[發(fā)明專利]一種關節(jié)角度測量方法及系統(tǒng)

在審

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• 申請日: 2017-08-08
• 公開（公告）號: CN107595290A
• 公開（公告）日: 2018-01-19
• 發(fā)明（設計）人: 張生志;劉超軍;羅璋;余帥
• 申請（專利權）人: 劉超軍
• 主分類號: A61B5/107
• 分類號: A61B5/107;A61B5/11
• 代理公司: 深圳市六加知識產(chǎn)權代理有限公司44372
• 代理人: 嚴泉玉

1.一種關節(jié)角度測量方法，其特征在于，包括：

關節(jié)角度測量系統(tǒng)通過多個微姿態(tài)傳感器獲取關節(jié)運動的多個節(jié)點的姿態(tài)四元數(shù)據(jù)，所述多個微姿態(tài)傳感器固定在關節(jié)的兩端；

根據(jù)所述獲取到的姿態(tài)四元數(shù)據(jù)，確定所述姿態(tài)四元數(shù)據(jù)對應的多個狀態(tài)向量；

對所述確定出的多個狀態(tài)向量取反余弦運算，計算出所述關節(jié)運動的角度。

2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，在所述多個微姿態(tài)傳感器獲取關節(jié)運動的多個節(jié)點的姿態(tài)四元數(shù)據(jù)之前，還包括：

對初始安裝誤差導致的測量誤差進行校準補償。

3.根據(jù)權利要求2所述的方法，其特征在于，所述對初始安裝誤差導致的測量誤差進行校準補償，包括：

獲取到初始姿態(tài)四元數(shù)的基準值，所述基準值即理論上輸出的初始姿態(tài)四元數(shù)值；

當手臂平放后，獲取到實際輸出的初始姿態(tài)四元數(shù)；

根據(jù)所述初始姿態(tài)四元數(shù)及其對應的基準值，計算出初始偏差四元數(shù)，所述初始偏差四元數(shù)為所述基準值與所述初始姿態(tài)四元數(shù)的比值；

根據(jù)計算出的初始偏差四元數(shù)與所述獲取到的姿態(tài)四元數(shù)據(jù)，確定出節(jié)點運動四元數(shù)，其中，所述節(jié)點運動四元數(shù)為校準補償之后的節(jié)點運動數(shù)據(jù)，所述節(jié)點運動四元數(shù)為所述初始偏差四元數(shù)與所述姿態(tài)四元數(shù)的乘積。

4.根據(jù)權利要求1-3任一項所述的方法，其特征在于，所述根據(jù)所述獲取到的姿態(tài)四元數(shù)據(jù)，確定所述姿態(tài)四元數(shù)據(jù)對應的多個狀態(tài)向量，包括：

根據(jù)所述姿態(tài)四元數(shù)據(jù)確定出所述節(jié)點運動四元數(shù)；

定義節(jié)點初始向前方向的向量；

根據(jù)所述節(jié)點運動四元數(shù)、所述初始向前方向的向量以及所述初始姿態(tài)四元數(shù)的基準值，確定出所述多個狀態(tài)向量，所述狀態(tài)向量為所述節(jié)點運動四元數(shù)、所述初始向前方向的向量以及所述初始姿態(tài)四元數(shù)的基準值的乘積。

5.根據(jù)權利要求4所述的方法，其特征在于，在所述計算出所述關節(jié)運動的角度之后，還包括：

通過所述無線傳輸模塊發(fā)送所述關節(jié)運動角度數(shù)據(jù)至終端設備，以使在所述終端設備上實時查看所述關節(jié)活動角度數(shù)據(jù)。

6.一種關節(jié)角度測量系統(tǒng)，其特征在于，所述關節(jié)角度測量系統(tǒng)包括多個微姿態(tài)傳感器及微姿態(tài)處理器，所述多個微姿態(tài)傳感器固定在關節(jié)兩端，所述多個微姿態(tài)傳感器通過收發(fā)器與所述微姿態(tài)處理器實現(xiàn)互聯(lián)，其中，

所述微姿態(tài)傳感器至少集成有一個三軸微機電系統(tǒng)MEMS陀螺儀、三軸MEMS加速度計和MEMS磁力計；所述三軸MEMS陀螺儀用于測量肘部運動的角速度，三軸MEMS加速度計用于測量肘部運動的加速度，MEMS磁力計用于測量肘部運動時不同方位下的地磁場大小，所述微姿態(tài)傳感處理器用于融合多傳感器測量的數(shù)據(jù)，獲取姿態(tài)四元數(shù)，并根據(jù)所述獲取到的姿態(tài)四元數(shù)據(jù)，確定所述姿態(tài)四元數(shù)據(jù)對應的多個狀態(tài)向量，以及對所述確定出的多個狀態(tài)向量取反余弦運算，計算出所述關節(jié)運動的角度。

7.根據(jù)權利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括終端設備，所述微姿態(tài)處理器通過收發(fā)器將所述關節(jié)運動的角度數(shù)據(jù)實時發(fā)送給所述終端設備，以使在所述終端設備上實時查看所述關節(jié)活動角度數(shù)據(jù)。

8.根據(jù)權利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述微姿態(tài)傳感處理器還用于對初始安裝誤差導致的測量誤差進行校準補償。

9.根據(jù)權利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述微姿態(tài)傳感處理器還用于對初始安裝誤差導致的測量誤差進行校準補償，包括：

獲取到初始姿態(tài)四元數(shù)的基準值，所述基準值即理論上輸出的初始姿態(tài)四元數(shù)值；

當手臂平放后，獲取到實際輸出的初始姿態(tài)四元數(shù)；

根據(jù)所述初始姿態(tài)四元數(shù)及其對應的基準值，計算出初始偏差四元數(shù)，所述初始偏差四元數(shù)為所述基準值與所述初始姿態(tài)四元數(shù)的比值；

根據(jù)計算出的初始偏差四元數(shù)與所述獲取到的姿態(tài)四元數(shù)據(jù)，確定出節(jié)點運動四元數(shù)，其中，所述節(jié)點運動四元數(shù)為校準補償之后的節(jié)點運動數(shù)據(jù)，所述節(jié)點運動四元數(shù)為所述初始偏差四元數(shù)與所述姿態(tài)四元數(shù)的乘積。

10.根據(jù)權利要求9所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述微姿態(tài)處理器根據(jù)所述獲取到的姿態(tài)四元數(shù)據(jù)，確定所述姿態(tài)四元數(shù)據(jù)對應的多個狀態(tài)向量，包括：

根據(jù)所述姿態(tài)四元數(shù)據(jù)確定出所述節(jié)點運動四元數(shù)；

定義節(jié)點初始向前方向的向量；

根據(jù)所述節(jié)點運動四元數(shù)、所述初始向前方向的向量以及所述初始姿態(tài)四元數(shù)的基準值，確定出所述多個狀態(tài)向量，所述狀態(tài)向量為所述節(jié)點運動四元數(shù)、所述初始向前方向的向量以及所述初始姿態(tài)四元數(shù)的基準值的乘積。