CN108209931B - 关节夹角的测量系统及方法 - Google Patents

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Abstract

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。

Description

关节夹角的测量系统及方法
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|；
所述第一计算单元具体还用于在第一章动角和第二章动角的乘积小于0时，通过如下公式计算关节夹角：
关节夹角＝|第三章动角+第四章动角|；
所述第二计算单元具体用于在预估角与第四章动角的乘积大于0时，通过如下公式计算关节夹角：
关节夹角＝180°-|第一章动角+sign(第三章动角)×90°-第四章动角|；
所述第二计算单元具体还用于在预估角与第四章动角的乘积小于0时，通过如下公式计算关节夹角：
关节夹角＝|第一章动角+sign(第三章动角)×90°+第四章动角|；
其中，预估角＝第一章动角+sign(第三章动角)×90°；
所述第二欧拉角信息包括第二章动角，所述第三欧拉角信息包括第三章动角，所述第四欧拉角信息包括第四章动角。
较佳地，所述控制器包括欧拉角转换单元和第三计算单元；
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二旋转顺序的第三欧拉角信息和第四欧拉角信息；
所述第三计算单元用于通过如下公式计算关节夹角：
关节夹角＝180°-|第三自转角-第四自转角|；
所述第三欧拉角信息包括第三自转角，所述第四欧拉角信息包括第四自转角。
较佳地，所述控制器还包括第二判断单元；
所述第三计算单元还用于通过如下公式计算第一临时角：
第一临时角＝|第三自转角-第四自转角|；
所述第二判断单元还用于判断所述第一临时角的绝对值是否大于第二阈值，并在判断为是时，调用所述第三计算单元；
所述第三计算单元还用于通过如下公式计对所述关节夹角进行容错处理，以得到目标关节夹角：
目标关节夹角＝180°-|第一临时角-sign(第一临时角)×360°|。
较佳地，所述控制器包括欧拉角转换单元和第四计算单元；
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二旋转顺序的第三欧拉角信息和第四欧拉角信息；
所述第四计算单元用于通过如下公式计算关节夹角：
关节夹角＝180°-|第三进动角-第四进动角|；
所述第三欧拉角信息包括第三进动角，所述第四欧拉角信息包括第四进动角。
较佳地，所述控制器还包括第三判断单元；
所述第四计算单元还用于通过如下公式计算第二临时角：
第二临时角＝|第三进动角-第四进动角|；
所述第三判断单元还用于判断所述第二临时角的绝对值是否大于第二阈值；
在所述第三判断单元判断为是时，所述第四计算单元还用于通过如下公式对所述关节夹角进行容错处理，以得到目标关节夹角：
目标关节夹角＝180°-|第二临时角-sign(第二临时角)×360°|。
较佳地，所述控制器包括欧拉角转换单元、第四判断单元和第五计算单元；
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；
所述第四判断单元还用于判断所述第二章动角的绝对值是否小于第一阈值；
在所述第四判断单元判断为否时，所述第五计算单元通过如下公式计算关节夹角：
关节夹角＝180°-|第三自转角-(补偿角+第四章动角)|；
在所述第四判断单元判断为是时，所述第五计算单元还用于通过如下公式计算关节夹角：
关节夹角＝180°-|第三自转角-(补偿角+第二章动角±90°)|；
所述第二欧拉角信息包括第二章动角，所述第三欧拉角信息包括第三自转角，所述第四欧拉角信息包括第四章动角。
较佳地，所述测量系统还包括报警模块，所述报警模块用于判断所述关节夹角是否在夹角阈值范围内，并在判断为否时发出提示信息。
本发明还提供一种关节夹角的测量方法，所述测量方法利用上述的测量系统实现；
所述测量方法包括以下步骤：
S1、所述第一姿态传感器获取所述训练部位的姿态的第一四元数，所述第二姿态传感器获取所述训练部位的姿态的第二四元数；
S2、所述控制器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，以及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；
