CN208464080U - 一种关节角度测量系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于传感器技术领域，提供了一种关节角度测量系统，使用微姿态传感器的关节角度测量装置及。将姿态传感器通过粘贴或者绑带的方式固定在活动关节两端的肢体上，姿态传感器测量的肢体运动姿态结果通过特定的数学关系转化为关节的运动角度。其目的在于提供一种低成本，更灵活，无场地要求限制的测量方式，提高现有技术测量的精度，提升用户体验。解决了现有技术中精度不佳且设备昂贵的问题。

Description

一种关节角度测量系统

技术领域

本实用新型属于传感器技术领域，更具体地，涉及一种关节角度测量系统。

背景技术

人体活动关节运动过程中的角度变化是服装设计和个体防护装备、人机界面设计和人体建模与仿真的重要依据，是关节活动范围研究、运动研究、人体工程学等研究的基础。

传统的关节角度测量主要是目测和量角规测量。目测法的误差较大，仅适用于粗略的定性测量。量角规通常含有专门设计的机械结构，主要包含两个支脚和一个带刻度的表盘，两个支脚之间张开的角度可以在表盘上读出。当测量关节活动角度时通过两个支脚与关节两端的肢体对齐，直接读取刻度表盘上的角度值。这种测量仅针对人体静态情况下的关节活动角度测量，测量方式固定，难以避免人工读数误差，一次只能测量单个部位，不满足个性化的测量需求。

另一种技术方案是通过在人体上粘贴光学标记点，采用光学设备记录标记点的空间运动，通过图像分析得到人体关节的运动角度。光学式关节角度测量装置工作方式复杂、价格昂贵，受光线条件和遮挡条件影响大，并且有特定的场地要求。

实用新型内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本实用新型实施例提供了一种关节角度测量系统，通过固定在关节两端的多个微姿态传感器的检测，测量出的关节角度其精度更高，测量更灵活，解决了现有技术中精度不佳且设备昂贵的问题。

本实用新型设计的关节角度测量操作简单，穿戴方便，可实现连续的活动关节的活动角度测量。例如本实用新型的一个典型应用，目前医生在进行关节诊断和康复判断时采用的关节角度测量主要是量角规测量，需要专门的医务人员协助佩戴并记录测量结果，然后交给主治医生作为临床判断。本实用新型可以大大降低医务人员的工作量，工作人员只需使用本系统，按照提示操作完成系统的初始校准后进行数据记录即可，无需人工读数，且能实现连续测量。另一方面，用户通过学习使用手册和视频快速掌握其使用，使得患者在家中就可实现关节活动角度测量，可以采集不同时段的关节活动角度或者一段连续时间的关节活动角度。系统配套软件内集成各个关节正常的运动范围帮助用户初步评估关节活动情况，患者也可以在看病时将测量结果给医生诊断或者将来实现远程就医。

为了实现上述目的，本实用新型提供了一种关节角度测量的系统，包括。

包括多个微姿态传感器及微姿态处理器，所述多个微姿态传感器固定在关节两端，所述多个微姿态传感器与所述微姿态处理器之间建立数据链路，其中，

所述微姿态传感器至少集成有一个三轴微机电系统MEMS陀螺仪、三轴MEMS加速度计和MEMS磁力计；所述三轴MEMS陀螺仪用于测量肘部运动的角速度，三轴MEMS加速度计用于测量肘部运动的加速度，MEMS磁力计用于测量肘部运动时不同方位下的地磁场大小，所述微姿态传感处理器用于根据各微姿态传感器的采集数据计算出所述关节运动的角度。

在本实用新型的一个实施例中，所述系统还包括终端设备，则设置所述微姿态处理器的PCB板上还设置有收发器，所述收发器用于与所述终端设备建立数据链路。

在本实用新型的一个实施例中，所述终端设备为手机、平板或者个人电脑。

在本实用新型的一个实施例中，所述收发器具体为蓝牙传输模块或者WIFI传输模块。

在本实用新型的一个实施例中，所述多个微姿态传感器与所述微姿态处理器之间通过明线的方式连接，或者所述多个微姿态传感器与所述微姿态处理器之间通过无线收发器建立数据链路。

与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：使用微姿态传感器的关节角度测量装置。将姿态传感器通过粘贴或者绑带的方式固定在活动关节两端的肢体上，姿态传感器的测量的肢体运动姿态结果转化为关节的运动角度。其目的在于提供一种低成本，更灵活，无场地要求限制的测量方式，提高现有技术测量的精度，提升用户体验。

附图说明

图1是本实用新型实施例中姿态传感系统的结构示意图；

图2a是本实用新型实施例中微姿态传感器位置示意图；

图2b是本实用新型实施例中微姿态传感器初始校正位置示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本实用新型实施例提供了一种关节角度测量的系统，如图1所示，该系统包括:

多个微姿态传感器201及微姿态处理器202，所述多个微姿态传感器201固定在关节(例如肘关节或膝关节,本实用新型实施例中以肘关节为例)两端，所述多个微姿态传感器201通过收发器(该收发器可为有线和/或无线传输模块，例如蓝牙或WIFI等传输模块)与所述微姿态处理器202实现互联，其中，

