CN114668389A - 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 - Google Patents

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 Download PDF

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CN114668389A CN202210209062.8A CN202210209062A CN114668389A CN 114668389 A CN114668389 A CN 114668389A CN 202210209062 A CN202210209062 A CN 202210209062A CN 114668389 A CN114668389 A CN 114668389A
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angle
rotation matrix
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李万宝
宋真子
万航
吴兵兵
李小舟
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Abstract

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。

Description

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
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
Figure BDA0003532391280000021
步骤32、根据夹角α对旋转矩阵
Figure BDA0003532391280000022
进行修正；
步骤33、以修正后的旋转矩阵
Figure BDA0003532391280000023
转换得到校正后的欧拉角作为最终的关节角度，完成外骨骼设备穿戴的误差校正。
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。
进一步的，所述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，包括：
步骤2.1、检测穿戴者是否满足下肢平躺校正条件，所述下肢平躺校正条件为：穿戴者下肢脚尖朝上平躺于水平面上并保持静止状态至少2秒；
步骤2.2、若检测到穿戴者不满足下肢平躺校正条件，则返回步骤2.1继续检测；否则执行步骤2.3；
步骤2.3、获取IMU测量得到的加速度值ax和ay，其中ax为X轴方向的加速度分量，其中ay为Y轴方向的加速度分量；
步骤2.4、若外骨骼设备穿戴在穿戴者下肢外侧面，则计算得到的夹角α为：
Figure BDA0003532391280000031
若外骨骼设备穿戴在穿戴者下肢正面，则计算得到的夹角α为：
Figure BDA0003532391280000032
式中，夹角α为弧度制。
进一步的，所述将IMU测量得到的欧拉角转换为旋转矩阵
Figure BDA0003532391280000033
包括：
定义旋转矩阵
Figure BDA0003532391280000034
如下：
Figure BDA0003532391280000035
式中，下标s表示转动坐标系的坐标轴，即xs、ys、zs分别为转动坐标系的X轴、Y轴和Z轴的坐标，下标g表示地面坐标系的坐标轴，即xg、yg、zg分别为地面坐标系的X轴、Y轴和Z轴的坐标；
取转动坐标系按照Y-X-Z的旋转顺序进行转动，则得到以IMU测量的欧拉角θ、φ、ψ转换得到的旋转矩阵
Figure BDA0003532391280000036
如下：
Figure BDA0003532391280000037
式中，θ为俯仰角，是围绕转动坐标系Y轴的转动角度，φ为滚转角，是围绕转动坐标系X轴的转动角度，ψ为偏航角，是围绕转动坐标系Z轴的转动角度。
进一步的，所述根据夹角α对旋转矩阵
Figure BDA0003532391280000038
进行修正，包括：
当外骨骼设备穿戴规范且穿戴者在直立、坐姿或者平躺状态下做沿着人体矢状面内的运动时，角度ψ为零，即得到无误差情况下旋转矩阵
Figure BDA0003532391280000039
的第三行为
