CN110881980A - 测量用户运动用的传感器的校准 - Google Patents

Abstract

本发明涉及测量用户运动用的传感器的校准。提供一种即使在将传感器附接到由于姿势或运动障碍难以笔直站立或维持笔直姿势的患者时，也能够以准确的方式校准惯性测量传感器的方法。该方法包括将用于检测三轴加速度和三轴角速度的惯性测量传感器(2)附接到用户(U)的躯干、股骨部分和小腿部分中的每一者，以测量用户的运动；并且使用户以标准姿势坐在椅子(20)上，其中用户的躯干和小腿部分基本上彼此平行，并且股骨部分与躯干和小腿部分基本正交；并且通过使用当用户处于标准姿势时的惯性测量传感器的输出作为参考值来校准惯性测量传感器。

Description

测量用户运动用的传感器的校准

技术领域

本发明涉及用于测量用户的运动的传感器的校准方法，用于进行该校准方法的椅子以及用于以有效方式进行该校准方法的系统。

背景技术

已知的辅助用户的行走运动的行走辅助装置基于用户的左右髋关节之间的差异角来计算要给予用户的辅助力(参见JP5938124B1)。在该行走辅助装置中，因为辅助力的计算基于髋关节的差异角度，所以即使在由患者的不对称步态表现的偏瘫行走障碍的情况下，也能够向患者提供合适的循环辅助力。

在用于辅助患者的运动使其站立的已知装置中，除了用于测量患者的肌电值的肌电图单元之外，还使用角度测量单元来获取患者的上躯干的向前倾斜角度，以尽可能早期开始检测患者的站立运动。参见JP2017-164470A。在该现有技术中，能够检测三轴加速度，三轴角速度和三轴地磁的九轴传感器(IMU：惯性测量单元)附接到患者的下躯干(骨盆部分)。通过检测坐在椅子中并且即将站立的患者的向前倾斜角度(而不是患者的实际站立运动)，能够在早期检测患者站立的意图。

自从可用高度紧凑的IMU以来，常常发现使用这种装置来检测患者的姿势和运动是一种有吸引力的选择。例如，IMU可以附接到佩戴行走辅助装置的患者的合适部位，以测量由使用行走辅助装置引起的患者运动的变化。如果需要，可以将测量值反馈给行走辅助设备。与大多数其他传感器的情况一样，IMU需要进行校准以产生正确的测量值。

已经提出了一种用于三轴加速度传感器的特定校准方法，该三轴加速度传感器将用在被构造成由患者佩戴的行走辅助装置中。根据该校准方法，在患者以笔直姿势站立的情况下操作开关时加速度传感器被校准。参见JP6103280B2的段落“0021”至“0021”。可以将患者躯干的向前倾斜角度测量为与患者笔直站立时测量的参考倾斜角度的偏差。

然而，由于偏瘫行走障碍或其他姿势或运动障碍，患者可能无法自己笔直站立。在这种情况下，可能不容易或正确校准附接到患者的IMU。

发明内容

鉴于现有技术的这种问题，本发明的主要目的是提供一种用于即使当传感器附接到由于姿势或运动障碍难以笔直站立或维持笔直姿势的患者时以准确方式校准惯性测量传感器的方法。本发明还提供一种能够有利地用于实施该校准方法的椅子，还提供一种允许以准确的方式进行校准的行走运动测量系统。

为了实现这样的目的，本发明的一个方面提供一种校准方法，该校准方法包括：将惯性测量传感器(2)附接到用户(U)的躯干、股骨部分和小腿部分中的每一者以测量所述用户的运动，每个惯性测量传感器构造成测量三轴加速度和三轴角速度(ST1)；使用户以标准姿势坐在椅子(20)上，其中用户的躯干和小腿部分基本上彼此平行，并且股骨部分与躯干和小腿部分基本正交(ST2)；以及通过使用当用户处于所述标准姿势时所述惯性测量传感器的输出作为参考值来校准所述惯性测量传感器(ST3)。

已知遭受诸如脑瘫之类的各种形式的运动障碍的患者在维持笔直站立姿势方面存在一些困难，但是已知能够以相对稳定的方式维持坐姿。因此，通过在用户处于坐姿时校准惯性测量传感器，能够高精度地校准惯性测量传感器，而不会对用户造成任何过度的负担。典型地，使用在用户处于坐姿时获得的参考值作为确定惯性测量传感器的检测值的零点。

优选地，所述的校准方法还包括：通过使用光学动作捕获单元检测附接所述惯性测量传感器(2)的用户的运动(ST7)，并根据所述光学动作捕获单元检测到的用户的运动来校正每个惯性测量传感器的输出的线性模型的斜率(ST8、ST9)。

通过如此根据光学动作捕获单元检测到的用户的运动来校正每个惯性测量传感器的输出的线性模型的斜率，能够正确地调整每个惯性测量传感器的灵敏度，使得能够以高度准确的方式测量用户的运动。

