一种外骨骼设备穿戴误差校正方法技术

本发明专利技术公开了一种外骨骼设备穿戴误差校正方法，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进行下肢平躺校正；在外骨骼设备的穿戴者正常运动情况下，将IMU测量得到的欧拉角转换为四元数形式，并利用记录的角速度向量对四元数进行校正，根据校正后的四元数换算得到补偿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。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。反馈。反馈。

A method for correcting the wearing error of exoskeleton devices

【技术实现步骤摘要】
一种外骨骼设备穿戴误差校正方法


[0001]本申请属于运动检测
，具体涉及一种外骨骼设备穿戴误差校正方法。

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，然而只使用三个参数的欧拉角表示法并非是一种全局的、非奇异的刚体运动描述方法，况且由于欧拉角存在“万向节锁”和复杂的周期性等问题，使用欧拉角来表示关节的运动角度并非那么直观，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。

技术实现思路

[0005]本申请的目的在于提供一种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。
[0006]为实现上述目的，本申请所采取的技术方案为：
[0007]一种外骨骼设备穿戴误差校正方法，所述外骨骼设备安装有IMU，所述外骨骼设备穿戴误差校正方法，包括：
[0008]步骤1、在外骨骼设备的穿戴者直立情况下进行IMU自校准；
[0009]步骤2、在外骨骼设备的穿戴者平躺情况下进行下肢平躺校正，包括：
[0010]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；
[0011]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；
[0012]步骤2.3、获取IMU测量得到的加速度值a
x
和a
y
；
[0013]步骤2.4、根据加速度值a
x
和a
y
计算IMU安装平面与人体矢状面的夹角α；
[0014]步骤2.5、根据步骤2.4得到的夹角α计算并得到角速度向量ω
V
，计算公式如下：
[0015][0016]式中，Δt表示IMU的采样时间，单位为秒，角速度向量ω
V
的单位为弧度/秒；
[0017]步骤3、在外骨骼设备的穿戴者正常运动情况下，将IMU测量得到的欧拉角转换为四元数形式，并利用记录的角速度向量ω
V
对四元数进行校正，根据校正后的四元数换算得到补偿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。
[0018]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。
[0019]作为优选，所述根据加速度值a
x
和a
y
计算IMU安装平面与人体矢状面的夹角α，包括：
[0020]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]作为优选，所述将IMU测量得到的欧拉角转换为四元数形式，并利用记录的角速度向量ω
V
对四元数进行校正，根据校正后的四元数换算得到补偿后的欧拉角作为最终的关节角度，包括：
[0026]步骤3.1、将IMU测量得到的欧拉角转换为四元数形式如下：
[0027][0028]式中，q为四元数，ψ、θ、φ为欧拉角；
[0029]步骤3.2、将四元数q以及角速度向量ω
V
代入下式：
[0030][0031]式中，为角速度向量ω
V
的四元素形式，为校正后的四元数；
[0032]步骤3.3、根据校正后的四元数换算得到补偿后的欧拉角。
[0033]本申请提供的外骨骼设备穿戴误差校正方法，先获取IMU传感器安装平面相对于人体矢状面倾斜的度数，然后在数值层面对IMU传上的角度数据进行偏差消除。在校正偏差的过程中不需要借助于任何外部测量仪器，仅仅需要穿戴者进行站立校准和下肢平躺校正两步流程，就可以准确测量出穿戴者髋关节的伸展/弯曲、外展/内收以及膝关节的伸展/弯曲等运动的关节角度。
附图说明
[0034]图1为本申请的外骨骼设备穿戴误差校正方法的流程图；
[0035]图2为本申请外骨骼设备穿戴的俯视图。
具体实施方式
[0036]下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
[0037]除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的
的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是在于限制本申请。
[0038]目前外骨骼设备在穿戴过程中存在无法保证IMU的轴向能够完全沿着人体运动方向，也不能保证IMU的安装平面完全贴合于人体解剖面的问题。在设备穿戴出现上述偏差时，IMU给出的欧拉角并不能直观反映出髋、膝关节沿某一轴向的运动角度。然而无论是助力控制领域还是康复监本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种外骨骼设备穿戴误差校正方法，所述外骨骼设备安装有IMU，其特征在于，所述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进行下肢平躺校正，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
；步骤2.4、根据加速度值a
x
和a
y
计算IMU安装平面与人体矢状面的夹角α；步骤2.5、根据步骤2.4得到的夹角α计算并得到角速度向量ω
V
，计算公式如下：式中，Δt表示IMU的采样时间，单位为秒，角速度向量ω
V
的单位为弧度/秒；步骤3、在外骨骼设备的穿戴者正常运动情况下，将IMU测量得到的欧拉角转换为四元数形式，并利用记录的角速度向量ω
V
...

【专利技术属性】
技术研发人员：章威，王军，宋真子，李万宝，万航，严逢辉，胡倩，
申请(专利权)人：中电海康集团有限公司，
类型：发明
国别省市：