技術(shù)特征：

1.一種面向醫(yī)療機(jī)器人的肢體語(yǔ)言檢測(cè)與跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括如下步驟：

(1)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)；

整體系統(tǒng)分為兩個(gè)大的功能模塊，分別是下位機(jī)模塊和上位機(jī)模塊；

下位機(jī)模塊由主控芯片、姿態(tài)傳感器和通信元件組成；在上電以后，主控芯片對(duì)各個(gè)部件進(jìn)行初始化，之后以固定的頻率從姿態(tài)傳感器中讀取數(shù)據(jù)，在經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的平滑之后，通過(guò)通信模塊，以既定的通信協(xié)議，向上位機(jī)進(jìn)行發(fā)送；

上位機(jī)模塊由通信模塊，姿態(tài)解算模塊，曲線顯示模塊，3D模型創(chuàng)建模塊，骨骼創(chuàng)建模塊，骨骼變換模塊，3D顯示及更新模塊組成；啟動(dòng)時(shí)使用3D模型創(chuàng)建模塊對(duì)3D模型的頂點(diǎn)、貼圖、內(nèi)骨骼擬合信息進(jìn)行初始化，導(dǎo)入要用的渲染器，并創(chuàng)建好繪圖的環(huán)境；之后通過(guò)通信模塊與下位機(jī)進(jìn)行通信，每當(dāng)接收到下位機(jī)傳來(lái)的姿態(tài)信息之后，將其通過(guò)既定接口送給姿態(tài)解算模塊；姿態(tài)解算模塊通過(guò)相關(guān)原理，將下位機(jī)傳來(lái)的原始數(shù)據(jù)解算成所需的姿態(tài)信息，并進(jìn)一步將數(shù)據(jù)傳給曲線顯示模塊和骨骼變換模塊；曲線顯示模塊將數(shù)據(jù)用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的形式顯示出來(lái)；骨骼變換模塊根據(jù)姿態(tài)信息，深度優(yōu)先遍歷骨骼樹(shù)，對(duì)骨骼所要做的姿態(tài)變換進(jìn)行計(jì)算，之后將骨骼位姿信息傳給3D更新模塊；3D更新模塊根據(jù)收到的骨骼位姿信息，最終將結(jié)果以3D模型的形式顯示在電腦的屏幕上；

(2)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的下位機(jī)模塊；對(duì)姿態(tài)傳感器、主控芯片、通信器件進(jìn)行選型，并分別進(jìn)行下位機(jī)硬件設(shè)計(jì)和下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)；

姿態(tài)傳感器采用六軸跟蹤傳感器MPU-6050，主控芯片采用STM32F103C8T6單片機(jī)，通信模塊使用無(wú)線串口進(jìn)行通信；

其中MPU-6050固定在醫(yī)生的腳上，采集姿態(tài)信息，單片機(jī)STM32F103C8T6負(fù)責(zé)MPU-6050的初始化工作，并從MPU-6050中讀取數(shù)據(jù)，通過(guò)無(wú)線串口發(fā)送給上位機(jī)；使用STM32F103C8T6的SWD接口下載器的VCC和GND接口完成供電，MPU-6050和無(wú)線串口連接在STM32F103C8T6上，引入TPS76833供電；

系統(tǒng)下位機(jī)的軟件設(shè)計(jì)包括STM32F103C8T6與MPU-6050的初始化，MPU-6050的數(shù)據(jù)的讀取，通過(guò)無(wú)線串口將數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)；

STM32F103C8T6的初始化主要完成四個(gè)步驟：

(2.1)初始化系統(tǒng)的SysTick定時(shí)器，使之啟動(dòng)之后將每1m秒觸發(fā)一次中斷；

(2.2)串口的初始化：?jiǎn)?dòng)GIPOA和USART1的設(shè)備時(shí)鐘，將GPIOA9和GPIOA10設(shè)為復(fù)用推挽輸出模式、浮空輸入模式；配置USART1將其波特率設(shè)為9600，數(shù)據(jù)位為8位，1位停止位，無(wú)奇偶校驗(yàn)，無(wú)硬件控制，使用數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)發(fā)送；

(2.3)將C標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中的printf()的輸出重定向到USART1；

(2.4)I2C通信的初始化：?jiǎn)?dòng)GPIOB和I2C1的時(shí)鐘，GPIOB6和GPIOB7設(shè)為復(fù)用漏輸出模式I2C1的工作模式設(shè)為I2C，低電平數(shù)據(jù)變化時(shí)SCL線的Duty為0.33，開(kāi)啟消息應(yīng)答，7位地址，設(shè)置自身地址為0xB；

