夏資厚，劉吉曉，2，劉均益，郭士杰，2

（1.河北工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 河北省機(jī)器人感知與人機(jī)融合重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300401；2.智能康復(fù)裝置與檢測技術(shù)教育部工程研究中心，天津 300401）

0 引 言

目前已有多種技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)人體姿態(tài)監(jiān)測，如基于視覺信息的方法［1，2］，可穿戴醫(yī)療傳感設(shè)備［3］或使用大面積陣列觸覺傳感器［4］。然而，基于視覺信息的技術(shù)往往受到多種環(huán)境條件影響，如背景復(fù)雜性、環(huán)境光照條件、遮擋問題等?？纱┐鱾鞲性O(shè)備將會面臨需要更換電池或者影響舒適性等問題。

近年來，射頻識別（radio frequency identification，RFID）在定位跟蹤方面的研究表明其在運(yùn)動追蹤領(lǐng)域具有極大潛力［5］。例如，Tagoram 系統(tǒng)［6］使用4 根天線構(gòu)建射頻全息圖，實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽在二維平面內(nèi)的厘米（cm）級定位。Tagyro 系統(tǒng)［7］采用空間布局的標(biāo)簽陣列監(jiān)測正多面體的三維旋轉(zhuǎn)運(yùn)動?；赗FID 技術(shù)的人體姿態(tài)估計(jì)的研究較少，部分系統(tǒng)識別精度高度依賴于機(jī)器學(xué)習(xí)方法［8～10］，而RF-Kinect系統(tǒng)［11］創(chuàng)新性地提出免學(xué)習(xí)的人體姿態(tài)估計(jì)方法，但并未充分考慮在實(shí)際中的室內(nèi)空間配置問題。本文介紹了一種基于RFID的人體姿態(tài)估計(jì)方法，避免了視覺系統(tǒng)在人體被遮擋情況下無法正常工作的問題。首先，通過分析RFID標(biāo)簽陣列與天線的相對位置關(guān)系，提出一種基于相位差信息的細(xì)粒度肢體運(yùn)動模型；其次，建立雙天線RFID系統(tǒng)來估計(jì)肢體的三維轉(zhuǎn)動，并結(jié)合正運(yùn)動學(xué)重構(gòu)人體姿態(tài)。

1 理論與建模

在超高頻RFID通信設(shè)備中，閱讀器讀取到標(biāo)簽的相位值取決于標(biāo)簽的后向散射信號在空間中傳播的距離，相位信號可以表示為

式中 d為標(biāo)簽與天線的間距；λ 為波長；φT和φR分別為RFID閱讀器的發(fā)射和接收電路引起的相位偏移量。

由式（1）可知，閱讀器接收到標(biāo)簽的相位值與距離d的關(guān)系是一個以2π為周期的周期函數(shù)［12］。由于閱讀器相鄰2次采樣的時(shí)間遠(yuǎn)小于標(biāo)簽移動1 個周期的時(shí)間，所以，相鄰2次采樣相位作差的絕對值小于π，通過采用相位解纏算法即可消除周期信號的相位模糊問題［13］。

得到標(biāo)簽與天線間距的線性關(guān)系后，引入標(biāo)簽陣列來構(gòu)建基于RFID系統(tǒng)的測向模型。如圖1所示，通過觀測標(biāo)簽陣列與射頻天線的相對位置關(guān)系，能夠得出相鄰標(biāo)簽之間的相位差可以反映標(biāo)簽陣列的旋轉(zhuǎn)角度，即

圖1 RFID系統(tǒng)測向模型

式中 Δφ為相鄰標(biāo)簽的相位差；λ 為射頻信號的波長，此處應(yīng)為c／f（c 為光速，f 為閱讀器工作頻率，此處為920～925 MHz）；d為相鄰標(biāo)簽之間的距離；θ為標(biāo)簽陣列與X 軸的夾角；l為相鄰2個標(biāo)簽與天線的距離差。

