一种运动捕捉测量系统及测量方法

技术领域

本发明涉及运动测量技术，尤其涉及一种运动捕捉测量系统及测量方法。

背景技术

近年来，运动捕捉测量技术开始广泛应用于体育运动的动作捕捉与分析。以帮助运动员提高其技术，运动测量捕捉技术以数字的方式记录对象的动作，当前常用的运动捕捉技术包括光学式运动捕捉和基于惯性传感器的运动捕捉。

光学式运动测量技术主要是利用相机等设备，对运动员进行拍摄，从而获取运动员的姿态、速度等信息，其在具体应用时，需要多位置进行拍摄，并需要配合专用的图像处理技术，对上述信息进行分析。其系统复杂性高，成本较高。

基于惯性传感器的运动捕捉主要利用传感器等直接获取运动者的姿态信息，如现已发展起来的微机电系统(MEMS)，可以将传感器做成较小的尺寸，进而降低测量时对运动的影响。如中国专利（CN215572987 U）公开了一种微型载体姿态测量系统，其中，微惯导系统主要包含陀螺仪、加速度计、微处理器，其具有较小的尺寸，其具有毫米级的尺寸。美国专利（US7689378 B2） 公开了一种通过3D打印的方式实现的，高度小型化的包含MEMS 传感器的运动捕捉测量系统，它可以嵌入到运动器械上而不影响运动器械本身的运动特征。其运动捕捉模块包括1个三轴加速度计、1个三轴陀螺仪和1 个三轴磁力计，其中三维加速度计和三维陀螺仪可以对模块相对外界固定坐标系统的3 维位置以及三维位移进行测量，三维磁力计结合三维加速度计根据本地地磁向量和重力场可以对模块的绝对空间进行测量。该方案的实现方式是把单个的传感器模块集成到高尔夫球杆上，从而把运动器械的运动轨迹捕捉下来并无线发送给接收装置。

上述方式用于虽然较好的了解到运动器械的运动状态，但是并不能同时了解到运动者的运动姿态，即可能存在虽然运动器械的运动姿态符合要求，而实际上操作者的操作姿态并不标准的情况。且不能同时准确的反映操作者的施力大小情况。而评论操作者的运动姿态的标准除了需要考虑人体与运动器械的位置姿态信息外，还需要同时考虑其施力的大小的信息。

如在网球、羽毛球等球类运动中，击球技术是最重要的技术之一。运动员击球时，要找准每种击球的最佳击球点，同时施加合适的力，这样才能在击球的一瞬间，打出最有力和最准确的击球。因此，需要全面了解运动器械及人体的方位、姿态信息及人体的施力信息。

因此，亟需一种运动捕捉测量系统及方法，以解决上述问题。

发明内容

为缓解或解决上述问题中的至少一个方面或者至少一点，提出本发明。

根据本发明的一个方面，提出一种运动捕捉测量系统，包括：第一运动测量模块、第二运动测量模块、压力测量模块和处理器单元；第一运动测量模块、压力测量模块与运动器械固定连接；第二运动测量模块与人体固定连接；

第一运动测量模块包括第一传感器，第一微处理器、第一无线传输模块，第一传感器用于测量运动器械的加速度、角速度信息，第一微处理器用于接收第一传感器测量的加速度、角速度信息，并通过第一无线传输模块将上述信息发送给处理器单元；

第二运动测量模块包括第二传感器，第二微处理器、第二无线传输模块，第二传感器用于测量人体的加速度、角速度信息，第二微处理器用于接收第二传感器测量的加速度、角速度信息，并通过第二无线传输模块将上述信息发送给处理器单元；

压力测量模块用于测量人体施加于运动器械上的压力，并将压力信息传送至处理器单元。

优选的，第一传感器还用于测量运动器械的磁力信息，第二传感器还用于测量人体的磁力信息。

优选的，压力测量模块包括微型压力传感器，信号线，压力传感器通过信号线与第一微处理器控制连接，第一微处理接收压力信号并通过第一无线传输模块将压力信息传送至处理器单元。

