本发明专利技术公开了一种基于旋转矩阵的外骨骼设备穿戴误差校正方法和装置，方法包括：在外骨骼设备的穿戴者直立情况下进行IMU自校准；在外骨骼设备的穿戴者平躺情况下，根据IMU测量的加速度值计算IMU安装平面与人体矢状面的夹角α作为穿戴偏斜角度；在外骨骼设备的穿戴者正常运动情况下，根据夹角α以及IMU测量得到的欧拉角计算误差校正后的关节角度。本发明专利技术在不借助于外部设备的情况下，准确测量穿戴者的关节角度，为外骨骼设备或者康复监测设备提供准确的运动信息反馈。供准确的运动信息反馈。供准确的运动信息反馈。
【技术实现步骤摘要】
一种基于旋转矩阵的外骨骼设备穿戴误差校正方法和装置
[0001]本专利技术属于运动检测
，具体涉及一种基于旋转矩阵的外骨骼设备穿戴误差校正方法和装置。
技术介绍
[0002]近年来，随着科学技术的逐步发展和国家医疗卫生水平的显著提高，穿戴式外骨骼设备在健康养老、医疗康复和运动健身等领域得到了飞速的发展。外骨骼设备在正常工作时需要准确地获得穿戴者的关节运动情况，作为外骨骼控制器的参考信息或者是用于分析穿戴者的运动、康复等情况。
[0003]在所有穿戴式运动测量方案中，惯性测量单元(以下简称IMU)以其低成本、便携性好、动态响应快以及不受使用场景限制等优点成为主要采用的传感器。但是使用IMU进行关节运动角度监测时存在以下几点问题：(1)如专利申请公布号为CN110522458A和CN108852360A的专利所述，几乎所有使用IMU的产品都直接或者间接地要求传感器必须固定于标准平面内(一般平行或者垂直于人体矢状面)。然而人体不是一种规则的几何体，尤其是涉及到髋、膝等多关节的运动测量，在穿戴设备时无法保证IMU的轴向能够完全沿着人体运动方向；(2)IMU以欧拉角作为姿态测量的输出，然而由于欧拉角存在“万向节锁”和复杂的周期性等问题，尤其是在(1)中所述问题存在的情况下，使用欧拉角进行人体运动姿态描述会变得非常不直观。
[0004]基于IMU使用存在的问题，现有技术中也提出了一些相应解决方案，例如专利申请公布号为CN111166346A的专利文献中描述了一种仅使用角速度传感器进行人体运动检测的装置，并且根据人体下肢运动的特点，可以在不对穿戴有任何要求的前提下测量出膝关节的运动角度。但是该专利所述方法需要先离线优化，通过对人体运动数据进行分析得到运动轴，之后再进行实时角度解算，复杂度高且解算费时。又如专利申请公布号为CN110646014A的专利文献描述了一种基于人体关节位置捕捉设备进行IMU穿戴校准的方法，该方法可以直接在线使用，但是需要借助除外骨骼以外的人体关节位置捕捉设备对IMU的穿戴偏差进行校准，增加了设备复杂度，且需要进行设备间的数据转换计算。
[0005]综上所述，本专利技术要解决的问题就是在IMU设备穿戴出现偏差的情况下，在不借助于外部设备的条件下对IMU的穿戴偏差进行校正，从而准确测量穿戴者髋、膝关节沿特定运动轴向的运动角度，为外骨骼助力设备或者康复监测设备提供准确的运动信息反馈。
技术实现思路
[0006]本专利技术的目的之一在于提供一种基于旋转矩阵的外骨骼设备穿戴误差校正方法，在不借助于外部设备的情况下，准确测量穿戴者的关节角度，为外骨骼设备或者康复监测设备提供准确的运动信息反馈。
[0007]为实现上述目的，本专利技术所采取的技术方案为：
[0008]一种基于旋转矩阵的外骨骼设备穿戴误差校正方法，所述外骨骼设备上安装有
IMU，所述基于旋转矩阵的外骨骼设备穿戴误差校正方法，包括：
[0009]步骤1、在外骨骼设备的穿戴者直立情况下进行IMU自校准；
[0010]步骤2、在外骨骼设备的穿戴者平躺情况下，根据IMU测量的加速度值计算IMU安装平面与人体矢状面的夹角α作为穿戴偏斜角度；
[0011]步骤3、在外骨骼设备的穿戴者正常运动情况下，根据夹角α以及IMU测量得到的欧拉角计算误差校正后的关节角度，包括：
[0012]步骤31、将IMU测量得到的欧拉角转换为旋转矩阵
[0013]步骤32、根据夹角α对旋转矩阵进行修正；
[0014]步骤33、以修正后的旋转矩阵转换得到校正后的欧拉角作为最终的关节角度，完成外骨骼设备穿戴的误差校正。
[0015]以下还提供了若干可选方式，但并不作为对上述总体方案的额外限定，仅仅是进一步的增补或优选，在没有技术或逻辑矛盾的前提下，各可选方式可单独针对上述总体方案进行组合，还可以是多个可选方式之间进行组合。
[0016]进一步的，所述在外骨骼设备的穿戴者平躺情况下，根据IMU测量的加速度值计算IMU安装平面与人体矢状面的夹角α，包括：
[0017]步骤2.1、检测穿戴者是否满足下肢平躺校正条件，所述下肢平躺校正条件为：穿戴者下肢脚尖朝上平躺于水平面上并保持静止状态至少2秒；
