本發(fā)明涉及人體關節(jié)參數(shù)估計方法。
背景技術：
：隨著科技的發(fā)展，人體實時運動捕獲系統(tǒng)在實際生活中得到了廣泛的應用。在人機交互、動畫制作、醫(yī)療康復、運動訓練和醫(yī)療機器人等領域運動捕獲系統(tǒng)發(fā)揮著其重要的作用。一個精確的人體骨架模型是分析和重構人體運動不可或缺的，而人體骨架參數(shù)又是骨架模型的基礎。一方面人體運動3維模型的重構需要精確的人體骨架參數(shù)作為基礎。另一方面基于IMU的室內(nèi)定位算法也必須在已知人體骨架參數(shù)的前提下結(jié)合前向運動學來完成室內(nèi)定位。同時在已有運動捕獲系統(tǒng)的基礎上結(jié)合人體骨架參數(shù)可以對人附加與其適配的外骨骼，幫助其運動，可以給肢體有障礙的病人使用來幫助他們?nèi)粘；顒右部梢园惭b在士兵身上加強其行軍負重能力。在人機工程領域，人體骨架的參數(shù)作為十分重要的參數(shù)也被作為工作間、設備，家具和服裝設計的重要參考，通過對用戶骨架參數(shù)進行分析再結(jié)合用戶體驗等相關理論最終確定產(chǎn)品的尺寸等參數(shù)從而提高產(chǎn)品競爭力。因為人體關節(jié)旋轉(zhuǎn)中心位于皮膚下面，所以測量難度很大，而人體參數(shù)的測量方法普遍比較繁瑣且成本比較高，所以迫切需求一種簡單有效的人體關節(jié)參數(shù)測量方法。本發(fā)明提出一種基于IMU的便捷式人體肢體長度即關節(jié)參數(shù)的估計方法。傳統(tǒng)意義上使用多元回歸分析來構造人體測量參數(shù)之間的關系。統(tǒng)計學中使用統(tǒng)計手段來獲得人體肢體長度，比如通過人體身高來大致估計肢體長度。目前采用自適應模糊神經(jīng)系統(tǒng)基于統(tǒng)計數(shù)據(jù)來對人體測量參數(shù)進行估計。人體關節(jié)參數(shù)的測量是人體運動捕獲中關鍵的環(huán)節(jié)。關節(jié)參數(shù)測量方法通?？梢员粍澐譃槭止y量、利用醫(yī)學設備進行測量和光電測量三種方式。手工測量方式需要在相應的專家指導下進行，并且對其進行重復測量很難得到相同的結(jié)果，數(shù)據(jù)中不僅包含了系統(tǒng)誤差還包括了由操作人員帶來的偶然誤差。皮膚以及肌肉軟組織對于結(jié)果的精確度也會造成比較大的影響。利用醫(yī)學成像技術來測量人體關節(jié)參數(shù)也是一種關節(jié)參數(shù)測量方法。利用伽馬射線、CT、雙能X射線測定法以及核磁共振成像技術來進行關節(jié)參數(shù)測量高效并且測量精度也高。但這些技術的成本都是比較高的，耗時也比較久，在日常生活中不是那么便捷，并且其中一些射線也會對人體健康造成一定得影響。光電式運動捕獲系統(tǒng)通過測定安裝在肢體和關節(jié)處的標記點的位置來測量人體肢體長度。這些標記點必須嚴格基于人體解剖學來進行安放。大量的標記點和不斷傳送的數(shù)據(jù)導致應用光電式運動捕獲來進行人體關節(jié)參數(shù)估計會耗費很長的時間并且很復雜。一種3D的基于光圖像的掃描儀被發(fā)明出來用于掃描人體表面任何經(jīng)過后續(xù)的處理來得到人體的關節(jié)參數(shù)。該裝置在人體模型以及真人上都進行過實驗，并且結(jié)果精確度挺高。但是該系統(tǒng)的復雜程度難以想象，所以對于個人用于測量全身的關節(jié)參數(shù)經(jīng)濟和時間成本都是相當之高的。隨著IMU體積和價格的下降，測量精度和可靠性不斷的提升，在運動捕獲領域受到了大家的青睞。