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一种人体关节 角度解算方法及装置

阅读：21发布：2020-05-11

专利汇可以提供一种人体关节角度解算方法及装置专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及一种基于四元数的人体关节角度解算方法及装置。所述方法包括：获取第一采集点的初始四元数和第二采集点的初始四元数；利用所述第一采集点的初始四元数和所述第二采集点的初始四元数计算两者的初始偏置四元数；获取每个采集周期内第一采集点的当前四元数和第二采集点的当前四元数；利用所述第一采集点的当前四元数和所述第二采集点的当前四元数计算两者的绝对偏置四元数；计算当前时刻下所述第一采集点和所述第二采集点的相对偏置四元数；根据上述相对偏置四元数解算右臂肘关节在三轴方向上的相对转角。所述装置基于上述方法实现。本发明可以利用两个采集点的四元数解算到人体关节在三轴方向上相对于初始位置的实时角度变化，实现基于人体姿态的机器人随动控制。，下面是一种人体关节角度解算方法及装置专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种人体关节角度解算方法，其特征在于，包括：
获取人体关节的第一采集点的初始四元数和与所述第一采集点相邻的第二采集点的初始四元数；
利用所述第一采集点的初始四元数和所述第二采集点的初始四元数计算两者的初始偏置四元数；
获取每个采集周期内所述第一采集点的当前四元数和所述第二采集点的当前四元数；
利用所述第一采集点的当前四元数和所述第二采集点的当前四元数计算两者的绝对偏置四元数；
计算当前时刻下所述第一采集点和所述第二采集点的相对偏置四元数；
根据上述相对偏置四元数解算人体关节在三轴方向上的相对转角；
其中，所述初始偏置四元数采用以下公式表示：
所述绝对偏置四元数采用以下公式表示：
式中，T＝q102+q112+q122+q132；
所述相对偏置四元数表示以下公式表示：
在上述公式中， T＝q102+q112+q122+q132；Δq'0、Δq'1、Δq'2
和Δq'3分别为第一采样点与第二采样点初始偏置中的第一元数、第二元数、第三元数和第四元数，Δq0、Δq1、Δq2和Δq3分别为第一采样点与第二采样点绝对偏置中的第一元数、第二元数、第三元数和第四元数；q'10、q'11、q'12和q'13分别为初始情况下第一采集点中第一元数、第二元数、第三元数和第四元数，q'20、q'21、q'22和q'23分别为初始情况下第二采集点中第一元数、第二元数、第三元数和第四元数，T'为初始情况下第一采集点中第一元数、第二元数、第三元数和第四元数的平方和；q10、q11、q12和q13分别为采集周期内第一采集点中第一元数、第二元数、第三元数和第四元数，q20、q21、q22和q23分别为采集周期内第二采集点中第一元数、第二元数、第三元数和第四元数，T为采集周期内第一采集点中第一元数、第二元数、第三元数和第四元数的平方和，q'1为第一采集点的初始四元数，q'2为第二采样点的初始四元数，q1为任意一个采集周期内第一采集点的当前四元数，q2为任意一个采集周期内第二采集点的当前四元数。
2.根据权利要求1所述的人体关节角度解算方法，其特征在于，所述第一采集点的初始四元数和所述第二采集点的初始四元数分别采用以下公式表示：
q'1＝q'10+i q'11+j q'12+k q'13；
q'2＝q'20+i q'21+j q'22+k q'23；
式中，q'10、q'11、q'12和q'13分别为初始情况下第一采集点中第一元数、第二元数、第三元数和第四元数；i、j和k分别为第一采集点在x轴、y轴、z轴上的虚数单位；q'20、q'21、q'22和q'23分别为初始情况下第二采集点中第一元数、第二元数、第三元数和第四元数。
3.根据权利要求2所述的人体关节角度解算方法，其特征在于，任意一个采集周期内第一采集点的当前四元数和第二采集点的当前四元数分别采用以下公式表示：
q1＝q10+i q11+j q12+k q13；
q2＝q20+iq21+jq22+kq23；
式中，q10、q11、q12和q13分别为采集周期内第一采集点中第一元数、第二元数、第三元数和第四元数；i、j和k分别为第一采集点在x轴、y轴、z轴上的虚数单位；q20、q21、q22和q23分别为采集周期内第二采集点中第一元数、第二元数、第三元数和第四元数。
4.根据权利要求1所述的人体关节角度解算方法，其特征在于，所述人体关节在三轴方向上的相对转角采用以下公式表示：
q＝a+bi+cj+dk；
其中， θ为四元数绕矢量旋转的转
角，是一个中间量；α、β、γ分别为绕X轴、Y轴、Z轴旋转的角度。
5.一种人体关节角度解算装置，其特征在于，包括：
初始四元数获取模块，用于获取人体关节的第一采集点的初始四元数和与所述第一采集点的相邻的第二采集点的初始四元数；
初始偏置四元数获取模块，用于利用所述第一采集点的初始四元数和所述第二采集点的初始四元数计算两者的初始偏置四元数；
当前四元数获取模块，用于获取每个采集周期内第一采集点的当前四元数和第二采集点的当前四元数；
绝对偏置四元数获取模块，用于利用所述第一采集点的当前四元数和所述第二采集点的当前四元数计算两者的绝对偏置四元数；
相对偏置四元数获取模块，用于计算当前时刻下所述第一采集点和所述第二采集点的相对偏置四元数；
相对转角解算模块，用于根据上述相对偏置四元数解算人体关节在三轴方向上的相对转角；
其中，所述初始偏置四元数采用以下公式表示：
所述绝对偏置四元数采用以下公式表示：
式中，T＝q102+q112+q122+q132；
所述相对偏置四元数表示以下公式表示：
在上述公式中， T＝q102+q112+q122+q132；Δq'0、Δq'1、Δq'2
和Δq'3分别为第一采样点与第二采样点初始偏置中的第一元数、第二元数、第三元数和第四元数，Δq0、Δq1、Δq2和Δq3分别为第一采样点与第二采样点绝对偏置中的第一元数、第二元数、第三元数和第四元数；q'10、q'11、q'12和q'13分别为初始情况下第一采集点中第一元数、第二元数、第三元数和第四元数，q'20、q'21、q'22和q'23分别为初始情况下第二采集点中第一元数、第二元数、第三元数和第四元数，T'为初始情况下第一采集点中第一元数、第二元数、第三元数和第四元数的平方和；q10、q11、q12和q13分别为采集周期内第一采集点中第一元数、第二元数、第三元数和第四元数，q20、q21、q22和q23分别为采集周期内第二采集点中第一元数、第二元数、第三元数和第四元数，T为采集周期内第一采集点中第一元数、第二元数、第三元数和第四元数的平方和，q'1为第一采集点的初始四元数，q'2为第二采样点的初始四元数，q1为任意一个采集周期内第一采集点的当前四元数，q2为任意一个采集周期内第二采集点的当前四元数。