所述微姿态传感器201至少集成有一个三轴微机电系统MEMS陀螺仪2011、三轴MEMS加速度计2012和MEMS磁力计2013；所述三轴MEMS陀螺仪2011用于测量肘部运动的角速度，三轴MEMS加速度计2012用于测量肘部运动的加速度，MEMS磁力计2013用于测量肘部运动时不同方位下的地磁场大小，所述微姿态传感处理器202用于根据各微姿态传感器的采集数据计算出所述关节运动的角度。

与传统的手势捕捉系统中使用的传感技术相比，微机电系统(Micro-Electro-Mechanic System，MEMS)传感器具有体积小、重量轻、可靠性高、成本低、易于大规模生产等优点。近年来随着MEMS技术的普及以及其价格的下降，MEMS拥有广阔的工程应用前景，尤其是对体积和成本敏感的虚拟现实系统应用具有重要意义。

例如，图2a表示了2个微姿态传感器201分别固定在手肘的两端的情况，从图中可知，节点a和节点b分别绑定在关节的两端，节点的测量数据通过其内部集成的无线模块发送给接收端，接收端可以是终端设备(例如手机或者个人电脑)。接收端获得节点数据后经过处理得到实时的关节运动角度并记录。

其中，由于每个人体格身高差异，用本系统进行关节角度测量时，节点绑定的位置难以做到与标准位置完全重合，节点的初始安装误差会导致关节活动角度的测量误差。如图2b所示，该虚线表示节点理想安装位置，实线表示节点实际安装位置。其位置存在偏差。因此，必须通过一定的初始校准过程实现节点的初始安装误差补偿，进而减小关节运动时角度测量误差。

可选地，系统还可以包括终端设备，且微姿态处理器的PCB板上还设置有收发器，该收发器用于与该终端设备建立数据链路。

其中，收发器可以为蓝牙传输模块或者WIFI传输模块。终端设备可以为手机、平板或者个人电脑。

可选地，多个微姿态传感器与所述微姿态处理器之间通过明线的方式连接，或者所述多个微姿态传感器与所述微姿态处理器之间通过无线收发器建立数据链路。

其中，由于每个人体格身高差异，用本系统进行关节角度测量时，节点绑定的位置难以做到与标准位置完全重合，节点的初始安装误差会导致关节活动角度的测量误差。因此，必须通过一定的初始校准过程实现节点的初始安装误差补偿，进而减小关节运动时角度测量误差。

为了便于本领域技术人员能够在所述关节角度测量系统基础上，了解处理器对于关节运动的角度的计算，本实用新型还提供了相应方法侧的实现内容。包括：该多个微姿态传感器201获取关节运动的多个节点的姿态四元数据之前，微姿态传感处理器202还用于对初始安装进行误差/校准补偿，具体如下：

获取到初始姿态四元数的基准值，该基准值即理论上输出的初始姿态四元数值，用表示，其中i为微姿态传感器201的个数，为了方便标示，本实用新型实施例设置为2个微姿态传感器201，实际中可根据不同情况设置不同数量的微姿态传感器201，本实用新型实施例对此并无限制；

当手臂平放后，获取到实际输出的初始姿态四元数，用来表示；

根据该初始姿态四元数及其对应的基准值，计算出初始偏差四元数，用表示。该初始偏差四元数为该基准值与该初始姿态四元数的比值；即基准时，初始姿态四元数和初始偏差四元数满足如下关系：

根据计算出的初始偏差四元数与该获取到的姿态四元数据，确定出节点运动四元数，用表示，其中，该节点运动四元数为校准补偿之后的节点运动数据，该节点运动四元数为该初始偏差四元数与该姿态四元数的乘积。即，可用公式：

来表示。

微姿态传感处理器202根据该获取到的姿态四元数据，确定该姿态四元数据对应的多个状态向量，具体如下：

根据该姿态四元数据确定出该节点运动四元数上一步骤中可确定出；

定义节点初始向前方向的向量，用表示；

根据该节点运动四元数、该初始向前方向的向量以及该初始姿态四元数的基准值，确定出该多个状态向量，该状态向量为该节点运动四元数、该初始向前方向的向量以及该初始姿态四元数的基准值的乘积。即，得到两个节点的姿态四元数之后，即可确定了两个状态向量：

微姿态传感处理器202对该确定出的多个状态向量取反余弦运算，计算出该关节运动的角度。根据确定出的向量和之后，即可得到两个节点间关节的活动角度：

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种关节角度测量系统，其特征在于，所述关节角度测量系统包括多个微姿态传感器及微姿态处理器，所述多个微姿态传感器固定在关节两端，所述多个微姿态传感器与所述微姿态处理器之间建立数据链路，其中，

所述微姿态传感器至少集成有一个三轴微机电系统MEMS陀螺仪、三轴MEMS加速度计和MEMS磁力计；所述三轴MEMS陀螺仪用于测量肘部运动的角速度，三轴MEMS加速度计用于测量肘部运动的加速度，MEMS磁力计用于测量肘部运动时不同方位下的地磁场大小；所述微姿态传感处理器用于根据各微姿态传感器的采集数据计算出所述关节运动的角度。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括终端设备，则设置所述微姿态处理器的PCB板上还设置有收发器，所述收发器用于与所述终端设备建立数据链路。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述终端设备为手机、平板或者个人电脑。

4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述收发器具体为蓝牙传输模块或者WIFI传输模块。

5.根据权利要求1-4任一所述的系统，其特征在于，所述多个微姿态传感器与所述微姿态处理器之间通过明线的方式连接，或者所述多个微姿态传感器与所述微姿态处理器之间通过无线收发器建立数据链路。