2 RFID系統(tǒng)人體姿態(tài)估計(jì)方法

RFID人體姿態(tài)捕獲系統(tǒng)主要由柔性RFID 無源標(biāo)簽、RFID閱讀器、射頻天線和服務(wù)器組成。閱讀器通過射頻天線發(fā)送或接收信號，與附著在衣服上的RFID 標(biāo)簽傳輸數(shù)據(jù)，如標(biāo)簽ID、相位、時(shí)間戳等。

2.1 細(xì)粒度肢體運(yùn)動跟蹤

為了準(zhǔn)確地估計(jì)肢體的姿態(tài)，提出了一種基于相位差的細(xì)粒度肢體運(yùn)動模型，這里以手臂運(yùn)動為例，通過觀察手臂的抬起運(yùn)動來描述此方法。

2.1.1 單肢體運(yùn)動模型

首先討論單個肢體在空間中的運(yùn)動。如圖2 所示，α為天線與肢體的夾角，θ為肢體與豎直方向的夾角。規(guī)定肢體的初始姿態(tài)為左圖中OBC所處的位置，即初始時(shí)大臂的抬起角度θ為0°。當(dāng)手臂抬起，肢體將做繞點(diǎn)O的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，肢體關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度與兩標(biāo)簽的相位差的關(guān)系為

圖2 細(xì)粒度肢體運(yùn)動模型

式中 Δφ 為閱讀器接收到的2 個RFID 標(biāo)簽的相位差，｜DC｜為兩標(biāo)簽到天線的距離差。

從圖2中可以發(fā)現(xiàn)肢體在初始位置時(shí)，天線到2 個標(biāo)簽的距離并不相同，且具有初始距離差｜DC ｜。令δ ＝α -（π／2 -θ），可由余弦定理得

又由幾何關(guān)系得

可以發(fā)現(xiàn)Δφ的值與肢體旋轉(zhuǎn)角度θ和l有關(guān)，通過定義方向角度的似然函數(shù)P，使其搜索一個使理論角度與測量角度最為接近的值，即

式中 Δφ為理論相位差，Δψ為實(shí)際相位差。當(dāng)Δφ與Δψ的值越接近時(shí)，P的值越趨向于1。當(dāng)Δφ 與Δψ的值相差越大則P的值越趨于0。其中，α 的取值范圍為［0，π］，即（π／2 -θ ＋δ）∈［0，π］，因此，肢體關(guān)節(jié)角度θ 的范圍為［δ-π／2，δ ＋π／2］。最后將具有最高概率的值作為輸出角度，即

2.1.2 多肢體運(yùn)動模型

在單肢體運(yùn)動的基礎(chǔ)上，進(jìn)行多肢體聯(lián)合運(yùn)動模型的構(gòu)建。由前述分析可知，進(jìn)行角度搜索算法前需要知道肢體旋轉(zhuǎn)中心的位置與標(biāo)簽在肢體上的布局。在實(shí)際中，可以事先確定標(biāo)簽的布局，因此只需要計(jì)算出肢體的旋轉(zhuǎn)中心位置即可。為了得到每個關(guān)節(jié)的起始位置，將人體運(yùn)動看成是多個剛體的聯(lián)合運(yùn)動，并用正運(yùn)動學(xué)來重構(gòu)人體姿態(tài)。

如圖3所示，在正向運(yùn)動學(xué)中，關(guān)節(jié)在空間中的位置由3點(diǎn)決定：1）連接2個關(guān)節(jié)的肢體的旋轉(zhuǎn)角度；2）肢體的長度；3）其父關(guān)節(jié)的位置。根據(jù)D-H 變換，可以計(jì)算特定關(guān)節(jié)的空間位置。本文將胯部中心作為身體各個關(guān)節(jié)運(yùn)動的起始點(diǎn)，并將人體分為脊椎、大臂、小臂、大腿共7 個部分。這里以左臂為例，計(jì)算左臂肘部關(guān)節(jié)的位置

圖3 正運(yùn)動學(xué)模型

式中 ps為肩關(guān)節(jié)位置；pe為肘關(guān)節(jié)位置；pw為腕關(guān)節(jié)位置；｜pspe｜為大臂長度；θ為俯仰角；σ為方位角。