优选的，处理器单元包括第四无线传输模块和第四微处理器，第四无线传输模块用于接收第一无线传输模块、第二无线传输模块发送来的加速度、角速度信息、压力信息，并将其转化为位置信息、姿态信息和施力信息。

优选的，处理器单元控制第一运动测量模块、第二运动测量模块、压力测量模块同时进行多次测量，并计录测量时的时间信息。

优选的，还包括摄像测量模块，第一运动测量模块和第二运动测量模块上设有反光标识，摄像测量模块用于测量第一运动测量模块和第二测量模块的位置信息。

优选的，处理器单元根据加速度、角速度信息计算出姿态信息，并结合摄像测量模块测量的信息计算出位置信息，并将姿态信息、位置信息结合时间信息生成运动信息。

优选的，所述测量系统用于测量球类运动，还包括发球机控制单元，发球机控制单元与处理器单元控制连接。

优选的，所述第一传感器、第二传感器均包括：三轴MEMS微加速度计、三轴MEMS微陀螺仪和三轴MEMS微磁力计。

另外本发明还提供一种前述的运动捕捉测量系统的测量方法，包括如下步骤：

第一运动测量模块、第二运动测量模块、压力测量模块固定到人体和运动器械上；

第一运动测量模块、第二运动测量模块、压力测量模块进行时间同步，启动测量；

第一运动测量模块、第二运动测量模块、压力测量模块进行实时测量并实时将测量信息传送给处理器单元；

处理器单元将测量信息转化为位置姿态信息和施力信息；

处理器单元将位置姿态信息和施力信息与标准信息进行比较分析。

优选的，还包括如下步骤：在第一运动测量模块、第二运动测量模块上设置反光标识，处理器单元启动摄像测量模块进行测量，并获取第一运动测量模块、第二运动测量模块的位置信息。

优选的，在运动器械的预定位置上和第二运动测量模块上设置反光标识，处理器单元启动摄像测量模块进行测量，并获取上述预定位置置、第二运动测量模块的位置信息；处理器单元根据运动器械的姿态信息和上述预定位置与第一运动测量模块之间的相对位置关系，计算得出第一运动测量模块的位置信息。

本发明通过第一传感器、第二传感器测量加速度、角速度信息，进而同时获得人体、运动器械的姿态、方位信息。并同时利用压力获得人体的施力信息，可以全面的评估运动状态。

本发明进一步通过将压力测量模块的微型压力传感器与第一运动测量模块共用第一微处理器的方式，可进一步的降低压力测量模块的质量与体积，降低测量时对运动的影响。本发明通过采用同时同步测量的方式，可以看出在任一时刻时，人体的运动状态是否正确，对应的运动器械的状态是否正确以及此时施力是否正确，从而能够对运动状态进行全方位的评价。

本发明通过采用摄像测量模块的方式获取第一运动测量模块、第二运动测量模块处的位置信息，可以提高位置的测量精度；同时，仅利用摄像测量模块获取位置信息，由于不需要计算其姿态信息，可以大大降低图像处理的时间，降低成本。而姿态信息采取通过检测加速度、角速度信息获取。即通过上述方式，可以保证精度，同时降低成本。

本发明进一步的通过间接测量第一运动测量模块位置的方式，可避免由于第一运动测量模块所在位置不便于拍摄的问题。通过上述方式，可以将第一运动测量模块安装在运动器械的内部、端部等不影响测量的位置。

附图说明

图1为本发明的一个示例性实施例的运动捕捉测量系统的示意图。

图2为本发明的另一个示例性实施例的运动捕捉测量系统的示意图。

图3为本发明的再一个示例性实施例的运动捕捉测量系统的示意图。

图4为本发明的又一个示例性实施例的运动捕捉测量系统的示意图。

图5为本发明的一个示例性实施例的运动捕捉测量方法的示意图。

图6为本发明的另一个示例性实施例的运动捕捉测量方法的示意图。

图7为本发明的一个示例性实施例的运动捕捉测量系统应用于羽毛球拍上的示意图。

其中：1-第一安装处，2-第二安装处，3-连接线，4-手柄部，5-过渡部，6-杆部，7-外圈，8-网线。

实施方式

下述参照附图对本发明实施方式的说明旨在对本发明的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本发明的一种限制。在本发明中，相同的附图标记表示相同或相似的部件。

