[发明专利]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

权利要求书

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：

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。

4.如权利要求3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，所述根据夹角α对旋转矩阵进行修正，包括：

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：

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；

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；

因此根据理论偏航角为ψ″计算得到如下结果：

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；

以计算得到的-sinθ′和sinφ′cosθ′分别更新旋转矩阵第三行第一列的元素和第三行第二列的元素，完成对旋转矩阵的修正。

5.如权利要求4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，所述以修正后的旋转矩阵转换得到校正后的欧拉角，包括：

取转动坐标系按照Z-Y-X的旋转顺序进行转动，则计算得到修正后的滚转角φ′和俯仰角θ′如下：

式中，为更新后的旋转矩阵第三行第一列的元素，为更新后的旋转矩阵第三行第二列的元素，为旋转矩阵第三行第一列的元素，

6.一种基于旋转矩阵的外骨骼设备穿戴误差校正装置，包括处理器以及存储有若干计算机指令的存储器，其特征在于，所述计算机指令被处理器执行时实现权利要求1至权利要求5中任意一项所述基于旋转矩阵的外骨骼设备穿戴误差校正方法的步骤。