MPU-6050的初始化是對(duì)內(nèi)部的寄存器進(jìn)行設(shè)置，其中寄存器PWR_MGMT_1設(shè)置為0x00，寄存器SAMPLE RATE DIVIDER設(shè)為0x07，寄存器CONFIG為0x06，寄存器ACCELEROMETER CONFIGURATION設(shè)為0x01，寄存器GYROSCOPE CONFIGURATION設(shè)為0x18；讀取MPU-6050的WHO_AM_I寄存器，如果其值為0x68則正常啟動(dòng)，否則重新初始化；在正確配置MPU-6050并檢查無(wú)誤后，開(kāi)始讀取MPU-6050的數(shù)據(jù)；

讀取MPU-6050的數(shù)據(jù)采用輪詢的辦法，每100ms讀取一次加速度計(jì)和角速度計(jì)的數(shù)據(jù)，其中MPU-6050測(cè)量得到加速度數(shù)據(jù)和角速度數(shù)據(jù)各占用了六個(gè)連續(xù)的寄存器，溫度傳感器的測(cè)量值占用了兩個(gè)寄存器；

通過(guò)無(wú)線串口將下位機(jī)數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)是通過(guò)制定相關(guān)的通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)的；

包括加速度的傳輸：第一個(gè)字節(jié)為0x55表示數(shù)據(jù)包的開(kāi)頭；第二個(gè)字節(jié)為0x51，表示這個(gè)數(shù)據(jù)包中存放的是加速度數(shù)據(jù)；第三個(gè)字節(jié)為AxL，表示加速度計(jì)X軸數(shù)據(jù)的低8位；第四個(gè)字節(jié)為AxH，表示速度計(jì)X軸數(shù)據(jù)的高8位；第五個(gè)字節(jié)為AyL，表示加速度計(jì)Y軸數(shù)據(jù)的低8位；第六個(gè)字節(jié)為AyH，表示加速度計(jì)Y軸數(shù)據(jù)的高8位；第七個(gè)字節(jié)為AzL，表示加速度計(jì)Z軸數(shù)據(jù)的低8位；第八個(gè)字節(jié)為AzH，表示加速度計(jì)Z軸數(shù)據(jù)的高8位；第九位為TL，為溫度信息的低8位；第十位為TH，為溫度信息的高8位；第十一位為，校驗(yàn)位，其值為前面所有字節(jié)之和對(duì)0x100的余數(shù)；角速度的傳輸：第一個(gè)字節(jié)為0x55表示數(shù)據(jù)包的開(kāi)頭；第二個(gè)字節(jié)為0x52，表示這個(gè)數(shù)據(jù)包中存放的是角速度數(shù)據(jù)；第三個(gè)字節(jié)為WxL，表示角速度計(jì)X軸數(shù)據(jù)的低8位；第四個(gè)字節(jié)為WxH，表示速度計(jì)X軸數(shù)據(jù)的高8位；第五個(gè)字節(jié)為WyL，表示角速度計(jì)Y軸數(shù)據(jù)的低8位；第六個(gè)字節(jié)為WyH，表示角速度計(jì)Y軸數(shù)據(jù)的高8位；第七個(gè)字節(jié)為WzL，表示角速度計(jì)Z軸數(shù)據(jù)的低8位；第八個(gè)字節(jié)為WzH，表示角速度計(jì)Z軸數(shù)據(jù)的高8位；第九位為TL，為溫度信息的低8位；第十位為TH，為溫度信息的高8位；第十一位為，校驗(yàn)位，其值為前面所有字節(jié)之和對(duì)0x100的余數(shù)；

(3)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的上位機(jī)模塊：接收下位機(jī)發(fā)送來(lái)的信息、對(duì)接收到的信息進(jìn)行姿態(tài)解算、顯示曲線、3D繪圖；