本发明的另一方面提供一种用于所述校准方法的椅子(2)，所述椅子包括：座位(21)，其构造成能调节从搁脚板表面(26a)到所述座位的就座表面(21a)测量的高度，使得用户的股骨部分沿着所述就座表面延伸；靠背(22)，其构造成能相对于所述座位在前后方向上移动，使得用户的膝盖的后部与所述就座表面的前边缘相邻，并且用户的背部沿所述靠背的靠背表面(22a)延伸；以及小腿引导构件(25)，其构造成引导用户的小腿部分，使得所述用户的脚后跟正好定位在所述就座表面的所述前边缘下方。

为了在用户处于舒适和轻松的坐姿时进行惯性测量传感器的校准，使用允许轻松地维护用户的膝关节、骨盆关节和踝关节的角度的特殊设计的椅子是有利的。

本发明的另一方面提供一种行走运动测量系统，包括：多个惯性测量传感器(2)，其分别附接到用户的躯干、股骨部分和小腿部分，用于测量用户的运动，每个惯性测量传感器构造成测量三轴加速度和三轴角速度；行走辅助装置(10)，其包括：骨盆框架(11)，所述骨盆框架构造成由用户的骨盆部分佩戴；腿部框架(12)，所述腿部框架构造成由用户的腿部佩戴；以及动力单元(13)，所述动力单元用于相对于所述骨盆框架驱动所述腿部框架，以辅助用户的行走运动；和测量装置(4)，其构造成根据所述行走辅助装置辅助用户的行走运动时所述惯性测量传感器的输出来测量用户(U)的躯干、股骨部分和小腿部分的运动；所述测量装置构造成通过使用用户处于标准姿势时所述惯性测量传感器的输出作为参考值来校准所述惯性测量传感器，在所述标准姿势，用户的躯干和小腿部分基本上彼此平行并且股骨部分与躯干和小腿部分基本正交。

因此，当行走辅助装置辅助用户的行走运动时，通过在允许附接惯性测量传感器的用户以舒适的方式就座而不是需要用户采取不舒适或困难的姿势(例如笔直站立的姿势)的同时正确地校准惯性测量传感器，能够以准确的方式测量用户的躯干、股骨部分和小腿部分的运动。

优选地，所述测量装置(4)构造成通过使用光学动作捕获单元(42)来检测用户的运动，并且根据由所述光学动作捕获单元检测到的用户的运动来校正每个惯性测量传感器的输出的线性模型的斜率。

因此，能够根据光学动作捕获单元检测到的用户的运动来校正每个惯性测量传感器的输出的线性模型的斜率。因此，能够最小化由于惯性测量传感器的特性的变更引起的误差，并且能够提高用户的运动的测量准确度。

优选地，所述行走辅助装置(10)设置有用于控制所述动力单元的驱动力的控制单元(14)，并且所述控制单元位于用户(U)的后侧，而附接到用户的躯干的所述惯性测量传感器(2)位于用户的躯干的前侧。

因此，保护附接到用户躯干的惯性测量传感器免受电磁干扰，否则行走辅助装置的控制单元可能引起电磁干扰。

优选地，所述的行走运动测量系统还包括：椅子，其包括：座位(21)，其构造成能调节从搁脚板表面(26a)到所述座位的就座表面(21a)测量的高度；靠背(22)，其构造成能相对于所述座位在前后方向上移动；以及小腿引导构件(25)，其构造成引导用户的小腿部分，使得用户的脚后跟正好定位在所述就座表面的前边缘下方；以及输入操作单元(5)，其用于接受使所述测量装置开始所述惯性测量传感器的校准过程的操作。

通过调节就座表面距离搁脚板表面的高度以及靠背的前后位置，允许用户的股骨部分沿着就座表面延伸，并且使得用户的膝盖的后部邻接就座表面的前边缘，以便能够以准确的方式进行惯性测量传感器的校准。在确认用户合适地坐在座位上之后，操作者能够从输入操作单元命令测量装置开始校准过程。因此，能够通过使用高度简单的结构精确地进行校准过程。

优选地，所述椅子的所述靠背(22)设置有：接纳开口(37)，所述接纳开口构造成接纳所述行走辅助装置(10)的所述骨盆框架(11)；以及椅子侧标记(38)，其加接至所述靠背的围绕所述接纳开口的部分上，并且所述行走辅助装置的所述骨盆框架设置有在横向上对应于所述椅子侧标记的装置侧标记(39)。

因此，骨盆框架不会阻止用户以使得用户的股骨部分沿着就座表面延伸并且用户的膝盖的后部邻接就座表面的前边缘的方式就座。此外，接纳开口允许在用户坐在座位上时将行走辅助装置放置在用户上。这最小化了在将行走辅助装置放置在用户上时可能引起的用户的部位的不适。通过将椅子侧标记与装置侧标记对准，能够以高度简单并准确的方式实现用户相对于座位的居中。这还可以帮助行走辅助装置以高水平的居中准确度放置在用户上。