S3、所述控制器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，步骤S2中，若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；
步骤S3具体包括：
S3-1a、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，执行步骤S3-2a；在判断为是时，执行步骤S3-3a；
S3-2a、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；
S3-3a、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，步骤S3-2a具体包括：
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|；
在第一章动角和第二章动角的乘积小于0时，通过如下公式计算关节夹角：
关节夹角＝|第三章动角+第四章动角|；
步骤S3-3a具体包括：
在预估角与第四章动角的乘积大于0时，通过如下公式计算关节夹角：
关节夹角＝180°-|第一章动角+sign(第三章动角)×90°-第四章动角|；
在预估角与第四章动角的乘积小于0时，通过如下公式计算关节夹角：
关节夹角＝|第一章动角+sign(第三章动角)×90°+第四章动角|；
其中，预估角＝第一章动角+sign(第三章动角)×90°；
所述第二欧拉角信息包括第二章动角，所述第三欧拉角信息包括第三章动角，所述第四欧拉角信息包括第四章动角。
较佳地，步骤S2中，若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二旋转顺序的第三欧拉角信息和第四欧拉角信息；
步骤S3具体包括：
S3-1b、通过如下公式计算关节夹角：
关节夹角＝180°-|第三自转角-第四自转角|；
所述第三欧拉角信息包括第三自转角，所述第四欧拉角信息包括第四自转角。
较佳地，步骤S3-1b之后，还包括：
S3-2b、通过如下公式计算第一临时角：
第一临时角＝|第三自转角-第四自转角|；
S3-3b、判断所述第一临时角的绝对值是否大于第二阈值，并在判断为是时，执行步骤S3-4b；
S3-4b、通过如下公式计对所述关节夹角进行容错处理，以得到目标关节夹角：
目标关节夹角＝180°-|第一临时角-sign(第一临时角)×360°|。
较佳地，步骤S2中，若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二旋转顺序的第三欧拉角信息和第四欧拉角信息；
步骤S3具体包括：
S3-1c、通过如下公式计算关节夹角：
关节夹角＝180°-|第三进动角-第四进动角|；
所述第三欧拉角信息包括第三进动角，所述第四欧拉角信息包括第四进动角。
较佳地，步骤S3-1c之后，还包括：
S3-2c、通过如下公式计算第二临时角：
第二临时角＝|第三进动角-第四进动角|；
S3-3c、判断所述第二临时角的绝对值是否大于第二阈值；在判断为是时，执行步骤S3-4c；
S3-4c、通过如下公式对所述关节夹角进行容错处理，以得到目标关节夹角：
目标关节夹角＝180°-|第二临时角-sign(第二临时角)×360°|。
较佳地，步骤S2中，若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；
步骤S3具体包括：
S3-1d、判断所述第二章动角的绝对值是否小于第一阈值；在判断为否时，执行步骤S3-2d；在判断为是时，执行步骤S3-3d；
S3-2d、通过如下公式计算关节夹角：
关节夹角＝180°-|第三自转角-(补偿角+第四章动角)|；
S3-3d、通过如下公式计算关节夹角：
关节夹角＝180°-|第三自转角-(补偿角+第二章动角±90°)|；
所述第二欧拉角信息包括第二章动角，所述第三欧拉角信息包括第三自转角，所述第四欧拉角信息包括第四章动角。
较佳地，所述测量系统还包括报警模块；
所述测量方法还包括：
S4、判断所述关节夹角是否在夹角阈值范围内，并在判断为否时发出提示信息。
本发明的积极进步效果在于：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。
附图说明
图1为本发明实施例1的关节夹角的测量系统的模块示意图。
图2为本发明实施例2的关节夹角的测量系统的模块示意图。
图3为本发明实施例3的关节夹角的测量系统的模块示意图。
图4为本发明实施例4的关节夹角的测量系统的模块示意图。
图5为本发明实施例5的关节夹角的测量方法的第一流程图。
图6为本发明实施例5的关节夹角的测量方法的第二流程图。
图7为本发明实施例6的关节夹角的测量方法的流程图。
