一种动力假肢的人机环运动学参数自标定方法及系统技术方案

本申请提供一种动力假肢的人机环运动学参数自标定方法及系统，所述动力假肢用于穿戴于用户髋关节下方，动力假肢上固定有摄像设备，摄像设备用于获取周围环境的地形信息，方法包括：通过搭建具备相机传感器自采样特征的空间尺寸链，构造人

【技术实现步骤摘要】
一种动力假肢的人机环运动学参数自标定方法及系统


[0001]本申请属于机器人控制领域，更具体地，涉及一种动力假肢的人机环运动学参数自标定方法及系统
。

技术介绍

[0002]据
2006
年全国第二次残疾人抽样抽样调查显示，中国现有残疾人
8296
万人，其中约
31
％的残疾人为肢体残疾，其总人数约为
2412
万人
。
其中有
11.4
％的肢体残疾者需要安装义肢，而下肢截肢患者所占比例高达
80
％
。
[0003]近年来随着机器人技术的发展，出现了具有机器人特征的动力大腿假肢
。
动力大腿假肢可通过主动能量输出减少截肢患者行走所需能量消耗，帮助大腿截肢者实现负重行走
、
上楼梯和跑跳等多种动作，获得更加自然稳健的行走体验
。
目前，在动力大腿假肢研究领域，已经实现了简单模拟人行走过程中的基本动作，包括跖屈
、
背屈
、
蹬地等
。
但是，行走是一个人
、
大腿假肢与环境高度耦合关联的系统，现有大腿假肢缺少对前方路况环境的感知，在很大程度上限制了截肢患者在现实环境中的运动能力
。
人体意图精确识别是人体
‑
假肢
‑
环境融合的重要桥梁，现实行走环境的复杂性加剧了动力假肢的控制难度，快速准确识别运动意图益于假肢运动模式无缝切换，帮助截肢者在复杂行走环境中行走
。
[0004]现有人体意图识别研究极有价值，但大多集中于几种特定运动模式，且仅检测当前人体运动状态，缺失假肢和环境之间的信息交互通道，难以提前预报地形和路况信息
。
日常复杂多变地形为运动意图识别带来严重挑战，因此还需具有环境感知功能的传感器，形成人
‑
机
‑
环融合回路，进而协助动力大腿假肢预测性的调整控制参数
。
为此，南方科技大学付成龙团队创新性的提出了融合环境与假肢回路的子视觉控制系统，准确识别假肢所在的环境类型和地形参数，并稳健预测人体行走意图
。
目前视觉传感器已经搭建了假肢和环境间的链路，可精准获取地形参数和类别，但仍然缺少人眼所能观察到的自身和地形方位信息，因此需统一表征人体
‑
假肢
‑
环境三者的空间基准，精确感知截肢者穿戴假肢所处环境中的位置和姿态，为复杂多变地形下动力大腿假肢的运动规划打下基础
。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的缺陷，本申请的目的在于提供一种动力假肢的人机环运动学参数自标定方法及系统，旨在解决动力大腿假肢缺少人眼所能观察到的自身和地形方位信息，无法统一表征人体
‑
假肢
‑
环境三者的空间基准，从而难以精确感知其所在人机环中的位置和姿态的问题
。
[0006]为实现上述目的，第一方面，本申请提供了一种动力假肢的人机环运动学参数自标定方法，所述动力假肢用于穿戴于用户髋关节下方，动力假肢上固定有摄像设备，所述摄像设备用于获取周围环境的地形信息，方法包括以下步骤：
[0007]分别建立用户髋关节坐标系
、
摄像设备坐标系
、
假肢膝关节坐标系
、
假肢踝关节坐标系
、
假肢足端坐标系以及笛卡尔坐标系；所述笛卡尔坐标系建立在标定板上；
[0008]当用户髋关节
、
假肢膝关节和假肢踝关节分别旋转时，基于摄像设备获取的标定板位姿信息得到髋关节固定坐标系与摄像设备坐标系之间的第一齐次变换矩阵
、
