[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

说明书

本发明公开了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，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，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；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。本发明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。

技术领域

本发明属于运动检测技术领域，具体涉及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。

背景技术

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。

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，然而由于欧拉角存在“万向节锁”和复杂的周期性等问题，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。

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。

综上所述，本发明要解决的问题就是在IMU设备穿戴出现偏差的情况下，在不借助于外部设备的条件下对IMU的穿戴偏差进行校正，从而准确测量穿戴者髋、膝关节沿特定运动轴向的运动角度，为外骨骼助力设备或者康复监测设备提供准确的运动信息反馈。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种基于旋转矩阵的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。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：

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，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；