申请/专利权人：东华大学

申请日：2018-11-22

公开（公告）日：2021-02-05

公开（公告）号：CN109579758B

主分类号：G01B21/04(20060101)

分类号：G01B21/04(20060101)

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2021.02.05#授权;2019.04.30#实质审查的生效;2019.04.05#公开

摘要：本发明涉及一种女性胸部运动状态三维位移测量系统，包括运动文胸本体，所述运动文胸本体上设置有三轴加速度计传感器和数据存储传输控制单元，所述数据存储传输控制单元通过柔性线缆与三轴加速度计传感器相连；该系统通过测量分布在身体一个基点三维加速度和分布在胸部的多点三维加速度数据，建立以基点为原点的坐标系，通过三维加速度数据反演推算个点相对位移，构建胸部整体三维位移图。本发明能够在真实的运动状态下记录人体的胸部任意位置的三维加速度数据。

主权项：1.一种女性胸部运动状态三维位移测量系统，包括基点和运动文胸本体，所述运动文胸本体上设置有五个三轴加速度计传感器和数据存储传输控制单元，所述数据存储传输控制单元通过柔性线缆与三轴加速度计传感器相连，其特征在于，所述五个三轴加速度计传感器分别位于乳房BP点、乳房上中点、乳房外中点、乳房下中点和乳房内中点；所述基点位于胸骨上点，于人体两锁骨中间凹处下边缘，所述基点上设置有一个三轴加速度计传感器，以所述基点为原点建立以前进后退左移右移向上向下的三维人体测量坐标系，通过另外五个三轴加速度计传感器检测到的数据反演推算各个点的相对位移，构建胸部整体三维位移图，其中，三维人体测量坐标系与三轴加速度计传感器测量坐标系的角度旋转变化为：其中，m为传感器编号，n为时间点编号，为人体前后加速度，为人体左右加速度，为人体上下加速度，为三轴加速度计传感器测量坐标系，a11-a33为矩阵转换系数；人体测量坐标系相对加速度计算方式为：其中，为人体X轴前后方向第m个传感器的第n个和第n-1个时间点加速度差值，为人体Y轴左右方向第m个传感器的第n个和第n-1个时间点加速度差值，为人体Z轴上下方向第m个传感器的第n个和第n-1个时间点加速度差值；人体测量坐标系相对速度计算方式为：其中，为人体坐标系下X轴前后方向第m个传感器的第n个时间点测量速度值，为人体坐标系下Y轴左右方向第m个传感器的第n个时间点测量速度值，为人体坐标系下Z轴上下方向第m个传感器的第n个时间点测量速度值；人体测量坐标系相对位移计算方式为：其中，为人体坐标系下X轴前后方向的位移值，为人体坐标系下Y轴左右方向的位移值，为人体坐标系下Z轴上下方向的位移值，Δt为采样时间间隔，所述数据存储传输控制单元采用低功耗M4或M5内核ARM芯片，并预留和数据存储传输控制单元的数据接口，结合蓝牙4.0或2.4G无线协议和上位机通讯，通过缝制工艺或绑带固定在运动文胸本体的下围侧面。

