基于動捕技術的人體肢體運動參數采集裝置設計

左桂蘭，程 越，肖國華，鄭 旺

（1.浙江工商職業技術學院，浙江寧波 315012；2.浙江科技學院，浙江杭州 310023）

0 引言

人體運動參數的檢測、檢驗及逆向運動是近年來人體工程學發展的一個重要方向。構成人體的關鍵機械承載機構主要由200 多個關節組成，這些關節組成的人體骨骼機械結構整體，能實現多種高難度和復雜程度的動作，且各動作之間具有非常完美的協調性［1-4］。因而，針對人類人體本身而展開的機器人設計、人工智能控制、人機工程仿生學以及仿真設計等方面的科學研究是未來智能機器人發展研究的重點。

從機械結構的角度來看，在人體的機械結構系統中，骨骼是該系統的支撐和運動杠桿，關節是運動能產生的樞紐，驅動力來自于肌肉的收縮和舒張，所以不論從整體結構還是局部關節運動而言，人體運動機構最基本的運動結構單元組成包括3個部分：骨骼為運動桿單元，關節為運動副，肌肉為驅動動力源［5-9］。人體結構的驅動力源于肌肉組織，從仿生學的角度來講，有著功能與結構相對應的關系，長期進行運動鍛煉，肌肉組織中的血管結構形態會發生較大的改變，隨著運動量的加大，血管需要提供給肌肉更多的養分，供血量增加，有利于肌肉持續動力的供給，從而有利于人體的生命健康。

因而，科學了解人體運動結構的特點，是實施人體工程設計技術的關鍵所在，特別是在人體運動捕捉設計方面，精密的檢測設備和仿生功能參數是關鍵［10-14］。

本文結合人體運動學特點，介紹了人體運動捕捉設計在現代服務產業中的應用，以及人體運動捕捉設計所使用的基本設備及裝置，分析了設備及裝置的優缺點，為后續的人體仿生運動學提供有益的技術基礎。

1 人體動捕技術的應用

人體運動捕捉具有廣泛的實際應用價值，可應用于工業、農業、交通、文教衛生和體育等許多行業，特別是在醫學、體育科學研究、運動訓練指導、現代影視動畫和游戲制作等領域。目前，國內已經建設的運動捕捉平臺有中國科學院計算機技術研究所、多家科研機構。中央電視臺、國家體育總局、上海市第六人民醫院以及全國各大城市動漫基地分別建設捕捉平臺以滿足實際應用需求。人體運動捕捉裝置在工農業生產、文教、體育及交通行業等有著非常廣泛的應用價值，最為突出的是在醫學康復、體育科學研究、影視制作及動漫游戲等領域，對降低項目成本，縮短項目周期等起著無可替代的作用。當前，在此方面已有較多的科研機構開展研究工作，主要有中科院計算所、浙江大學、北京大學、中國傳媒大學等單位，應用單位有中央電視臺、國家體育總局、上海市第六人民醫院以及全國各大城市動漫基地等單位。這些單位都分別建設有捕捉平臺以滿足實際應用需要。如圖1所示，為某省級電視臺室內捕捉設計平臺，該平臺能實現人物動畫模擬，減少室外拍攝工作量，以及新聞短播后期制作等。

圖1 電視臺后期制作運動捕捉設計平臺

2 動捕技術在影視領域的應用

近年來，隨著3D 影視技術的興起，對計算機3D仿真技術的要求越來越高，促成了這些技術的發展和完善。計算機3D 技術和仿真技術的完善，離不開人體捕捉設計技術的發展，其典型的應用為2012 年上映的電影《阿凡達》，如圖2 所示，該片使用大量的人體捕捉技術，結合計算機3D 技術和計算機即時仿真，來實現劇情中很多通過常規拍攝技術難以實現的特技動作及人物造型，極大地改變了影視制作方式，降低了影視制作成本，縮短了影視制作周期，也極大地改變了影視制作的工作方式（見圖3）。