图8为本发明实施例7的关节夹角的测量方法的流程图。
图9为本发明实施例8的关节夹角的测量方法的流程图。
具体实施方式
下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
实施例1
如图1所示，本实施例关节夹角的测量系统包括：控制器1和至少两个姿态传感器2。具体的，控制器1包括欧拉角转换单元11、第一计算单元12、第二计算单元13和第一判断单元14。
其中，姿态传感器可选用6轴或9轴传感器。需要说明的是，姿态传感器的数量可根据数据需求自行设置，当然数量越多测量的结果会越精确。当设有三个以上姿态传感器时，可先通过任意两个姿态传感器计算关节夹角，再对计算得到的多个关节夹角求平均值。以下通过两个姿态传感器对测量系统的工作原理进行说明。为了便于说明，将两个姿态传感器分别称为第一姿态传感器A和第二姿态传感器B。
进行康复训练时，第一姿态传感器A和第二姿态传感器B固定于人体康复运动的训练部位，以测量膝关节夹角为例，则将第一姿态传感器和第二姿态传感器均固定于训练的大腿和小腿的侧面，当处于标准站立位时，姿态传感器的机体坐标系的Y轴与惯导坐标系(也即东北天坐标系)的Z轴重合。当患者做出髋关节运动时，第一姿态传感器实时获取训练部位的姿态的第一四元数并发送至控制器，第一四元数坐标为Pos1Q0,Q1,Q2,Q3)。第二姿态传感器实时获取训练部位的姿态的第二四元数并发送至控制器，第二四元数坐标为Pos2(Q0′,Q1′,Q2′,Q3′)。
控制器则将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，以及将第二四元数转换为惯导坐标系下的该不同旋转顺序的至少两个欧拉角信息，并根据至少四个欧拉角信息计算训练部位的关节夹角。
本实施例中，为了便于说明，选用ZXY(第一旋转顺序)和ZYX(第二旋转顺序)两个旋转顺序进行算法说明。控制器的欧拉角转换单元对第一四元数进行角度转换的公式如下：
AngleXAzyx＝Atan2(2×(Q0×Q1+Q2×Q3)，1-2×(Q1×Q1+Q2×Q2))；
AngleYAzyx＝Asin(2×(Q0×Q2-Q3×Q1))；
AngleZAzyx＝Atan2(2×(Q0×Q3+Q1×Q2)，1-2×(Q2×Q2+Q3×Q3))；
AngleXAzxy＝Asin(2×(Q0×Q1+Q3×Q2))；
AngleYAzxy＝Atan2(2×(Q0×Q2-Q1×Q3)，1-2×(Q1×Q1+Q2×Q2))；
AngleZAzxy＝Atan2(2×(Q0×Q3-Q1×Q2)，1-2×(Q1×Q1+Q3×Q3))；
其中，AngleXAzxy(第一章动角)、AngleYAzxy(第一自转角)和AngleZAzxy(第一进动角)为惯导坐标系下的第一旋转顺序(ZXY)的第一欧拉角信息中包含的信息；AngleXAzyx(第三自转角)、AngleYAzyx(第三章动角)和AngleZAzyx(第三进动角)为惯导坐标系下的第二旋转顺序(ZYX)的第三欧拉角信息中包含的信息。
同样，欧拉角转换单元根据Pos2(Q0′,Q1′,Q2′,Q3′)计算惯导坐标系下的第一旋转顺序(ZXY)的第二欧拉角信息，第二欧拉角信息包括AngleXBzxy(第二章动角)、AngleYBzxy(第二自转角)和AngleZBzxy(第二进动角)；以及第二旋转顺序(ZYX)的第四欧拉角信息，第四欧拉角信息包括AngleXBzyx(第四自转角)、AngleYBzyx(第四章动角)和AngleZBzyx(第四进动角)。
本实施例中，由于两个姿态传感器均设于大腿和小腿的侧面，姿态传感器的机体坐标系的Z轴与大小腿垂直，且方向平行于人体的左右方向，从而当患者做出站立位、坐位、仰卧位等训练动作时，膝关节夹角的角度变化表现在Y轴上。
训练过程中，患者做跟随运动时，由于动作不规范训练部位会偏转，偏转角会对计算结果产生影响，特别是在旋转顺序的奇点附近，这时为了提高测量的准确度，需要对临界值进行一定的过滤，也即对姿态传感器的测量漂移情况进行一定的容错处理，因此奇点附近采用不同的计算方式。具体的，控制器通过以下方式计算关节夹角：
第一判断单元判断是否有传感器处于奇点位置附近，以姿态传感器A处于(ZYX)的奇点位附近为例，第一判断单元判断AngleXAzxy的绝对值是否小于第一阈值，其中第一阈值一般为5°。当|AngleXAzxy|5时，说明是正常角度，则调用第一计算单元以根据第三欧拉角信息和第四欧拉角信息计算关节夹角。当|AngleXAzxy|＜5时，说明姿态传感器A处于奇点位，则调用第二计算单元以根据第一欧拉角信息、第三欧拉角信息和第四欧拉角信息计算关节夹角。