Figure BDA00035323912800000310
如下所示：
Figure BDA00035323912800000311
式中，
Figure BDA00035323912800000312
表示无误差情况下旋转矩阵
Figure BDA00035323912800000313
的第三行，θ′为无误差情况下的俯仰角，φ′为无误差情况下的滚转角；
由于夹角α为沿转动坐标系Z轴转动所产生的角度，则以Y-X-Z为旋转顺序的偏航角ψ与夹角α为同一个角度，取该旋转顺序下用于校正计算的理论偏航角为ψ″且ψ″＝α；
因此根据理论偏航角为ψ″计算得到如下结果：
Figure BDA0003532391280000041
Figure BDA0003532391280000042
式中，
Figure BDA0003532391280000043
为旋转矩阵
Figure BDA0003532391280000044
第三行第一列的元素，
Figure BDA0003532391280000045
为旋转矩阵
Figure BDA0003532391280000046
第三行第二列的元素；
以计算得到的-sinθ′和sinφ′cosθ′分别更新旋转矩阵
Figure BDA0003532391280000047
第三行第一列的元素和第三行第二列的元素，完成对旋转矩阵
Figure BDA0003532391280000048
的修正。
进一步的，所述以修正后的旋转矩阵
Figure BDA0003532391280000049
转换得到校正后的欧拉角，包括：
取转动坐标系按照Z-Y-X的旋转顺序进行转动，则计算得到修正后的滚转角φ′和俯仰角θ′如下：
Figure BDA00035323912800000410
Figure BDA00035323912800000411
式中，
Figure BDA00035323912800000412
为更新后的旋转矩阵
Figure BDA00035323912800000413
第三行第一列的元素，
Figure BDA00035323912800000414
Figure BDA00035323912800000415
为更新后的旋转矩阵
Figure BDA00035323912800000416
第三行第二列的元素，
Figure BDA00035323912800000417
Figure BDA00035323912800000418
为旋转矩阵
Figure BDA00035323912800000419
第三行第一列的元素，
Figure BDA00035323912800000420
本发明提供的基于旋转矩阵的外骨骼设备穿戴误差校正方法，先获取IMU传感器安装平面相对于人体矢状面倾斜的度数，然后在数值层面对IMU传上的角度数据进行偏差消除。在校正偏差的过程中不需要借助于任何外部测量仪器，仅仅需要穿戴者进行站立校准和下肢平躺校正两步流程，就可以准确测量出穿戴者髋关节的伸展/弯曲、外展/内收以及膝关节的伸展/弯曲等运动的关节角度，不仅校正过程简单快速，并且能够极大程度上提高关节角度测量的准确性。
本发明的目的之二在于提供一种基于旋转矩阵的外骨骼设备穿戴误差校正装置，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装置，包括处理器以及存储有若干计算机指令的存储器，所述计算机指令被处理器执行时实现所述基于旋转矩阵的外骨骼设备穿戴误差校正方法的步骤。
本发明提供的基于旋转矩阵的外骨骼设备穿戴误差校正装置，先获取IMU传感器安装平面相对于人体矢状面倾斜的度数，然后在数值层面对IMU传上的角度数据进行偏差消除。在校正偏差的过程中不需要借助于任何外部测量仪器，仅仅需要穿戴者进行站立校准和下肢平躺校正两步流程，就可以准确测量出穿戴者髋关节的伸展/弯曲、外展/内收以及膝关节的伸展/弯曲等运动的关节角度，不仅校正过程简单快速，并且能够极大程度上提高关节角度测量的准确性。
附图说明
图1为本申请的外骨骼设备穿戴误差校正方法的流程图；
图2为本申请外骨骼设备穿戴的俯视图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是在于限制本发明。
目前外骨骼设备在穿戴过程中无法保证IMU的轴向能够完全沿着人体运动方向，即不能保证IMU的安装平面完全贴合于人体解剖面。在设备穿戴出现上述偏差时，IMU给出的欧拉角并不能直观反映出髋、膝关节沿某一轴向的运动角度。然而无论是助力控制领域还是康复监测领域，普遍都是对人体下肢沿特定轴向的运动角度感兴趣，需要获取关于特定轴向的精确角度。