在此描述的特征可以以不同的形式来实现，而不应被解释为限于在此描述的示例。相反，已提供在此描述的示例，以仅示出实现在此描述的方法、设备和/或系统的许多可行方式中的一些可行方式，所述许多可行方式在理解本发明的公开之后将是清楚的。

尽管在此可使用诸如“第一”、“第二”和“第三”的术语来描述各种构件、组件、区域、层或部分，但是这些构件、组件、区域、层或部分不应被这些术语所限制。相反，这些术语仅用于将一个构件、组件、区域、层或部分与另一构件、组件、区域、层或部分进行区分。

在说明书中，当元件(诸如，层、区域或基底)被描述为“在”另一元件上、“连接到”或“结合到”另一元件时，该元件可直接“在”另一元件上、直接“连接到”或“结合到”另一元件，或者可存在介于其间的一个或多个其他元件。相反，当元件被描述为“直接在”另一元件上、“直接连接到”或“直接结合到”另一元件时，可不存在介于其间的其他元件。

在此使用的术语仅用于描述各种示例，并不将用于限制公开。除非上下文另外清楚地指示，否则单数形式也意在包括复数形式。术语“包含”、“包括”和“具有”说明存在叙述的特征、数量、操作、构件、元件和/或它们的组合，但不排除存在或添加一个或多个其他特征、数量、操作、构件、元件和/或它们的组合。

为了使得本领域技术人员能够使用本发明的内容，下文中可能结合特定的应用场景、特定的系统、器件和元件的参数以及特定的连接方式，给出以下示例性实施例。然而，对于本领域技术人员来说，这些实施例仅是示例，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以将这里定义的一般原理应用于其他实施例和应用场景。

根据本发明的一个示例性实施例：如图1所示：本发明的运动捕捉测量系统，包括：第一运动测量模块、第二运动测量模块、压力测量模块和处理器单元；第一运动测量模块与运动器械固定连接；压力测量模块与运动器械固定连接；第二运动测量模块与人体固定连接。

第一运动测量模块包括第一传感器，第一微处理器、第一无线传输模块，第一传感器用于测量运动器械的加速度、角速度信息，第一微处理器用于接收第一传感器测量的加速度、角速度信息，并通过第一无线传输模块将上述信息发送给处理器单元；第二运动测量模块包括第二传感器，第二微处理器、第二无线传输模块，第二传感器用于测量人体的加速度、角速度信息，第二微处理器用于接收第二传感器测量的加速度、角速度信息，并通过第二无线传输模块将上述信息发送给处理器单元。其中，可选的，第一微处理器、第二微处理也可以将接收的加速度、角速度信息处理成方位信息，并将上述信息传送给处理器单元，处理器单元生成运动信息。

压力测量模块用于测量人体施加于运动器械上的压力，并将压力传送至处理器单元。可选的，压力测量模块包括压力传感器，第三微处理器和第三无线传输模块，第三微处理用于接收压力传感器的信息，并通过第三无线传输模块传送至处理器单元。

根据本发明的一个示例性实施例：如图1所示，处理器单元包括第四微处理器、第四电源模块、存储模块、显示器、第四无线传输模块、人机交互模块，第四微处理器，用于处理各测量模块传送来的信息，并且将上述信息处理后，通过显示器显示出上述信息。

第一运动测量模块包括第一电源模块，第二运动测量模块包括第二电源模块，压力测量模块包括第三电源模块。第一至第三电源模块均可以包括干电池及电压转换模块，用于提供电能。

第一无线传输模块、第二无线传输模块、第三无线传输模块、第四无线传输模块可为收发信息的RF模块。本发明通过压力测量模块配合第一、第二运动测量模块，不仅可以准确的得到器械或人体的运动姿态，同时，可以获取人体施加于器械上的压力，可以获取重要位置如击球位置时的器械和人体的位置及姿态信息。其中姿态信息可包括偏转角度信息，也可包括速度信息。其中，速度信息包括x,y,z向的速度信息，及x,y,z轴对应的各角速度信息。