全文数据：一种女性胸部运动状态三维位移测量系统技术领域本发明涉及运动内衣舒适性评测技术领域，特别是涉及一种女性胸部运动状态三维位移测量系统。背景技术对女性来说，运动有助于身心健康，减少特定癌症的发病率，特别是可以预防乳腺癌的发生。据数据统计，热爱运动的女性患乳腺癌风险相对缺乏运动的女性降低20％-30％。然而有关调查发现56％的女性在运动中有乳房的不适感，包括运动时乳房的摇晃引起的尴尬和不舒适，甚至由于激烈运动而产生的拉扯乳房韧带而产生的疼痛感，这些问题成为女性参加体育运动的障碍之一。女性在运动中由于天然的特点，需要特殊的文胸来支持运动和提高过程的舒适度，在国内外研发机构和大型品牌公司中，运动文胸一直是研究的热点。在运动文胸的发展过程中，舒适透气排汗已不能满足消费者的运动需求和情感体验，在运动过程中，越来越多的人希望能关注自己的胸部运动参数和生理状态，而文胸企业也希望有更加科学的数据反映文胸舒适性并根据实验数据改进和完善运动内衣结构设计。发明内容本发明所要解决的技术问题是提供一种女性胸部运动状态三维位移测量系统，能够在真实的运动状态下记录人体的胸部任意位置的三维加速度数据。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种女性胸部运动状态三维位移测量系统，包括运动文胸本体，所述运动文胸本体上设置有三轴加速度计传感器和数据存储传输控制单元，所述数据存储传输控制单元通过柔性线缆与三轴加速度计传感器相连，所述三轴加速度计传感器中有一个作为基点，并以所述基点建立坐标，通过其他三轴加速度计传感器检测到的数据反演推算各个点的相对位移，构建胸部整体三维位移图。所述数据存储传输控制单元采用低功耗M4或M5内核ARM芯片，并预留和数据存储传输控制单元的数据接口，结合蓝牙4.0或2.4G无线协议和上位机通讯，通过缝制工艺或绑带固定在运动文胸本体的下围侧面。所述三轴加速度计传感器用于检测人体运动状态，在不运动时，所述数据存储传输控制单元保持在待机低功耗模式，在运动时，所述数据存储传输控制单元进入工作状态，三轴加速度计传感器将检测到的人体胸部各测量点的三维运动加速度传输到所述数据存储传输控制单元，所述数据存储传输控制单元对检测到的数据进行存储并转发给远程终端。所述数据存储传输控制单元依据统一的时间轴打包整合数据包，并暂存在内部FIFO内，当采集数据包数量到达设定阈值时，将多个数据包发送到远程终端。所述三轴加速度计传感器共有六个，分别位于胸骨上点、乳房BP点、乳房上中点、乳房外中点、乳房下中点和乳房内中点，选取胸骨上点作为测量基点建立以前进后退左移右移向上向下的三维人体测量坐标系，三维人体测量坐标系与三轴加速度计传感器测量坐标系的角度旋转变化为：其中，ApXmn为人体前后加速度、为人体左右加速度、为人体上下加速度、为三轴加速度计传感器测量坐标系，a11-a33为矩阵转换系数。人体坐标系相对加速度计算方式为：人体坐标系相对速度计算方式为：人体坐标系相对位移计算方式为：其中，Δt为采样时间间隔。有益效果由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明解决了只能依靠光电三维捕捉实验来进行胸部三维动态数据的传统采集方法的弊端，避免了实验的局险性场地、跑步状态、数据必须通过拍摄来采集等限制，能够在真实的运动状态下记录人体的胸部三维加速度数据，反演推算胸部三维位移状态，为后续数据分析及运动文胸设计奠定良好的数据基础，为运动文胸舒适性评测提供科学的理论依据和真实数据来源。本发明从实践应用角度来看，通过胸部运动评测技术可以判定消费者在穿着运动文胸在过程中的舒适性程度，在参考数据的基础上优化产品的运动功能性和舒适性，对后期运动文胸改进起到借鉴和推动作用；消费者通过运动评测系统可以对运动过程中胸部稳定性和舒适性有更加直观的认识，对选择合适的运动文胸起到指导的作用。本发明能极大丰富可获取的运动中女性胸部的动态信息，为更深层次的研究运动文胸穿着舒适性提供坚实的数据基础，可广泛的应用在运动文胸研究和生产领域。附图说明图1是本发明的结构示意图；图2是本发明中测量点人体分布位置示意图；图3是本发明中芯片坐标系图；图4是本发明中人体测量坐标系转换图。具体实施方式下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。本发明的实施方式涉及一种女性胸部运动状态三维位移测量系统，如图1所示，包括运动文胸本体，所述运动文胸本体上设置有三轴加速度计传感器和数据存储传输控制单元，所述数据存储传输控制单元通过柔性线缆与三轴加速度计传感器相连。本实施方式中三轴加速度计传感器采用MEMS工艺的数字化三轴加速度芯片，通过粘贴方式固定在运动文胸本体上。数据存储传输控制单元采用低功耗M4或M5内核ARM芯片，结合蓝牙或无线2.4GHz芯片作为无线通信手段，通过缝制工艺或绑带固定在运动文胸本体的下围侧面位于图1中穿着者人体胸部左下侧位置。