为了解决这一问题，本实施例提供了一种外骨骼设备穿戴偏差校正方法，在校正偏差的过程中不需要借助于任何外部测量仪器，仅仅需要穿戴者进行站立校准和下肢平躺校正两步流程，就可以准确测量出穿戴者髋关节的伸展/弯曲、外展/内收以及膝关节的伸展/弯曲等运动的关节角度。需要说明的是，本实施例主要解决六轴IMU传感器(仅包含加速度计和陀螺仪)所面临的问题，对于九轴IMU传感器不需要用到本实施例所述方法。
本实施例所提出的校正方法先获取传感器安装平面相对于人体矢状面倾斜的度数，然后在数值层面对IMU传上来的角度数据进行偏差消除。让IMU以自己所安装的平面与人体解剖面平行的方式来解算欧拉角，达到偏差校正的目的，如图1所示，具体步骤如下：
步骤1、在外骨骼设备的穿戴者直立情况下进行IMU自校准。
IMU自校准是指目前市场上的惯性测量单元(简称IMU)自带的校准程序，主要是为了消除陀螺仪和加速度计的偏差。根据不同型号的IMU启动对应的校准程序即可，这里不对IMU自带的校准程序进行详述。
并且在穿戴者直立情况下进行IMU自校准中对直立情况的判断可以是主动触发或者是被动触发方式，主动触发例如对穿戴者的状态进行检测，满足直立状态时主动触发进行IMU自校准，被动触发例如在穿戴者切换至直立状态后收到触发IMU进行自校准。
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。
在穿戴者平躺情况下进行IMU校正，是为了得到IMU安装平面相对于人体矢状面(将身体分为左右两部分的纵切面)倾斜的角度，以作为后期对IMU获取的关节角度数据计算的基础值。让IMU以其所安装的平面与人体矢状面平行的方式来解算欧拉角，达到偏差矫正的目的。
根据外骨骼设备的穿戴情况，本实施例将外骨骼设备穿戴于人体下肢外侧面且平行于人体矢状面的状态定义为正确佩戴的状态，即此时经过IMU自校准后即可得到有效的运动角度数据。其中下肢的外侧面理解为腿的外侧，即两腿相对的一侧作为下肢的内侧，两腿相背的一侧作为下肢的外侧。
本实施例中记下肢坐标系为b系，xb轴方向定义为垂直于人体冠状面(将身体分为前后两部分的纵切面)且指向人体后方的方向，定义yb轴为位于人体冠状面内与xb轴垂直且指向人体右侧的方向，zb轴根据右手定则(指三维坐标系定义所使用的右手定则)确定。记IMU坐标系为s系，zs轴与zb平行且指向同一个方向，xs与xb位于人体横断面内且夹角为α，ys轴根据右手定则确定。且取IMU安装平面为平行于xs轴且垂直于ys轴。
如图2所示，本实施例以穿戴于人体左侧下肢且由左侧下肢的外侧面起围绕zb轴的负方向偏斜(偏斜后同样视为穿戴于下肢外侧面)的外骨骼设备为例说明本申请的误差校正方法。
具体的，本实施例中下肢平躺校正具体包括以下步骤：
步骤2.1、检测穿戴者是否满足下肢平躺校正条件。为了保证校正效果，本实施例中的下肢平躺校正条件设为：穿戴者下肢脚尖朝上平躺于水平面上并保持静止状态至少2秒。
若外骨骼设备佩戴于人体左侧下肢的外侧面，则检测是否满足下肢平躺校正条件时，可以基于外骨骼设备的陀螺仪和IMU进行检测，若陀螺仪数据未发生变化且膝关节的IMU和髋关节的IMU同时满足采集的加速度向量与[-1,0,0]这一向量平行，保持至少2秒后即认为满足下肢平躺校正条件。
但考虑到实际应用过程中外骨骼设备存在佩戴倾斜的情况，因此为了较为准确的判断是否下肢平躺校正条件，可设定为直接接收用户输入的满足信号，当接收到满足信号即判断为满足下肢平躺校正条件，否则不满足下肢平躺校正条件。
步骤2.2、若检测到穿戴者不满足下肢平躺校正条件，则返回步骤2.1继续检测；否则执行步骤2.3。由于下肢平躺校正为必须进行的校准步骤，因此若穿戴者姿势不满足将一直重新执行检测，直到满足条件为止。
步骤2.3、获取IMU测量得到的加速度值ax和ay。在穿戴者静止位于地面上时，其中的加速度值ax为当地重力加速度沿xs轴的分量，加速度值ay为当地重力加速度沿ys轴的分量。
容易理解的是，当穿戴者处于运动状态或者相对地面不静止时，施加在IMU上的加速度则不一定是当地重力加速度，则加速度值ax为实际施加在IMU上的加速度沿xs轴的分量，加速度值ay为实际施加在IMU上的加速度沿ys轴的分量。
步骤2.4、根据加速度值ax和ay计算IMU安装平面与人体矢状面的夹角α(弧度制)：
Figure BDA0003532391280000071
步骤3、在外骨骼设备的穿戴者正常运动情况下(穿戴者可进行髋、膝关节运动或者是康复治疗)，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。