根据本发明的一个示例性实施例：本发明第一传感器、第二传感器均包括：三轴微加速度计，三轴微陀螺仪。优选的第一、第二传感器还包括三轴磁力计。优选的，第一传感器、第二传感器均包括三轴MEMS微加速度计、三轴MEMS微陀螺仪和三轴MEMS微磁力计。可根据所述三轴微加速度计测量的重力加速度向量及三轴磁力计测量的磁力向量计算生成运动测量模块的静态三维姿态角度。根据所述三轴微陀螺仪测量的角速度计算生成运动测量模块的动态三维姿态角度；采用所述的静态三维姿态角度对所述的动态三维姿态角度进行修正，得到所述的运动测量模块的位置信息。

根据本发明的一个示例性实施例：如图1所示，处理器单元包括第四无线传输模块和第四微处理器，第四无线传输模块用于接收第一无线传输模块、第二无线传输模块发送来的加速度、角速度信息、压力信息，并将其转化为位置信息、姿态信息和施力信息。

根据本发明的一个示例性实施例，处理器单元还包括时间控制模块，时间控制模块控制第一运动测量模块、第二运动测量模块、压力测量模块同时进行多次测量，并计录测量时的时间信息。通过上述同步测量，可以更准确的反应出人体运动与器械运动之间的关系。以羽毛球、网球类运动为例，人体在击球的不同阶段，人手的握力是不断变化的，如在挥拍的过程中，人手往往呈虚握拍状态，而在击球的一瞬间，人手的握力最大。通过同时对压力及人体的击球姿态进行分析，可以分析出击球一瞬间的正确姿态、及挥拍过程中的正确姿态，有利于提高运动员的训练水平。

根据本发明的另一个示例性实施例，如图2所示，由于第一运动测量模块与压力测量模块均是固定在运动器械上，为了进一步降低测量系统对运动器械的影响，减少重量。压力测量模块包括微型压力传感器，传输线，压力传感器通过传输线与第一运动测量模块连接。具体地，压力传感器与微处理器控制连接。第一微处理器可接受压力传感器的压力信息，并通过第一无线传输模块将压力信息发送给处理器单元。可选的，第一电源模块，可同时向压力传感器进行供电，通过上述设置，压力测量模块可以不单独设置电源模块、处理器和无线传输模块，从而降低压力测量模块的体积和重量，从而对运动器械的影响降低。

根据本发明的再一个示例性实施例，如图3所示，考虑到采用加速度计测量具体的位置信息时，由于需要进行累积测量，会造成累积误差，从而会引成测量位置时精度不高。为了进一步提高测量精度，本发明还包括摄像测量模块，摄像测量模块包括双目摄像头、第五微处理器、第五无线传输模块，第五微处理器接收双目摄像头拍到的信息，并通过第五无线传输模块发送给处理器单元。优选的，在第一运动测量模块、第二测量模块贴有反光标识，双目摄像头通过对反光标识进行拍摄，从而获得第一测量模块、第二测量模块的位置信息。可选的摄像测量模块采用双目摄像机，获取不同时刻的第一测量模块、第二测量模块的位置信息。当然也可采用现有的两个位于不同位置的单独的摄像机的方式，用于测量反光标识的位置信息，其中一个摄像机用于获取横向的竖向位置，一个摄像机用于获取纵向和竖向位置，从而生成反光标识的三维位置信息这些均在本发明的保护范围之内。

如图3所示，为了降低对运动器械的影响，第一运动测量模块可能会安装在运动器械的底部等不易被双目摄像头拍到的位置，因此，无法通过在第一运动测量模块上安装反光标识的方式获到第一运动测量模块的位置信息。

作为一种优选的替代方式，本发明将反光标识贴在运动器械的预定位置处，所述预定位置为易于被双目摄像头拍到的位置；处理器单元通过上述预定位置与第一运动测量模块之间的相对位置关系，及第一传感器测量的姿态信息，计算出第一运动测量模块的位置信息。优选的，处理器单元根据第一运动测量模块测量出的加速度、角速度信息计算出姿态信息，并结合摄像测量模块测量的信息计算出位置信息，并将姿态信息、位置信息结合时间信息生成运动信息。