优选地，所述座位(21)设置有压力传感器(27)，用于检测施加到所述就座表面(21a)的压力，并且所述测量装置(4)设置有横向中央确定单元(45)，所述横向中央确定单元构造成根据当所述用户以所述标准姿势坐在所述座位上时获得的所述压力传感器的输出来确定所述用户的横向重心是否位于所述座位的横向中央区域。

因此，在开始惯性测量传感器的校准之前，测量装置的横向中央确定单元能够容易地确认用户坐在座位的中央。

优选地，所述测量装置(4)还包括通知单元(7)，用于在所述横向中央确定单元确定所述用户的所述横向重心位于所述座位(21)的所述横向中央区域时通知可接受的结果。

因此，在将行走辅助装置放置在用户上或校准惯性测量传感器之前，操作者能够容易地确认用户在椅子上居中地就座。

因此，本发明提供了一种用于即使当传感器附接到由于姿势或运动障碍难以笔直站立或维持笔直姿势的患者时以准确的方式校准惯性测量传感器的方法。本发明还提供了一种能够有利地用于实施该校准方法的椅子，还提供了一种允许以准确的方式进行校准的行走运动测量系统。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施方式的行走运动测量系统的整体视图；

图2是图1中所示的行走辅助装置的立体图；

图3是图1中所示椅子的立体图；

图4是椅子的侧视图，其中用户坐在椅子上；

图5是图4中所示状态的椅子的局部后立体视图；

图6是图4中所示状态的椅子的局部后视图；

图7是图1中所示的测量装置的框图；

图8A是根据现有技术的膝角的时间图；

图8B是根据本发明的实施方式的膝角的时间图；

图9是示出由惯性测量传感器检测到的用户的身体部位的角度与通过光学动作捕获检测到的相应角度之间的相互关系的曲线图；和

图10是示出根据本发明的实施方式的校准过程的流程图。

具体实施方式

下面参考附图描述本发明的优选实施方式。

图1是示出根据本发明的实施方式的行走运动测量系统1的整体示意图。如图1中所示，行走运动测量系统1构造成检测用户U的行走运动，并且包括：多个惯性测量传感器2，其附接到用户U的身体的各个部位；以及测量装置4，其构造成通过使用无线通信装置3获取惯性测量传感器2的输出。行走运动测量系统1由想要测量用户U的行走运动的操作者使用。

每个惯性测量传感器2均由检测三轴加速度、三轴角速度和三轴地磁的九轴IMU(惯性测量单元)构成，并传输来自无线传输单元(图中未示出)的检测数据。惯性测量传感器2也可以是检测三轴加速度和三轴角速度的六轴IMU。在所示实施方式中，总共十个惯性测量传感器2附接到用户U的各个部位，包括胸部的前中央部、左右肩的后部、骨盆部分的前部、左右股骨部分的前部、左右小腿部分的前部，以及用户的左右脚的上部。

测量装置4基本上由设置有包括CPU、RAM、ROM等的电子电路单元的个人计算机构成。测量装置4设置有：用于接收输入操作的输入操作面板5(键盘)；用于向操作者显示信息的显示单元6；以及用于向操作者提供声音警告的扬声器7(图7)。测量装置4经由无线通信装置3获取惯性测量传感器2的输出，并且计算用户U的各个部位的运动作为来自惯性测量传感器2的输出的数值数据。如下文中描述的，数据被存储并分析。构成测量装置4的CPU构造成从其存储装置(存储器)读取必要的数据和应用软件，并且在应用软件的控制下操作以进行必要的算术处理。

特别地，测量装置4构造成将当用户U在没有行走辅助装置10的帮助下进行行走运动时从惯性测量传感器2获得的数据与当用户U借助于行走辅助装置10进行行走运动时获得的数据进行比较。为此，希望将至少五个惯性测量传感器2附接到用户的躯干、左右股骨部分以及左右小腿部分或左右脚区域上。因此，取决于目的，惯性测量传感器2可以不附接到前面提到的所有十个位置。

惯性测量传感器2可以不以均匀的方式附接到用户U的身体的各个部位，并且惯性测量传感器2的位置和/或角度可以从一个实例到另一个实例变化。此外，惯性测量传感器2的性能的一些变化是不可避免的。因此，测量装置4需要在惯性测量传感器2附接到用户U之后校准惯性测量传感器2。当用户采取诸如笔直站立姿势之类的规定姿势(标准姿势)时，需要进行惯性测量传感器2的校准，以便可以建立从惯性测量传感器2获得的值的参考点(零点)。

如果用户U遭受诸如偏瘫行走障碍之类的某些姿势或运动障碍，则用户可能无法维持笔直姿势。即使当用户没有遭受姿势或运动障碍时，用户仍可能无法在完成校准过程所需的时间段内维持笔直不动的姿势。

