论文摘要
人体肢体运动的动态检测和模拟具有极大的应用价值和非常重要的意义,在临床诊断、运动捕捉、人机工程、康复工程、仿生学等领域有着广泛的使用。本论文介绍了一种采用MEMS传感器(加速度计和磁强计)集成制作的微型检测装置。人体运动姿态检测方式大致有四种,如红外检测、数据衣与数据手套、电子摄像和惯性测量传感器等。本文根据我国现阶段和近年来医学信息化发展的趋势和需求,研究设计脑性瘫痪运动功能数字化诊疗系统,实现对患儿运动功能检测数据的一致性、稳定性和脑瘫运动功能诊断的参数定量化描述,解决肢体运动姿态的定量描述方法,为小儿脑瘫的临床诊断和康复治疗提供数字化、智能化的手段。本文对基于MEMS传感器的姿态测量系统进行了原理性描述,详细分析设计了多MEMS传感器组合系统对运动姿态的检测,通过加速度传感器检测得到数据计算位移,磁强计检测得到的数据计算与地磁场的角度,再根据建立的三自由度肢体简化数学模型计算相邻关节的相对角度。针对磁强计不正交、灵敏度不一致和零点飘移造成的误差,采用最大误差值补偿方法,减小误差影响。针对加速度计固定偏差和随机误差造成的偏差进行分析,采用软件修正和随机误差模型修正方法,减小误差影响。论文详细地分析了肢体运动方式,给出常用的人体模型优缺点与刚体姿态描述方法,建立了运动姿态模型和人体上肢三自由度简化模型,并详细推导了肢体角度计算公式。完成了系统总体设计,给出了系统结构图、硬件平台原理图和部分关键的软件程序代码。使用MATLAB工具箱中的V_Realm Builder工具开发出虚拟人体上肢运动的仿真环境,通过可视化实现在线检测运动姿态数据的离线仿真分析。实验证明,该装置能够动态检测肢体的运动姿态信息,并可快速的在虚拟环境下进行体态模拟。本文所做的研究探索了目前关注的肢体姿态测量的新方法、新思路,为该系统能够更好的在实践中得到应用提供了理论和实际的依据。
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摘要ABSTRACT1 绪论1.1 问题的提出1.2 运动姿态检测与数字化诊断治疗1.2.1 运动姿态检测1.2.2 数字化诊疗系统1.3 运动姿态检测学的发展历史1.4 国内外研究现状1.5 本论文的主要内容2 MEMS 传感器技术2.1 地球磁场2.2 MEMS 传感器原理和结构2.2.1 MEMS 加速度传感器概述2.2.2 MEMS 磁强计传感器概述2.3 本章小结3 MEMS 传感器误差分析3.1 MEMS 磁强计传感器误差分析3.1.1 磁强计三轴不正交所引起的测量误差3.1.2 磁强计零点漂移误差3.1.3 磁强计三轴灵敏度不一致时所引起的运动误差3.2 MEMS 加速度计传感器误差分析3.2.1 固定偏差、比例因子误差、交叉耦合误差的修正3.2.2 随机误差的修正3.3 本章小结4 肢体运动姿态检测系统数学模型的建立4.1 人体测量的基本知识4.2 常见的人体模型和人体上肢模型4.2.1 常见的人体模型4.2.2 人体上肢模型4.2.3 优化人体上肢模型4.2.4 刚体姿态描述方法介绍4.3 上肢运动姿态简化模型建立4.3.1 运动功能障碍患者上肢运动分析4.3.2 上肢运动姿态及位置计算模型4.3.3 上肢运动功能特征和姿态描述4.4 传感器的放置位置4.5 本章小结5 肢体运动姿态检测系统设计5.1 运动姿态检测系统硬件设计5.1.1 肢体运动姿态及位置检测方法5.1.2 设计运动体征数据采集系统硬件平台5.1.3 放大电路5.1.4 A/D 转换电路5.1.5 肢体运动MEMS 传感器数据获取结果5.2 系统软件设计5.2.1 软件流程5.2.2 串口通讯5.2.3 数据处理5.3 系统整合5.4 本章小结6 肢体运动姿态检测系统在人体上肢上的虚拟仿真6.1 MATLAB 简介6.2 基于SIMULINK 和VR 虚拟现实工具箱的仿真6.2.1 Simulink 及VR 工具箱Realm Builder2.0 的虚拟场景建立'>6.2.2 基于VRealm Builder2.0 的虚拟场景建立6.2.3 建立仿真模型6.2.4 仿真分析6.2.5 仿真结果的虚拟演示6.3 本章小结7 结论与展望7.1 结论7.2 展望致谢参考文献附录A 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录
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标签：加速度计论文; 磁强计论文; 人体模型论文; 运动姿态论文;