3 動捕技術動漫制作

從目前市場情況來說，近兩年國內動捕技術已經取得了重大發展，在過去可能很多方面都依賴于進口產品，現在國內也有很多成熟的動捕技術服務商。國內有幾家公司虛擬動點，它們的Optitrack產品在國內動捕領域屬于領先水平，而且是自己研發的，產品性價比非常高，很多國產、國際電影都有所運用，已經成為好萊塢電影發展的基石［15-17］。

4 動捕技術游戲應用

游戲方面尤其是一些體育類游戲在這方面的應用也非常廣泛和接地氣。在家庭娛樂方面，很多人都接觸到了體感游戲。微軟的Kinect 也為開發人員提供了完善的開發環境，可以很方便地進行體感游戲內容開發。行業中運用較多的動作捕捉是在Unity中結合OpenPose 的數據來開發。OpenPose 是一個能識別圖像中人體動作骨骼的開源人工智能框架。其對大量的人體圖像進行訓練學習，對人體識別準確度很高，如圖4所示。

5 動捕技術在醫療健康、體育中的應用

隨著消費觀念的升級，人們對于自身健康比較注重，對健身器材的需求也越來越多，健身器材已經不再是健身房、體育場館的專屬，越來越多的家庭也開始購置健身器材。這就使得健身器材這類通用性極高的健身產品獲得了非常龐大的市場需求。在人體健康領域中，人體特性參數中，與產品設計和操縱機器有關的人體特性參數很多，歸納起來有如下4 類：（1）靜態參數；（2）動態參數；（3）生理學參數；（4）生物力學參數。健康方面典型設備為如圖5 所示的手環表，其可以集成血壓、血氧指數、運動步數、呼吸狀態、心率、即時通信等，實現功能較為全面的人體健康狀態動捕功能。

圖2 人體捕捉技術在電影制作中的應用

圖3 人體捕捉技術在電影制作中的應用

圖4 動捕在游戲中的實現過程

6 可穿戴式下肢關節運動姿態捕捉裝備設計

圖5 健康運動腕表

對于體育運動或者需要醫療康復的個人而言，肢體關節運動參數的捕捉需要設計特殊的姿態捕捉裝置來進行肢體運動的數據采集，為了降低數據采集誤差，利用CATIA 進行采集器機械骨架的設計；下肢隨動機構主要考慮自由度的設置，根據人體運動特征，設置了6個自由度，每條下肢按髖部關節和膝部關節設置3 個自由度，髖關節位于人體后側，可以做屈伸運動和伸展運動，保障人體運動時下肢的支撐作用；伸展運動時，2 個關節自由度軸線交匯于髖關節中心，屈伸運動時，則2 個關節軸線正交垂直。膝關節與人體關節一樣為一個自由度，可做屈伸運動。為此，本裝備的機械結構設計如圖6所示。

圖6 可穿戴式下肢關節運動姿態捕捉裝備

機構成左右對稱設置，以右邊一半的結構為例，從腰部到腳跟處分為4 節，由Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ3 層關節連接。第Ⅰ層關節為右側鉸鏈上連接板4 和右側鉸鏈下連接板5之間的鉸鏈連接；第Ⅱ層關節之間的連接為右側腰部大腿連接板6和右側大腿支撐板8之間通過銷軸連接，且該關節設置有右側髖關節角度傳感器7；同樣，右側大腿支撐板8和右側小腿約束帶下13之間也通過銷軸來連接，同樣也設置了關節角度傳感器7。件9、件10、件12、件14 為約束帶，將機構件約束于下肢大腿和小腿上，如圖7所示。

7 結語

文章分析并總結了人體動捕技術在行業中的運用，重點介紹了動捕技術在影視領域、動漫制作、游戲、醫療健康、體育等方面的應用。依據動捕技術的特點，設計了一種可穿戴式下肢關節運動姿態捕捉裝備，用于下肢功能失能患者健康恢復，機構成左右對稱設置，單邊結構從腰部到腳跟處分為4 節，關節聯結之處設置運動參數傳感器，以傳遞患者運動功能參數，機構已在醫療實踐中獲得了較好的運用，具有較好的推廣價值。

圖7 穿戴式腿部數據采集器模型示意