基于这些考虑，在本实施方式中，准备专用校准椅(下文中简称为椅子20)，以便允许用户U采取并维持标准姿势，而不需要在完成校准过程所需的时间段内进行任何过度的努力。

下面参考图2描述行走辅助装置10，图2以放大立体图示出了图1的行走辅助装置10。如图2所示，行走辅助装置10包括：骨盆框架11，骨盆框架11在平面图中具有字母C的形状并且构造成佩戴在用户的臀部或腰部(骨盆部分)上；一对股骨框架12，这一对股骨框架12中的每一者均具有连接到骨盆框架11的相应端部的基端部，以便可绕与髋关节的旋转中心线重合的旋转中心线枢转，并且构造成在其自由端部处佩戴在用户的相应股骨部分上；一对驱动单元13，这一对驱动单元13用于驱动相应的股骨框架12；控制单元14，该控制单元14用于控制驱动单元13的操作；一对角度传感器15，这对角度传感器15用于检测各个股骨框架12相对于骨盆框架11的角位移；以及电池(图中未示出)，该电池用于给驱动单元13和控制单元14提供电力。

骨盆框架11由结合了诸如硬树脂或金属之类的刚性材料以及诸如纤维之类的柔性材料的轻质复合材料制成，并且通过使用连接到骨盆框架11的带16附接到用户U的骨盆部分。位于用户骨盆部分前部的惯性测量传感器2附接到带16。由缓冲材料制成的骨盆支撑件17居中地附接到骨盆框架11的前表面(与用户U的下背部相对的位置)。

每个股骨框架12设置有：臂19，臂19具有可枢转地连接到骨盆框架11(或相应的驱动单元13的输出端)的上端；以及股骨支撑构件18，股骨支撑构件18附接到臂19的下端并且构造成佩戴在用户U的下股骨部分上。每个臂19均由轻质的高刚度复合材料制成，并且具有高机械强度。每个股骨支撑构件18均包括：高刚性部件，其附接到相应臂19的下端；以及柔性部件，其构造成缠绕在用户U的下股骨部分周围并且连接到刚性部件。位于用户U的每个股骨部分的前部上的惯性测量传感器2附接到股骨支撑构件18。

驱动单元13均结合有电动马达和减速齿轮单元。每个驱动单元13均通过接收来自电池的电力供应，以在控制单元14的控制下提供必要辅助力所需的扭矩驱动相应的臂19。由驱动单元13提供的扭矩因此经由股骨支撑构件18传递到用户U的股骨部分。

角度传感器15由绝对型角度传感器构成，该绝对型角度传感器附接到用户U的骨盆部分的两侧上的骨盆框架11的相应端部，以分别检测左右股骨框架12相对于骨盆框架11的角度(绝对角度)，从而产生与各个股骨框架12相对于用户U的躯干的角度对应的角度信号。角度信号被提供给控制单元14。

电池(图中未示出)可以被接纳在形成于骨盆框架11中的凹口(图中未示出)中，并固定地保持在其中以向控制单元14和驱动单元13供应电力。控制单元14也固定到股骨框架12，但也可以与行走辅助装置10分开设置。

控制单元14可以由电子电路单元构成，该电子电路单元包括CPU、RAM，ROM等，并且控制单元14构造成执行用于驱动单元13的操作的计算/控制过程，或者换句话说，构造成执行用于确定施加至用户U的辅助力的计算/控制过程。控制单元14构造成从存储装置(存储器)读取数据和应用软件，并在软件的控制下执行计算过程。

因此，行走辅助装置10通过经由骨盆框架11和股骨框架12向用户U的股骨部分施加辅助力来辅助用户U的行走运动，并且由电池供以电力的驱动单元13提供所需的动力。

图3是图1中所示的椅子20的立体图，并且图4是椅子20的侧视图，其中用户U坐在椅子20上。如图3和图4中所示，椅子20由木材制成，以便最小化产生静电噪音的风险，并且包括：座位21，其限定与地板表面平行延伸的水平就座表面21a；靠背22，其设置成可相对于座位21在前后方向上移动并且限定了与就座表面21a正交延伸的靠背表面22a；以及一对扶手23，其设置在座位21的两侧上。

座位21在平面图中具有矩形形状并且在前后方向上略微伸长，并且包括：限定就座表面21a的座位板24；从座位板24的前边缘以关于就座表面21a成直角悬垂的前板25；和设置在前板25的前下部中的搁脚板26。搁脚板26设置有高度调节机构。座位板24设置有压力传感器27，压力传感器27基本上在就座表面21a的除其周缘之外的整个区域上延伸。前板25基本上以与座位板24相同的宽度横向延伸，并且基本上在座位板24的整个高度上竖直延伸。前板25用作小腿引导构件，该小腿引导构件确保用户U的脚后跟(用户U的脚的后端)正好定位在就座表面21a的前边缘下方。

在座位板24的上表面(就座表面21a)的前部和前板25的前表面的整个竖直长度上形成由线构成的前标记28，以指示横向中央位置。前标记28用作用户U相对于横向方向坐在椅子20的中央(就座表面21a的中央)的指示器。前标记28还允许操作者确定用户U是否相对于横向方向坐在椅子20的中央(就座表面21a的中央)。

