一种基于惯性传感器的人体多关节活动度的测算方法技术

本发明专利技术提供了一种基于惯性传感器的人体多关节活动度的测算方法，包括：构建惯性传感器校准模型，将惯性传感器安装于人体的关节部位，用于实时感知人体运动参数，并将惯性传感器获取的数据发送至数据处理单元；本发明专利技术通过结合惯性传感器技术

【技术实现步骤摘要】
一种基于惯性传感器的人体多关节活动度的测算方法


[0001]本专利技术涉及一种人体多关节活动度的测算方法，具体为基于惯性传感器的人体多关节活动度的测算方法，属于康复医疗器械

。

技术介绍

[0002]康复医疗器械主要是指在康复医疗中用于康复评定
、
训练与治疗
、
有效改善或恢复患者功能的医疗设备，康复医疗器械是康复器械的主要组成部分，是康复医疗必需的设备仪器，也是各级康复医疗机构开展诊疗活动的必备条件，在康复医疗以及现代医疗事业中具有重要的作用，康复医疗器械可以分为康复评定设备
、
康复训练设备以及康复理疗设备，分别对应用于康复评定项目
、
康复训练项目和康复理疗项目等；
[0003]人体多关节的活动度评测主要包括颈部的关节活动度检查
、
肩关节的关节活动度检查
、
腰椎的关节活动度检查和膝关节的关节活动度检查；活动度评测项目包括肩关节屈曲
、
肩关节伸展
、
肩关节外展
、
肩关节水平内收
、
肩关节内旋和外旋
、
肘关节屈曲
、
肘关节过度伸直
、
前臂掌面旋后
、
前臂掌面旋前
、
腕关节屈曲
、
腕关节伸直
、
腕关节桡侧偏移
、
腕关节尺侧偏移
、
大拇指掌前指关节屈曲
、<br/>第二
~
四掌指关节屈曲
、
大拇指指骨关节屈曲
、
第二
~
四指指骨关节屈曲
、
髋关节屈曲
、
髋关节外展
、
髋关节内收
、
髋关节外转及外转
、
膝关节屈曲及伸展
、
踝关节背屈和踝关节蹠屈等
。
[0004]目前，对于人体多关节的活动度评测通常依赖于手工测量或使用传统的运动分析设备，这些方法通常存在测量不准确，操作繁琐问题，影响了评测效率及数据的精准度，为此，提出一种基于惯性传感器的人体多关节活动度的测算方法
。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术提供一种基于惯性传感器的人体多关节活动度的测算方法，以解决或缓解现有技术中存在的技术问题，至少提供有益的选择
。
[0006]本专利技术实施例的技术方案是这样实现的：一种基于惯性传感器的人体多关节活动度的测算方法，包括：
[0007]构建惯性传感器校准模型，将惯性传感器安装于人体的关节部位，用于实时感知人体运动参数，并将惯性传感器获取的数据发送至数据处理单元；
[0008]数据处理单元基于惯性传感器校准模型对数据进行校准，根据校准后的数据计算得出传感器的姿态，并根据卡尔曼滤波器算法解算输出预测与观测结果，并利用显示屏进行结果显示
。
[0009]进一步优选的，所述惯性传感器为加速度计
、
陀螺仪和磁力计传感器；
[0010]所述人体的关节部位包括但不限于手腕
、
肘关节
、
膝盖
、
踝关节；
[0011]所述人体运动参数包括加速度
、
角速度
、
磁力计数据和姿态参数；
[0012]所述惯性传感器校准模型包括加速度计校准模型
、
陀螺仪校准模型和磁力计校准模型
。
[0013]进一步优选的，所述加速度计校准模型是对加速度计传感器进行校准，以消除传感器在不同方向上的误差和偏差；
[0014]加速度计校准模型涉及六个方向：
X
轴正方向
、X
轴负方向
、Y
轴正方向
、Y
轴负方向
、Z
轴正方向和
Z
轴负方向
。
[0015]进一步优选的，所述加速度计传感器的校准步骤为：
[0016]将加速度计传感器放置在一个静止的平面上，即没有任何加速度作用在传加速度计传感器上；
[0017]依次记录加速度计传感器在
X
轴正方向
、X
轴负方向
、Y
轴正方向
、Y
轴负方向
、Z
轴正方向和
Z
轴负方向上的加速度值；
[0018]计算每个方向上的平均加速度值，并将其作为校准参数保存起来；
[0019]实际运动数据采集时，通过减去对应方向上的校准参数，将误差和偏差从采集的加速度数据中消除
。
[0020]进一步优选的，所述陀螺仪校准模型用于解决角速度的漂移误差
。
[0021]进一步优选的，所述磁力计校准模型是利用椭球拟合方法进行磁力计误差校正，通过椭球拟合算法求出球心坐标和椭球方程系数，将球心拟合到坐标系原点，并且通过求得的系数得到校准矩阵和偏移矢量，以得出磁场强度的真实值，从而达到校正误差的目的；
[0022]校准步骤为：
[0023]将磁力计放置在不同姿态下，如水平
