动员的训练要因人而异，这就要求对人体运动的相关信息进行尽可能详细的采集和分析[5][8]。

国外将加速度传感器应用于体育训练的研究比较领先。

较早有CarlijnV.C.Bouten等人，采用压阻式三轴加速度传感器测量人体运动加速度与能量消耗的关系。

实现对人体在坐、行走等日常活动中运动加速度的测量，进而由实验获得加速度值与人体运动能量消耗的关系。

从其测量结果分析来说，加速度值能反映被测人体一定的运动强度。

利用加速度传感器输出值与人体站、坐、走、跑、跳、骑等日常生活运动能量消耗之间的关系，结合相关皮肤温度、心率等测量传感器，经相关算法软件分析及实验标定等[6]。

这种设备能用于对运动员训练强度实时检测、分析，从而为运动员体能训练提供可行、准确、实时的测量，用以指导体能训练。

国内也有很多单位在此方面进行了深入的研究，如西安市第四军医大学，生物医学工程系的焦纯、杨国胜等人利用三维加速度传感器设计并研制了一种训练强度监测仪[7]用于评估士兵训练状况和训练效率。

在考虑人体运动加速度幅值、频率的有效范围下，为实现对静、稳态和动态激励都有较好的响应，其选用了具有频带宽、灵敏度高、内置防震装置、性价比较高的压阻式加速度传感器，即ICSENSOR公司生产的3个3031型单轴加速度传感器，并通过正交组合成三维加速度传感器，及相应的电路信号处理、运动数据记录与分析处理等实现对训练现场的运动等进行记录与评估。

1.2.3有关人体运动信息研究的应用

在骨科医疗和康复领域中，为了评价残疾、诊断疾病和鉴定康复的效果，客观而有效的方法就是进行步态分析和人体其它部位的功能评定。

一般在医学临床上，应用加速度传感器测量来实现对患有腿部关节、运动障碍等疾病的病人进行辅助诊断、治疗的研究报告（包括对患者的步态、坐姿、姿态等的辨析等）。

因为测量人体行走时有关肢体运动状态等物理量，可以帮助我们分析人体一些部位（特别是关节）的运动功能，进而为医疗康复等提供一定的参考依据。

加速度传感器应用于医学临床上对患者运动功能检测的资料较多，例如将加速度传感器捆绑在患者的手臂、腰背等部位，或者再加以结合其它的测量手段来对患者运动功能实现检测与治疗诊断[7]。

在运动生理力学研究方面，人体运动的计算机仿真是更高层次的研究内容，是研究人体运动规律的有效手段；并具有很高的理论和实际应用价值，如用于碰撞的仿真、分析人的运动特征、医疗中脑神经外科诊断以及步态研究等。

当然研究人体运动的手段和方法很多，其中实验方法是一个非常有前景的研究方法，充分利用实验所获得的测试数据，可以简化人体建模的复杂性，缩短研究周期，模拟人体运动的实例。

通常采用运动生物力学测试手段，可以得到相关人体运动的数据，当然还要借助于影像仪、多维测力台、肌电仪等设备。

但要获取全面的人体运动测试数据，必须综合利用这些设备，因此人体运动信息的采集、应用、研究的发展很大程度上要依赖于人体运动测试和感知技术。

总的来说，加速度传感器所获取的信息能为人体运动的仿真研究提供可靠、准确的原始信息数据。

1．3论文的主要工作和章节安排

论文主要工作是研究以下三方面内容：

其一，人体运动信息采集的原理和方法。

采集人体运动信息，关键是要根据人体运动的特点，建立人体运动的模型，要考察人体的运动特点，需要从运动与控制等多个角度来体现生命系统的部分特征。

人体的运动是一种复杂的，灵活的多自由度运动。

其二，加速度传感器的原理及应用。

加速度传感器是一种能够测量加速力的电子设备，目前加速度传感器的类型可谓多种多样，有压阻式、电容式、压电式、谐振式、热传导式、隧道式、光纤式、热对流式等。

无论采用哪种工作方式，加速度传感器的工作原理都是相似的，将由惯性作用产生的机械运动或变形转换为电信号的变化。

其三，运动信息采集系统的设计。

运动信息采集系统的硬件设计分成两个部分，即信号采集单元和数据处理单元。

其中信息采集部分安装于肢体的各个测量点，由多个加速度计网络节点和一个主机组成，每个节点由一个单片机控制，节点与主机之间通过I2C总线通讯。

本文的主要内容和章节安排如下：

第一章：

绪论。

简单阐述人体运动信息获取技术的研究情况，主要对人体运动加速度信息获取方法和研究现状进行了分析，最后提出了本课题研究意义和研究任务。

第二章：

人体运动信息采集与分析的理论基础。

首先阐述运动生物力学的相关理论，确定血药测量的一些运动信息参数，继而分析得出其测量方法。

然后是了解人体的生理结构和及其运动特点，最终建立人体的运动模型。

第三章：

人体运动信息采集与分析的方法。

较为详细的论述人体运动信息采集的各种方法，并分析它们之间的优缺点。

并举例讨论基于加速度传感器的人体运动信息采集的运动分析，就是利用相应的测量手段，测量、采集人体运动的部分生物力学参数，并对这些参数进行相关分析和处理以得到更多的运动信息。

