依据式 （ １ ）旋 转顺 序 ，可得 到
ａ 一
度 传感 器获取操 作者手臂 姿态 改变 时所产 生 的三 轴加 速度
绕ｚ 轴 ｏ ， ｙ 轴 ｙ 、 轴
图 １ 人 机 交 互 系统 总体 设 计
该人机交互 系统主要 由多 维传感 姿态识 别 、自适 应性
语音识别 、双虚拟机械臂 、多维传感姿态 信息反馈 以及 ３ Ｄ
视频采集五大模块组成 ，其 中双虚拟机械臂显示模型如图 ２
所示 。人机 交互 的基 本流程 为 ：通过 陀螺仪 传感 器与 加速
收 稿 日期 ：２ ０ １ ４ — ０ ７ — ２ ７ ；修 订 日期 ：２ ０ １ ４ — １ ０ — １ ５
基金项 目： 上海航天科技创新 基金项 目 （ ｓ Ａ Ｓ Ｔ ２ Ｏ １ ３ Ｏ ９ ）
作者简介 ：石琪琦 （ １ ９ ８ ９ 一 ） ，女 ，重庆人 ，硕士 ，Ｃ Ｃ Ｆ会员 ，研究 方向为嵌入式系统与人 机交互技术 ；庄杰 （ １ ９ ７ ６一 ） ，男 ，四川成 都人 ，
轨迹是否与所预期 的运 动轨 迹一致 ，本文所 设计 的 以双虚
人体姿态 的方 法为 文献 ［ ３ ，４ ］ 中所用 图像分 析法 。这 种
方法对环境 的依赖 性较 强 ，而且 无线通 信环 境下 所输 出 的
图像信号可能会受 到干扰 ［ ５ ］ ，这就会 给识别带来 较大误 差 。 为 了解决这些 问题 ，本文 使用 可穿戴设 备配 备姿 态传感 器 的姿态识别法 ，此方法更加方便 、简单 ，受环境影 响更小 ，
迹进行修 正。实验 结果表 明，该 系统具有 高稳 定、高准确 率及 易操作 的特 点。
关 键 词 ：姿 态传 感 器 ；Ｄ－ Ｓ证 据理 论 ； 双虚 拟 模 型 ；语 音 识 别 ；机 械 臂 中 图 法分 类号 ：ＴＰ ２ ４ １ 文 献标 识 号 ：Ａ 文 章 编 号 ：１ ０ ０ ０ — ７ ０ ２ ４（ ２ ０ １ ５ ）０ ７ — １ ９ ２ １ — ０ ６
ｃ ｏ ｍｍａ ｎ ｄ ｗａ ｓ ｓ ｅ ｎ ｔ ｕ ｓ ｉ ｎ ｇ ｓ ｐ ｅ ｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｄ ｃ ｏ ｍｐ ｌ ｅ ｘ ｍｏ ｖ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｓ ｗｅ ｒ ｅ ｇ ｒ ｏ ｕ ｐ ｅ ｄ ｔ ｏ ｇ ｅ ｔ ｈ ｅ ｒ ｗｉ ｔ ｈ ｓ ｐ ｅ ｅ ｃ ｈ ｉ ｎ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｔ Ｏ ｓ ｉ ｍｐ ｌ ｉ ｆ ｙ ｔ ｈ ｅ ｏ ｐ ｅ ｒ ａ —
式 系 统 与 人 机 交 互技 术 。Ｅ － ｍａ ｉ ｌ ：７ ７ ６ ９ ９ ６ ４ １ ０ ＠ｑ ｑ ． ｃ ｏ ｎ ｒ
・１ ９ ２ ２・
计算机 工程 与设 计
２ ０ １ ５ 焦
态的变化进行研 究［ ６ ］ ，其 中地理 坐标 系为参考 坐标 系 。设
— －
＿ － 态识别模块 ｌ ’
ｐ ｏ ｓ ｅ ｄ ＨＲＩ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ．
Ｋｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄ ｓ ：ａ ｔ ｔ ｉ ｔ ｕ ｄ ｅ ｓ ｅ ｎ ｓ ｏ ｒ ；Ｄ－ Ｓ ｅ ｖ ｉ ｄ ｅ ｎ ｃ ｅ ｔ ｈ ｅ ｏ ｒ ｙ；ｄ ｏ ｕ ｂ ｌ ｅ ｖ ｉ ｒ ｔ ｕ ａ ｌ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ；ｓ ｐ ｅ ｅ ｃ ｈ ｒ ｅ ｃ ｏ ｇ ｎ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ；ｍｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ ａ ｒ ｍ
ｗａ ｓ ａ ｄ ｊ ｕ ｓ ｔ ｅ ｄ ａ ｃ ｃ ｏ ｒ ｄ ｉ ｎ ｇ ｌ ｙ ．Ｔｈ ｅ ｅ ｘ ｐ ｅ ｒ ｉ ｍｅ ｎ ｔ ａ ｌ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ｄ ｅ ｍｏ ｎ ｓ ｔ ｒ ａ ｔ ｇ ｔ ｈ ｅ ｈ ｉ ｇ ｈ ｓ ｔ ａ ｂ ｌ ｅ ｂ ｉ ｌ ｉ ｔ ｙ ，ａ ｃ ｃ ｕ ｒ ａ ｃ ｙ ａ ｎ ｄ ｅ ａ ｓ ｙ ｏ ｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｐ ｒ ｏ —