步骤31、将IMU测量得到的欧拉角转换为旋转矩阵
Figure BDA0003532391280000072
为避免欧拉角解算引起的奇异性问题，在角度补偿阶段利用旋转矩阵对IMU解算得到的角度进行校正。具体的转换方式与设备所安装的IMU传感器采用的角度定义方式有关(这种不同仅仅体现在计算方式上，无论是采用何种传感器，只要是相同的转动，最终计算出来的值都是一样的)。常规而言，旋转矩阵指的是转动坐标系各轴在惯性坐标系的投影坐标，即有如下定义：
Figure BDA0003532391280000081
式中，下标s表示转动坐标系的坐标轴，即xs、ys、zs分别为转动坐标系的X轴、Y轴和Z轴的坐标，下标g表示地面坐标系(惯性坐标系)的坐标轴，即xg、yg、zg分别为地面坐标系的X轴、Y轴和Z轴的坐标。
根据旋转矩阵的定义式，旋转矩阵的转置和其逆具有相同的形式，表达的是惯性坐标系各轴在转动坐标系的投影坐标，即存在如下关系式：
Figure BDA0003532391280000082
如果外骨骼设备在穿戴过程中发生偏斜，使得IMU传感器没有严格平行于人体的矢状面，那么标准重力加速度在转动坐标系三个轴上的分量一定会发生相应的变化。也就是旋转矩阵的最后一行会发生变化，如果知道了穿戴偏斜的角度，就可以对旋转矩阵的最后一行进行调整，抵消由于穿戴偏斜造成的角度误差。
为了更加清楚的解释这一点，先假设转动坐标系是按照Y-X-Z的旋转顺序进行转动的，则得到以IMU测量的欧拉角θ、φ、ψ转换得到的旋转矩阵
Figure BDA0003532391280000083
如下：
Figure BDA0003532391280000084
式中，θ为俯仰角，是围绕转动坐标系Y轴的转动角度，φ为滚转角，是围绕转动坐标系X轴的转动角度，ψ为偏航角，是围绕转动坐标系Z轴的转动角度。
需要说明的是，在实际计算时，按照不同的旋转顺序公式(4)的表达式会有所不同，但是其代入欧拉角计算得到的旋转矩阵的数值是相同的，本实施例仅为以Y-X-Z的旋转顺序为例进行说明，让校正过程更加方便地得以阐述。
步骤32、根据夹角α对旋转矩阵
Figure BDA0003532391280000085
进行修正。
当外骨骼设备穿戴规范且穿戴者在直立、坐姿或者平躺状态下做沿着人体矢状面内的运动时，角度ψ为零，即得到无误差情况下旋转矩阵
Figure BDA0003532391280000086
的第三行为
Figure BDA0003532391280000087
如下所示：
Figure BDA0003532391280000088
式中，
Figure BDA0003532391280000091
表示无误差情况下旋转矩阵
Figure BDA0003532391280000092
的第三行，θ′为无误差情况下的俯仰角，φ′为无误差情况下的滚转角。
在校正中需要根据公式(4)中计算的矩阵和平躺校正步骤中获得的穿戴偏斜角度来计算公式(5)中第一、二项的值。因为当穿戴存在偏斜的时候，公式(5)中第一、二项和旋转矩阵的最后一行是有区别的。值得注意的是公式(1)中计算的穿戴偏斜角度正是沿着转动坐标系Z轴转动的角度，也就是说角度α和以Y-X-Z为旋转顺序得到的角度ψ是同一个角度值。则取该旋转顺序下用于校正计算的理论偏航角为ψ″且ψ″＝α，根据理论偏航角为ψ″计算得到如下结果：
Figure BDA0003532391280000093
Figure BDA0003532391280000094
式中，
Figure BDA0003532391280000095
为旋转矩阵
Figure BDA0003532391280000096
第三行第一列的元素，
Figure BDA0003532391280000097
为旋转矩阵
Figure BDA0003532391280000098
第三行第二列的元素。
以计算得到的-sinθ′和sinφ′cosθ′分别更新旋转矩阵
Figure BDA0003532391280000099
第三行第一列的元素和第三行第二列的元素，完成对旋转矩阵
Figure BDA00035323912800000910
的修正。
步骤33、以修正后的旋转矩阵
Figure BDA00035323912800000911
转换得到校正后的欧拉角作为最终的关节角度，完成外骨骼设备穿戴的误差校正。
根据旋转矩阵的物理含义，可知旋转矩阵可以用来描述刚体的三维转动，并且和三维空间内的转动是一一对应的关系。因此可以根据旋转矩阵和所定义的旋转顺序来计算刚体围绕空间内三个正交轴的旋转角度，也即欧拉角。以Z-Y-X的旋转顺序为例，基于公式(4)可以得到如下的欧拉角计算公式：