基于構(gòu)建的人體正運(yùn)動學(xué)模型可以獲得大臂末端的位置O2，進(jìn)而通過概率函數(shù)求解小臂的抬起角度θ2。通過將人體運(yùn)動看成多剛體聯(lián)合運(yùn)動，可以基于單肢體角度估算方法與正運(yùn)動學(xué)模型相結(jié)合來估計(jì)多肢體關(guān)節(jié)的復(fù)雜運(yùn)動。

2.2 三維肢體角度估計(jì)

單天線系統(tǒng)只能解算出標(biāo)簽陣列的俯仰角，這里通過放置天線2來采集水平方向的信號進(jìn)而解算肢體方位角，實(shí)現(xiàn)三維人體姿態(tài)估計(jì)。

在圖4的正交式雙天線系統(tǒng)中，天線2 與天線1 夾角為90°，且可以接收來自標(biāo)簽的水平方向信息。但在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水平方向放置的天線2 與被測人之間有行人等障礙物移動時(shí)，標(biāo)簽的相位值會受到多徑反射等干擾而偏離真實(shí)值。因此，針對正交式系統(tǒng)的缺點(diǎn)，本文提出如圖4所示的側(cè)交式改進(jìn)系統(tǒng)。將天線2 以一定角度（圖中為45°）放置在測試人員的左前方或右前方，這時(shí)天線2 讀取到的信號為來自水平方向與正前方方向摻雜在一起的電磁波信號。如果天線2 與天線1 的夾角太大，則依然會使信號受到很大干擾，傾角過小，則會導(dǎo)致水平方向信號的分辨率過低，因此選取夾角為45°。

圖4 雙天線系統(tǒng)模型

如圖4 右圖所示，這里以大臂運(yùn)動為例，天線1 在大臂的正上方，天線2與Y軸的夾角為β。s為肩關(guān)節(jié)，e為肘關(guān)節(jié)，大臂的初始位置為se，經(jīng)過旋轉(zhuǎn)運(yùn)動后變?yōu)閟e′，方位角為σ。大臂在水平方向上的投影｜ae｜的值為

表1中提供了在夾角β ＝45°條件下，當(dāng)肢體從Y軸負(fù)半軸沿順時(shí)針旋轉(zhuǎn)360°時(shí)｜ae ｜的計(jì)算方法，即通過天線1與天線2 接收到的相位差和正負(fù)性確定｜ae ｜的值和正負(fù)性。

標(biāo)簽陣列與天線之間方向的判斷依據(jù)是：肢體末端位置的標(biāo)簽相位大于起點(diǎn)位置的標(biāo)簽相位時(shí)，標(biāo)簽陣列相對于這個天線方向的夾角為正，否則為負(fù)。根據(jù)表1，即可通過天線1和天線2采集到的標(biāo)簽陣列的相位差大小和正負(fù)來確定當(dāng)前肢體關(guān)節(jié)的方位角。

3 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

如圖5所示，在實(shí)驗(yàn)室搭建了雙天線RFID 系統(tǒng)，該系統(tǒng)由1 臺ImpinjR420 閱讀器、14 枚H47 標(biāo)簽、2 臺LriadS9028天線和1臺用于數(shù)據(jù)處理和界面顯示的計(jì)算機(jī)組成。通過分析多名測試人員執(zhí)行不同動作的數(shù)據(jù)結(jié)果來評估系統(tǒng)的性能。

圖5 實(shí)驗(yàn)場景

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

在實(shí)驗(yàn)過程中，天線1位于測試人員前方3 m處，天線2位于測試人員右前方3 m處。該系統(tǒng)要求測試者穿戴貼有RFID標(biāo)簽的衣服，在每一段肢體上都附著2 枚標(biāo)簽，且標(biāo)簽的間距為15 cm。測試者在系統(tǒng)初始化時(shí)首先站直，雙臂貼在腰部，然后執(zhí)行特定的動作。閱讀器通過RFID天線掃描測試人員衣服上的14枚電子標(biāo)簽來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。