[0018]步骤2.2、若检测到穿戴者不满足下肢平躺校正条件，则返回步骤2.1继续检测；否则执行步骤2.3；
[0019]步骤2.3、获取IMU测量得到的加速度值a
x
和a
y
，其中a
x
为X轴方向的加速度分量，其中a
y
为Y轴方向的加速度分量；
[0020]步骤2.4、若外骨骼设备穿戴在穿戴者下肢外侧面，则计算得到的夹角α为：
[0021][0022]若外骨骼设备穿戴在穿戴者下肢正面，则计算得到的夹角α为：
[0023][0024]式中，夹角α为弧度制。
[0025]进一步的，所述将IMU测量得到的欧拉角转换为旋转矩阵包括：
[0026]定义旋转矩阵如下：
[0027][0028]式中，下标s表示转动坐标系的坐标轴，即x
s
、y
s
、z
s
分别为转动坐标系的X轴、Y轴和Z轴的坐标，下标g表示地面坐标系的坐标轴，即x
g
、y
g
、z
g
分别为地面坐标系的X轴、Y轴和Z轴的坐标；
[0029]取转动坐标系按照Y
‑
X
‑
Z的旋转顺序进行转动，则得到以IMU测量的欧拉角θ、φ、ψ转换得到的旋转矩阵如下：
[0030][0031]式中，θ为俯仰角，是围绕转动坐标系Y轴的转动角度，φ为滚转角，是围绕转动坐标系X轴的转动角度，ψ为偏航角，是围绕转动坐标系Z轴的转动角度。
[0032]进一步的，所述根据夹角α对旋转矩阵进行修正，包括：
[0033]当外骨骼设备穿戴规范且穿戴者在直立、坐姿或者平躺状态下做沿着人体矢状面内的运动时，角度ψ为零，即得到无误差情况下旋转矩阵的第三行为如下所示：
[0034][0035]式中，表示无误差情况下旋转矩阵的第三行，θ
′
为无误差情况下的俯仰角，φ
′
为无误差情况下的滚转角；
[0036]由于夹角α为沿转动坐标系Z轴转动所产生的角度，则以Y
‑
X
‑
Z为旋转顺序的偏航角ψ与夹角α为同一个角度，取该旋转顺序下用于校正计算的理论偏航角为ψ
″
且ψ
″
＝α；
[0037]因此根据理论偏航角为ψ
″
计算得到如下结果：
[0038][0039][0040]式中，为旋转矩阵第三行第一列的元素，为旋转矩阵第三行第二列的元素；
[0041]以计算得到的
‑
sinθ
′
和sinφ
′
cosθ本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于旋转矩阵的外骨骼设备穿戴误差校正方法，所述外骨骼设备上安装有IMU，其特征在于，所述基于旋转矩阵的外骨骼设备穿戴误差校正方法，包括：步骤1、在外骨骼设备的穿戴者直立情况下进行IMU自校准；步骤2、在外骨骼设备的穿戴者平躺情况下，根据IMU测量的加速度值计算IMU安装平面与人体矢状面的夹角α作为穿戴偏斜角度；步骤3、在外骨骼设备的穿戴者正常运动情况下，根据夹角α以及IMU测量得到的欧拉角计算误差校正后的关节角度，包括：步骤31、将IMU测量得到的欧拉角转换为旋转矩阵步骤32、根据夹角α对旋转矩阵进行修正；步骤33、以修正后的旋转矩阵转换得到校正后的欧拉角作为最终的关节角度，完成外骨骼设备穿戴的误差校正。2.如权利要求1所述的基于旋转矩阵的外骨骼设备穿戴误差校正方法，其特征在于，所述在外骨骼设备的穿戴者平躺情况下，根据IMU测量的加速度值计算IMU安装平面与人体矢状面的夹角α，包括：步骤2.1、检测穿戴者是否满足下肢平躺校正条件，所述下肢平躺校正条件为：穿戴者下肢脚尖朝上平躺于水平面上并保持静止状态至少2秒；步骤2.2、若检测到穿戴者不满足下肢平躺校正条件，则返回步骤2.1继续检测；否则执行步骤2.3；步骤2.3、获取IMU测量得到的加速度值a
x
和a
y
，其中a
x
为X轴方向的加速度分量，其中a
y
为Y轴方向的加速度分量；步骤2.4、若外骨骼设备穿戴在穿戴者下肢外侧面，则计算得到的夹角α为：若外骨骼设备穿戴在穿戴者下肢正面，则计算得到的夹角α为：式中，夹角α为弧度制。3.如权利要求1所述的基于旋转矩阵的外骨骼设备穿戴误差校正方法，其特征在于，所述将IMU测量得到的欧拉角转换为旋转矩阵包括：定义旋转矩阵如下：式中，下标s表示转动坐标系的坐标轴，即x
s
、y
s
、z
s
分别为转动坐标系的X轴、Y轴和Z轴的坐标，下标g表示地面坐标系的坐标轴，即x
g
、y
g
、z
g
分别为地面坐标系的X轴、Y轴和Z轴的
坐标；取转动坐标系按照Y
‑
X
‑
Z的旋转顺序进行转...
【专利技术属性】
技术研发人员：王军，李万宝，宋真子，万航，吴兵兵，李小舟，
申请(专利权)人：中电海康集团有限公司，
类型：发明
国别省市：
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