根据本发明又一个示例性实施例，如图4所示，其与图3中的实施例的不同之处，在于压力测量模块不同，其它均与图3中相同，在此不再赘述。

根据本发明一个示例性实施例，本发明用于体育运动中球类运动的测量，还包括发球机，发球机包括发球机控制单元和发球机构，发球机控制单元包括第六微处理器和第六无线传输模块，第六微处理器将发球机发球时的信息通过第六无线传输模块传送给处理器单元。当接收到发球机的发球信息时，处理器单元控制第一运动测量模块、第二运动测量模力、压力测量模块进行同步测量。

根据本发明的一个示例性实施例，如图5所示，本发明的测量方法包括如下步骤：测量开始；

S1第一运动测量模块、第二运动测量模块、压力测量模块固定到人体和运动器械上；其中，第一运动测量模块、压力测量模块固定在运动器械上，第二运动测量模块固定在人体上。

S2处理器单元确定第一运动测量模块、第二运动测量模块的初始位置姿态信息。如在具体测量时，可以采用手平伸在一具体位置的方式，作为初始位置和初始姿态。

S3第一运动测量模块、第二运动测量模块、压力测量模块进行时间同步，并启动测量；

S4 第一运动测量模块、第二运动测量模块、压力测量模块进行实时测量并实时将测量信息传送给处理器单元；

S5处理器单元将测量信息转化为位置姿态信息和施力信息；

S6处理器单元将位置姿态信息和施力信息与标准信息进行比较分析，并显示差异。

可选的，其中的标准信息可通过人机交互模块预先输入，或者，通过多次测量后，选择符合条件的测量的位置姿态信息和施力信息作为标准信息。

根据本发明的另一个示例性实施例，如图6所示，本发明还提供另一种测量方法，其与图5中所示的测量方法的不同之处是，其增加了摄像测量模块进行辅助测量。

其包括如下步骤：测量开始；

判断是否启动摄像测量模块进行辅助测量，如果为否，则仅通过测量人体和运动器械的角速度、加速度信息、压力信息获得人体和运动器械的姿态信息和施力信息。可选的，可执行前述步骤S1-S6。

如果为是，则进一步判断第一运动测量模块是否能被摄像头直接捕捉。

如果为是，则执行步骤M1-M4，S5，S6; 如果为否，则执行步骤N1-N4，S5，S6。

其中，M1：第一运动测量模块、压力测量模块固定在运动器械上，第二运动测量模块固定在人体上；反光标识贴在第一运动测量模块和第二运动测量模块上。

M2：处理器单元确定第一运动测量模块、第二运动测量模块的姿态信息；处理器单元确定反光标识的初始位置信息。

M3：第一运动测量模块、第二运动测量模块、压力测量模块、摄像测量模块进行时间同步，并启动测量；

M4：第一运动测量模块、第二运动测量模块、压力测量模块、摄像测量模块进行实时测量并实时将测量信息传送给处理器单元；

其中，N1：第一运动测量模块、压力测量模块固定在运动器械上，第二运动测量模块固定在人体上；反光标识贴在运动器械上易于拍摄处和第二运动测量模块上；

N2：处理器单元确定第一运动测量模块、第二运动测量模块的初始姿态信息；处理器单元确定反光标识的初始位置信息；处理器单元并确定反光标识与第一运动测量模块的相对位置关系；

N3：第一运动测量模块、第二运动测量模块、压力测量模块、摄像测量模块进行时间同步，并启动测量；

N4：第一运动测量模块、第二运动测量模块、压力测量模块、摄像测量模块进行实时测量并实时将测量信息传送给处理器单元。

通过上述测量方法，在获取位置信息时，通过摄像测量模块获取位置信息，可避免进行加速度测量时的累积误差，提高测量的准确性。针对第一运动测量模块可能不容易被摄像头拍摄到的情况，通过将反光标识设置在运动器械上易于观察处，并通过综合利用位置信息和姿态信息，计算得出第一运动测量模块的位置信息，有效的解决第一运动测量模块不易被拍摄到的情况。