拟机 械臂
数 据链 机械臂控制 Ｊ
。
双 虚
．
ｌ １ … 统 …ｌ 卜 ＿ ．
机
备坐标 系相对 参考坐 标系 的转变 ，可采用 设备坐 标系 分别
相 对于参 考 坐标 系 ｘ、Ｙ、Ｚ轴所 产 生 的有序 旋 转运 动 表
白 适 应 前 性 语 Ｉ － ． ＇ 数 据 链 多 态 维 反 传 馈 感 模 块 姿 ■ 一 械 臂
ＳＨＩ Ｑｉ — ｑ ｉ ，Ｚ ＨＵＡＮＧ Ｊ ｉ ｅ ，ＨＵＡＮＧ Ｗｅ ｉ ，ＺＨＡＮＧ Ｊ ｉ ａ － ｄ ｏ ｎ ｇ ，Ｚ ＵＯ Ｘｕ ａ ｎ － ｃ ｈ ｅ ｎ
（ １ ．Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆ Ｃｏ ｍｍｕ ｎ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ｄ Ｉ ｎ ｆ ｏ ｒ ｍａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｅｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ，Ｕｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｅｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ Ｔｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ｏ ｆ Ｃｈ ｉ ｎ ａ， Ｃｈ ｅ ｎ ｇ ｄ ｕ ６ １ １ ７ ３ １ ，Ｃｈ ｉ ｎ ａ ；２ ．Ｓ ｔ ａ ｔ ｅ Ｇｒ ｉ ｄ Ｃｈ ｅ ｎ ｇ ｄ ｕ Ｐｏ ｗｅ ｒ Ｓ ｕ ｐ ｐ ｌ ｙ Ｃｏ ｍｐ ａ ｎ ｙ，Ｃｈ ｅ ｎ ｇ ｄ ｕ ６ １ １ ７ ３ １ ，Ｃｈ ｉ ｎ ａ ）
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ：Ａ ｈ ｕ ｍａ ｎ － ｒ ｏ ｂ ｏ ｔ ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ａ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ（ Ｈ ＲＩ ）ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ｇ ｅ ｓ ｔ ｕ ｒ ｅ ｒ ｅ ｃ ｏ ｇ ｎ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｗ３ Ｓ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｅ ｄ ａ ｎ ｄ ｉ ｍｐ ｌ ｅ ｎ ｍｅ ｎ ｔ ｅ ｄ ｔ ｏ ａ ｄ ｄ ｒ ｅ ｓ ｓ ｔ ｈ ｅ
博士 ，副教授 ，研究 方 向为通 信 中的信 号处理 ；黄 炜 （ １ ９ ５ ２一 ） ，男 ，湖南 宁乡人 ，硕 士 ，教授 ，研 究方 向为 通信 与信 息系 统 ；张佳 东
（ １ ９ ８ ７ 一 ） ，男 ，山西大 同人 ，硕士 ，研究方向为嵌入式 系统 与人机交互技术 ；左 轩尘 （ １ ９ ９ ２一 ） ，男 ，四川广安人 ，硕 士，研 究方 向为嵌 入
— — — — 。 — 、ｒ 一 Ｊ 远 端
．
若直接采用坐标 变换 理论计算 姿态 角 ，则必须 采用 高 阶积分算法 ，为 降低计算 难度 ，在 本文 中 ，采 用 四元 素法 与坐标 系变换 理论 相结合 的方 法对姿 态角 进行解算 ＿ ７ ］ 。由 姿 态矩 阵 ａ 可实现设备坐标系到参考坐标系 的变换
ｄ ｏ ｉ ： １ ０ ． １ ６ ２ ０ ８ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ｌ ０ ０ ０ ～ ７ ０ ２ ４ ． ２ ０ １ ５ ． ０ ７ ． ０ ４ ７
Ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｏ ｆ ｈ ｕ ｍａ ｎ — ｒ ｏ ｂ ｏ ｔ ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ａ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ｇ ｅ ｓ ｔ ｕ ｒ ｅ ｒ ｅ ｃ ｏ ｇ ｎ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ
本 地 ｌ 兰 Ｉ
示 ，旋转产 生的角度 即为姿 态角。其 产生 的姿态 角可分 别 使用偏移角 （ Ｙａ ｗ） 、倾 斜角 ０（ Ｐ ｉ ｔ ｃ ｈ ）和旋转 角 ） ， （ Ｒｏ ｌ １ ）
来表示 。 ２ ． １ 基 于 陀螺 仪 传 感 器 求解 姿态 角
数 据 链 面
ｔ ｉ ｏ ｎ ．Ｕｓ ｉ ｎ ｇ ｔ ｈ ｅ ｆ ｅ ｅ ｄ ｂ ａ ｃ ｋ ｆ ｒ ｏ ｍ ｄ ｏ ｕ ｂ ｌ ｅ ｖ ｉ ｒ ｔ ｕ ａ ｌ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ，ｔ ｈ ｅ ｋ ｎ ｏ ｗｌ ｅ ｄ ｇ ｅ ｏ ｆ ｒ ｏ ｍｏ ｔ ｅ ｒ ｏ ｂ ｏ ｔ ｇ ｅ ｓ ｔ ｕ ｒ ｅ ｗａ ｓ ｏ ｂ ｔ ａ ｉ ｎ ｅ ｄ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｍｏ ｖ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｌ ｏ ｃ ｕ ｓ
且可实现在任何地 方对 远程 机器人 的控制 。在本 文 中采 用
拟模型为主 、视频采 集为 辅 的远 程机 器人 姿态信 息反 馈法
很好得解决 了这个 问题 。
１ 人机 交互 系统 的总体 设计
人机交互系统 的整体结构框架如 图 １ 所示 。
陀螺仪与加速度传 感器 获取 人体姿 态信息 ，通过对 各姿 态
ｕ ｎ ｓ ｔ ａ ｂ ｌ ｅ ｐ ｅ ｒ ｆ ｏ ｒ ｍａ ｎ ｃ ｅ ｐ ｒ ｏ ｂ ｌ ｅ ｍ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｃ ｕ ｒ ｒ ｅ ｎ ｔ ｏ ｐ ｅ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍｓ ． Ｔｈ ｅ ｇ ｅ ｓ ｔ ｕ ｒ ｅ ｉ ｎ ｆ ｏ ｒ ｍａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｗａ ｓ ａ ｑ ｕ ｉ ｒ ｅ ｄ ａ ｎ ｄ ｃ ａ ｌ ｃ ｕ ｌ ａ ｔ ｅ ｄ ｕ ｓ ｉ ｎ ｇ ｇ ｅ ｓ —
ｔ ｕ ｒ ｅ ｒ ｅ ｃ ｏ ｇ ｎ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｅ ｎ ｓ ｏ ｒ ｓ ，ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｇ ｅ ｓ ｔ ｕ ｒ ｅ ｗａ ｓ ｊ ｕ ｄ ｇ ｅ ｄ ｕ ｓ ｉ ｎ ｇ ｔ ｈ ｅ ｉ ｎ ｆ ｏ ｒ ｍａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｆ ｕ ｓ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ Ｄ－ Ｓ ｅ ｖ ｉ ｄ ｅ ｎ ｃ ｅ ｔ ｈ ｅ ｏ ｒ ｙ ．Ｍｏ ｒ ｅ ｏ ｖ ｅ ｒ ，ｔ ｈ ｅ ａ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ
机 交 互 系统 。 利 用姿 态传 感 器获 取 人 的姿 态信 息 并 对 其 进 行 解 算 ，通 过 基 于 Ｄ － Ｓ证 据 理 论 的 信 息 融 合 法 对 姿 态进 行 判 定 ， 使 用语 音 确 定 动作 指 令 的发 送 ，对 复 杂动 作 进 行 组 合 ， 简化 操 作 ，通 过 “ 双 虚 拟 模 型 ” 获 取 远 端 机 器人 的 姿 态 ，对 运 动 轨
０ 引 言
设计基于姿态识 别 的人 机交 互系统 关键 在于 姿态信 息 的获取与远端机器人信息 的反馈两个方 面［ １ ］ 现常用识 别