[發明專利]一種基于旋轉矩陣的外骨骼設備穿戴誤差校正方法和裝置

在審

• 申請號: 202210209062.8
• 申請日: 2022-03-04
• 公開（公告）號: CN114668389A
• 公開（公告）日: 2022-06-28
• 發明（設計）人: 王軍;李萬寶;宋真子;萬航;吳兵兵;李小舟
• 申請（專利權）人: 中電海康集團有限公司
• 主分類號: A61B5/11
• 分類號: A61B5/11;A61B5/00;G06F17/10
• 代理公司: 杭州君度專利代理事務所(特殊普通合伙) 33240
• 代理人: 楊天嬌

1.一種基于旋轉矩陣的外骨骼設備穿戴誤差校正方法，所述外骨骼設備上安裝有IMU，其特征在于，所述基于旋轉矩陣的外骨骼設備穿戴誤差校正方法，包括：

步驟1、在外骨骼設備的穿戴者直立情況下進行IMU自校準；

步驟2、在外骨骼設備的穿戴者平躺情況下，根據IMU測量的加速度值計算IMU安裝平面與人體矢狀面的夾角α作為穿戴偏斜角度；

步驟3、在外骨骼設備的穿戴者正常運動情況下，根據夾角α以及IMU測量得到的歐拉角計算誤差校正后的關節角度，包括：

步驟31、將IMU測量得到的歐拉角轉換為旋轉矩陣

步驟32、根據夾角α對旋轉矩陣進行修正；

步驟33、以修正后的旋轉矩陣轉換得到校正后的歐拉角作為最終的關節角度，完成外骨骼設備穿戴的誤差校正。

2.如權利要求1所述的基于旋轉矩陣的外骨骼設備穿戴誤差校正方法，其特征在于，所述在外骨骼設備的穿戴者平躺情況下，根據IMU測量的加速度值計算IMU安裝平面與人體矢狀面的夾角α，包括：

步驟2.1、檢測穿戴者是否滿足下肢平躺校正條件，所述下肢平躺校正條件為：穿戴者下肢腳尖朝上平躺于水平面上并保持靜止狀態至少2秒；

步驟2.2、若檢測到穿戴者不滿足下肢平躺校正條件，則返回步驟2.1繼續檢測；否則執行步驟2.3；

步驟2.3、獲取IMU測量得到的加速度值a_x和a_y，其中a_x為X軸方向的加速度分量，其中a_y為Y軸方向的加速度分量；

步驟2.4、若外骨骼設備穿戴在穿戴者下肢外側面，則計算得到的夾角α為：

若外骨骼設備穿戴在穿戴者下肢正面，則計算得到的夾角α為：

式中，夾角α為弧度制。

3.如權利要求1所述的基于旋轉矩陣的外骨骼設備穿戴誤差校正方法，其特征在于，所述將IMU測量得到的歐拉角轉換為旋轉矩陣包括：

定義旋轉矩陣如下：

式中，下標s表示轉動坐標系的坐標軸，即x_s、y_s、z_s分別為轉動坐標系的X軸、Y軸和Z軸的坐標，下標g表示地面坐標系的坐標軸，即x_g、y_g、z_g分別為地面坐標系的X軸、Y軸和Z軸的坐標；

取轉動坐標系按照Y-X-Z的旋轉順序進行轉動，則得到以IMU測量的歐拉角θ、φ、ψ轉換得到的旋轉矩陣如下：

式中，θ為俯仰角，是圍繞轉動坐標系Y軸的轉動角度，φ為滾轉角，是圍繞轉動坐標系X軸的轉動角度，ψ為偏航角，是圍繞轉動坐標系Z軸的轉動角度。

4.如權利要求3所述的基于旋轉矩陣的外骨骼設備穿戴誤差校正方法，其特征在于，所述根據夾角α對旋轉矩陣進行修正，包括：

當外骨骼設備穿戴規范且穿戴者在直立、坐姿或者平躺狀態下做沿著人體矢狀面內的運動時，角度ψ為零，即得到無誤差情況下旋轉矩陣的第三行為如下所示：

式中，表示無誤差情況下旋轉矩陣的第三行，θ′為無誤差情況下的俯仰角，φ′為無誤差情況下的滾轉角；

由于夾角α為沿轉動坐標系Z軸轉動所產生的角度，則以Y-X-Z為旋轉順序的偏航角ψ與夾角α為同一個角度，取該旋轉順序下用于校正計算的理論偏航角為ψ″且ψ″＝α；

因此根據理論偏航角為ψ″計算得到如下結果：

式中，為旋轉矩陣第三行第一列的元素，為旋轉矩陣第三行第二列的元素；

以計算得到的-sinθ′和sinφ′cosθ′分別更新旋轉矩陣第三行第一列的元素和第三行第二列的元素，完成對旋轉矩陣的修正。

5.如權利要求4所述的基于旋轉矩陣的外骨骼設備穿戴誤差校正方法，其特征在于，所述以修正后的旋轉矩陣轉換得到校正后的歐拉角，包括：

取轉動坐標系按照Z-Y-X的旋轉順序進行轉動，則計算得到修正后的滾轉角φ′和俯仰角θ′如下：

式中，為更新后的旋轉矩陣第三行第一列的元素，為更新后的旋轉矩陣第三行第二列的元素，為旋轉矩陣第三行第一列的元素，

6.一種基于旋轉矩陣的外骨骼設備穿戴誤差校正裝置，包括處理器以及存儲有若干計算機指令的存儲器，其特征在于，所述計算機指令被處理器執行時實現權利要求1至權利要求5中任意一項所述基于旋轉矩陣的外骨骼設備穿戴誤差校正方法的步驟。