利用IMU進行運動捕獲存在的最大的問題就是IMU只能測量人體肢體的方位、加速度以及角速率，用其很好得去追蹤人體肢體的位置還是一個沒有解決的問題。目前市面上的一些運動捕獲設備主要都是通過其他外擴的設備去對人體關節(jié)參數(shù)進行測量的。受到機器人運動模型校正方法的啟發(fā)，美國科學家提出了一種基于足跡模板的人體關節(jié)參數(shù)估計的方法。足跡模板指的是通過將雙腳和事先預設好的腳印重合從而得出人體末端肢體的位置的方法。由IMU測得各個關節(jié)的關節(jié)角然后加上已知人體腳的位置，可以建立前向運動學方程，從而解算出人體各個肢體的長度。但是為了獲得比較精確的關節(jié)角，必須事先對傳感器進行初始化校正工作并且每個人的腳的大小不一致對應的足跡模板也不一樣，所以該方法在日常生活中不太適用。技術實現(xiàn)要素：本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有技術存在精度低、價格昂貴、操作不便捷及耗時長等問題，而提出的基于IMU的便捷式人體關節(jié)參數(shù)估計方法?；贗MU的便捷式人體關節(jié)參數(shù)估計方法按以下步驟實現(xiàn)：步驟一：把人體手臂等效成由上臂、前臂和手掌三個剛體通過肘關節(jié)和腕關節(jié)鉸接而成的，并定義坐標系；步驟二：根據(jù)步驟一通過人體運動學分析通過o1在的位置矢量，得到的二階微分形式其中所述為參考坐標系原點e到肘關節(jié)旋轉(zhuǎn)點o1的位置矢量；步驟三：根據(jù)步驟一通過人體運動學分析通過o1在的位置矢量，得到的二階微分形式步驟四：根據(jù)步驟二和步驟三得到和由球關節(jié)引起的運動學約束關系式，其中所述表示從上臂傳感器坐標系坐標原點a指向肘關節(jié)旋轉(zhuǎn)點的相對的位置矢量，表示從前臂傳感器坐標系坐標原點b指向肘關節(jié)旋轉(zhuǎn)點的相對的位置矢量；步驟五：根據(jù)步驟四建立線性方程組并用最小二乘法對方程組求解，得到和步驟六：根據(jù)o2在的位置矢量和o2在的位置矢量，重新執(zhí)行步驟二至步驟五，得到和的值；其中所述表示從前臂傳感器坐標系坐標原點b指向腕關節(jié)旋轉(zhuǎn)點o2相對的位置矢量，表示從手掌傳感器坐標系坐標原點c指向腕關節(jié)旋轉(zhuǎn)點的相對的位置矢量；步驟七：根據(jù)步驟五得到的和計算出小臂的長度。發(fā)明效果：(1)精度高，誤差小于0.5厘米相對于傳統(tǒng)手工測量方式，測量誤差為手工測量的三分之一。(2)測量方式簡單，耗時短。只需穿戴IMU傳感器做特定動作即可由單片機實時計算得到人體關節(jié)參數(shù)。而通過醫(yī)療器械測量人體關節(jié)參數(shù)的方法需要對人體進行掃描和后續(xù)分析耗時為一周，相比較而言大大縮短了測量時間和操作難易度。(3)便攜性好。因為采用微型傳感器單元對人體關節(jié)參數(shù)進行估計。所以只需要佩戴IMU即可進行測量，裝置小巧便攜可以在日常生活中應用。(4)價格低廉。采用醫(yī)療器械來進行關節(jié)參數(shù)測量，器械費用在20萬元以上，而采用IMU進行全身人體關節(jié)參數(shù)測量只需要花費200元。針對現(xiàn)有技術中的問題，本發(fā)明提出了一種基于IMU傳感器但簡單有效的人體關節(jié)參數(shù)測量方法。這種方法利用了人體關節(jié)產(chǎn)生的運動學約束，不需要了解任何人體解剖學的相關知識將傳感器進行穿戴即可測量得到人體關節(jié)參數(shù)。對于使用者來說復雜程度低。