CN110110286B - 一种基于惯性传感器的位姿检测与能耗计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于惯性传感器的位姿检测与能耗计算方法，位姿包括位移和姿态角，在手部抓握一个负载，所述负载内置惯性传感器，根据所述惯性传感器模块返回的参数解算手部末端负载的实时位姿，计算负载消耗的能耗。本发明能够实时获得使用者的手部姿态，实时查看手部运动的位移、速度、加速度，将克服负载的做功与运动过程中的负载能耗进行了量化、可视化，通过上位机或手机App就可进行监测，有利于为康复训练制定训练计划，有利于为使用者的运动锻炼过程增加积极性。本发明惯性传感器便于和可拆卸安装带配合，惯性传感器可拆卸用于充电和开关，安装方便。

Description

一种基于惯性传感器的位姿检测与能耗计算方法
技术领域
本发明涉及运动康复技术领域，尤其涉及一种基于惯性传感器的位姿检测与能耗计算方法。
背景技术
当前上肢外伤性骨折患者日益增多，上肢肢体康复需求日益增加，合理利用负载做各种肌肉拉伸训练动作，进行抗阻力主动运动，可以达到肌肉康复锻炼的作用，有效的防止关节挛缩，肌肉萎缩。此外，也鉴于当前社会众多女性对美体的追求，经常选择手部抓握小型负载运动锻炼塑形(如哑铃操)。传统负载锻炼存在以下缺陷：运动过程中无信息交互，使用者无法获得运动信息，无法参数化运动克服负载做功，无法评估负载能耗，积极性差，枯燥、重复的运动锻炼极易滋生负面情绪，进而放弃训练。
基于此，现急需一种基于惯性传感器的位姿检测与能耗计算方法，通过与已有负载(哑铃)进行融合，得到的智能负载装置、能够实时获得使用者的运动信息，将运动克服负载做功，运动过程的负载能耗进行量化、可视化，通过上位机或手机App就可进行监测，有利于制定训练计划，增加锻炼过程中的积极性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于惯性传感器的位姿检测与能耗计算方法，通过与已有负载(哑铃)进行融合，得到的智能负载装置、能够实时获得使用者的运动信息，将运动克服负载做功，运动过程的负载能耗进行量化、可视化，通过上位机或手机App就可进行监测，有利于制定训练计划，增加锻炼过程中的积极性。
本发明采用以下技术方案解决上述技术问题：
本发明公开了一种基于惯性传感器的位姿检测与能耗计算方法，在手部抓握一个负载(可以为哑铃或者其他健身器材)，所述负载内置惯性传感器模块，根据惯性传感器模块返回的参数解算手部末端负载的实时位姿，计算负载消耗的能耗。
作为本发明的优选方式之一，检测计算过程包括以下步骤：
步骤一：在0时刻，对惯性传感器在初始位标定，在O点以所述惯性传感器的位姿定义基准坐标系M:xyz；
步骤二：在t时刻，在O”点以所述惯性传感器的位姿定义载体坐标系M”:x”y”z”；
步骤三：定义辅助坐标系N：x’y’z’,所述辅助坐标系以O为原点，坐标轴指向与所述载体坐标系相同；
所述载体坐标系，在0-t时刻，可看做先发生旋转变换，再发生平移变换(M→N→M”)；
在t时刻,所述惯性传感器返回滚转角α、俯仰角β、偏航角γ；故旋转变换矩阵如下：
Figure BDA0002085963790000021
于是变换矩阵：
Figure BDA0002085963790000022
在t时刻,所述惯性传感器返回沿着x”方向的加速度
Figure BDA0002085963790000031
返回沿着y”方向的加速度
Figure BDA0002085963790000032
返回沿着z”方向的加速度
Figure BDA0002085963790000033
根据所述旋转变换矩阵，对返回的加速度信号进行解耦，消除重力加速度g的影响。
作为本发明的优选方式之一，所述解耦步骤如下：
步骤一：定义x”、y”、z”(同x’、y’、z’)与-z轴的夹角分别为∠1、∠2、∠3；
步骤二：定义N中存在沿着x’轴的向量
Figure BDA0002085963790000034
其在M中的描述:
Figure BDA0002085963790000035
Figure BDA0002085963790000036
定义M内存在沿着-z轴的向量