Figure BDA00035323912800000912
式中，
Figure BDA00035323912800000913
为旋转矩阵
Figure BDA00035323912800000914
第二行第一列的元素，
Figure BDA00035323912800000915
为旋转矩阵
Figure BDA00035323912800000916
第一行第一列的元素，
Figure BDA00035323912800000917
为旋转矩阵
Figure BDA00035323912800000918
第三行第一列的元素，
Figure BDA00035323912800000919
为旋转矩阵
Figure BDA00035323912800000920
第三行第二列的元素，
Figure BDA00035323912800000921
为旋转矩阵
Figure BDA00035323912800000922
第三行第三列的元素。
通常六轴IMU传感器所测量得到的偏航角ψ并不准确，没有有效的校正手段，存在积分飘移带来的误差，即便根据公式(8)进行计算后也无法消除积分飘移带来的误差，因此本实施例仅仅关注滚转角φ和俯仰角θ的误差校正。
从公式(8)可以看出来，滚转角和俯仰角的计算都用到了旋转矩阵第三行的元素。而根据旋转矩阵的定义可以知道，第三行表示惯性坐标系的Z轴在转动坐标系上的投影。也就是标准重力加速度在转动坐标系三个轴上面的分量。因此本实施例对欧拉角进行校正时，取转动坐标系按照Z-Y-X的旋转顺序进行转动，则计算得到修正后的滚转角φ′和俯仰角θ′如下：
Figure BDA0003532391280000101
Figure BDA0003532391280000102
式中，
Figure BDA0003532391280000103
为更新后的旋转矩阵
Figure BDA0003532391280000104
第三行第一列的元素，
Figure BDA0003532391280000105
Figure BDA0003532391280000106
为更新后的旋转矩阵
Figure BDA0003532391280000107
第三行第二列的元素，
Figure BDA0003532391280000108
Figure BDA0003532391280000109
为旋转矩阵
Figure BDA00035323912800001010
第三行第一列的元素，
Figure BDA00035323912800001011
经过矫正以后的欧拉角(主要为滚转角φ和俯仰角θ)将能够准确、直接地反映出髋、膝关节沿特定轴向的运动角度。
需要说明的是，本实施例以穿戴于人体左侧下肢且由左侧下肢的外侧面起围绕zb轴的负方向偏斜的外骨骼设备为例进行说明，但这并不限定本申请的误差校正方法仅能应用于该穿戴方式。
本申请的误差校正方法适用于四肢的任一穿戴方式，以上述穿戴于人体左侧下肢且由左侧下肢的外侧面起围绕zb轴的负方向偏斜的外骨骼设备的误差校正方式作为基础校正方式，其中穿戴于人体左侧下肢且由左侧下肢的外侧面起围绕zb轴的正方向偏斜时的误差校正方式与基础校正方式相同；穿戴于人体右侧下肢且由右侧下肢的外侧面起围绕zb轴的正/负方向偏斜时的误差校正方式与基础校正方式相同。
在外骨骼设备的穿戴中还有一种较为常规的穿戴方式为穿戴在穿戴者下肢的正面，因此可以将外骨骼设备穿戴于人体下肢正面且平行于人体冠状面的状态同样定义为正确佩戴的状态，即此时经过IMU自校准后即可得到有效的运动角度数据。其中下肢的正面理解为腿位于穿戴者面部的一面。当外骨骼设备穿戴在人体下肢正面时同样可能存在佩戴倾斜的情况，即存在由下肢的正面起围绕zb轴的正/负方向偏斜的情况，当外骨骼设备为穿戴于人体下肢正面的正确佩戴状态或佩戴倾斜的状态下时，其误差校正方法相对于基础校正方式而言仅为计算夹角α的公式有区别，其他步骤或公式均相同，且该情况下夹角α的公式为：
Figure BDA00035323912800001012
至此本申请提出的误差校正方法适用于外骨骼设备穿戴在人体下肢的任一穿戴方式中。其中外骨骼设备佩戴在下肢的外侧面还是正面可借助外部传感器测量判断，也可以直接由穿戴者输入。
对于外骨骼设备穿戴在人体上肢的情况与外骨骼设备穿戴在人体下肢的情况相同，本实施例中不再进行重复说明。