搁脚板26包括：彼此平行布置的底板29和顶板30；以及剪刀机构31(X连杆)，剪刀机构31(X连杆)将底板29和顶板30彼此连接成使得能够调节顶板30相对于地板29的高度。通过调节由顶板30的上表面限定的搁脚板表面26a的高度，能够调节搁脚板26的搁脚板表面26a和就座表面21a之间的距离。如图4中所示，前板25的侧表面设置有就座表面高度刻度32，以允许指示搁脚板表面26a和就座表面21a之间的距离。

前板25用于沿着前板25的前表面或沿着从就座表面21a的前边缘向下延伸的竖直平面放置坐在座位21上的用户U的小腿部分。通过调节搁脚板26的搁脚板表面26a到就座表面21a的高度，使得如上所述就座的用户U的股骨部分沿着就座表面21a延伸。通过以这种方式使用户U坐在该椅子20上，可以使用户U的小腿部分与用户U的股骨部分正交，或者使膝关节角度为90度。

通过相对于就座表面21a调节靠背22在前后方向上的位置，用户能够以这样的方式就座：用户U的背部和臀部靠着靠背表面22a放置，而用户U的每个膝盖的后部抵靠就座表面21a的前边缘。通过以这种方式使用户U坐在该椅子20上，使用户U的躯干与用户U的股骨部分正交，并且使髋关节角度为90度。

靠背22设置有：一对竖直柱33，其沿座位21的两侧笔直延伸；以及靠背板34，其在柱33之间横向延伸以限定靠背表面22a。在所示实施方式中，靠背板34由板条板构成，但也可以是实心板。如图4中所示，座位21的侧表面标有就座表面长度刻度35，用于测量就座表面21a的前边缘和靠背表面22a之间的距离，就座表面长度刻度35的零点位于就座表面21a的前边缘处。靠背22的侧表面标有靠背高度刻度36，用于测量物体(例如骨盆框架11或惯性测量传感器2)与就座表面21a的距离，靠背高度刻度36的零点位于就座表面21a处。

图5是从后部观察到的在图4中所示的状态下的椅子20的局部立体图，并且图6是示出在图4中所示的状态下的椅子20的局部后视图。如图5和图6中所示，靠背板34在柱33之间延伸，但在靠背板34的下边缘和就座表面21a之间存在间隙，使得在靠背22的下部中限定接纳开口37。接纳开口37的尺寸设计成接纳行走辅助装置10的从用户U的下背部向后突出的部分。因此，尽管行走辅助装置10的一部分从用户U的下背部向后突出，但是由于存在接纳开口37，因为行走辅助装置10的向后突出的部分被接纳在接纳开口37中，所以佩戴行走辅助装置10的用户U能够坐在座位21上，用户U的下背部紧靠靠背22放置。

由线构成的后标记38在座位21的后端表面、就座表面21a的后部、在柱33的下部之间横向延伸的横向件以及靠背22的后表面中延伸，以指示相对于横向方向的中央。后标记38允许操作者通过从后方观察来确定用户U是否坐在座位21的横向中央部分中。

行走辅助装置10的骨盆框架11的后表面上形成有由线构成的装置侧标记39，该装置侧标记39在相对于横向方向的中央处沿竖直方向延伸。因此，操作者能够通过将装置侧标记39与后标记38对准来准确地确定佩戴行走辅助装置10的用户U是否相对于横向方向坐在就座表面21a的中央。

因此，用户U以标准姿势坐在椅子20上，其中躯干和小腿部分彼此平行，并且股骨部分与躯干以及小腿部分正交。当用户U处于该标准姿势时，测量装置4校准惯性测量传感器2。

图7是示出测量装置4的结构的框图。测量装置4包括校准单元41，校准单元41构造成响应于来自输入操作面板5的命令信号校准惯性测量传感器2。测量装置4还包括：斜率系数计算单元43，其用于根据来自光学动作捕获单元42的数据信号以及经由无线通信装置3从惯性测量传感器2接收的传感器信号来计算斜率系数β(其是每个惯性测量单元2的线性模型输出的斜率的校正系数)；运动测量单元44，其用于根据斜率系数β以及经由无线通信装置3从惯性测量传感器2接收的传感器信号测量用户U的运动；以及横向中央确定单元45，其用于根据表面压力传感器27的输出确定用户U是否坐在就座表面21a的中央部分。

如果在规定的公差范围内左手侧的表面压力等于右手侧的表面压力，则横向中央确定单元45确定用户U坐在就座表面21a的横向中央部分中。当确定用户U坐在就座表面21a的横向中央部分中时，横向中央确定单元45使扬声器7产生相应的声学指示以指示可接受的结果。

当从扬声器7形成声学指示以指示用户U合适地就座时，操作者然后从输入操作面板5输入命令以开始校准过程。在接收到该命令时，校准单元41开始校准惯性测量传感器2。更具体地，校准单元41获取附接到处于零的标准姿势的用户U的身体的相应部位的每个惯性测量传感器2的输出值(三轴加速度和三轴角速度)。换句话说，消除了图9中所示的偏移α。