Figure BDA0002085963790000037
则
Figure BDA0002085963790000038
同理定义N中存在沿着y’轴的向量
Figure BDA0002085963790000039
存在沿着z’轴的向量
Figure BDA00020859637900000310
可得：
Figure BDA00020859637900000311
Figure BDA00020859637900000312
步骤三：根据三元一次方程组：
Figure BDA00020859637900000313
求解得：在所述载体坐标系(同所述辅助坐标系)下，所述负载的运动加速度ax”、ay”、az”；
对所述负载装置的运动加速度，将载体坐标系(同辅助坐标系)下的描述，转换到基准坐标系下，其运动加速度ax、ay、az：
Figure BDA0002085963790000041
对ax、ay、az分别进行一次积分、两次积分可以得到负载装置的速度Vx、Vy、Vz与位移Sx、Sy、Sz；
克服哑铃做功：
W＝G*Sz。
作为本发明的优选方式之一，为了进一步精确计算能耗，
Figure BDA0002085963790000042
式中：Qx、Qy、Qz表示负载在X轴、Y轴和Z轴方向上的矩的作用，W表示克服负载重力做的功。
作为本发明的优选方式之一，计算整体能耗,Q＝kxQx+kyQy+kzQz+kW；
式中：Q表示由于负载引起的能耗，系数kx、ky、kz可以通过针对上肢的具体动作训练实验标定测得，k表示功能转换系数，具体可以通过标定实验测得。
作为本发明的优选方式之一，上诉计算方法不局限于仅有上肢进行运动时的情况，当复合了人体自身的运动时，可以在腰背部固定同样的惯性传感器模块，同上诉计算方法所述，负载相对自身的运动等于负载的绝对位姿减去自身的绝对位姿。
作为本发明的优选方式之一，所述惯性传感器是三轴加速度传感器与三轴陀螺仪组合的六轴惯性传感器，或九轴姿态传感器。
本发明相比现有技术的优点在于：本发明能够实时获得使用者的手部姿态，实时查看手部运动的位移、速度、加速度，将克服负载的做功与运动过程中的负载能耗进行了量化、可视化，通过上位机或手机App就可进行监测，有利于为康复训练制定训练计划，有利于为使用者的运动锻炼过程增加积极性。本发明惯性传感器便于和可拆卸安装带配合，惯性传感器可拆卸用于充电和开关，安装方便。本发明的哑铃可拆卸安装带可以适用于不同型号的哑铃，并且安装方便。
附图说明
图1是实施例1中的一种基于惯性传感器的哑铃的整体爆炸结构示意图；
图2是实施例2中的一种基于惯性传感器的哑铃的整体爆炸结构示意图；
图3是实施例3中的以惯性传感器模块的位姿做出的坐标系变换示意图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
如图1所示，本实施例的一种基于惯性传感器的哑铃，包括第一哑铃本体1、可拆卸安装带2、惯性传感器3、哑铃端头保护套4，所述可拆卸安装带2中间设有用于容置惯性传感器3的安装槽，所述姿态测量模块3安装并限位于安装槽内，所述哑铃端头保护套4为两个分别套在第一哑铃本体1两端的端头，所述可拆卸安装带2的两端设有卡扣5，每个所述哑铃端头保护套4上均设有若干卡扣孔5，所述可拆卸安装带2的两端通过卡扣、卡扣孔5的配合安装与连哑铃端头保护套4相连，所述卡扣孔5为多排且排布方向为可拆卸安装带2的舒展方向，所述惯性传感器3分布于垂直于第一哑铃本体1轴线的中心平面上，本实施例的惯性传感器便于和可拆卸安装带配合，惯性传感器可拆卸用于充电和开关，安装方便。本实施例的哑铃可拆卸安装带可以适用于不同型号的哑铃，并且安装方便。
实施例2
如图2所示，本实施例还公开了另一种基于惯性传感器的哑铃，包括第二哑铃本体6、惯性传感器3、第二哑铃保护套8，所述惯性传感器3分布于垂直于第二哑铃本体6轴线的中心平面上，惯性传感器3安装于第二哑铃本体6中间杆内，所述第二哑铃本体6的中间杆上开设有放置槽10，放置槽10的侧面开设有固定螺纹孔7，所述惯性传感器3安装于放置槽10内并通过在固定螺纹孔7加入固定螺钉9进行紧固，所述第二哑铃保护套8套于第二哑铃本体6的中间杆上，所述第二哑铃保护套8上设有防滑按摩粒，本实施例的哑铃结构简单，安装方便。