附圖說明圖1為人體手臂示意圖；圖2為上臂參數(shù)估計示意圖；圖3為簡化人體骨架模型圖；圖4為參數(shù)估計算法流程示意圖；圖5為前臂傳感器到肘關節(jié)位置的估計誤差圖；圖6為前臂傳感器到腕關節(jié)位置的估計誤差圖。具體實施方式具體實施方式一：如圖4所示，基于IMU的便捷式人體關節(jié)參數(shù)估計方法包括以下步驟：忽略人體關節(jié)的平移運動，只考慮其旋轉(zhuǎn)。通?？梢园讶梭w看作是由屈戍關節(jié)和球關節(jié)鉸接而成的多剛體結(jié)構。通過在每個肢體上佩戴IMU傳感器模塊，然后結(jié)合傳感器融合算法就可以得到該肢體的方向、線性加速度和角速率信息。然后計算得到人體關節(jié)參數(shù)信息。簡化人體骨架模型如圖3所示。步驟一：把人體手臂等效成由上臂、前臂和手掌三個剛體通過肘關節(jié)和腕關節(jié)鉸接而成的，并定義坐標系；步驟二：根據(jù)步驟一通過人體運動學分析通過o1在的位置矢量，得到的二階微分形式其中所述為參考坐標系原點e到肘關節(jié)旋轉(zhuǎn)點o1的位置矢量；步驟三：根據(jù)步驟一通過人體運動學分析通過o1在的位置矢量，得到的二階微分形式步驟四：根據(jù)步驟二和步驟三得到和由球關節(jié)引起的運動學約束關系式，其中所述表示從上臂傳感器坐標系坐標原點a指向肘關節(jié)旋轉(zhuǎn)點的相對的位置矢量，表示從前臂傳感器坐標系坐標原點b指向肘關節(jié)旋轉(zhuǎn)點的相對的位置矢量；步驟五：根據(jù)步驟四建立線性方程組并用最小二乘法對方程組求解，得到和步驟六：根據(jù)o2在的位置矢量和o2在的位置矢量，重新執(zhí)行步驟二至步驟五(即步驟六一至步驟六四)，得到和的值；其中所述表示從前臂傳感器坐標系坐標原點b指向腕關節(jié)旋轉(zhuǎn)點o2相對的位置矢量，表示從手掌傳感器坐標系坐標原點c指向腕關節(jié)旋轉(zhuǎn)點的相對的位置矢量；步驟六一：通過人體運動學分析通過o2在的位置矢量，得到的二階微分形式其中所述為參考坐標系原點e到腕關節(jié)旋轉(zhuǎn)點o2的位置矢量；步驟六二：通過人體運動學分析通過o2在的位置矢量，得到的二階微分形式步驟六三：根據(jù)步驟六一和步驟六二得到和由球關節(jié)引起的運動學約束關系式，其中所述表示從前臂傳感器坐標系坐標原點b指向腕關節(jié)旋轉(zhuǎn)點的相對位置的矢量，表示從手掌傳感器坐標系坐標原點c指向腕關節(jié)旋轉(zhuǎn)點的相對位置的矢量；步驟六四：根據(jù)步驟六三得到線性方程組并用最小二乘法對方程組求解，得到和步驟七：根據(jù)步驟五計算出的和得到小臂的長度。為了解決現(xiàn)有人體關節(jié)參數(shù)測量中精度低、場地限制、經(jīng)濟成本和時間成本較高以及操作不便捷等問題。本發(fā)明提供了一種便捷、高精度的人體關節(jié)參數(shù)測量方法。通過在人體各肢體上安裝IMU傳感器，測得其方位、線性加速度和角速率信息，再結(jié)合本發(fā)明提出的算法即可測得各個肢體的參數(shù)信息。具體實施方式二：本實施方式與具體實施方式一不同的是：所述步驟一中定義坐標系具體為：用A、B、C分別來表示上臂、前臂和手掌，如圖1所示，定義o1、o2為肘關節(jié)和腕關節(jié)的旋轉(zhuǎn)中心；將IMU傳感器以任意方向分別安裝在上臂、前臂和手掌上，在上臂、前臂和手掌IMU傳感器上分別建立上臂傳感器坐標系前臂傳感器坐標系和手掌傳感器坐標系a、b、c為其相應坐標系的原點，為固定的參考坐標系。IMU傳感器可以分別安裝在上臂、前臂和手掌的任意位置。