进一步地，第一计算单元计算关节夹角前，首先判断AngleXAzxy和AngleXBzxy的正负号。
当AngleXAzxy＞0且AngleXBzxy＞0(或者AngleXAzxy＜0且AngleXBzxy＜0)时，第一计算单元通过如下公式计算关节夹角TwoSensorAngle：
TwoSensorAngle＝180°-|AngleYAzyx-AngleYBzyx|；
而当AngleXAzxy＞0且AngleXBzxy＜0(或者AngleXAzxy＜0且AngleXBzxy＜0)时，第一计算单元通过如下公式计算关节夹角：
TwoSensorAngle＝|AngleYAzyx+AngleYBzyx|。
第二计算单元在计算关节夹角前，首先计算预估角度PrAngle与AngleYBzyx的乘积。其中，PrAngle＝AngleXAzxy+sign(AngleYAzyx)×90°。
当PrAngle×AngleYAzxy＞0时，第二计算单元通过以下公式计算关节夹角：
TwoSensorAngle＝180°-|AngleXAzxy+sign(AngleYAzyx)×90°-AngleYBzyx|。
否则，第二计算单元通过以下公式计算关节夹角：
TwoSensorAngle＝
|AngleXAzxy+sign(AngleYAzyx)×90°+AngleYBzyx|。
本实施例中，测量系统还包括报警模块3，报警模块用于判断关节夹角是否在夹角阈值范围内，并在判断为否时发出提示信息，以提醒患者动作不达标，需要更改动作方向或幅度。其中，提示信息可通过语音的形式输出，也可通过文字的形式输出，且提示信息可包括患者偏离的方向信息和幅度大小等信息。
需要说明的是，本实施例中仅是通过ZYX和ZXY两个旋转顺序说明本发明的三个角度的计算过程，用户可以但不限于将ZYX和ZXY作为选择旋转顺序，数量也不限于两个可以是三个或更多，一般还有以下的旋转顺序：ZYX'、'ZYZ'、'ZXY'、'ZXZ'、'YXZ'、'YXY'、'YZX'、'YZY'、'XYZ'、'XYX'、'XZY'和'XZX'。但是选用旋转顺序时，不能选择奇异点相同的两种旋转顺序。
本实施例中，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。
实施例2
本实施例中，还是以测量膝关节夹角为例，训练过程中将第一姿态传感器和第二姿态传感器均固定于训练的大腿和小腿的正面或后面，当处于标准站立位时，姿态传感器的机体坐标系的Y轴与惯导坐标系(也即东北天坐标系)的Z轴重合，Z轴与大小腿垂直，且方向垂直于人体的左右方向，从而当患者做出站立位、坐位、仰卧位等训练动作时，膝关节夹角表现在X轴或Y轴上。
本实施例的测量系统的结构与实施例1基本相同，如图2所示，不同之处在于，本实施例中的控制器具体包括欧拉角转换单元11、第三计算单元15和第二判断单元16。
本实施例中，理论上只需将第一四元数和第二四元数分别转化为惯导坐标系下的一个旋转顺序的欧拉角信息即可计算关节夹角。以选用ZYX(第二旋转顺序)为例，也即欧拉角转换单元将第一四元数和第二四元数分别转换为ZYX的第三欧拉角信息和第四欧拉角信息。其中，欧拉角转换单元的公式转换过程与实施例1中基本相同，此处不再赘述。
本实施例中，第三计算单元通过以下公式计算TwoSensorAngle：
TwoSensorAngle＝180°-|AngleXAzyx-AngleXBzyx|。
本实施例中，为避免姿态传感器有一个刚好处于±180°附近时，导致第一临时角TempAngle1明显不处于有效范围的情况，需要对该值进行有效化处理，具体的：
第三计算单元通过如下公式计算第一临时角TempAngle1：
TempAngle1＝AngleXAzyx-AngleXBzyx。
第二判断单元判断|TempAngle1|是否大于第二阈值，其中第二阈值一般为180°。
也即当|TempAngle1|-180°＞0时，调用第三计算单元，以通过如下公式对关节夹角进行容错处理，以得到目标关节夹角TwoSensorAngle′：
TwoSensorAngle′＝180°-|TempAngle1-sign(TempAngle1×360°|。
本实施例中，报警模块还用于判断目标关节夹角是否在目标夹角阈值内，并在判断为否时发出提示信息。
实施例3
本实施例的测量系统适用于测量患者做出侧卧位动作的关节夹角，姿态传感器可均设于训练部位的正面或后面(姿态传感器的机体坐标系的Z轴与大小腿垂直，且方向垂直于人体的左右方向)，也可均设于训练部位的侧面(姿态传感器的机体坐标系的Z轴与大小腿垂直，且方向平行于人体的左右方向)。测量系统的结构与实施例1和实施例2基本相同，如图3所示，不同之处在于，本实施例的控制器1包括欧拉角转换单元11、第四计算单元17和第三判断单元18。