如图2所示，三轴加速度计传感器共有六个，分别位于胸骨上点两锁骨中间凹处下边缘，测量基点1、左乳房BP点左侧乳房最凸出的点，基本测量点2、左乳房上中点左BP点至乳房根围线上点的体表12处，基本测量点3、左乳房外中点左BP点至乳房根围线外点的体表12处，基本测量点4、左乳房下中点左BP点至乳房根围线下点的体表12处，基本测量点5和左乳房内中点左BP点至乳房根围线内点的体表12处，基本测量点6。所述三轴加速度计传感器通过检测人体胸部各测量点的三维运动加速度，实现对人体运动状态的检测，并通过I2C或SPI总线传输加速度数据到数据存储传输控制单元。在不运动时，所述数据存储传输控制单元保持在待机低功耗模式，在运动时，所述数据存储传输控制单元进入工作状态，三轴加速度计传感器将检测到的人体胸部各测量点的三维运动加速度传输到所述数据存储传输控制单元，所述数据存储传输控制单元依据统一的时间轴打包整合数据包，暂存在数据存储传输控制单元的内部FIFO内。当采集数据包数量到达设定阈值时，发送多个数据包到智能终端，智能终端就可以应用这些数据拓展各种应用。在使用时，穿上运动文胸，连接并固定各传感器模块及相应线缆。将数据存储传输控制单元7安装上电池，连接并固定在弹力下围，通过柔性线缆8连接传感器1-6和数据存储传输控制单元7，然后按钮开机。开机后，若人体保持静止或未运动状态，数据存储传输控制单元7工作在低功耗休眠状态。当人体开始运动后，数据存储传输控制单元7检测到三轴加速度计传感器1的运动矢量变化，开始进入正常工作状态。在进入工作状态后，三轴加速度计传感器单通道以最大3.2KHz的输出采样频率采集三维加速度值，发送数据到数据存储传输控制单元7，数据存储传输控制单元7整合所有同一个时间段的三维加速度数据为一个原始数据段，转存于数据存储传输控制单元7的Flash存储器内，Flash存满后循环覆盖存储。在数据存储控制单元进行数据初步滤波整形压缩处理，通过蓝牙或无线方式发送数据包到智能终端，智能终端依据三维加速度数据，反演推算各测量点位移和定性压力描述，以友好的人机界面显示结果以供查询及预警。运动中，胸部的变形主要变现为和人体的相对位移，因此选取了人体的测量基点1，建立以前进后退左移右移向上向下的三维人体测量坐标系。而三轴加速度计芯片的数字坐标系建立在芯片封装基础上，见图3。测量获取的芯片输出数据首先在穿戴好了，静止状态下采集的初始点数据，计算芯片坐标系和人体测量坐标系的转换，见图4。具体计算如公式如下：假设采集了n个时间点，m个传感器其中第一个为基点传感器，为标准重力加速度值9.78，则各数据表示如下：采集时间：t1,t2,...,tn-1,tn；系统设计每个采集时间间隔相同为：Δt；芯片输出三轴加速度值为：其中t1时刻采集的基点数据为：芯片-人体坐标系转换角度测量，每个芯片的坐标系和人体坐标系存在三维角度的旋转变化，由欧拉角φ,ψ,θ定义的刚性旋转定义转换：其中，上式建立的三维坐标系旋转转换矩阵，是由单个三维加速度计芯片的测量三维坐标系，转换为人体运动前后-左右-上下坐标系。其中，为人体前后加速度、为人体左右加速度、为人体上下加速度、为三轴加速度计传感器测量坐标系，见图3。a11-a33为矩阵转换系数，其由两个矩阵的旋转角度计算出来，具体计算方法如下：欧拉角φ,ψ,θ定义的刚性旋转变换矩阵系数计算：a11＝cosφ×cosψ-sinφ×cosθ×sinψa12＝cosφ×sinψ-sinφ×cosθ×cosψa13＝sinφ×sinθa21＝-sinφcosψ-cosφ×cosθ×sinψa22＝-sinφsinψ+cosφ×cosθ×cosψa23＝cosφ×sinθa31＝sinθ×sinψa32＝-sinθ×cosψa33＝cosθ人体坐标系相对加速度计算如下：上式中的人体相对加速度计算是相邻两个采样得到的加速度的矢量差值。人体坐标系相对速度计算如下：上式中依据加速度计算速度的公式，配合系统的采样时间Δt计算，其中采样时间和系统的采样频率成反比，是固定值。人体坐标系相对位移计算如下：上式中由相对速度配合时间计算为相对位移。根据上述计算方法可以得到胸部在运动时候，各测试点的相对位移状况。而对获取的位移数据，进一步可以得到定性的压力数据。在人体静止状态下，运动文胸包裹胸部，每个加速度测量点的位移为零。但人体开始运动时，不同运动结合人体胸部特性，会使胸部产生不同的形变。形变的大小反应在每个测试点的位移，而位移是由于受力的作用产生，所以位移越大，受力也越大。不难发现，本发明通过测量分布在身体一个基点三维加速度和分布在胸部的多点三维加速度数据，建立以基点为原点的坐标系，通过三维加速度数据反演推算个点相对位移，构建胸部整体三维位移图，其能定性反映受到压力的大小，为运动文胸设计和科学运动研究，提供坚实的数据基础和科学依据。