图8A和图8B分别是用于比较的实施例中和本实施方式中的膝角的时间图。图8A的用于比较的实施例示出了遭受姿势或运动障碍的以笔直姿势站立的患者U的膝角。图8B示出了遭受姿势或运动障碍的采取标准姿势的用户U的膝角。当用户U笔直站立时，如图8A中所示，膝角随时间而波动。膝角的变化约为1.5度。当用户U以标准姿势坐着的时候，膝角更稳定，并且膝角的变化仅为约0.1度。

可以理解，基于用户U的标准姿势的校准方法允许以高度稳定的方式进行惯性测量传感器2的校准。

每个惯性测量传感器2均输出与三轴加速度和三轴角速度成比例的检测值。如本领域所公知的，惯性测量传感器2的性能的一些变化是不可避免的，并且不同的惯性测量传感器2可以针对相同的加速度或角速度产生不同的值。图9是示出由惯性测量传感器2检测到的用户U的角运动的检测角度值与由光学动作捕获单元42检测到的用户U的相同角运动的检测角度值的相关性的曲线图。表示角速度的惯性测量传感器2的输出被整合以获得角度值。惯性测量传感器2的输出可以被认为是基于线性模型的，使得与实际角度值的偏差随着实际角度值的增加而线性增加(如图9中所示)。

基于光学动作捕获单元42检测到的角度是准确的假设，斜率系数计算单元43计算校正惯性测量传感器2的输出值所需的斜率系数β。更具体地，斜率系数计算单元43通过将光学动作捕获单元42的输出的斜率除以惯性测量传感器2的输出的斜率来计算斜率系数β。计算的斜率系数β存储在与每个具体惯性测量传感器2相关联的测量装置4的存储装置中。

光学动作捕获单元42可以包含在测量装置4中，也可以构造为单独的单元。

当测量用户U的运动时，运动测量单元44通过乘以斜率系数β来校正从每个惯性测量传感器2的传感器信号获得的值。此外，运动测量单元44通过对值(加速度和角速度)进行积分来计算表示用户U的运动的速度和角度，并通过对速度进行积分来计算位置。运动测量单元44还可以通过对角速度进行微分来计算角加速度。运动测量单元44可以构造成在显示单元6上显示指示用户U的被测量的运动的这些值中的至少一个。

下面参考图10所示的流程图描述所示实施方式的校准方法。操作者将惯性测量传感器2附接到用户U的躯干、股骨部分和小腿部分中的每一者(步骤ST1)。操作者指导用户U以标准姿势坐在椅子20上(步骤ST2)。注意，如果需要，步骤ST1和ST2可以颠倒。一旦用户U以标准姿势坐在椅子20上，并且横向中央确定单元45利用声音通知指示用户U合适地坐在椅子20上，操作者就操作输入操作面板5以命令测量装置4启动惯性测量传感器的校准过程(步骤ST3)。在完成校准处理时，确定测量装置4是否已经获取每个惯性测量传感器2的斜率系数β(步骤ST4)。该确定可以由测量装置4自己进行，或者可以由操作输入操作面板5的操作者根据显示在显示单元6上的信息进行。当为每一个惯性测量传感器2获取了斜率系数β时(步骤ST4；是)，过程进入步骤ST9。

当确定未获取至少一个惯性测量传感器2的斜率系数β时(步骤ST4；否)，操作者使用户U进行行走运动和规定的校准运动(步骤ST5)。操作者操作测量装置4以便利用测量装置4检测该运动(步骤ST6)，并且同时操作光学动作捕获单元42以便利用光学动作捕获单元42检测该运动(步骤ST7)。此后，测量装置4基于通过使用光学动作捕获单元42并且通过同时使用惯性测量传感器2从用户U的移动测量的值来计算斜率系数β(步骤ST8)。然后将斜率系数β存储在与特定惯性测量传感器2相关联的测量装置4的存储装置中。此后，操作者指导用户U进行诸如行走运动之类的运动，使得测量装置4利用适当斜率校正来测量运动(步骤ST9)。

在步骤ST9中，操作者指导用户U在不佩戴行走辅助装置10的情况下行走，然后佩戴行走辅助装置10行走。在两种情况下都进行用户U的运动测量，并且评估由行走辅助装置10引起的差异。

如上所述，在根据本实施方式的校准方法中，多个惯性测量传感器2分别附接到用户U的躯干、股骨部分和小腿部分(步骤ST1)，并且用户U以标准姿势就座(步骤ST2)。在用户U以标准姿势就座的同时，基于惯性测量传感器2的输出进行惯性测量传感器2的校准(步骤ST3)。这可以称为零误差校准。因此，即使对于站立维持笔直姿势具有很大困难的患有脑瘫之类疾病的患者来说，也可以在患者在不会经历任何困难或不适的情况下以标准姿势坐着时准确地进行校准过程。这提高了患者运动测量的准确性。

