CN114748306A - 一种外骨骼设备穿戴误差校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种外骨骼设备穿戴误差校正方法，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进行下肢平躺校正；在外骨骼设备的穿戴者正常运动情况下，将IMU测量得到的欧拉角转换为四元数形式，并利用记录的角速度向量对四元数进行校正，根据校正后的四元数换算得到补偿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。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

一种外骨骼设备穿戴误差校正方法

技术领域

本申请属于运动检测技术领域，具体涉及一种外骨骼设备穿戴误差校正方法。

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，然而只使用三个参数的欧拉角表示法并非是一种全局的、非奇异的刚体运动描述方法，况且由于欧拉角存在“万向节锁”和复杂的周期性等问题，使用欧拉角来表示关节的运动角度并非那么直观，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。

发明内容

本申请的目的在于提供一种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，本申请所采取的技术方案为：

一种外骨骼设备穿戴误差校正方法，所述外骨骼设备安装有IMU，所述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进行下肢平躺校正，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a_x和a_y；

步骤2.4、根据加速度值a_x和a_y计算IMU安装平面与人体矢状面的夹角α；

步骤2.5、根据步骤2.4得到的夹角α计算并得到角速度向量ω_V，计算公式如下：

式中，Δt表示IMU的采样时间，单位为秒，角速度向量ω_V的单位为弧度/秒；

步骤3、在外骨骼设备的穿戴者正常运动情况下，将IMU测量得到的欧拉角转换为四元数形式，并利用记录的角速度向量ω_V对四元数进行校正，根据校正后的四元数换算得到补偿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。

作为优选，所述根据加速度值a_x和a_y计算IMU安装平面与人体矢状面的夹角α，包括：

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：

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：

式中，夹角α为弧度制。

作为优选，所述将IMU测量得到的欧拉角转换为四元数形式，并利用记录的角速度向量ω_V对四元数进行校正，根据校正后的四元数换算得到补偿后的欧拉角作为最终的关节角度，包括：

步骤3.1、将IMU测量得到的欧拉角转换为四元数形式如下：

式中，q为四元数，ψ、θ、φ为欧拉角；

步骤3.2、将四元数q以及角速度向量ω_V代入下式：

式中，

为角速度向量ω_V的四元素形式，

为校正后的四元数；

步骤3.3、根据校正后的四元数换算得到补偿后的欧拉角。

本申请提供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。

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

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

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申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请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，不是在于限制本申请。

目前外骨骼设备在穿戴过程中存在无法保证IMU的轴向能够完全沿着人体运动方向，也不能保证IMU的安装平面完全贴合于人体解剖面的问题。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，这导致目前外骨骼设备在应用上存在较大问题。

针对上述问题，其中一个实施例中，提供一种外骨骼设备穿戴误差校正方法，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。

如图1所示，本实施例中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。

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进行下肢平躺校正。

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的补偿基础。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下肢的外侧，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，x_b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y_b轴为位于人体冠状面内与x_b轴垂直且指向人体右侧的方向，z_b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，z_s轴与z_b平行且指向同一个方向，x_s与x_b位于人体横断面内且夹角为α，y_s轴根据右手定则确定。且取IMU安装平面为平行于x_s轴且垂直于y_s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z_b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a_x和a_y。在穿戴者静止位于地面上时，其中的加速度值a_x为当地重力加速度沿x_s轴的分量，加速度值a_y为当地重力加速度沿y_s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a_x为实际施加在IMU上的加速度沿x_s轴的分量，加速度值a_y为实际施加在IMU上的加速度沿y_s轴的分量。

步骤2.4、根据加速度值a_x和a_y计算IMU安装平面与人体矢状面的夹角α(弧度制)：

步骤2.5、根据步骤2.4得到的夹角α计算角速度向量ω_V并记录。角速度向量ω_V的计算公式如下：

式中，Δt表示IMU的采样时间，单位为秒，角速度向量ω_V的单位为弧度/秒。

步骤3、在外骨骼设备的穿戴者正常运动情况下，将IMU测量得到的欧拉角转换为四元数形式，并利用记录的角速度向量ω_V对四元数进行校正，根据校正后的四元数换算得到补偿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。