本实施例中，理论上只需将第一四元数和第二四元数分别转化为惯导坐标系下的一个旋转顺序的欧拉角信息即可计算关节夹角。以选用ZYX(第二旋转顺序)为例，也即欧拉角转换单元将第一四元数和第二四元数分别转换为ZYX的第三欧拉角信息和第四欧拉角信息。其中，欧拉角转换单元的公式转换过程与上述任一实施例基本相同，此处不再赘述。
本实施中，第四计算单元通过以下方式计算TwoSensorAngle：
TwoSensorAngle＝180°-|AngleZAzyx-AngleZBzyx|。
本实施例中，为避免姿态传感器有一个刚好处于±180°附近时，导致第二临时角TempAngle2明显不处于有效范围的情况，需要对该值进行有效化处理，具体的：
第四计算单元通过如下公式计算第二临时角TempAngle2：
TempAngle2＝AngleZAzyx-AngleZBzyx。
第三判断单元判断|TempAngle2|是否大于第二阈值，其中第二阈值一般为180°。
也即当|TempAngle2|-180°＞0时，第四计算单元通过如下公式计对关节夹角进行容错处理，以得到目标关节夹角TwoSensorAngle′：
TwoSensorAngle′＝180°-|TempAngle2-sign(TempAngle2×360°|。
实施例4
本实施例的测量系统适用于初始姿态在Z轴上相差90°的情况(姿态传感器的角度变化均不在Z轴上)，测量系统的结构与上述任一实施例基本相同，如图4所示，不同之处在于，本实施例中，控制器1包括欧拉角转换单元11、第五计算单元19和第四判断单元20。
同样，本实施例中理论上只需将第一四元数和第二四元数分别转化为惯导坐标系下的一个旋转顺序的欧拉角信息即可计算关节夹角。以选用ZYX(第二旋转顺序)为例，也即欧拉角转换单元将第一四元数和第二四元数分别转换为ZYX的第三欧拉角信息和第四欧拉角信息。其中，欧拉角转换单元的公式转换过程与上述任一实施例基本相同，此处不再赘述。
根据实际动作和佩戴情况，以计算腰椎关节与大腿间的夹角为例，将姿态传感器A佩戴于胸前，姿态传感器B佩戴于大腿侧位，计算关节夹角即两个传感器的夹角时，所需夹角在姿态传感器A上表现为AngleXAzyx，在姿态传感器B上表现为AngleYBzyx。
以下介绍控制器计算关节夹角的过程：
第四判断单元判断是否有传感器处于奇点位置附近，以姿态传感器B处于(ZYX)的奇点附近为例，第四判断单元判断|AngleXBzxy|是否小于第一阈值，其中第一阈值一般为5°。
当|AngleXBzxy|5时，说明是正常角度，第五计算单元通过如下公式计算关节夹角TwoSensorAngle：
TwoSensorAngle＝180°-|AngleXAzyx-(补偿角+AngleYBzyx)|。
其中，补偿角可根据实际情况自行确定，一般为90°。
当|AngleXBzxy|＜5时，说明姿态传感器A处于奇点位，第五计算单元通过如下公式计算关节夹角TwoSensorAngle：
TwoSensorAngle＝180°-|AngleXAzyx-(补偿角+AngleXBzxy±90°)|。
其中，AngleXBzxy±90°的正负号根据奇点附件的AngleYBzyx的正负号取舍。
若补偿角取90°，则上述公式可以简化为：
TwoSensorAngle＝180°-|AngleXBzxy-AngleXAzyx|。
实施例5
本实施例的测量方法利用上述实施例1中的测量系统实现，如图5所示，测量方法包括以下步骤：
步骤101、第一姿态传感器获取训练部位的姿态的第一四元数，第二姿态传感器获取训练部位的姿态的第二四元数。
本实施例的测量方法适用于患者做站立位、坐位、仰卧位等训练动作时的关节角度的测量，以测量膝关节夹角为例，将第一姿态传感器和第二姿态传感器均固定于训练的大腿和小腿的侧面，当患者处于标准站立位时，姿态传感器的机体坐标系的Y轴与惯导坐标系(也即东北天坐标系)的Z轴重合，Z轴与大小腿垂直，且方向平行于人体的左右方向。
步骤102、控制器将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，以及将第二四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。
步骤103、控制器根据至少四个欧拉角信息计算训练部位的关节夹角。
本实施例中，步骤102中，若第一四元数和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；
具体的，如图6所示，步骤103包括：
