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轻松穿戴  IMU嵌入宽松衣服里做动作捕捉

在日常生活中,保持正确姿势能够有效促进血液循环并降低慢性疾病的患病风险。在康复环境中,姿势监测可以帮助医护人员评估病情和治疗手段的效果,从而改善患者的身体状况。在以往的研究中,往往要求IMU牢固固定在穿戴者的特定身体部位,对穿戴要求较高,操作不便,当需要穿戴多个传感器时,这将会是个特别繁琐费劲的工作。

来自英国的Udeni Jayasinghe科研团队设计了一个由12个IMU(惯性测量单元)组成的嵌入式传感系统,经过处理后,IMU既不会向外暴露,也不会与皮肤接触,这可以让穿戴者穿着更舒适,也更容易穿脱,更加适合日常使用。

图1  (a)传感器系统组成部分  (b)传感器放置在衣服上  (c)传感器放置在长裤上

该系统由12个安装在服装里的IMU组成,使用差分串行总线,形成一个“传感器串”,并连接到树莓派(Raspberry pi)进行存储数据。如图C所示,树莓派和电池组被放在每个参与者腰部的一个袋子里。

五名参与者(3男2女)参加了这项研究,参与者在4天内穿着IMU服装,每天需要进行以下六个预先确定的活动并进行录像:①站立不动;②坐在椅子上;③仰卧位;④坐在地板上,腿分开伸直;⑤来回走动;⑥上下楼梯。然后,他们继续进行一天中的其他活动,并写活动日记进行记录。

为分析参与者的姿态,活动被分为两类:静态姿势(①②③④)和动态运动(⑤⑥)。实验设置了分类器对动态和静态活动进行识别分类,使用ELAN软件将活动视频与传感器数据进行同步后,由Udeni Jayasinghe人工手动对活动的开始点和结束点进行识别与注释,然后提取这些数据段进行分析。

在本次实验中,没有像往常那样用定义阈值来区分静态活动与动态活动,而是采用了三个不同的特征(“大腿”数据垂直轴的移动标准偏差、“大腿”和“腰部”数据幅度的移动标准偏差)和五种不同的窗口大小(0.5s、1s、1.5s、2s、3s)来比较分类器区分两类活动的准确性。

图2  0.5s窗口(左)与3s窗口(右)的分类输出

对混淆矩阵进行研究后发现,当窗口值为1.5s、2s和3s时,在给定的训练数据集中,其姿态识别的准确率达到了100%,因此可以得出实验结论:安装在宽松衣服上的IMU传感器可以成功地用于姿态分类。

但当以活动日记作为参考数据,使用分类器对参与者一天中的其他活动进行识别时,其精准度出现了明显的下降。但总体而言,本次实验证明了在宽松衣服中嵌入IMU传感器进行姿态捕捉的可行性。相比起大体积的穿戴式设备,嵌入式方案明显更适合长时间的日常监测和姿态识别。相信在未来,随着科技的进步与算法的改进,嵌入式传感系统的识别精准度会进一步提升,能够更好地用于姿态识别分类。