实施例3
本实施例还公开了一种基于惯性传感器的位姿检测与能耗计算方法，在手部抓握一个负载(可以为哑铃或者其他健身器材)，所述负载内置惯性传感器模块，根据所述惯性传感器模块返回的参数解算手部末端负载的实时位姿，计算负载消耗的能耗，检测计算过程包括以下步骤：
步骤一：在0时刻，对惯性传感器在初始位标定，在O点以所述惯性传感器的位姿定义基准坐标系M:xyz；
步骤二：在t时刻，在O”点以所述惯性传感器的位姿定义载体坐标系M”:x”y”z”；
步骤三：定义辅助坐标系N：x’y’z’,所述辅助坐标系以O为原点，坐标轴指向与所述载体坐标系相同；
所述载体坐标系，在0-t时刻，可看做先发生旋转变换，再发生平移变换(M→N→M”)；
在t时刻,所述惯性传感器返回滚转角α、俯仰角β、偏航角γ；故旋转变换矩阵如下：
Figure BDA0002085963790000071
于是变换矩阵：
Figure BDA0002085963790000072
在t时刻,所述惯性传感器返回沿着x”方向的加速度
Figure BDA0002085963790000073
返回沿着y”方向的加速度
Figure BDA0002085963790000074
返回沿着z”方向的加速度
Figure BDA0002085963790000075
根据所述旋转变换矩阵，对返回的加速度信号进行解耦，消除重力加速度g的影响。
所述解耦步骤如下：
步骤一：定义x”、y”、z”(同x’、y’、z’)与-z轴的夹角分别为∠1、∠2、∠3；
步骤二：定义N中存在沿着x’轴的向量
Figure BDA0002085963790000081
其在M中的描述:
Figure BDA0002085963790000082
Figure BDA0002085963790000083
定义M内存在沿着-z轴的向量
Figure BDA0002085963790000084
则
Figure BDA0002085963790000085
同理定义N中存在沿着y’轴的向量
Figure BDA0002085963790000086
存在沿着z’轴的向量
Figure BDA0002085963790000087
可得：
Figure BDA0002085963790000088
Figure BDA0002085963790000089
步骤三：根据三元一次方程组：
Figure BDA00020859637900000810
求解得：在所述载体坐标系(同所述辅助坐标系)下，所述负载的运动加速度ax”、ay”、az”；
对所述负载装置的运动加速度，将载体坐标系(同辅助坐标系)下的描述，转换到基准坐标系下，其运动加速度ax、ay、az：
Figure BDA0002085963790000091
对ax、ay、az分别进行一次积分、两次积分可以得到负载装置的速度Vx、Vy、Vz与位移Sx、Sy、Sz；
克服哑铃做功：
W＝G*Sz。
为了进一步精确计算能耗，
Figure BDA0002085963790000092
式中：Qx、Qy、Qz表示负载在X轴、Y轴和Z轴方向上的矩的作用，W表示克服负载重力做的功。
计算整体能耗,Q＝kxQx+kyQy+kzQz+kW；
式中：Q表示由于负载引起的能耗，系数kx、ky、kz可以通过针对上肢的具体动作训练实验标定测得，k表示功能转换系数，具体可以通过标定实验测得。
特别地，上诉计算方法不局限于仅有上肢进行运动时的情况，当复合了人体自身的运动时，可以在腰背部固定同样的惯性传感器模块，同上诉计算方法所述，负载相对自身的运动等于负载的绝对位姿减去自身的绝对位姿。
另外的，所述惯性传感器可以是三轴加速度传感器与三轴陀螺仪组合的六轴惯性传感器，或九轴姿态传感器。
本实施例的方法能够实时获得使用者的手部姿态，实时查看手部运动的位移、速度、加速度，将克服负载的做功与运动过程中的负载能耗进行了量化、可视化，通过上位机或手机App就可进行监测，有利于为康复训练制定训练计划，有利于为使用者的运动锻炼过程增加积极性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于惯性传感器的位姿检测与能耗计算方法，位姿包括位移和姿态角，其特征在于：在手部抓握一个负载，所述负载内置惯性传感器模块，根据惯性传感器模块返回的参数解算手部末端负载的实时位姿，计算负载消耗的能耗，检测计算过程包括以下步骤：