步骤103-1a、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，执行步骤103-2a；在判断为是时，执行步骤103-3a；
步骤103-2a、根据第三欧拉角信息和第四欧拉角信息计算关节夹角。
具体的，步骤103-2a包括：
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|；
在第一章动角和第二章动角的乘积小于0时，通过如下公式计算关节夹角：
关节夹角＝|第三章动角+第四章动角|。
步骤103-3a、根据第一欧拉角信息、第三欧拉角信息和第四欧拉角信息计算关节夹角。
具体的，步骤103-3a包括：
在预估角与第四章动角的乘积大于0时，通过如下公式计算关节夹角：
关节夹角＝180°-|第一章动角+sign(第三章动角)×90°-第四章动角|；
在预估角与第四章动角的乘积小于0时，通过如下公式计算关节夹角：
关节夹角＝|第一章动角+sign(第三章动角)×90°+第四章动角|；
其中，预估角＝第一章动角+sign(第三章动角)×90°；
步骤104、判断关节夹角是否在夹角阈值范围内。在判断为否时，说明动作不标准，则执行步骤105；在判断为是时，说明动作达到要求。
步骤105、发出提示信息。
提示信息可以在患者动作不达标时提醒患者更改动作方向或幅度。其中，提示信息可通过语音的形式输出，也可通过文字的形式输出，且提示信息可包括患者偏离的方向信息和幅度大小等信息。
实施例6
实施例6与实施例5基本相同，同样适用于患者做站立位、坐位、仰卧位等训练动作时的关节角度的测量，不同之处在于，还是以测量膝关节夹角为例，需将第一姿态传感器和第二姿态传感器均固定于大腿和小腿的正面或后面，当处于标准站立位时，姿态传感器的机体坐标系的Y轴与惯导坐标系(也即东北天坐标系)的Z轴重合，Z轴与大小腿垂直，且方向垂直于人体的左右方向。
本实施中，如图7所示，步骤102中，将第一四元数和第二四元数分别转化为惯导坐标系下的第二旋转顺序的第三欧拉角信息和第四欧拉角信息。
步骤103具体包括：
步骤103-1b、通过如下公式计算关节夹角：
关节夹角＝180°-|第三自转角-第四自转角|。
步骤103-2b、通过如下公式计算第一临时角：
第一临时角＝|第三自转角-第四自转角|；
步骤103-3b、判断第一临时角的绝对值是否大于第二阈值。
在判断为是时，执行步骤103-4b。在判断为否时，执行步骤104。
步骤103-4b、通过如下公式计对关节夹角进行容错处理，以得到目标关节夹角：
目标关节夹角＝180°-|第一临时角-sign(第一临时角)×360°|。
步骤104中则判断关节夹角或目标关节夹角是否在各自夹角阈值范围内。
实施例7
本实施例的测量方法适用于患者做侧卧位动作时的关节夹角的测量，测量流程与实施例2基本相同，如图8所示，不同之处在于，步骤103具体包括：
步骤103-1c、通过如下公式计算关节夹角：
关节夹角＝180°-|第三进动角-第四进动角|。
步骤103-2c、通过如下公式计算第二临时角：
第二临时角＝|第三进动角-第四进动角|。
步骤103-3c、判断第二临时角的绝对值是否大于第二阈值。在判断为是时，执行步骤103-4c；在判断为否时，执行步骤104。
步骤103-4c、通过如下公式对关节夹角进行容错处理，以得到目标关节夹角：
目标关节夹角＝180°-|第二临时角-sign(第二临时角)×360°|。
步骤104中则判断关节夹角或目标关节夹角是否在各自夹角阈值范围内。
实施例8
本实施例的测量系统适用于初始姿态在Z轴上相差90°的情况(姿态传感器的角度变化均不在Z轴上)，以计算腰椎关节与大腿间的夹角为例，需将姿态传感器A佩戴于胸前，姿态传感器B佩戴于大腿侧位。本实施例的测量方法与实施例1基本相同，如图9所示，不同之处在于，步骤103具体包括：
步骤103-1d、判断第二章动角的绝对值是否小于第一阈值。
在判断为否时，执行步骤103-2d；在判断为是时，执行步骤103-3d。
步骤103-2d、通过如下公式计算关节夹角：
关节夹角＝180°-|第三自转角-(补偿角+第四章动角)|。
步骤103-3d、通过如下公式计算关节夹角：
关节夹角＝180°-|第三自转角-(补偿角+第二章动角±90°)|。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (16)

1.一种关节夹角的测量系统，其特征在于，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；
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。