此外，根据本实施方式的校准方法还包括在通过使用惯性测量传感器2测量用户U的运动的同时通过使用动作捕获单元42测量用户U的运动的步骤(步骤ST7)，并且根据运动捕获单元42检测到的运动，校正每个惯性测量传感器2的输出的线性模型的斜率(步骤ST8和步骤ST9)。这可以称为跨度误差校准。因此，能够适当地补偿惯性测量传感器2的特性的任何变更(线性模型的斜率)，并且可以高度精确地测量用户U的运动。

如图3和图4中所示，根据本实施方式的椅子20包括：座位21，座位21是可调节的，使得搁脚板表面26a和就座表面21a之间的距离可以适合于用户U；靠背22，其构造成可以在前后方向上移动；以及前板25，其具有引导用户U的小腿部分的功能，使得用户U的脚后跟正好定位在就座表面21a的前边缘下方。由此，能够容易地确保用户U的标准姿势。在标准姿势中，用户U的股骨部分沿着就座表面21a水平延伸，并且用户的小腿部分沿着前板25竖直延伸。而且，用户U的膝盖的后部邻近就座表面21a的前边缘，并且用户U的躯干沿着靠背22的靠背表面22a保持笔直。特别是，即使当用户U遭受运动或姿势障碍时，用户U也能够采取并维持校准过程所需的标准姿势而没有任何困难。而且，能够最小化校准时用户U的负担。

如图1中所示，根据本实施方式的行走运动测量系统1包括：附接到用户U的躯干、股骨部分和小腿部分的惯性测量传感器2以及构造成当用户U佩戴或未佩戴行走辅助装置10时测量用户U的躯干、股骨部分和小腿部分的运动的测量装置4。因为用户以对大多数人来说不费力的并且舒适的标准姿势就座，所以能够高准确度地校准惯性测量传感器2。基于这些惯性测量传感器2的输出，例如当用户U被行走辅助装置10辅助时可以准确地测量用户U的运动。

如图7和图10中所示，通过基于来自光学动作捕获单元42的输出校准惯性测量传感器2的线性模型的斜率来校正每个惯性测量传感器2的输出，使得适当地校正惯性测量传感器2的特性的变更，并且能够高精度地测量用户U的运动。

如图1和图3中所示，行走辅助装置10的控制单元14设置在用户U的下背上，并且附接到用户U的躯干的惯性测量传感器2位于用户U的前侧，惯性测量传感器2被防止接收来自控制单元14的电磁干扰。

如图3和4所示，根据本实施方式的椅子20包括：座位21，座位21是可调节的，使得搁脚板表面26a和就座表面21a之间的距离可以适合于用户U；靠背22，其构造成可以在前后方向上移动；以及前板25，其具有引导用户U的小腿部分的功能，使得用户U的脚后跟正好位于就座表面21a的前边缘下方。如图1和图7中所示，根据本实施方式的行走运动测量系统1包括输入操作面板5，其接受输入或命令以启动惯性测量传感器2的校准。因此，在在初始校准时，用户U以标准姿势就座，使得用户U的股骨部分沿着就座表面21a水平延伸，并且用户的小腿部分沿着前板25竖直延伸。而且，用户U的膝盖的后部与就座表面21a的前边缘相邻，并且用户U的躯干沿着靠背22的靠背表面22a保持笔直。通过在用户U处于标准姿势时开始校准过程，能够通过使用高度简单的布置高精度地校准惯性测量传感器2。

如图5和图6中所示，椅子20的靠背22设置有：接纳开口37，接纳开口37的尺寸和位置设置成接纳行走辅助装置10的骨盆框架11的后端部分；以及后标记38，其竖直地绘制在靠背22的位于接纳开口37上方和下方的部分中以指示靠背22的横向中央部分。行走辅助装置10的骨盆框架11的后侧上形成有由竖直延伸的线构成的装置侧标记39以指示骨盆框架11的横向中心线。因此，当用户U以标准姿势坐在椅子20上时，行走辅助装置10的骨盆框架11不会阻止用户U将用户U的背部靠在靠背22的靠背表面22a上，因为骨盆框架11的向后突出部分被接纳在接纳开口37中。此外，骨盆框架11可以甚至当用户U坐在椅子20上时，通过经由接纳开口37从后部接近用户U的骨盆部分而放置在用户U上。通过在用户U坐在椅子20上时放置行走辅助装置10，能够最小化行走辅助装置10放置在用户U上对用户U的负担。通过将后标记38与装置侧标记39对准，便于用户U位于椅子20的中央。

如图2中所示，座位21设置有表面压力传感器27，其检测就座表面21a的表面压力，并且测量装置4设置有横向中央确定单元45(图7)，横向中央确定单元45构造成根据表面压力传感器27的输出确定坐在座位21上的用户U的重心是否位于规定的中央区域内。因此，能够容易地验证用户U是否在开始校准过程之前坐在座位21的中央。

测量装置4设置有用作通知装置的扬声器7，该扬声器7用于根据横向中央确定单元45的输出通知用户U合适地坐在座位21上。因此，操作者可以容易地识别出用户U在开始校准过程之前已合适就座。