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四元数对IMU解算得到的角度进行校正。因此本实施例中对欧拉角进行补偿的过程如下：

定义四元数(quaternions)定义如下：

式中，q₀表示四元数的标量部分，q表示四元数的矢量部分，q＝[q₀ q₁ q₂ q₃]^T。四元数表示刚体旋转时，其动力学方程有解析解，离散形式如下：

其中，

为四元数乘法运算的符号，q_ω＝[0，ω^T]^T为IMU旋转角速度ω的四元素(four-component quantity)表达形式，q(t)表示t时刻的四元数，q(t+Δt)表示t+Δt时刻的四元数，Δt表示IMU的采样时间。这里四元数的指数运算可以根据旋转矢量和四元数之间的映射公式进行简便运算，令：

则有如下映射成立：

为了对设备的穿戴偏差进行校正，我们必须对原始的四元数(经过IMU上传的欧拉角转换得到的四元数)进行校正，本实施例根据四元数的计算原理提出四元数的校正公式如下：

式中，q表示原始的四元数，

表示校正后的四元数，

为角速度向量ω_V的四元素形式，只需要将公式(2)中计算的角速度向量ω_V带入到

的计算公式中即可得到校正后四元数。符号ω_V中的下标表示虚拟含义，用于将IMU旋转角速度与角速度向量区分表示。

因此在穿戴者进行髋、膝关节运动或者康复治疗时，对IMU测量的欧拉角进行校正的具体步骤为：

步骤3.1、将IMU测量得到的欧拉角转换为四元数形式如下：

式中，q为四元数，ψ、θ、ψ为欧拉角，ψ为航向角，θ为俯仰角，φ为翻滚角。

步骤3.2、将四元数q以及角速度向量ω_V代入式(7)中得到校正后的四元数。

步骤3.3、根据校正后的四元数换算得到补偿后的欧拉角。其中将四元数换算成欧拉角可以根据以下式子进行换算：

经过矫正以后的欧拉角将能够准确、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z_b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z_b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z_b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z_b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下肢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z_b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：

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x_s轴为平行于IMU安装平面，y_s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x_s轴，即该轴上的加速度分量作为本申请中的a_x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y_s轴，即该轴上的加速度分量作为本申请中的a_y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。

本实施例显著降低了外骨骼设备的穿戴难度，现有技术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。而本实施例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。

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申请的几种实施方式，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，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (3)

1.一种外骨骼设备穿戴误差校正方法，所述外骨骼设备安装有IMU，其特征在于，所述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进行下肢平躺校正，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a_x和a_y；

步骤2.4、根据加速度值a_x和a_y计算IMU安装平面与人体矢状面的夹角α；

步骤2.5、根据步骤2.4得到的夹角α计算并得到角速度向量ω_V，计算公式如下：

式中，Δt表示IMU的采样时间，单位为秒，角速度向量ω_V的单位为弧度/秒；

步骤3、在外骨骼设备的穿戴者正常运动情况下，将IMU测量得到的欧拉角转换为四元数形式，并利用记录的角速度向量ω_V对四元数进行校正，根据校正后的四元数换算得到补偿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所述的外骨骼设备穿戴误差校正方法，其特征在于，所述根据加速度值a_x和a_y计算IMU安装平面与人体矢状面的夹角α，包括：

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：

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：

式中，夹角α为弧度制。

3.如权利要求1所述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四元数形式，并利用记录的角速度向量ω_V对四元数进行校正，根据校正后的四元数换算得到补偿后的欧拉角作为最终的关节角度，包括：

步骤3.1、将IMU测量得到的欧拉角转换为四元数形式如下：

式中，q为四元数，ψ、θ、φ为欧拉角；

步骤3.2、将四元数q以及角速度向量ω_V代入下式：

式中，

为角速度向量ω_V的四元素形式，

为校正后的四元数，

为四元数乘法运算符号；

步骤3.3、根据校正后的四元数换算得到补偿后的欧拉角。

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