在本文實(shí)驗(yàn)中邀請了5人作為測試對象（3 男2 女）并執(zhí)行以下動作：1）手臂：測試者將手臂向前方舉起然后放下并連續(xù)重復(fù)15 次（動作1）；測試者將手臂向側(cè)方舉起，然后放下并連續(xù)重復(fù)15次（動作2）。2）腿部：測試者連續(xù)原地踏步30 次，每條腿完成抬腿動作15 次（動作3）。3）脊椎：測試者向前彎腰15 次（動作4）；測試者向身體一側(cè)彎腰15次（動作5）。

本文實(shí)驗(yàn)使用角度誤差（RFID系統(tǒng)估計(jì)的關(guān)節(jié)角度與Kinect 2.0 測量的關(guān)節(jié)角度之間偏差）和位置誤差（RFID系統(tǒng)估計(jì)的關(guān)節(jié)位置與Kinect 2.0 測量的關(guān)節(jié)位置之間的偏差）來評估系統(tǒng)性能。系統(tǒng)追蹤大臂、小臂、大腿和脊椎等肢體關(guān)節(jié)的角度，追蹤頸部、腕部、肘部和膝部等關(guān)節(jié)的位置。

在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了全身運(yùn)動的姿態(tài)估計(jì)，實(shí)驗(yàn)場景如圖6（a）、（c）所示，本文實(shí)驗(yàn)同時(shí)估計(jì)四肢與脊椎的關(guān)節(jié)位置。圖6（b）、（d）顯示了本文方法在實(shí)驗(yàn)室對走路與鞠躬兩種運(yùn)動姿態(tài)的估計(jì)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)展示了本文方法可以有效估計(jì)人體全身運(yùn)動時(shí)的姿態(tài)，對于日常生活中的行為動作可以實(shí)時(shí)捕捉。

圖6 走路與鞠躬的姿態(tài)估計(jì)

3.2 不同肢體運(yùn)動與不同測試者的姿態(tài)估計(jì)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)分析了5名測試人員的運(yùn)動姿態(tài)數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖7所示。

圖7 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從圖7（a）、（b）中可以看出，該系統(tǒng)估計(jì)的肢體關(guān)節(jié)角度時(shí)誤差約為6°，估計(jì)的關(guān)節(jié)位置誤差約為4 cm。由于不同肢體的長度與運(yùn)動復(fù)雜度各不相同，其姿態(tài)估計(jì)結(jié)果也存在一定差異。其中手臂的角度誤差最大，因?yàn)榇蟊?、小臂比大腿和脊椎的長度更短，且比大腿和脊椎運(yùn)動更為復(fù)雜。但RFID系統(tǒng)仍然表現(xiàn)出良好的性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示80%的角度誤差在8°以內(nèi)，80%的位置誤差在5.5 cm以內(nèi)。由圖7（c）、（d）的結(jié)果表明：該系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對于不同的測試人員沒有顯著的差異，且總體角度標(biāo)準(zhǔn)差為3.7°，總體位置標(biāo)準(zhǔn)差為2.9 cm，表明該系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性和魯棒性。

4 結(jié) 論

本文提出了一種三維姿態(tài)估計(jì)系統(tǒng)，用于連續(xù)監(jiān)測人體姿態(tài)。該系統(tǒng)不會侵犯人體的隱私，也不會增加人體的身體負(fù)擔(dān)，并且充分考慮了人體多肢體運(yùn)動的方式，提出了一種細(xì)粒度的肢體運(yùn)動捕獲算法。結(jié)合實(shí)際環(huán)境，提出了一種抗干擾的雙天線三維姿態(tài)捕獲方法。本文使用商業(yè)閱讀器和標(biāo)簽搭建了實(shí)驗(yàn)平臺，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可靠性，結(jié)果顯示該系統(tǒng)能夠高精度地追蹤人體運(yùn)動時(shí)的姿態(tài)。