权利要求：1.一种女性胸部运动状态三维位移测量系统，包括运动文胸本体，所述运动文胸本体上设置有三轴加速度计传感器和数据存储传输控制单元，所述数据存储传输控制单元通过柔性线缆与三轴加速度计传感器相连，其特征在于，所述三轴加速度计传感器中有一个作为基点，并以所述基点建立坐标，通过其他三轴加速度计传感器检测到的数据反演推算各个点的相对位移，构建胸部整体三维位移图。2.根据权利要求1所述的女性胸部运动状态三维位移测量系统，其特征在于，所述数据存储传输控制单元采用低功耗M4或M5内核ARM芯片，并预留和数据存储传输控制单元的数据接口，结合蓝牙4.0或2.4G无线协议和上位机通讯，通过缝制工艺或绑带固定在运动文胸本体的下围侧面。3.根据权利要求1所述的女性胸部运动状态三维位移测量系统，其特征在于，所述三轴加速度计传感器用于检测人体运动状态，在不运动时，所述数据存储传输控制单元保持在待机低功耗模式，在运动时，所述数据存储传输控制单元进入工作状态，三轴加速度计传感器将检测到的人体胸部各测量点的三维运动加速度传输到所述数据存储传输控制单元，所述数据存储传输控制单元对检测到的数据进行存储并转发给远程终端。4.根据权利要求1所述的女性胸部运动状态三维位移测量系统，其特征在于，所述数据存储传输控制单元依据统一的时间轴打包整合数据包，并暂存在内部FIFO内，当采集数据包数量到达设定阈值时，将多个数据包发送到远程终端。5.根据权利要求1所述的女性胸部运动状态三维位移测量系统，其特征在于，所述三轴加速度计传感器共有六个，分别位于胸骨上点、乳房BP点、乳房上中点、乳房外中点、乳房下中点和乳房内中点，选取胸骨上点作为测量基点建立以前进后退左移右移向上向下的三维人体测量坐标系，三维人体测量坐标系与三轴加速度计传感器测量坐标系的角度旋转变化为：其中，为人体前后加速度、为人体左右加速度、为人体上下加速度、为三轴加速度计传感器测量坐标系，a11-a33为矩阵转换系数。6.根据权利要求5所述的女性胸部运动状态三维位移测量系统，其特征在于，人体坐标系相对加速度计算方式为：人体坐标系相对速度计算方式为：人体坐标系相对位移计算方式为：其中，Δt为采样时间间隔。

百度查询： 东华大学 一种女性胸部运动状态三维位移测量系统

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