Kinect與IMU融合技術(shù)在康復(fù)訓(xùn)練中的研究與應(yīng)用.pdf

1、在康復(fù)訓(xùn)練領(lǐng)域中，有一種通過(guò)Kinect進(jìn)行體感交互的訓(xùn)練方法，這種方法可以用于幫助病人在沒有康復(fù)醫(yī)生的指導(dǎo)下自行完成康復(fù)訓(xùn)練。該方法主要通過(guò)使用Kinect對(duì)人體關(guān)節(jié)部位的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析與評(píng)價(jià)，并把采集到的相關(guān)數(shù)據(jù)有效地反饋到康復(fù)訓(xùn)練中，因此能夠地對(duì)病人的康復(fù)訓(xùn)練進(jìn)行有效地指導(dǎo)。但是在數(shù)據(jù)采集和分析過(guò)程中有兩個(gè)關(guān)鍵性問(wèn)題有待解決：第一，在康復(fù)訓(xùn)練的數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，部分訓(xùn)練運(yùn)動(dòng)會(huì)有關(guān)節(jié)遮擋現(xiàn)象發(fā)生，此時(shí)Kinect因無(wú)法采集到被遮擋

2、關(guān)節(jié)部位的深度數(shù)據(jù)而導(dǎo)致關(guān)節(jié)點(diǎn)定位的失敗。第二，在康復(fù)訓(xùn)練的運(yùn)動(dòng)評(píng)價(jià)過(guò)程中，運(yùn)動(dòng)過(guò)程的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度基本上都不相同，為制定評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)帶來(lái)困難。并且，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中關(guān)節(jié)點(diǎn)三維坐標(biāo)變化可能會(huì)受到其他關(guān)節(jié)部位運(yùn)動(dòng)的影響，使得其無(wú)法準(zhǔn)確的反應(yīng)相應(yīng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)情況。為了解決以上問(wèn)題，本文提出了一種優(yōu)化方法，這種方法是將Kinect與IMU(Inertial measurement unit，慣性測(cè)量單元)相結(jié)合來(lái)對(duì)關(guān)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，然后在DTW（Dynam

3、ic Time Warping，動(dòng)態(tài)時(shí)間規(guī)整）算法中引入余弦來(lái)對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析。其主要研究工作如下：
　?。?）因?yàn)樵谕ㄟ^(guò)Kinect獲取人體關(guān)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生起伏噪聲與尖峰噪聲，從而導(dǎo)致關(guān)節(jié)點(diǎn)“抖動(dòng)與跳動(dòng)”。本文提出了一種自適應(yīng)的霍爾特指數(shù)平滑法用來(lái)解決起伏噪聲與尖峰噪聲。主要原理是：通過(guò)Kinect獲取關(guān)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)流后，計(jì)算相鄰兩幀之間的關(guān)節(jié)點(diǎn)距離，并對(duì)不同的幀間距離生成不同的參數(shù)值，從而能夠有效地自適應(yīng)地對(duì)兩種噪聲進(jìn)行

4、處理。
　?。?）通過(guò)卡爾曼濾波融合Kinect與九軸IMU兩者數(shù)據(jù)獲取新的關(guān)節(jié)部位信息從而有效地改善遮擋問(wèn)題。該方法需要事先將IMU綁定在受遮擋部位，在非遮擋狀態(tài)下以Kinect采集的關(guān)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)為主，而IMU獲取的四元數(shù)為輔；在遮擋狀態(tài)下則丟棄Kinect采集的被遮擋關(guān)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，使用IMU獲取的四元數(shù)對(duì)受遮擋關(guān)節(jié)部位進(jìn)行更新。
　?。?）在康復(fù)訓(xùn)練的運(yùn)動(dòng)評(píng)價(jià)過(guò)程中，為減小關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)其他關(guān)節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡的影響，以及運(yùn)動(dòng)序列長(zhǎng)