尽管已经根据特定实施方式描述了本发明，但是本发明不限于这样的实施方式，并且可以在不脱离本发明的精神的情况下以各种方式进行变型。例如，在不脱离本发明的范围的情况下，可以适当地改变每个构件或部分的具体构造或布置、数量、角度、过程等。另一方面，并非上述实施方式中所示的所有部件都必不可少，并且可以根据需要进行选择和替换。

Claims (10)

1.一种校准方法，该校准方法包括：

将惯性测量传感器附接到用户的躯干、股骨部分和小腿部分中的每一者以测量用户的运动，每个惯性测量传感器构造成测量三轴加速度和三轴角速度；

使用户以标准姿势坐在椅子上，在所述标准姿势中，用户的躯干和小腿部分基本上彼此平行，并且股骨部分与躯干和小腿部分基本正交；以及

通过使用当用户处于所述标准姿势时所述惯性测量传感器的输出作为参考值来校准所述惯性测量传感器。

2.根据权利要求1所述的校准方法，该校准方法还包括：通过使用光学动作捕获单元检测附接有所述惯性测量传感器的用户的运动，并根据所述光学动作捕获单元检测到的用户的运动来校正每个惯性测量传感器的输出的线性模型的斜率。

3.一种椅子，该椅子用于在根据权利要求1或2所述的校准方法中使用，所述椅子包括：

座位，该座位构造成能调节从搁脚板表面到所述座位的就座表面测量的高度，使得用户的股骨部分沿着所述就座表面延伸；

靠背，该靠背构造成能相对于所述座位在前后方向上移动，使得用户的膝盖的后部与所述就座表面的前边缘相邻，并且用户的背部沿所述靠背的靠背表面延伸；以及

小腿引导构件，该小腿引导构件构造成引导用户的小腿部分，使得用户的脚后跟正好定位在所述就座表面的所述前边缘下方。

4.一种行走运动测量系统，该行走运动测量系统包括：

多个惯性测量传感器，所述多个惯性测量传感器分别附接到用户的躯干、股骨部分和小腿部分，用于测量用户的运动，每个惯性测量传感器构造成测量三轴加速度和三轴角速度；

行走辅助装置，该行走辅助装置包括：骨盆框架，所述骨盆框架构造成由用户的骨盆部分佩戴；腿部框架，所述腿部框架构造成由用户的腿部佩戴；以及动力单元，所述动力单元用于相对于所述骨盆框架驱动所述腿部框架，以辅助用户的行走运动；和

测量装置，所述测量装置构造成根据所述行走辅助装置辅助用户的行走运动时所述惯性测量传感器的输出来测量用户的躯干、股骨部分和小腿部分的运动，

所述测量装置构造成通过使用当用户处于标准姿势时所述惯性测量传感器的输出作为参考值来校准所述惯性测量传感器，在所述标准姿势中，用户的躯干和小腿部分基本上彼此平行并且股骨部分与躯干和小腿部分基本正交。

5.根据权利要求4所述的行走运动测量系统，其中，所述测量装置构造成通过使用光学动作捕获单元来检测用户的运动，并且根据由所述光学动作捕获单元检测到的用户的运动来校正每个惯性测量传感器的输出的线性模型的斜率。

6.根据权利要求4或5所述的行走运动测量系统，其中，所述行走辅助装置设置有用于控制所述动力单元的驱动力的控制单元，并且所述控制单元位于用户的后侧，而附接到用户的躯干的所述惯性测量传感器位于用户的躯干的前侧。

7.根据权利要求4或5所述的行走运动测量系统，该行走运动测量系统还包括：

椅子，该椅子包括：座位，该座位构造成能调节从搁脚板表面到所述座位的就座表面测量的高度；靠背，该靠背构造成能相对于所述座位在前后方向上移动；以及小腿引导构件，该小腿引导构件构造成引导用户的小腿部分，使得用户的脚后跟正好定位在所述就座表面的前边缘下方；以及

输入操作单元，该输入操作单元用于接受使所述测量装置开始所述惯性测量传感器的校准过程的操作。

8.根据权利要求7所述的行走运动测量系统，其中，所述椅子的所述靠背设置有：接纳开口，所述接纳开口构造成接纳所述行走辅助装置的所述骨盆框架的一部分；以及椅子侧标记，所述椅子侧标记设置在所述靠背的围绕所述接纳开口的部分上，并且所述行走辅助装置的所述骨盆框架设置有在横向上对应于所述椅子侧标记的装置侧标记。

9.根据权利要求7所述的行走运动测量系统，其中，所述座位设置有压力传感器，用于检测施加到所述就座表面的压力，并且所述测量装置设置有横向中央确定单元，所述横向中央确定单元构造成根据当用户以所述标准姿势坐在所述座位上时获得的所述压力传感器的输出来确定用户的横向重心是否位于所述座位的横向中央区域。

10.根据权利要求9所述的行走运动测量系统，其中，所述测量装置还包括通知单元，该通知单元用于在所述横向中央确定单元确定用户的所述横向重心位于所述座位的所述横向中央区域时通知可接受的结果。

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