第四章：

人体运动信息采集系统的设计。

首先对本课题的系统总体设计进行概述，给出系统任务。

为了对人体运动进行较为深入的研究和实验，研制基于加速度传感器的运动信息采集系统，本章对于系统的功能、软件、硬件的构成，做了详细的介绍。

第五章：

结论。

2人体运动信息采集与分析的理论基础

2．1运动生物力学的相关理论

运动生物力学的发展，对人体运动测量学起到了巨大的推动作用，运动生物力学研究的内容是人体运动中的机械运动规律。

人体运动的含义可以理解为人体整体、肢体位置的移动（位移），包括竞技体育运动、大众体育运动、日常活动和生产劳动等。

运动生物力学应用生物学和力学的理论、方法，研究人体从事各种运动、活动和劳动的动作技术,使复杂的人体动作技术奠基于最基本的生物学和力学规律之上，并以数学、力学、生物学以及动作技术原理的形式加以定量描述[8]。

人体运动、活动和劳动中的各种动作技术，可以通过运动生物力学方法进行测试研究，从而提高运动技术水平[9]。

运动生物力学通过研究人体在运动中表现出的力、速度、加速度等参数与人体结构特性的关系，来揭示人体运动的基本规律，获得有价值的运动参数，从而进一步了解复杂的人体运动，为更深入地研究人体运动的相关技术提供重要依据。

2.1.1运动生物力学的基本运动参数

为了更准确地对人体运动进行研究分析，首先要对运动生物力学常用的基本运动参数进行了解。

运动生物力学常用的参数主要有：

位置、位移、速度、加速度、角位移、角速度、角加速度、力、功、功率、动量、冲量、动量、力矩、动量矩、冲量矩、动能、位能、质量、重量、重心、人体环节质量、重量、重心、躯干倾角、着地角、离地角、前蹬角、后蹬角、腾起角、出手角、姿势角、攻角、稳定角等。

对于人体运动的分析和描述都离不开以上运动生物力学参数，其中部分参数可通过仪器直接测量得到，另一些参数则需要根据其它参数进行运算得到[9]。

2.1.2运动生物力学的测量方法

运动学方法中的平面定机摄影摄像测量方法、平面跟踪摄影摄像测量方法、立体定机摄影摄像测量方法、立体跟踪摄影摄像测量方法、红外光点摄像测量方法、激光测试仪测量方法、分段计时测量方法；动力学方法中的三维测力台测试方法、等速测力仪测试方法、A.K.M和B.K.M测力仪测力方法、T.K.K测力仪测力方法、赛艇多参数遥测分析系统测试方法、动态力的应变测试方法、人体运动能量测量方法；生物学方法中的人体形态学测量方法、人体重心测量方法、肌电测量方法、人体柔韧性测量方法、人体环节惯性参数测量方法、转动惯量测量方法等等。

此外，还有多机同步测量方法、神经网络模型分析方法、数学模型与计算机仿真方法以及运动生物力学测试资料的统计处理与分析方法等。

2．2人体生理结构及运动特点

要进行人体运动生物力学参数的测量及运动的相关研究，需要对人体的生理结构及运动特点有一定的了解。

人体是一个由206块形状各异的骨骼互相连接而构成的复杂有机体。

运动系统是由骨骼和固着在骨上的肌肉组成的。

在神经系统的支配下，肌肉发生收缩和舒张，牵动骨骼，使人体能够进行各种运动，其实质是肢体围绕关节运动，因此可将人体看成多段刚体的组合，每段刚体之间由相应的关节连接，构成一个连接型刚体系统。

因为人体的所有运动都是通过关节的运动来实现的，所以最关键的是分析各个关节的自由度、相应的运动幅度以及多个关节之间的约束和联动。

2.2.1人体关节、环节的运动

人体运动的基础是环节围绕关节轴的转动，通常说的关节和环节运动都是指环节绕关节轴的转动。

关节转动根据转轴种类和转动方向的不同，分为五种：

屈伸：

肢体在矢状面内绕额状轴转动（运动）向前运动为屈，向后运动为伸。

水平屈伸：

上臂在肩关节处和大腿在髋关节处外转90度后，绕垂直轴向前运动叫水平屈，向后运动叫水平伸。

外展内收：

肢体在额状面内，绕矢状轴运动，远离正中面为外，靠近正中面为内收。

回旋：

肢体在水平面内，绕其身的垂直轴旋转，如前臂由前向内的旋转叫旋内（或叫旋前），由前向外旋转叫旋外（或叫旋后）。

人体肢体通过环节围绕关节的各种运动的组合实现不同的基本动作，所以当

充分了解了各环节与关节的相对位置、角度的信息，即可推算出人体所处的姿态。

2.2.2人体运动的特点

人体运动分析的主要目的是使计算机能够跟踪、分