膝关节固定坐标系与假肢足端坐标系之间的第二齐次变换矩阵及踝关节固定坐标系与假肢足端坐标系之间的第三齐次变换矩阵；对第一
、
第二及第三齐次变换矩阵进行补偿使其旋转矩阵正交，得到补偿后的第一
、
第二及第三齐次变换矩阵；以及基于补偿后的第二齐次变换矩阵得到膝关节固定坐标系与摄像设备坐标系之间的第四齐次变换矩阵矩阵，并基于补偿后的第二齐次变换矩阵
、
补偿后的第三齐次变换矩阵和膝关节旋转时踝关节的角度确定踝关节坐标系与膝关节固定坐标系之间的第五齐次变换矩阵；
[0009]当动力假肢配合用户行走时，以笛卡尔坐标系为基准，基于补偿后的第一
、
第二及第三齐次变换矩阵
、
髋关节的实时旋转角度
、
摄像设备拍摄的环境的位姿信息
、
膝关节实时旋转角度
、
踝关节实时旋转角度
、
第四及第五齐次变换矩阵确定笛卡尔坐标系下髋关节和假肢足端的位姿信息，实现运动学参数自标定，将用户
、
环境及动力假肢的空间基准统一
。
[0010]在一种可能的实现方式中，所述第一齐次变换矩阵通过如下步骤建立：
[0011]将摄像设备坐标系
、
髋关节坐标系
、
笛卡尔坐标系连接形成一条自采样坐标系链；
[0012]在用户髋关节旋转时，控制摄像设备记录标定板在摄像设备坐标系中的位姿，之后建立髋关节坐标系
、
摄像设备坐标系和笛卡尔坐标系之间的第一关系式：
[0013][0014]其中，表示髋关节坐标系与笛卡尔坐标系之间的齐次变换矩阵；表示髋关节的旋转矩阵；表示第一齐次变换矩阵；表示摄像设备坐标系与笛卡尔坐标系之间的齐次变换矩阵，根据标定板在摄像设备坐标系中的位姿得到
。
[0015]在一种可能的实现方式中，所述第二齐次变换矩阵通过如下步骤建立：
[0016]控制假肢膝关节旋转，并控制摄像设备记录标定板在摄像设备坐标系的位姿信息，之后建立膝关节坐标系
、
摄像设备坐标系及足端坐标系之间的第二关系式：
[0017][0018]其中，膝关节旋转时，髋关节和踝关节均处于固定状态，且标定板被置于假肢足端，使得笛卡尔坐标系与足端坐标系重合；表示膝关节坐标系与摄像设备坐标系之间的齐次变换矩阵，表示膝关节的旋转矩阵，表示第二齐次变换矩阵，表示足端坐标系与摄像设备坐标系之间的齐次变换矩阵，通过标定板在摄像设备坐标系的位姿得到
。
[0019]在一种可能的实现方式中，所述第三齐次变换矩阵通过如下步骤建立：
[0020]控制假肢踝关节旋转，并控制摄像设备记录标定板在摄像设备坐标系的位姿信息，之后建立踝关节坐标系
、
摄像设备坐标系及足端坐标系之间的第三关系式：
[0021][0022]其中，踝关节旋转时，髋关节和膝关节均处于固定状态，且标定板被置于假肢足端，使得笛卡尔坐标系与足端坐标系重合；表示踝关节坐标系与摄像设备坐标系之间的齐次变换矩阵，表示踝关节的旋转矩阵，表示第本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种动力假肢的人机环运动学参数自标定方法，所述动力假肢用于穿戴于用户髋关节下方，动力假肢上固定有摄像设备，所述摄像设备用于获取周围环境的地形信息，其特征在于，方法包括以下步骤：分别建立用户髋关节坐标系
、
摄像设备坐标系
、
假肢膝关节坐标系
、
假肢踝关节坐标系
、
假肢足端坐标系以及笛卡尔坐标系；所述笛卡尔坐标系建立在标定板上；当用户髋关节
、
假肢膝关节和假肢踝关节分别旋转时，基于摄像设备获取的标定板位姿信息得到髋关节固定坐标系与摄像设备坐标系之间的第一齐次变换矩阵
、
膝关节固定坐标系与假肢足端坐标系之间的第二齐次变换矩阵及踝关节固定坐标系与假肢足端坐标系之间的第三齐次变换矩阵；对第一