2.如权利要求1所述的测量系统，其特征在于，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|；
所述第一计算单元具体还用于在第一章动角和第二章动角的乘积小于0时，通过如下公式计算关节夹角：
关节夹角＝|第三章动角+第四章动角|；
所述第二计算单元具体用于在预估角与第四章动角的乘积大于0时，通过如下公式计算关节夹角：
关节夹角＝180°-|第一章动角+sign(第三章动角)×90°-第四章动角|；
所述第二计算单元具体还用于在预估角与第四章动角的乘积小于0时，通过如下公式计算关节夹角：
关节夹角＝|第一章动角+sign(第三章动角)×90°+第四章动角|；
其中，预估角＝第一章动角+sign(第三章动角)×90°；
所述第二欧拉角信息包括第二章动角，所述第三欧拉角信息包括第三章动角，所述第四欧拉角信息包括第四章动角。
3.如权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述控制器包括欧拉角转换单元和第三计算单元；
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二旋转顺序的第三欧拉角信息和第四欧拉角信息；
所述第三计算单元用于通过如下公式计算关节夹角：
关节夹角＝180°-|第三自转角-第四自转角|；
所述第三欧拉角信息包括第三自转角，所述第四欧拉角信息包括第四自转角。
4.如权利要求3所述的测量系统，其特征在于，所述控制器还包括第二判断单元；
所述第三计算单元还用于通过如下公式计算第一临时角：
第一临时角＝|第三自转角-第四自转角|；
所述第二判断单元还用于判断所述第一临时角的绝对值是否大于第二阈值，并在判断为是时，调用所述第三计算单元；
所述第三计算单元还用于通过如下公式计对所述关节夹角进行容错处理，以得到目标关节夹角：
目标关节夹角＝180°-|第一临时角-sign(第一临时角)×360°|。
5.如权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述控制器包括欧拉角转换单元和第四计算单元；
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二旋转顺序的第三欧拉角信息和第四欧拉角信息；
所述第四计算单元用于通过如下公式计算关节夹角：
关节夹角＝180°-|第三进动角-第四进动角|；
所述第三欧拉角信息包括第三进动角，所述第四欧拉角信息包括第四进动角。
6.如权利要求5所述的测量系统，其特征在于，所述控制器还包括第三判断单元；
所述第四计算单元还用于通过如下公式计算第二临时角：
第二临时角＝|第三进动角-第四进动角|；
所述第三判断单元还用于判断所述第二临时角的绝对值是否大于第二阈值；
在所述第三判断单元判断为是时，所述第四计算单元还用于通过如下公式对所述关节夹角进行容错处理，以得到目标关节夹角：
目标关节夹角＝180°-|第二临时角-sign(第二临时角)×360°|。
7.如权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述控制器包括欧拉角转换单元、第四判断单元和第五计算单元；
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；
所述第四判断单元还用于判断所述第二章动角的绝对值是否小于第一阈值；
在所述第四判断单元判断为否时，所述第五计算单元通过如下公式计算关节夹角：
关节夹角＝180°-|第三自转角-(补偿角+第四章动角)|；
在所述第四判断单元判断为是时，所述第五计算单元还用于通过如下公式计算关节夹角：
关节夹角＝180°-|第三自转角-(补偿角+第二章动角±90°)|；
所述第二欧拉角信息包括第二章动角，所述第三欧拉角信息包括第三自转角，所述第四欧拉角信息包括第四章动角。
8.如权利要求1-7中任意一项所述的测量系统，其特征在于，所述测量系统还包括报警模块，所述报警模块用于判断所述关节夹角是否在夹角阈值范围内，并在判断为否时发出提示信息。
9.一种关节夹角的测量方法，其特征在于，所述测量方法利用权利要求1-8中任意一项所述的测量系统实现；
所述测量方法包括以下步骤：
S1、所述第一姿态传感器获取所述训练部位的姿态的第一四元数，所述第二姿态传感器获取所述训练部位的姿态的第二四元数；
S2、所述控制器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，以及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；
