随着社会节奏的加快和智能手机的普及,长时间的伏案办公和越来越普遍的“低头族”使得颈椎病越来越年轻化和大众化。颈椎病的普遍化与人体颈部的不良姿态息息相关,因此开展对人体颈部姿态的研究具有重要的社会意义和经济价值,有利于健康保障。本文主要针对国内外尚不成熟的研究现状,设计可穿戴式装置对人体颈部的运动姿态进行数据获取,通过预处理、卡尔曼滤波和四元数算法等数据处理方法,分析人体颈部姿态运动信息,研究和讨论姿态角与人体颈部姿态的关系,进而可通过加速度与角速度信息来判断人体颈部的姿态。本文根据人体颈部姿态的运动特征,进行了人体颈部姿态传感器和微处理器型号的选择,设计可穿戴式的人体颈部姿态采集装置,利用MPU-6050传感器内置的加速度计与陀螺仪,采集人体颈部姿态的运动数据。设计Lab VIEW软件上的3D姿态显示界面,在实时交互的同时实现数据存储功能。通过分析人体颈部运动特点,选择了4个典型的运动姿势并选用真人实验采集数据。选择MATLAB仿真软件对获取的颈部姿态数据进行处理:先采集一系列空采数据并通过取平均值的方法来补偿加速度计和陀螺仪的偏移量;进而通过设计卡尔曼滤波器对获取的人体颈部运动姿态数据进行滤波,使之平滑;在此数据处理基础上,选用四元数法进行姿态解算得到姿态角。结合人体颈部坐标系,根据姿态解算后得到的横滚角、俯仰角和偏航角的曲线变化情况,分析颈部的姿态运动与姿态角的对应关系:俯仰角对应人体的抬头和低头动作,向前低头为正值,向后抬头为负值;偏航角对应人体的左右摆头动作,向右摆动为正值,向左摆动为负值;横滚角对应人体的左右扭头动作,向左为正值,向右为负值。最后,设计误差对比实验,将可穿戴式颈部姿态采集装置采集的数据经姿态解算后所得的角度与图片处理获取的角度进行对比,计算得到的平均绝对误差为-0.637°,说明本系统能够满足实用的需求,具有较强的适用性。