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式一相同。具體實施方式三：本實施方式與具體實施方式一或二不同的是：所述步驟二得到的二階微分形式的具體為：通過人體運動學分析得到：p··o1e=Rea(aaa+(ω^eaaω^eaa+ω·^eaa)po1a)---(1)]]>其中Rea為和的相對旋轉(zhuǎn)矩陣，為上臂傳感器坐標系原點在其坐標系下的線性加速度；表示標準矢量的向量積：ω^eaa=0-ωzaωyaωza0-ωxa-ωyaωxa0]]>分別為上臂傳感器測得的角速度在x、y、z方向上的分量；其中x、y、z是由IMU傳感器內(nèi)部陀螺儀安裝位置決定的。由其三階近似求得：ω·eaa(k)≈ωeaa(k-2Δt)-8ωeaa(k-Δt)+8ωeaa(k-Δt)-ωeaa(k-2Δt)12Δt]]>表示k時刻測量得到的大臂傳感器坐標系相對于參考坐標系的角加速度。式中(k-2△t)和(k-△t)表示測量的時刻?！鱰為兩次測量之間的時間差，這里應保證△t較小。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式一或二相同。具體實施方式四：本實施方式與具體實施方式一至三之一不同的是：所述步驟三中得到的二階微分形式具體為：p··o1e=Reb(abb+(ω^ebbω^ebb+ω·^ebb)po1b)---(2)]]>其中Reb為和的相對旋轉(zhuǎn)矩陣，為前臂傳感器坐標系原點在其坐標系下的線性加速度；表示標準矢量的向量積：ω^ebb=0-ωzbωybωzb0-ωxb-ωybωxb0]]>分別為上臂傳感器測得的角速度在x、y、z方向上的分量；由其三階近似求得：ω·ebb(k)≈ωebb(k-2Δt)-8ωebb(k-Δt)+8ωebb(k-Δt)-ωebb(k-2Δt)12Δt.]]>其它步驟及參數(shù)與具體實施方式一至三之一相同。具體實施方式五：本實施方式與具體實施方式一至四之一不同的是：所述步驟四根據(jù)步驟二和步驟三得到和由球關節(jié)引起的運動學約束關系式具體為：聯(lián)立公式(1)和公式(2)得到約束方程：Rea(aaa+(ω^eaaω^eaa+ω·^eaa)po1a)=Reb(abb+(ω^ebbω^ebb+ω·^ebb)po1b)---(3)]]>整理后得：(ω^eaaω^eaa+ω·^eaa)po1a-Rab(ω^ebbω^ebb+ω·^ebb)po1b=Rababb-aaa---(4)]]>其中Rab為和的相對旋轉(zhuǎn)矩陣，角速率和線性加速度從IMU傳感器直接測得，Rea、Reb由IMU傳感器測得的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)融合得到。公式(4)描述了關于和由球關節(jié)引起的運動學約束。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式一至四之一相同。具體實施方式六：本實施方式與具體實施方式一至五之一不同的是：所述根據(jù)步驟五得到線性方程組并用最小二乘法對方程組求解，得到和的具體過程為：將公式(4)簡化為：Ao1xo1=bo1---(5)]]>其中Ao1=[ω^eaaω^eaa+ω·^eaaRab(ω^ebbω^ebb+ω·^ebb)]]]>xo1=[po1apo1b]]]>bo1=Rababb-aaa]]>通過多次測量得到線性方程組：A~o1xo1=b~o1---(6)]]>假設我們采集到的N組數(shù)據(jù)，從傳感器測得，則由傳感器得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過計算得到；若的列向量是非線性相關的，則位置矢量由最小二乘法估計得到；由線性最小二乘法可知，當方程(6)為超定方程(方程個數(shù)多于未知數(shù)個數(shù))時，方程沒有解，此時選取使其殘差平方和函數(shù)的值最??