、
第二及第三齐次变换矩阵进行补偿使其旋转矩阵正交，得到补偿后的第一
、
第二及第三齐次变换矩阵；以及基于补偿后的第二齐次变换矩阵得到膝关节固定坐标系与摄像设备坐标系之间的第四齐次变换矩阵矩阵，并基于补偿后的第二齐次变换矩阵
、
补偿后的第三齐次变换矩阵和膝关节旋转时踝关节的角度确定踝关节坐标系与膝关节固定坐标系之间的第五齐次变换矩阵；当动力假肢配合用户行走时，以笛卡尔坐标系为基准，基于补偿后的第一
、
第二及第三齐次变换矩阵
、
髋关节的实时旋转角度
、
摄像设备拍摄的环境的位姿信息
、
膝关节实时旋转角度
、
踝关节实时旋转角度
、
第四及第五齐次变换矩阵确定笛卡尔坐标系下髋关节和假肢足端的位姿信息，实现运动学参数自标定，将用户
、
环境及动力假肢的空间基准统一
。2.
根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一齐次变换矩阵通过如下步骤建立：将摄像设备坐标系
、
髋关节坐标系
、
笛卡尔坐标系连接形成一条自采样坐标系链；在用户髋关节旋转时，控制摄像设备记录标定板在摄像设备坐标系中的位姿，之后建立髋关节坐标系
、
摄像设备坐标系和笛卡尔坐标系之间的第一关系式：其中，表示髋关节坐标系与笛卡尔坐标系之间的齐次变换矩阵；表示髋关节的旋转矩阵；表示第一齐次变换矩阵；表示摄像设备坐标系与笛卡尔坐标系之间的齐次变换矩阵，根据标定板在摄像设备坐标系中的位姿得到
。3.
根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二齐次变换矩阵通过如下步骤建立：控制假肢膝关节旋转，并控制摄像设备记录标定板在摄像设备坐标系的位姿信息，之后建立膝关节坐标系
、
摄像设备坐标系及足端坐标系之间的第二关系式：其中，膝关节旋转时，髋关节和踝关节均处于固定状态，且标定板被置于假肢足端，使得笛卡尔坐标系与足端坐标系重合；表示膝关节坐标系与摄像设备坐标系之间的齐次变换矩阵，表示膝关节的旋转矩阵，表示第二齐次变换矩阵，表示足端坐标系与摄像设备坐标系之间的齐次变换矩阵，通过标定板在摄像设备坐标系的位姿得到
。4.
根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第三齐次变换矩阵通过如下步骤建立：
控制假肢踝关节旋转，并控制摄像设备记录标定板在摄像设备坐标系的位姿信息，之后建立踝关节坐标系
、
摄像设备坐标系及足端坐标系之间的第三关系式：其中，踝关节旋转时，髋关节和膝关节均处于固定状态，且标定板被置于假肢足端，使得笛卡尔坐标系与足端坐标系重合；表示踝关节坐标系与摄像设备坐标系之间的齐次变换矩阵，表示踝关节的旋转矩阵，表示第三齐次变换矩阵
。5.
根据权利要求2至4任一项所述的方法，其特征在于，通过如下步骤确定第一
、
第二或第三齐次变换矩阵，具体为：将髋关节不同关节旋转角对应的第一关系式联立，得到第一齐次变换矩阵的运动学参数辨识方程；或将膝关节不同关节旋转角对应的第二关系式联立，得到第二齐次变换矩阵的运动学参数辨识方程；或将踝关节不同关节旋转角对应的第三关系式联立，得到第三齐次变换矩阵的运动学参数辨识方程；在方程中将第一齐次变换矩阵
、
第二齐次变换矩阵或第三齐次变换矩阵拆解成包括旋转矩阵和位置矩阵的矩阵，之后结合关节旋转角度对应的旋转矩阵和摄像设备...

【专利技术属性】
技术研发人员：付成龙，郭艺璇，冷雨泉，杜豪，尹树丛，马腾，王毓萱，黄滨鑫，
申请(专利权)人：南方科技大学，
类型：发明
国别省市：