[发明专利]关节夹角的测量系统及方法

说明书

本发明公开了一种关节夹角的测量系统及方法。测量系统包括：控制器、第一姿态传感器和第二姿态传感器；第一姿态传感器和第二姿态传感器固定于人体康复运动的训练部位，分别用于获取训练部位的姿态的第一四元数和第二四元数并发送至控制器；控制器将第一四元数和第二四元数分别转换为惯导坐标系下的不同旋转顺序的至少四个欧拉角信息；控制器还用于根据至少四个欧拉角信息计算训练部位的关节夹角。本发明在全姿态四元数的基础上，对多旋转顺序下的欧拉角进行融合计算关节夹角，避免了奇异点，能准确表征患者的训练部位的关节角度，对于判定患者做出的动作质量、动作误差以及了解患者初始站位习惯有特殊意义。

技术领域

本发明涉及运动角度测量领域，特别涉及一种康复运动中的关节夹角的测量系统及方法。

背景技术

目前，骨科或神经科患者在术后进行关节康复锻炼时，一般通过观看标准动作来跟随做康复运动或在医生(康复师)的指导下做指定的康复动作。在这过程中，医生或患者通过主观感受来判断患者做出的关节活动是否达到要求，这种主观判断的方式不能准确判断关节活动是否达到预期的标准，会影响患者康复训练的恢复效果和进度。

现有技术中，也有通过测量患者做出的康复动作的关节夹角实现对患者的运动进行分析。当前关节夹角一般通过以下方式计算：(1)直接使用四元数(即四维空间向量)或旋转矩阵计算空间夹角，通过空间夹角表征关节夹角；然而，直接计算空间夹角容易引入非主运动方向的运动角度误差；例如：作髋关节前驱运动时，如果伴随有旋转或内外偏，则空间角会把这些非主运动方向的运动角包含在内，导致计算出的角度误差较大。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中关节夹角的计算方式误差较大的缺陷，提供一种关节夹角的测量系统及方法。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：

一种关节夹角的测量系统，所述测量系统包括：控制器、至少一第一姿态传感器和至少一第二姿态传感器；

所述第一姿态传感器和所述第二姿态传感器固定于人体康复运动的训练部位；

所述第一姿态传感器用于获取所述训练部位的姿态的第一四元数并发送至所述控制器；

所述控制器用于将所述第一四元数转换为惯导坐标系下的不同旋转顺序的至少两个欧拉角信息；

所述第二姿态传感器用于获取所述训练部位的姿态的第二四元数并发送至所述控制器；

所述控制器还用于将所述第二四元数转换为惯导坐标系下的所述不同旋转顺序的至少两个欧拉角信息；

所述控制器还用于根据至少四个欧拉角信息计算所述训练部位的关节夹角。

较佳地，所述控制器包括欧拉角转换单元、第一计算单元、第二计算单元和第一判断单元；

若所述欧拉角转换单元将所述第一四元数和所述第二四元数分别转化为惯导坐标系下的第一旋转顺序的第一欧拉角信息和第二欧拉角信息，以及第二旋转顺序的第三欧拉角信息和第四欧拉角信息；

所述第一判断单元用于判断第一章动角的绝对值是否小于第一阈值；在判断为否时，调用所述第一计算单元；在判断为是时，调用所述第二计算单元；

所述第一计算单元用于根据所述第三欧拉角信息和所述第四欧拉角信息计算所述关节夹角；

所述第二计算单元用于根据所述第一欧拉角信息、所述第三欧拉角信息和所述第四欧拉角信息计算所述关节夹角；

所述第一欧拉角信息包括第一章动角。

较佳地，所述第一计算单元具体用于在第一章动角和第二章动角的乘积大于0时，通过如下公式计算关节夹角：

关节夹角＝180°-|第三章动角-第四章动角|；