[发明专利]一种基于IMU的人体下肢运动监测方法及系统

说明书

本发明公开了一种基于IMU的人体下肢运动监测方法及系统，方法包括：根据IMU测量的加速度数据检测被监测对象的当前姿态是否符合基准姿态；在当前姿态符合基准姿态的情况下，根据IMU的欧拉角得到基准欧拉角；若被监测对象由基准姿态进行运动时下肢的运动轴为IMU坐标系的X轴，则按照ZYX顺序解算IMU的欧拉角，以解算得到的欧拉角中的滚转角与基准欧拉角中的滚转角的差值作为运动角度；若被监测对象由基准姿态进行运动时下肢的运动轴为IMU坐标系的Y轴，则按照ZXY顺序解算IMU的欧拉角，以解算得到的欧拉角中的俯仰角与基准欧拉角中的俯仰角的差值作为运动角度。本发明可显著提高运动监测准确性。

技术领域

本发明属于运动监测技术领域，具体涉及一种基于IMU的人体下肢运动监测方法及系统。

背景技术

人体下肢的运动部分主要由髋关节和膝关节构成，其中髋关节具有3个自由度，可以绕额状轴在矢状面内进行“伸展/弯曲”、绕矢状轴在额状面内进行“外展/内收”以及绕垂直轴在横切面内进行“旋内/旋外”，膝关节具有1个自由度，可以绕额状轴在矢状面内进行“伸展/弯曲”。通过检测装置和相关算法准确地采集并解算髋关节和膝关节运动数据，对于康复训练指导、下肢外骨骼控制以及动作捕捉等领域具有重要意义。

目前常用的下肢运动角度检测方式有惯性传感器(IMU)、视觉传感器、编码器等进行测量。其中基于视觉的姿态检测通过对图像序列进行处理提取人体运动信息，其识别精度较高，但是设备非常价格昂贵，且安装、调试过程复杂，对场地要求较高，由于摄像装置检测范围的限制，姿态检测仅能在指定的场地区域内进行，另一方面该类型的设备更关注人体各部位的整体姿态，而不是关节单个自由度的运动角度；编码器可以直接采集到关节的运动角度，且精度较高，但是每个编码器只能采集一个轴向的运动信息；惯性传感器成本低、可以灵活地布置在人体各部位，对实验场地无特殊要求，但是其穿戴方式和穿戴是否标准对于髋、膝关节的运动角度测量具有较大影响，当穿戴不标准时测量得到的运动角度可能出现较大误差。

现有技术如专利申请号为CN201711285836.0的专利文献，其通过对人体下肢姿态四元数进行两种顺序的欧拉角解算，计算出在进行康复训练时，人体下肢在康复运动的标准动作的运动轨迹所在的平面内的运动主角度，和在标准轨迹所在平面的垂直平面内的偏移角度，以及在下肢轴向上的旋转角度。但该专利未说明如何解决在设备穿戴不标准的情况下造成的角度测量误差，这导致其角度解算的实际应用意义不大。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种基于IMU的人体下肢运动监测方法，显著提高运动监测准确性。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：

一种基于IMU的人体下肢运动监测方法，所述基于IMU的人体下肢运动监测方法，包括：

根据IMU测量的加速度数据检测被监测对象的当前姿态是否符合基准姿态；

在当前姿态符合基准姿态的情况下，根据IMU的欧拉角得到基准欧拉角；

获取被监测对象由基准姿态进行运动时的运动角度，包括：

若被监测对象由基准姿态进行运动时下肢的运动轴为IMU坐标系的X轴，则按照ZYX顺序解算IMU的欧拉角，以解算得到的欧拉角中的滚转角与基准欧拉角中的滚转角的差值作为运动角度；

若被监测对象由基准姿态进行运动时下肢的运动轴为IMU坐标系的Y轴，则按照ZXY顺序解算IMU的欧拉角，以解算得到的欧拉角中的俯仰角与基准欧拉角中的俯仰角的差值作为运动角度。

以下还提供了若干可选方式，但并不作为对上述总体方案的额外限定，仅仅是进一步的增补或优选，在没有技术或逻辑矛盾的前提下，各可选方式可单独针对上述总体方案进行组合，还可以是多个可选方式之间进行组合。

作为优选，所述根据IMU测量的加速度数据检测被监测对象的当前姿态是否符合基准姿态，包括：