另外，由于外骨骼设备中的IMU可采用任意型号，而不同型号之间的IMU可能其坐标系的坐标轴不一样，但其坐标轴均可以相对于IMU安装平面进行分析。例如本实施例中所取的坐标轴中xs轴为平行于IMU安装平面，ys轴为垂直于IMU安装平面。则当IMU的坐标轴变换时，取坐标轴中与IMU安装平面平行的轴等价于本申请中的xs轴，即该轴上的加速度分量作为本申请中的ax进行计算，取坐标轴中与IMU安装平面垂直的轴等价于本申请中的ys轴，即该轴上的加速度分量作为本申请中的ay进行计算即可，因此本申请的误差校正方法适用于具有任意IMU型号的外骨骼设备。
本发明相对于现有技术来说，显著降低了外骨骼设备的穿戴难度，现有的技术或者要求在穿戴阶段需要严格保持IMU安装平面位于人体解剖面内，或者要求增加额外的校准设备，或者需要离线的复杂运算，增加设备的使用复杂度。而本专利所提供方法仅仅要求穿戴者按照正常的穿戴方式，将外骨骼设备绑定于人体下肢，在穿戴过程中不需要进行任何校正操作。而在穿戴完成后，仅仅需要执行简单的校正程序就可以实现精确的髋、膝关节运动角度测量。尤其适合于现在的使用IMU进行运动角度测量的设备使用。
在另一个实施例中，还提供了一种基于旋转矩阵的外骨骼设备穿戴误差校正装置，包括处理器以及存储有若干计算机指令的存储器，所述计算机指令被处理器执行时实现所述基于旋转矩阵的外骨骼设备穿戴误差校正方法的步骤。
关于基于旋转矩阵的外骨骼设备穿戴误差校正装置的具体限定可以参见上文中对于基于旋转矩阵的外骨骼设备穿戴误差校正方法的限定，在此不再赘述。
存储器和处理器之间直接或间接地电性连接，以实现数据的传输或交互。例如，这些元件互相之间可以通过一条或多条通讯总线或信号线实现电性连接。存储器中存储有可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器通过运行存储在存储器内的计算机程序，从而实现本发明实施例中的网络拓扑布局方法。
其中，所述存储器可以是，但不限于，随机存取存储器(Random Access Memory，RAM)，只读存储器(Read Only Memory，ROM)，可编程只读存储器(Programmable Read-OnlyMemory，PROM)，可擦除只读存储器(Erasable Programmable Read-Only Memory，EPROM)，电可擦除只读存储器(Electric Erasable Programmable Read-Only Memory，EEPROM)等。其中，存储器用于存储程序，所述处理器在接收到执行指令后，执行所述程序。
所述处理器可能是一种集成电路芯片，具有数据的处理能力。上述的处理器可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，CPU)、网络处理器(NetworkProcessor，NP)等。可以实现或者执行本发明实施例中公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一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，其特征在于，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
Figure FDA0003532391270000011
步骤32、根据夹角α对旋转矩阵
Figure FDA0003532391270000012
进行修正；
步骤33、以修正后的旋转矩阵
Figure FDA0003532391270000013
转换得到校正后的欧拉角作为最终的关节角度，完成外骨骼设备穿戴的误差校正。
2.如权利要求1所述的基于旋转矩阵的外骨骼设备穿戴误差校正方法，其特征在于，所述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，包括：
步骤2.1、检测穿戴者是否满足下肢平躺校正条件，所述下肢平躺校正条件为：穿戴者下肢脚尖朝上平躺于水平面上并保持静止状态至少2秒；
步骤2.2、若检测到穿戴者不满足下肢平躺校正条件，则返回步骤2.1继续检测；否则执行步骤2.3；
步骤2.3、获取IMU测量得到的加速度值ax和ay，其中ax为X轴方向的加速度分量，其中ay为Y轴方向的加速度分量；
步骤2.4、若外骨骼设备穿戴在穿戴者下肢外侧面，则计算得到的夹角α为：
Figure FDA0003532391270000014
若外骨骼设备穿戴在穿戴者下肢正面，则计算得到的夹角α为：
Figure FDA0003532391270000015
式中，夹角α为弧度制。