如图6所示，下面以羽毛球拍的运动捕捉测量为例，说明本发明的工作过程。

羽毛球拍包括：第一安装处1、第二安装处2、连接线3、手柄部4、过渡部5、杆部6、外圈7、网线8。其中，连接线3可为信号线和/或电源线。第一运动测量模块安装在第一安装处1，压力测量模块安装在第二安装处2。第一运动测量模块安装在手柄部的底部，可以最大的减少对羽毛球拍的影响，并且第一运动测量模块可通过连接线3与压力测量模块连接，使二者可以共有第一微处理器、第一无线传输模块、第一电源模块，从而使压力测量模块具有较小的尺寸，降低对羽毛球拍的影响。

由于第一运动测量模块安装在手柄部4的底部，其不便于双目摄像头拍到，因此，将反光标识贴在羽毛球拍的杆部上。并将二者的相对位置关系，通过处理器单元的人机交互模块输入到处理器单元中。

第二运动测量模块为两个，其中一个固定在人体的手腕上，另一个固定在人体的大臂上。

运动员站在接球位置，手拿羽毛球拍，处理器单元确定第一运动测量模块、第二运动测量模块的初始位置和姿态信息。

处理器单元同时与发球机控制单元连接，处理器单元发出指令，使发球机控制单元与第一运动测量模块、第二运动测量模块、压力测量模块、摄像测量模块进行时间同步；

羽毛球自动发球机发出羽毛球，处理器单元发出测量指令，第一运动测量模块、第二运动测量模块、压力测量模块、摄像测量模块同步测量；

第一运动测量模块、第二运动测量模块、压力测量模块、摄像测量模块进行实时测量，并将测量信息发送给处理器单元；

处理器单元将测量信息转化为位置姿态信息、压力信息，并进行存储；上述位置姿态信息以图像的形式进行展示，以便于观察。

根据击球的结果等因素，选择击打效果良好的位置姿态信息、压力信息，作为标准信息进行存储。

运动员在以后的训练过程中，运动捕捉测量系统，捕捉运动员的位置姿态信息、压力信息，并与上述标准信息进行比较，以提高训练效果。

重点关注压力最大时（通常在羽毛球拍击中羽毛球的瞬间，手施加到球拍上的压力最大），手碗的位置、姿态信息；羽毛球拍的位置、姿态信息；压力信息，帮助运动员寻找合适的击球点位、击球方式和击球力度。

处理器单元可以以三维图形的方式把目标运动信息(球拍和人体手臂的运动轨迹)显示到显示屏上，运动员跟随上述运动轨迹，使自己的实际运动情况与屏幕上的目标运动信息重叠和吻合。从而可以建立准确的运动方式，达到良好的训练效果。

本发明通过第一传感器、第二传感器测量加速度、角速度信息，进而同时获得人体、运动器械的姿态、方位信息。并同时利用压力获得人体的施力信息，可以全面的评估运动状态。通过将压力测量模块的微型压力传感器与第一运动测量模块共用第一微处理器的方式，可进一步的降低压力测量模块的质量与体积，降低测量时对运动的影响。通过采用同时同步测量的方式，可以看出在任一时刻时，人体的运动状态是否正确，对应的运动器械的状态是否正确以及此时施力是否正确，从而能够对运动状态进行全方位的评价。通过采用摄像测量模块的方式获取第一运动测量模块、第二运动测量模块处的位置信息，可以提高位置的测量精度；同时，仅利用摄像测量模块获取位置信息，由于不需要计算其姿态信息，可以大大降低图像处理的时间，降低成本。而姿态信息采取通过检测加速度、角速度信息获取。即通过上述方式，可以保证精度，同时降低成本。通过间接测量第一运动测量模块位置的方式，可避免由于第一运动测量模块所在位置不便于拍摄的问题。通过上述方式，可以将第一运动测量模块安装在运动器械的内部、端部等不影响测量的位置。本发明可显著提高运动训练的精度，且成本可控。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行变化、要素组合，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。