基于动捕技术的人体肢体运动参数采集装置设计

左桂兰，程 越，肖国华，郑 旺

（1.浙江工商职业技术学院，浙江宁波 315012；2.浙江科技学院，浙江杭州 310023）

0 引言

人体运动参数的检测、检验及逆向运动是近年来人体工程学发展的一个重要方向。构成人体的关键机械承载机构主要由200 多个关节组成，这些关节组成的人体骨骼机械结构整体，能实现多种高难度和复杂程度的动作，且各动作之间具有非常完美的协调性［1-4］。因而，针对人类人体本身而展开的机器人设计、人工智能控制、人机工程仿生学以及仿真设计等方面的科学研究是未来智能机器人发展研究的重点。

从机械结构的角度来看，在人体的机械结构系统中，骨骼是该系统的支撑和运动杠杆，关节是运动能产生的枢纽，驱动力来自于肌肉的收缩和舒张，所以不论从整体结构还是局部关节运动而言，人体运动机构最基本的运动结构单元组成包括3个部分：骨骼为运动杆单元，关节为运动副，肌肉为驱动动力源［5-9］。人体结构的驱动力源于肌肉组织，从仿生学的角度来讲，有着功能与结构相对应的关系，长期进行运动锻炼，肌肉组织中的血管结构形态会发生较大的改变，随着运动量的加大，血管需要提供给肌肉更多的养分，供血量增加，有利于肌肉持续动力的供给，从而有利于人体的生命健康。

因而，科学了解人体运动结构的特点，是实施人体工程设计技术的关键所在，特别是在人体运动捕捉设计方面，精密的检测设备和仿生功能参数是关键［10-14］。

本文结合人体运动学特点，介绍了人体运动捕捉设计在现代服务产业中的应用，以及人体运动捕捉设计所使用的基本设备及装置，分析了设备及装置的优缺点，为后续的人体仿生运动学提供有益的技术基础。

1 人体动捕技术的应用

人体运动捕捉具有广泛的实际应用价值，可应用于工业、农业、交通、文教卫生和体育等许多行业，特别是在医学、体育科学研究、运动训练指导、现代影视动画和游戏制作等领域。目前，国内已经建设的运动捕捉平台有中国科学院计算机技术研究所、多家科研机构。中央电视台、国家体育总局、上海市第六人民医院以及全国各大城市动漫基地分别建设捕捉平台以满足实际应用需求。人体运动捕捉装置在工农业生产、文教、体育及交通行业等有着非常广泛的应用价值，最为突出的是在医学康复、体育科学研究、影视制作及动漫游戏等领域，对降低项目成本，缩短项目周期等起着无可替代的作用。当前，在此方面已有较多的科研机构开展研究工作，主要有中科院计算所、浙江大学、北京大学、中国传媒大学等单位，应用单位有中央电视台、国家体育总局、上海市第六人民医院以及全国各大城市动漫基地等单位。这些单位都分别建设有捕捉平台以满足实际应用需要。如图1所示，为某省级电视台室内捕捉设计平台，该平台能实现人物动画模拟，减少室外拍摄工作量，以及新闻短播后期制作等。

图1 电视台后期制作运动捕捉设计平台

2 动捕技术在影视领域的应用

近年来，随着3D 影视技术的兴起，对计算机3D仿真技术的要求越来越高，促成了这些技术的发展和完善。计算机3D 技术和仿真技术的完善，离不开人体捕捉设计技术的发展，其典型的应用为2012 年上映的电影《阿凡达》，如图2 所示，该片使用大量的人体捕捉技术，结合计算机3D 技术和计算机即时仿真，来实现剧情中很多通过常规拍摄技术难以实现的特技动作及人物造型，极大地改变了影视制作方式，降低了影视制作成本，缩短了影视制作周期，也极大地改变了影视制作的工作方式（见图3）。