3.如权利要求1所述的基于旋转矩阵的外骨骼设备穿戴误差校正方法，其特征在于，所述将IMU测量得到的欧拉角转换为旋转矩阵
Figure FDA0003532391270000016
包括：
定义旋转矩阵
Figure FDA0003532391270000021
如下：
Figure FDA0003532391270000022
式中，下标s表示转动坐标系的坐标轴，即xs、ys、zs分别为转动坐标系的X轴、Y轴和Z轴的坐标，下标g表示地面坐标系的坐标轴，即xg、yg、zg分别为地面坐标系的X轴、Y轴和Z轴的坐标；
取转动坐标系按照Y-X-Z的旋转顺序进行转动，则得到以IMU测量的欧拉角θ、φ、ψ转换得到的旋转矩阵
Figure FDA0003532391270000023
如下：
Figure FDA0003532391270000024
式中，θ为俯仰角，是围绕转动坐标系Y轴的转动角度，φ为滚转角，是围绕转动坐标系X轴的转动角度，ψ为偏航角，是围绕转动坐标系Z轴的转动角度。
4.如权利要求3所述的基于旋转矩阵的外骨骼设备穿戴误差校正方法，其特征在于，所述根据夹角α对旋转矩阵
Figure FDA0003532391270000025
进行修正，包括：
当外骨骼设备穿戴规范且穿戴者在直立、坐姿或者平躺状态下做沿着人体矢状面内的运动时，角度ψ为零，即得到无误差情况下旋转矩阵
Figure FDA0003532391270000026
的第三行为
Figure FDA0003532391270000027
如下所示：
Figure FDA0003532391270000028
式中，
Figure FDA0003532391270000029
表示无误差情况下旋转矩阵
Figure FDA00035323912700000210
的第三行，θ′为无误差情况下的俯仰角，φ′为无误差情况下的滚转角；
由于夹角α为沿转动坐标系Z轴转动所产生的角度，则以Y-X-Z为旋转顺序的偏航角ψ与夹角α为同一个角度，取该旋转顺序下用于校正计算的理论偏航角为ψ″且ψ″＝α；
因此根据理论偏航角为ψ″计算得到如下结果：
Figure FDA00035323912700000211
Figure FDA00035323912700000212
式中，
Figure FDA00035323912700000213
为旋转矩阵
Figure FDA00035323912700000214
第三行第一列的元素，
Figure FDA00035323912700000215
为旋转矩阵
Figure FDA00035323912700000216
第三行第二列的元素；
以计算得到的-sinθ′和sinφ′cosθ′分别更新旋转矩阵
Figure FDA00035323912700000217
第三行第一列的元素和第三行第二列的元素，完成对旋转矩阵
Figure FDA0003532391270000031
的修正。
5.如权利要求4所述的基于旋转矩阵的外骨骼设备穿戴误差校正方法，其特征在于，所述以修正后的旋转矩阵
Figure FDA0003532391270000032
转换得到校正后的欧拉角，包括：
取转动坐标系按照Z-Y-X的旋转顺序进行转动，则计算得到修正后的滚转角φ′和俯仰角θ′如下：
Figure FDA0003532391270000033
Figure FDA0003532391270000034
式中，
Figure FDA0003532391270000035
为更新后的旋转矩阵
Figure FDA0003532391270000036
第三行第一列的元素，
Figure FDA0003532391270000037
Figure FDA0003532391270000038
为更新后的旋转矩阵
Figure FDA0003532391270000039
第三行第二列的元素，
Figure FDA00035323912700000310
Figure FDA00035323912700000311
为旋转矩阵
Figure FDA00035323912700000312
第三行第一列的元素，
Figure FDA00035323912700000313
6.一种基于旋转矩阵的外骨骼设备穿戴误差校正装置，包括处理器以及存储有若干计算机指令的存储器，其特征在于，所述计算机指令被处理器执行时实现权利要求1至权利要求5中任意一项所述基于旋转矩阵的外骨骼设备穿戴误差校正方法的步骤。
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