；xo1^=argmin(S(xo1))]]>對兩端取微分求其最小值；A~o1TA~o1xo1^=A~o1Tb~o1]]>若為非奇異矩陣，則有唯一解：xo1^=(A~o1TA~o1)-1A~o1Tb~o1---(7)]]>由上可知該算法采用最小二乘法可以利用所有采集的數(shù)據(jù)來進行離線的運算，當采集的數(shù)據(jù)越多，那么最后估計得到的人體參數(shù)也會越準確。其它步驟及參數(shù)與具體實施方式一至五之一相同。具體實施方式七：本實施方式與具體實施方式一至六之一不同的是：所述步驟七中得到小臂的長度的具體過程為：如圖2所示，在下o1相對o2的位置矢量：po1o2=po1b-po2b---(8)]]>所以小臂的長度即為的模：lb=|po1o2|---(9).]]>其它步驟及參數(shù)與具體實施方式一至六之一相同。實施例一：為了獲得人體參數(shù)數(shù)據(jù)，需要通過傳感器對人體各個肢體的運動和姿態(tài)信息進行采集，傳感器使用3軸加速度計、3軸陀螺儀和3軸磁力計測量人體各肢體的加速度、角速率和地磁信息。理論上將傳感器安放于皮膚下面的骨骼處獲得的數(shù)據(jù)最為精確，但是由于安裝方式的局限，只能將傳感器安放于人體皮膚表面來近似獲取人體骨骼的運動和姿態(tài)信息?？紤]到人體軟組織的影響，皮膚和骨骼存在一個相對的運動，測量會存在一定的誤差。研究表明傳感器的安放應盡可能減少軟組織帶來的影響?？紤]上述原則，在人體直立雙臂自然下垂時將大臂的傳感器安放于肱三頭肌與肘關節(jié)連接處的肌腱位置，小臂傳感器安放于小臂背部，手掌的傳感器安放于手背中心處。安放好傳感器后保持上半身直立，大臂圍繞肩關節(jié)做多周半徑不同的變速圓周運動，同時小臂和手掌做任意方向和速度的運動。傳感器測得大臂、小臂和手掌的多組加速度、角速率和地磁信息，在對角速率和加速度進行低通濾波后結(jié)合地磁信息采用卡爾曼濾波算法估計出傳感器的旋轉(zhuǎn)矩陣Rea、Reb、Rec，結(jié)合角速率采用三階近似方法得到角加速度信息然后在得到的數(shù)據(jù)中進行選取，最后運用式(1.1)的運動學方程得到關節(jié)約束對其進行整理后采用最小二乘法估計得到傳感器b的坐標原點相對于腕關節(jié)和肘關節(jié)的向量坐標和然后計算得到腕關節(jié)相對于肘關節(jié)旋轉(zhuǎn)中心的向量只需對其求模，即可得到人體小臂的長度。最后通過使用IMU傳感器測得人體各肢體的姿態(tài)和運動信息，再結(jié)合本文提出的運動學約束，通過約束方程和最小二乘估計得到傳感器相對于關節(jié)旋轉(zhuǎn)點的向量，通過多個方程組合得到兩個相鄰關節(jié)旋轉(zhuǎn)點之間的長度，采用簡單便捷且精度高的方法很巧妙解決了人體關節(jié)旋轉(zhuǎn)點隱蔽造成的人體肢體長度測量困難的問題。采用本發(fā)明方法對一個試驗對象的大臂和前臂進行測量，得到前臂傳感器坐標系原點b到肘關節(jié)旋轉(zhuǎn)點o1和腕關節(jié)旋轉(zhuǎn)點o2的位置矢量然后通過采用醫(yī)療器械對試驗對象進行關節(jié)參數(shù)測量并將其作為基準來進行誤差分析。圖5和圖6分別為位置矢量和在三個軸向的分量與基準之間的誤差隨采樣頻率變化曲線。上臂和前臂長度的測量結(jié)果和誤差如表1所示：表1當前第1頁1 2 3