3 动捕技术动漫制作

从目前市场情况来说，近两年国内动捕技术已经取得了重大发展，在过去可能很多方面都依赖于进口产品，现在国内也有很多成熟的动捕技术服务商。国内有几家公司虚拟动点，它们的Optitrack产品在国内动捕领域属于领先水平，而且是自己研发的，产品性价比非常高，很多国产、国际电影都有所运用，已经成为好莱坞电影发展的基石［15-17］。

4 动捕技术游戏应用

游戏方面尤其是一些体育类游戏在这方面的应用也非常广泛和接地气。在家庭娱乐方面，很多人都接触到了体感游戏。微软的Kinect 也为开发人员提供了完善的开发环境，可以很方便地进行体感游戏内容开发。行业中运用较多的动作捕捉是在Unity中结合OpenPose 的数据来开发。OpenPose 是一个能识别图像中人体动作骨骼的开源人工智能框架。其对大量的人体图像进行训练学习，对人体识别准确度很高，如图4所示。

5 动捕技术在医疗健康、体育中的应用

随着消费观念的升级，人们对于自身健康比较注重，对健身器材的需求也越来越多，健身器材已经不再是健身房、体育场馆的专属，越来越多的家庭也开始购置健身器材。这就使得健身器材这类通用性极高的健身产品获得了非常庞大的市场需求。在人体健康领域中，人体特性参数中，与产品设计和操纵机器有关的人体特性参数很多，归纳起来有如下4 类：（1）静态参数；（2）动态参数；（3）生理学参数；（4）生物力学参数。健康方面典型设备为如图5 所示的手环表，其可以集成血压、血氧指数、运动步数、呼吸状态、心率、即时通信等，实现功能较为全面的人体健康状态动捕功能。

图2 人体捕捉技术在电影制作中的应用

图3 人体捕捉技术在电影制作中的应用

图4 动捕在游戏中的实现过程

6 可穿戴式下肢关节运动姿态捕捉装备设计

图5 健康运动腕表

对于体育运动或者需要医疗康复的个人而言，肢体关节运动参数的捕捉需要设计特殊的姿态捕捉装置来进行肢体运动的数据采集，为了降低数据采集误差，利用CATIA 进行采集器机械骨架的设计；下肢随动机构主要考虑自由度的设置，根据人体运动特征，设置了6个自由度，每条下肢按髋部关节和膝部关节设置3 个自由度，髋关节位于人体后侧，可以做屈伸运动和伸展运动，保障人体运动时下肢的支撑作用；伸展运动时，2 个关节自由度轴线交汇于髋关节中心，屈伸运动时，则2 个关节轴线正交垂直。膝关节与人体关节一样为一个自由度，可做屈伸运动。为此，本装备的机械结构设计如图6所示。

图6 可穿戴式下肢关节运动姿态捕捉装备

机构成左右对称设置，以右边一半的结构为例，从腰部到脚跟处分为4 节，由Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ3 层关节连接。第Ⅰ层关节为右侧铰链上连接板4 和右侧铰链下连接板5之间的铰链连接；第Ⅱ层关节之间的连接为右侧腰部大腿连接板6和右侧大腿支撑板8之间通过销轴连接，且该关节设置有右侧髋关节角度传感器7；同样，右侧大腿支撑板8和右侧小腿约束带下13之间也通过销轴来连接，同样也设置了关节角度传感器7。件9、件10、件12、件14 为约束带，将机构件约束于下肢大腿和小腿上，如图7所示。

7 结语

文章分析并总结了人体动捕技术在行业中的运用，重点介绍了动捕技术在影视领域、动漫制作、游戏、医疗健康、体育等方面的应用。依据动捕技术的特点，设计了一种可穿戴式下肢关节运动姿态捕捉装备，用于下肢功能失能患者健康恢复，机构成左右对称设置，单边结构从腰部到脚跟处分为4 节，关节联结之处设置运动参数传感器，以传递患者运动功能参数，机构已在医疗实践中获得了较好的运用，具有较好的推广价值。

图7 穿戴式腿部数据采集器模型示意