、
垂直
、
倾斜位置，并记录对应位置下的磁力计输出值；
[0024]将采集到的数据进行参数拟合，建立地磁场的椭球模型，确定校准参数；
[0025]在实际运动数据采集时，通过应用校准参数对传感器的磁力计输出值进行校正，消除地磁场的影响，从而提高磁力计的精度和稳定性
。
[0026]进一步优选的，所述传感器的姿态由三个姿态角组成，是根据传感器坐标系相对于导航坐标系的运动来确定，三个所述姿态角包括俯仰角
、
翻滚角和偏航角，具体定义如下：
[0027]俯仰角：载体坐标系
Yb
轴旋转，
X
b
轴与
O
n
Y
n
Z
n
平面的夹角，用
θ
表示，从
O
n
X
n
Y
n
平面算起，从下而上抬头为正，定义域为
‑
π
/2
～
π
/2
；
[0028]翻滚角：载体坐标系绕
X
b
轴旋转，
Y
b
轴与
O
n
Y
n
Z
n
平面的夹角，用
γ
表示，从铅垂平面算起，左高右低为正，定义域为
‑
π
/2
～
π
/2
；
[0029]偏航角：当载体坐标系绕
Z
b
轴旋转，
X
b
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于惯性传感器的人体多关节活动度的测算方法，其特征在于，包括：构建惯性传感器校准模型，将惯性传感器安装于人体的关节部位，用于实时感知人体运动参数，并将惯性传感器获取的数据发送至数据处理单元；数据处理单元基于惯性传感器校准模型对数据进行校准，根据校准后的数据计算得出传感器的姿态，并根据卡尔曼滤波器算法解算输出预测与观测结果，并利用显示屏进行结果显示
。2.
根据权利要求1所述的基于惯性传感器的人体多关节活动度的测算方法，其特征在于：所述惯性传感器为加速度计
、
陀螺仪和磁力计传感器；所述人体的关节部位包括但不限于手腕
、
肘关节
、
膝盖
、
踝关节；所述人体运动参数包括加速度
、
角速度
、
磁力计数据和姿态参数；所述惯性传感器校准模型包括加速度计校准模型
、
陀螺仪校准模型和磁力计校准模型
。3.
根据权利要求2所述的基于惯性传感器的人体多关节活动度的测算方法，其特征在于：所述加速度计校准模型是对加速度计传感器进行校准，以消除传感器在不同方向上的误差和偏差；加速度计校准模型涉及六个方向：
X
轴正方向
、X
轴负方向
、Y
轴正方向
、Y
轴负方向
、Z
轴正方向和
Z
轴负方向
。4.
根据权利要求3所述的基于惯性传感器的人体多关节活动度的测算方法，其特征在于：所述加速度计传感器的校准步骤为：将加速度计传感器放置在一个静止的平面上，即没有任何加速度作用在传加速度计传感器上；依次记录加速度计传感器在
X
轴正方向
、X
轴负方向
、Y
轴正方向
、Y
轴负方向
、Z
轴正方向和
Z
轴负方向上的加速度值；计算每个方向上的平均加速度值，并将其作为校准参数保存起来；实际运动数据采集时，通过减去对应方向上的校准参数，将误差和偏差从采集的加速度数据中消除
。5.
根据权利要求3所述的基于惯性传感器的人体多关节活动度的测算方法，其特征在于：所述陀螺仪校准模型用于解决角速度的漂移误差
。6.
根据权利要求5所述的基于惯性传感器的人体多关节活动度的测算方法，其特征在于：所述磁力计校准模型是利用椭球拟合方法进行磁力计误差校正，通过椭球拟合算法求出球心坐标和椭球方程系数，将球心拟合到坐标系原点，并且通过求得的系数得到校准矩阵和偏移矢量，以得出磁场强度的真实值，从而达到校正误差的目的；校准步骤为：将磁力计放置在不同姿态下，如水平
、
垂直
、
倾斜位置，并记录对应位置下的磁力计输出值；将采集到的数据进行参数拟合，建立地磁场的椭球模型，确定校准参数；在实际运动数据采集时，通过应用校准参数对传感器的磁力计输出值进行校正，消除地磁场的影响，从而提高磁力计的精度和稳定性
。7.
根据权利要求6所述的基于惯性传感器的人体多关节活动度的测算方法，其特征在
于：所述传感器的姿态由三个姿态角组成，是根据传感器坐标系相对于导航坐标系的运动来确定，三个所述姿态角包括俯仰角
、
翻滚角和偏航角，具体定义如下：俯仰角：载体坐标系
Yb
轴旋转，
X
b
轴与
O
n
Y
n
Z
n
平面的夹角，用
θ
表示，从
O
n
X
n
Y
n
平面算起，从下而上抬头为正，定义域为
‑
π
/2
～
π
/2
；翻滚角：载体坐标系绕
X
b
轴旋转，
Y
b
轴与
O
n
Y
n
Z
n
平面的夹角，用
γ

【专利技术属性】
技术研发人员：何永正，彭勇，夏志雄，李振威，温细仁，钱钰琦，
申请(专利权)人：河南省祥和康复产业技术研究院有限责任公司，
类型：发明
国别省市：