基于加速度傳感器的無線人體動作測量設備

摘要：使用ADXL345三軸加速度傳感器、nRF24L01無線收發芯片及USB接口芯片CY7C68013與上位機構建了一個人體動作信息測量設備。該設備由5組相同的動作測量模塊、1組數據接收模塊構成。動作測量模塊置于人體四肢及軀干測量人體動作信息，數據接收模塊通過無線方式收集加速度數據，并通過USB芯片上傳給PC機，PC機計算出各部位的角度信息后繪制人體實時動作模型。通過與實際人體動作比較，該設備可以較好地反應人體動作情況，可以應用于多種人機交互場合。
關鍵詞：ADXL345加速度傳感器；人體動作信息；nRF24L01；CY7C68013

引言
長久以來，使用人體自然動作與計算機交互一直是人機交互技術追求的目標之一。目前主流的人機動作交互技術有2種：視頻動作識別技術和慣性器件動作識別技術。
前者以Microsoft Xbox 360的Kinect視頻感應器為代表，依靠攝像頭采集人體動作視頻，通過識別算法進行分析，可較準確地識別人體動作，但需要強大的硬件處理能力、復雜的軟件識別算法，而且對于多人、高復雜度動作難以識別。后者的代表為任天堂的Wii mote手柄，主要依靠慣性器件反映出肢體的速度、位移及傾斜度。該技術算法簡單，識別精度較高，但需要佩戴傳感器模塊，可能給體驗者帶來不適。識別動作的復雜度與傳感器的數量、精度有關，如Wii mote局限在于僅能感知手部運動，隨著傳感器使用數量、種類的增加，精度的提高，人體各種快速、復雜的運動都可被精確識別，這是視頻識別技術所難以達到的。
本文介紹的設備是使用加速度傳感器的無線人體動作信息測量設備，在人體四肢及軀干同時佩戴5組測量設備，準確反映人體各部分動作情況，同時使用無線數據傳輸方式減少體驗者的不適感。

1 測量原理
測量模塊放置于人體四肢及軀干，以右手為例。測量模塊放置于右手肘關節外側，根據重力在加速度傳感器三軸上的分量，可以計算出傳感器坐標系與自然坐標系的夾角，進而得出傳感器所在手臂平面與自然坐標系的夾角，根據三個夾角與傳感器到肩膀的固定位置，可以計算出傳感器所在手臂部位的空間位置。傳感器坐標系與自然坐標系夾角如圖1所示。

式中Ax為傳感器x軸加速度分量，Ay為傳感器y軸加速度分量，Az為傳感器z軸加速度分量。人體軀干直立，右手微抬時傳感器所在手臂與自然坐標系的三個夾角如圖2所示。其中右手上白點代表傳感器。