摘 要

人体运动状态的研究是近些年来的热点研究领域。人体运动数据可以应用于对人体行为动作的研究，在医疗健康、体育竞技和外骨骼机器人等领域有着极为重要的作用。人体运动数据的采集主要依靠穿戴在人体四肢和腰部上的惯性传感器，通过上位机系统对数据进行收集与处理。本文的主要工作如下：

（1）上位机的GUI设计。为上位机系统设计了一个显示主窗口界面，在ARM开发板上外接LCD显示器可实时显示采集到的人体运动数据。显示内容分为三个模块，分别为足底压力模块、关节角度模块和运动状态判断模块。

（2）上位机与下位机的通信。设计了一款用于人体运动状态采集的上位机系统。上位机通过Modbus协议与下位机进行通信，通信使用RS485总线，一个上位机可以采集多个下位机的数据，实现对人体运动状态数据的采集。

（3）上位机的IMU数据的处理。上位机系统可实时处理采集到的数据，采用基于S5P6818处理器的NanoPC-T3开发板。设计了一款截止频率为5Hz的低通滤波器，以滤除采集的信号中的噪声信号。

本文设计的上位机系统软件用于人体运动状态采集，可有效地采集运动数据、处理并实时显示数据。

关键词：运动状态；上位机；Modbus；IIR滤波器

Abstract

The study of human motion is a hot research field in recent years. Human motion data can be applied to the study of human behavior and actions and it plays an extremely important role in the fields of medical health, sports competition, exoskeleton robots and so on. The collection of human motion data mainly relies on inertial sensors worn on the limbs and waist of the human body to collect and process the data through the master computer system. The main work of this article is as follows:

(1) The GUI design of the master computer. A main window interface is designed for the master computer system. An external LCD display on the ARM development board can display the collected human movement data in real time. The display content is divided into three modules, namely the plantar pressure module, the joint angle module and the movement state judgment module.

(2) Communication between master computer and slave computer. A master computer system for human body motion collection is designed. The master computer communicates with the slave computer through Modbus protocol. The communication uses RS485 bus. One master computer can collect data from multiple slave computers to realize the collection of human body motion data.

(3) Processing of IMU data of the master computer. The master computer system can process the collected data in real time, adopting NanoPC-T3 development board based on S5P6818 processor. A low-pass filter with a cut-off frequency of 5 Hz is designed to filter out the noise signal in the collected signal.

The master computer system software designed in this paper is used for human body motion collection, which can effectively collect motion data, process and display the data in real time.

Key Words：Motion state; master computer; Modbus; IIR filter

目 录

第一章 绪论 1

1.1研究目的及意义 1

1.2国内外研究现状 2

1.3主要研究内容 3

第二章 上位机的GUI设计 5

2.1 上位机系统设计 5

2.1.1硬件平台 5

2.1.2软件设计 6

2.2主窗口的设计 7

2.3窗口部件设置 8

2.4多线程的实现 9

2.4.1线程的创建与启动 9

2.4.2信号和槽 10

2.4.3重载run函数 11

第三章 上位机与下位机的通信 13

3.1 Modbus通信协议 13

3.1.1 Modbus RTU模式与ASCII模式 13

3.1.2 Modbus初始化 15

3.2 RS485总线 16

第四章 上位机的IMU数据的处理 18

4.1数据预处理 18

4.2滤波器的设计 18

4.3关节角度的计算 21

第五章 总结与展望 22

5.1总结 22

5.2展望 22

参考文献 23

致谢 24

第一章 绪论

1.1研究目的及意义

人类的生活离不开运动，运动与人类的生活紧密相连。一直以来，人体运动信息是对人体运动研究的重要数据信息。在通过设备采集到人体不同部位的运动信息后，需要一个专门处理信息的上位机系统，将采集的数据转换成关节角度，并实时显示获取的数据。

在科技水平不断进步的大背景下，对于外骨骼硬件系统的研究也不断深入。外骨骼硬件系统在人类的生产生活中有着越来越重要的作用。外骨骼机器人在军用方面可以大幅度提高士兵的耐力、负重和信息感知能力。在民用方面，外骨骼机器人可辅助肢体残疾人士实现正常的行走，提高其生活质量^[1]。以ARM架构为基础的外骨骼硬件系统，将安装在肢体上的传感器收集到的数据通过微处理器传送给上位机系统。上位机系统接收到数据，并对其进行处理，判断人体运动模式与运动意图，以此为基础对下位机和助力装置发出指令，实现辅助行走和物体搬运。