串口通信模塊借助于Qt5的SerialPort庫(kù)來(lái)完成，負(fù)責(zé)與下位機(jī)通信，通過(guò)監(jiān)聽(tīng)串口發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)，按照既定通信協(xié)議對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，將數(shù)據(jù)發(fā)送給姿態(tài)解算模塊進(jìn)行姿態(tài)解算；串口模塊由兩部分組成：第一部分SerialDialog類，負(fù)責(zé)UI中對(duì)串口的設(shè)置和人機(jī)交互，界面如圖6所示；第二部分是SerialThread類，負(fù)責(zé)在另外一個(gè)線程中實(shí)時(shí)監(jiān)聽(tīng)串口，并根據(jù)通信協(xié)議對(duì)其進(jìn)行解析；串口數(shù)據(jù)解析采用的方法是建立一個(gè)類似數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的隊(duì)列的緩沖區(qū)，每次接收到數(shù)據(jù)就將其添加到緩沖區(qū)的尾部，之后從緩沖區(qū)的頭部開(kāi)始尋找通信協(xié)議的開(kāi)頭，找到開(kāi)頭之后，判斷從此處到緩沖區(qū)的結(jié)尾的長(zhǎng)度是否大于等于通信協(xié)議的長(zhǎng)度，如果滿足這個(gè)條件，就從緩沖區(qū)中從協(xié)議開(kāi)頭開(kāi)始，取出通信協(xié)議規(guī)定長(zhǎng)度的字節(jié)數(shù)組，并把緩沖區(qū)開(kāi)頭到取出數(shù)組結(jié)尾位置的數(shù)據(jù)刪除，之后重復(fù)這個(gè)動(dòng)作，直到緩沖區(qū)中沒(méi)有通信協(xié)義開(kāi)頭，或其后的長(zhǎng)度小于協(xié)議的長(zhǎng)度，跳出，等待下一次接收到數(shù)據(jù)；

姿態(tài)解算模塊是上位機(jī)程序中的靈魂，將從串口模塊獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行姿態(tài)解算，并繼續(xù)將數(shù)據(jù)傳遞給曲線顯示模塊和3D顯示模塊；姿態(tài)解算是根據(jù)三軸加速度、三軸角速度到四元數(shù)的理論計(jì)算完成的，用四元數(shù)表示姿態(tài)矩陣：

$C_b^R=\left[\begin{array}{ccc}{q}_0^2+q_1^2-q_2^2-q_3^2& 2(q_1{q}_2-q_0{q}_3)& 2(q_1{q}_3+q_0{q}_2)\\ 2(q_1{q}_2+q_0{q}_3)& q_0^2-q_1^2+q_2^2-q_3^2& 2(q_2{q}_3-q_0{q}_1)\\ 2(q_1{q}_3-q_0{q}_2)& 2(q_2{q}_3+q_0{q}_1)& q_0^2-q_1^2-q_2^2+q_3^2\end{array}\right]$

求解姿態(tài)即求解姿態(tài)矩陣，等價(jià)為四元數(shù)的更新，而四元數(shù)的更新可通過(guò)三軸角速度實(shí)現(xiàn)，具體步驟為：

(3.1)獲取三軸角速度，并用gx、gy、gz分別代表角速度的三軸，采用積分的方法獲得姿態(tài)，根據(jù)此前的四元數(shù)對(duì)重力方向進(jìn)行估計(jì)；

(3.2)選用陀螺儀獲取加速度計(jì)的值，并用ax、ay、az分別代表三軸加速度。在進(jìn)行姿態(tài)解算之前，對(duì)其進(jìn)行規(guī)范化；

(3.3)利用互補(bǔ)濾波算法融合角速度和加速度值并求取誤差，將此誤差經(jīng)過(guò)比例和積分環(huán)節(jié)之后補(bǔ)償?shù)浇撬俣鹊臏y(cè)量值當(dāng)中；

(3.4)一階龍格庫(kù)塔法更新四元數(shù)；

上位機(jī)曲線顯示模塊使用的是Qt的第三方開(kāi)源庫(kù)QCustomPlot，曲線函數(shù)的初始化和數(shù)據(jù)更新函數(shù)位于主界面的類MainWindow中；系統(tǒng)的上位機(jī)程序主界面中顯示三軸加速度曲線、三軸角速度曲線、姿態(tài)角曲線和四元數(shù)曲線四個(gè)曲線，曲線的繪制是與主界面UI的更新一同進(jìn)行的；

3D顯示模塊負(fù)責(zé)3D模塊的載入，骨骼變換的計(jì)算及應(yīng)用，模型顯示的更新；其中模型載入使用的是Assimp開(kāi)源庫(kù)導(dǎo)入3D模型的頂點(diǎn)、貼圖和骨骼信息，使用OpenGL對(duì)導(dǎo)入的信息進(jìn)行渲染；本系統(tǒng)在建模時(shí)使用Blender建模軟件構(gòu)建了33塊骨骼，并將其變化信息存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)樹(shù)中；3D模型更新的方法為：將3D模型的第一個(gè)頂點(diǎn)都綁定在了不同的骨骼之上，不同骨骼對(duì)同一個(gè)頂點(diǎn)的影響程度使用權(quán)重表示，而當(dāng)相應(yīng)骨骼進(jìn)行變換時(shí)，受其影響的頂點(diǎn)也會(huì)根據(jù)權(quán)重做出相應(yīng)的響應(yīng)。通過(guò)控制骨骼的運(yùn)動(dòng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)使模型運(yùn)動(dòng)的目的。