步骤一：在0时刻，对惯性传感器在初始位标定，在O点以所述惯性传感器的位姿定义基准坐标系M:xyz；
步骤二：在t时刻，在O”点以所述惯性传感器的位姿定义载体坐标系M”:x”y”z”；
步骤三：定义辅助坐标系N：x’y’z’,所述辅助坐标系以O为原点，坐标轴指向与所述载体坐标系相同；
所述载体坐标系，在0-t时刻，可看做先发生旋转变换，再发生平移变换(M→N→M”)；
在t时刻,所述惯性传感器返回滚转角α、俯仰角β、偏航角γ；故旋转变换矩阵如下：
Figure FDA0003824063050000011
于是变换矩阵：
Figure FDA0003824063050000012
在t时刻,所述惯性传感器返回沿着x”方向的加速度
Figure FDA0003824063050000013
返回沿着y”方向的加速度
Figure FDA0003824063050000014
返回沿着z”方向的加速度
Figure FDA0003824063050000015
根据所述旋转变换矩阵，对返回的加速度信号进行解耦，消除重力加速度g的影响，
所述解耦步骤如下：
步骤一：定义x”、y”、z”(同x’、y’、z’)与-z轴的夹角分别为∠1、∠2、∠3；
步骤二：定义N中存在沿着x’轴的向量
Figure FDA0003824063050000021
其在M中的描述:
Figure FDA0003824063050000022
Figure FDA0003824063050000023
定义M内存在沿着-z轴的向量
Figure FDA0003824063050000024
则
Figure FDA0003824063050000025
同理定义N中存在沿着y’轴的向量
Figure FDA0003824063050000026
存在沿着z’轴的向量
Figure FDA0003824063050000027
可得：
Figure FDA0003824063050000028
Figure FDA0003824063050000029
步骤三：根据三元一次方程组：
Figure FDA00038240630500000210
求解得：在所述载体坐标系(同所述辅助坐标系)下，所述负载的运动加速度ax”、ay”、az”；
对所述负载装置的运动加速度，将载体坐标系(同辅助坐标系)下的描述，转换到基准坐标系下，其运动加速度ax、ay、az：
Figure FDA0003824063050000031
对ax、ay、az分别进行一次积分、两次积分可以得到负载装置的速度Vx、Vy、Vz与位移Sx、Sy、Sz；
克服哑铃做功：
W＝G*Sz。
2.根据权利要求1所述的基于惯性传感器的位姿检测与能耗计算方法，其特征在于，为了进一步精确计算能耗，
Figure FDA0003824063050000032
式中：Qx、Qy、Qz表示负载在X轴、Y轴和Z轴方向上的矩的作用，W表示克服负载重力做的功。
3.根据权利要求2所述的基于惯性传感器的位姿检测与能耗计算方法，其特征在于，计算整体能耗,Q＝kxQx+kyQy+kzQz+kW；
式中：Q表示由于负载引起的能耗，系数kx、ky、kz可以通过针对上肢的具体动作训练实验标定测得，k表示功能转换系数，具体可以通过标定实验测得。
4.根据权利要求1-3任一所述的基于惯性传感器的位姿检测与能耗计算方法，其特征在于，上诉计算方法不局限于仅有上肢进行运动时的情况，当复合了人体自身的运动时，可以在腰背部固定同样的惯性传感器模块，同上诉计算方法所述，负载相对自身的运动等于负载的绝对位姿减去自身的绝对位姿。
5.根据权利要求1-3任一所述的基于惯性传感器的位姿检测与能耗计算方法，其特征在于，所述惯性传感器是三轴加速度传感器与三轴陀螺仪组合的六轴惯性传感器，或九轴姿态传感器。
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