说明书全文

一种人体关节 角度解算方法及装置

技术领域

[0001] 本发明涉及机器人控制技术领域，具体涉及一种人体关节角度解算方法及装置。

背景技术

[0002] 随着微机电技术和捷联惯导技术的日益成熟，越来越多的研究人员采用MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)技术，以及惯导传感器(陀螺仪、加速度计、磁罗盘等)进行数据融合，然后采用四元数形式表示人体姿态，并将所获取的人体姿态应用于医疗监护、手势识别、动作矫正、三维重构和机器人控制等领域。

[0003] 目前，现有技术中常见的人体姿态获取方法基于模块化设计，根据具体的不同功能配备不同数量的采集模块，制作人体可穿戴式设备，以实现对多采集点的人体姿态采集。例如公开号为CN103226398 A的中国专利申请中通过在手部放置多个采样点，以实现利用数据手套采集手指姿态。公开号为CN 103968827 A的中国专利申请中通过在人体下肢放置多个采样点，以检测人体步态。公开号为CN 104461013 A的中国专利申请中通过在全身放置多个采样点，以分析人体动作的重构。公开号为CN 105068654 A的中国专利申请中通过在全身放置多个采样点以捕获人体动作。

[0004] 上述各种方法均是直接解算出人体各部分相对于地面坐标系的绝对位置，而未求解采集点之间的相对运动，因此需要与上位机配合，否则无法直接控制机器人。另外，由于穿戴式人体姿态采集设备会因不同身体的穿戴者而导致解算出的人体姿态会有很大的不同，并且初始佩戴位置和方向一致性有很高的要求，否则会导致所采集的结果不同。

发明内容

[0005] 针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种人体关节角度解算方法及装置，可以利用任意两个相邻人体姿态采集点的四元数姿态信息解算到两个采集点之间在三轴方向上相对于初始位置的角度变化，实现基于人体姿态的随动机器人的控制。

[0006] 第一方面，本发明提供了一种人体关节角度解算方法，包括：

[0007] 获取第一采集点的初始四元数和第二采集点的初始四元数；

[0008] 利用所述第一采集点的初始四元数和所述第二采集点的初始四元数计算两者的初始偏置四元数；

[0009] 获取每个采集周期内第一采集点的当前四元数和第二采集点的当前四元数；

[0010] 利用所述第一采集点的当前四元数和所述第二采集点的当前四元数计算两者的绝对偏置四元数；

[0011] 计算当前时刻下所述第一采集点和所述第二采集点的相对偏置四元数；

[0012] 根据上述相对偏置四元数解算右臂肘关节在三轴方向上的相对转角。

[0013] 可选地，所述第一采集点的初始四元数和所述第二采集点的初始四元数分别采用以下公式表示：

[0014] q'1＝q'10+i q'11+j q'12+k q'13；

[0015] q'2＝q'20+i q'21+j q'22+k q'23；

[0016] 式中，q'10、q'11、q'12和q'13分别为初始情况下第一采集点中第一元数、第二元数、第三元数和第四元数；q'20、q'21、q'22和q'23分别为初始情况下第二采集点中第一元数、第二元数、第三元数和第四元数。

