1.一种六轴动作捕捉系统,其特征在于,包括动作捕捉单元、控制单元和移动端;动作捕捉单元用于采集运动数据,控制单元用于获取动作捕捉单元产生的运动数据,并通过无线网络传输至移动端;移动端对运动数据进行处理;
所述动作捕捉单元和控制单元之间通过硬件接口进行连接,控制单元和移动端之间通过无线网络连接;其中,所述动作捕捉单元为两个,分为第一动作捕捉单元和第二动作捕捉单元,两个动作捕捉单元并联后再与控制单元串联;
上述六轴动作捕捉系统的动作捕捉方法,包括以下步骤:S1,动作捕捉单元根据运动轨迹产生运动数据;
S2,移动端发送请求,控制单元获取动作捕捉单元产生的运动数据;
S3,控制单元获取动作捕捉单元的运动数据,并传输给移动端;
S4,移动端对运动数据进行可视化处理,实现3D渲染和动态同步;
上述步骤S4中过程具体如下:
一、构建Kd-Tree算法:
(1)首先按XX轴的分割线对空间进行分割;计算所有点的xx坐标的平均值,选择所有点中最接近平均值的点作为分割线,把空间中的点进行分割;
(2)对分隔好的空间按照yy轴的分割线进行分割,分割过程同上;分割好后继续按xx轴进行分割,依次类推,直到最终只剩每个空间中只有一个点结束分割;
二、搜索算法
(1)依照非叶节点中存储的分割维度以及中位数信息,自根节点始,从上向下搜索,直到到达叶子;遍历的原则是比较分割维度上,查询值与中位数的大小,设查询为Q,当前遍历到的节点为u,则若Q>u,继续遍历u的右子树,反之,遍历左子树;
(2)遍历到叶子之后,计算叶子节点中与查询Q距离最小的数据项与查询的距离,记为D;其后执行“回溯”操作,回溯至当前节点的父节点,判断以Q为球心,以D为半径的超球面是否与这个父节点的另一个分支所代表的区域有交集;如果没有,继续向上一层回溯;如果有,则按照步骤(1)步继续执行,探底到叶子节点后,如果此时Q与这个叶子节点中的数据项有更小的距离,则更新D;
(3)持续进行上述步骤(1)至步骤(2),直到回溯至根节点,且根节点的两个分支都被“探测”过为止;
三、根据Kd-Tree进行无序点云去噪:(1)根据点云数据生成Kd-Tree,建立点云的拓扑关系;
(2)查找任一点的邻域;
(3)计算该点与邻域内各点的距离取平均值;
(4)判断该平均值是否超过阈值,若超过则判定该点为噪点,进行去除;
还包括上位机;上位机用于测量正常人行走时大腿和小腿角度的曲线与畸形腿患者的大小腿角度曲线差异,且上位机和控制单元之间通过无线网络连接;
所述上位机内包括预处理单元和数据测算单元,预处理单元对控制单元获取的数据进行预处理,且预处理步骤为:S101,去除重复数据;
S102,当前值与上一个值的差值绝对值大于0.6则保存替换之前的值A,否则剔除;
S103,所有值除以最大值进行归一化;
数据测算单元的测算内容包括:大小腿角度正异常数据对比测算、双腿膝关节相对角度正异常数据对比测算、大小腿摆动正异常速度数据对比测算、膝关节受力正异常数据对比测算;
在膝关节受力正异常数据对比测算步骤前还包括准备工作,准备工作分为两步,分别为:S201,计算腿长比例
(身高-坐高)/身高
S202,根据体重和大小腿比例计算膝盖重量身高用Th表示,体重用Tw表示,坐高用Sh表示,腿长用Ll表示,则:大腿长度Bl=Th*0.34,大腿重量Bw=Tw*0.34;
小腿长度Sl=Th*0.21,小腿重量Sw=Tw*0.21;
膝盖长度Kl=Bl+Sl-Ll,膝盖重量Kw=Tw*Kl/Th。
2.根据权利要求1所述的六轴动作捕捉系统,其特征在于,数据测算单元的测算均采用线性回归方法,大小腿角度正异常数据对比测算步骤为:
Y1=A*[ay1]+b1 式(1)
Y2=A*[ay2]+b1 式(2)
双腿膝关节相对角度正异常数据对比测算步骤为:Y3=A*[az1]+b2 式(3)
Y4=A*[az2]+b2 式(4)
大小腿摆动正异常速度数据对比测算步骤为:Y5=A*[ay1]+b3 式(3)
Y6=A*[ay2]+b3 式(4)
膝关节受力正异常数据对比测算步骤为:
膝盖正常受力Kf1=Kw*ay1式(5)膝盖异常受力Kf2=Kw*ay2式(6)Y7=A*[ay1]+b4 式(7)
Y8=A*[ay2]+b4 式(8)
在式(1)-式(8)中,A是阈值,且A=0.6;
ax1、ay1和az1是正常值;ax2、ay2和az2是异常值;
b1、b2、b3和b4是固定参数,且b1=0.3、b2=0.4、b3=0.5和b4=0.75;
Kw为膝盖重量;Kf1为膝盖正常受力、Kf2为膝盖异常受力;
Y1是大小腿角度正常数据值;Y2是大小腿角度异常数据值;
Y3是双腿膝关节相对角度正常数据值;Y4是双腿膝关节相对角度异常数据值;
Y5是大小腿摆动正常数据值;Y6是大小腿摆动异常数据值;
Y7是膝关节受力正常数据值;Y8是膝关节受力异常数据值。
3.根据权利要求1或2所述的六轴动作捕捉系统,其特征在于,动作捕捉单元为姿态传感器,其中,第一动作捕捉单元的高电平连接第二动作捕捉单元的设备地址接口;
第一动作捕捉单元的低电平连接第二动作捕捉单元的串行数据接口;
第一动作捕捉单元的时钟接口连接第二动作捕捉单元的时钟接口;
第一动作捕捉单元的串行数据接口连接第二动作捕捉单元的低电平。
4.根据权利要求3所述的六轴动作捕捉系统,其特征在于,动作捕捉单元与控制单元的高电平、低电平和两个协议接口相连接。
5.根据权利要求1或2所述的六轴动作捕捉系统,其特征在于,在步骤S1中,动作捕捉单元通过陀螺仪和加速传感器获取运动轨迹生产角度信息和加速度信息。
6.根据权利要求1或2所述的六轴动作捕捉系统,其特征在于,在步骤S2中,控制单元采用多线程的方式动态分布式获取动作捕捉单元产生的运动数据。
7.根据权利要求1或2所述的六轴动作捕捉系统,其特征在于,在步骤S2和步骤S3中,移动端与控制单元通过无线网路进行传输。