基于微型慣性傳感器腿部康復動作捕捉系統(tǒng)研究.pdf

1、基于微型慣性傳感器腿部康復動作捕捉系統(tǒng)，其設計的意義在于使患者在康復訓練時能夠?qū)崟r監(jiān)護其運動狀況，并通過再現(xiàn)本體運動來判斷訓練姿勢是否合理。是動作捕捉技術(shù)在康復醫(yī)療領域中的一種應用。
　　文中論述了現(xiàn)有的動作捕捉系統(tǒng)的優(yōu)缺點，綜合MEMS慣性元件特點以及慣導系統(tǒng)的姿態(tài)解算方法，在此基礎上以腿部康復訓練時的運動采集為任務，對慣性式動作捕捉系統(tǒng)系統(tǒng)設計、捕捉環(huán)境的要求、使用成本進行分析，得到采用基于MEMS慣性元件的動作捕捉方式來獲取

2、患者腿部姿態(tài)是一種較優(yōu)越方法。
　　研究工作主要內(nèi)容如下：
　　（1）進行了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設計，完成節(jié)點捕捉層，節(jié)點匯聚層和節(jié)點接收層體系結(jié)構(gòu)分類，以CAN總線為基礎，實現(xiàn)了節(jié)點捕捉層和節(jié)點匯聚層的網(wǎng)絡有線連接。以Zigbee無線通信為基礎，實現(xiàn)了節(jié)點匯聚層和節(jié)點接收層的無線連接。實驗表明，這種網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)可以有效完成各層間的通信。
　?。?）以MPU9150集成慣性元件為核心結(jié)合STM32F103T8U6和CAN總線收發(fā)器V

3、P230完成運動單元慣性數(shù)據(jù)捕捉節(jié)點的設計；基于上述所用芯片，結(jié)合CC2530F256無線SoC單片機，完成匯聚節(jié)點設計；以CC2531F256無線SoC單片機為核心完成接收節(jié)點設計。實驗表明，系統(tǒng)可以完成運動信號的數(shù)據(jù)采集，處理和傳輸。
　?。?）針對MPU9150慣性傳感器的數(shù)據(jù)采集特點，設計 FIR低通濾波器對傳感器采集到的9軸數(shù)據(jù)進行濾波處理，實現(xiàn)對高頻噪聲的抑制。并針對MPU9150內(nèi)置磁力計的靈敏度高，易受外界磁場干擾

4、的問題，使用橢圓擬合的方法對磁力計進行誤差補償。實驗表明，濾波及補償后的數(shù)據(jù)在平滑性和穩(wěn)定性方面具有提升。
　?。?）以四元數(shù)法對慣性傳感器9軸數(shù)據(jù)進行姿態(tài)解算，利用3軸加速度數(shù)據(jù)和3軸磁感應強度數(shù)據(jù)，實現(xiàn)姿態(tài)初始解算。基于3軸角速度數(shù)據(jù)，設計卡爾曼濾波器更新四元數(shù)，并結(jié)合基于高斯牛頓法，融合加速度數(shù)據(jù)和磁力計數(shù)據(jù)估計得到的四元數(shù)，設計了互補濾波器，對捕捉節(jié)點的姿態(tài)實時更新。實驗表明，初始姿態(tài)的解算和實時姿態(tài)更新可以快速準確得到捕