S3、所述控制器根据至少四个欧拉角信息计算所述训练部位的关节夹角；
步骤S2中，若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；
步骤S3具体包括：
S3-1a、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，执行步骤S3-2a；在判断为是时，执行步骤S3-3a；
S3-2a、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；
S3-3a、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。
10.如权利要求9所述的测量方法，其特征在于，步骤S3-2a具体包括：
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|；
在第一章动角和第二章动角的乘积小于0时，通过如下公式计算关节夹角：
关节夹角＝|第三章动角+第四章动角|；
步骤S3-3a具体包括：
在预估角与第四章动角的乘积大于0时，通过如下公式计算关节夹角：
关节夹角＝180°-|第一章动角+sign(第三章动角)×90°-第四章动角|；
在预估角与第四章动角的乘积小于0时，通过如下公式计算关节夹角：
关节夹角＝|第一章动角+sign(第三章动角)×90°+第四章动角|；
其中，预估角＝第一章动角+sign(第三章动角)×90°；
所述第二欧拉角信息包括第二章动角，所述第三欧拉角信息包括第三章动角，所述第四欧拉角信息包括第四章动角。
11.如权利要求9所述的测量方法，其特征在于，步骤S2中，若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二旋转顺序的第三欧拉角信息和第四欧拉角信息；
步骤S3具体包括：
S3-1b、通过如下公式计算关节夹角：
关节夹角＝180°-|第三自转角-第四自转角|；
所述第三欧拉角信息包括第三自转角，所述第四欧拉角信息包括第四自转角。
12.如权利要求11所述的测量方法，其特征在于，步骤S3-1b之后，还包括：
S3-2b、通过如下公式计算第一临时角：
第一临时角＝|第三自转角-第四自转角|；
S3-3b、判断所述第一临时角的绝对值是否大于第二阈值，并在判断为是时，执行步骤S3-4b；
S3-4b、通过如下公式计对所述关节夹角进行容错处理，以得到目标关节夹角：
目标关节夹角＝180°-|第一临时角-sign(第一临时角)×360°|。
13.如权利要求9所述的测量方法，其特征在于，步骤S2中，若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二旋转顺序的第三欧拉角信息和第四欧拉角信息；
步骤S3具体包括：
S3-1c、通过如下公式计算关节夹角：
关节夹角＝180°-|第三进动角-第四进动角|；
所述第三欧拉角信息包括第三进动角，所述第四欧拉角信息包括第四进动角。
14.如权利要求13所述的测量方法，其特征在于，步骤S3-1c之后，还包括：
S3-2c、通过如下公式计算第二临时角：
第二临时角＝|第三进动角-第四进动角|；
S3-3c、判断所述第二临时角的绝对值是否大于第二阈值；在判断为是时，执行步骤S3-4c；
S3-4c、通过如下公式对所述关节夹角进行容错处理，以得到目标关节夹角：
目标关节夹角＝180°-|第二临时角-sign(第二临时角)×360°|。
15.如权利要求9所述的测量方法，其特征在于，步骤S2中，若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；
步骤S3具体包括：
S3-1d、判断所述第二章动角的绝对值是否小于第一阈值；在判断为否时，执行步骤S3-2d；在判断为是时，执行步骤S3-3d；
S3-2d、通过如下公式计算关节夹角：
关节夹角＝180°-|第三自转角-(补偿角+第四章动角)|；
S3-3d、通过如下公式计算关节夹角：
关节夹角＝180°-|第三自转角-(补偿角+第二章动角±90°)|；
所述第二欧拉角信息包括第二章动角，所述第三欧拉角信息包括第三自转角，所述第四欧拉角信息包括第四章动角。
16.如权利要求9-15中任意一项所述的测量方法，其特征在于，所述测量系统还包括报警模块；
所述测量方法还包括：
S4、判断所述关节夹角是否在夹角阈值范围内，并在判断为否时发出提示信息。
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