[0017] 可选地，所述初始偏置四元数采用以下公式表示：

[0018]

[0019] 式中，

[0020] 可选地，任意一个采集周期内第一采集点的当前四元数和第二采集点的当前四元数分别采用以下公式表示：

[0021] q1＝q10+i q11+j q12+k q13；

[0022] q2＝q20+i q21+j q22+k q23；

[0023] 式中，q10、q11、q12和q13分别为采集周期内第一采集点中第一元数、第二元数、第三元数和第四元数；i、j和k第一采集点为在x、y、z上的虚数单位；q20、q21、q22和q23分别为采集周期内第二采集点中第一元数、第二元数、第三元数和第四元数。

[0024] 可选地，所述绝对偏置四元数采用以下公式表示：

[0025]

[0026] 式中，T＝q102+q112+q122+q132。

[0027] 可选地，所述相对偏置四元数表示以下公式表示：

[0028]

[0029] 可选地，所述右臂肘关节在三轴方向上的相对转角采用以下公式表示：

[0030] q＝q0+q1i+q2j+q3k；；

[0031] 其中，θ为四元数绕矢量旋转的转角，是一个中间量。

[0032] 第二方面，本发明还提供了一种人体关节角度解算装置，包括：

[0033] 初始四元数获取模块，用于获取第一采集点的初始四元数和第二采集点的初始四元数；

[0034] 初始偏置四元数获取模块，用于利用所述第一采集点的初始四元数和所述第二采集点的初始四元数计算两者的初始偏置四元数；

[0035] 当前四元数获取模块，用于获取每个采集周期内第一采集点的当前四元数和第二采集点的当前四元数；

[0036] 绝对偏置四元数获取模块，用于利用所述第一采集点的当前四元数和所述第二采集点的当前四元数计算两者的绝对偏置四元数；

[0037] 相对偏置四元数获取模块，用于计算当前时刻下所述第一采集点和所述第二采集点的相对偏置四元数；

[0038] 相对转角解算模块，用于根据上述相对偏置四元数解算右臂肘关节在三轴方向上的相对转角。

[0039] 由上述技术方案可知，本发明计算任意相邻两个采集点的初始四元数可得到他们的初始偏置四元数；然后再结合每个采集周期内第一采集点的当前四元数和第二采集点的当前四元数，计算两者的绝对偏置四元数；最后根据上述相对偏置四元数解算右臂肘关节在三轴方向上的相对转角。可见，在获取任意两个采集点的初始四元数以及初始偏置四元数后，无需限定穿戴者体重以及初始姿态，使人体姿态采集传感器适应不同的人体，提高测量的准确度。本发明在计算四元数时直接计算，无需使用法向量以及三角函数运算，从而也就避免了奇异点，即规避了方向锁的问题，实现人体姿态关节角度的全姿态解算。附图说明

[0040] 通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

[0041] 图1是本发明实施例提供的一种人体关节角度解算方法流程示意图；

[0042] 图2是操作者(左)与随动机器人的右臂的映射关系图；

[0043] 图3是本发明实施例以人体右臂肘关节解算方法流程示意图；

[0044] 图4是利用图3所示方法解算出关节角度与参考角度的示意图；

[0045] 图5是本发明实施例提供的一种人体关节角度解算装置框图。

具体实施方式

[0046] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0047] 第一方面，本发明提供了一种人体关节角度解算方法，如图1所示，所述方法包括：

[0048] S1、获取第一采集点的初始四元数和第二采集点的初始四元数；

[0049] S2、利用所述第一采集点的初始四元数和所述第二采集点的初始四元数计算两者的初始偏置四元数；

[0050] S3、获取每个采集周期内第一采集点的当前四元数和第二采集点的当前四元数；

[0051] S4、利用所述第一采集点的当前四元数和所述第二采集点的当前四元数计算两者的绝对偏置四元数；

[0052] S5、计算当前时刻下所述第一采集点和所述第二采集点的相对偏置四元数；

[0053] S6、根据上述相对偏置四元数解算右臂肘关节在三轴方向上的相对转角。

[0054] 下面以人体关节中的右臂肘关节为例对本发明实施例提供的人体关节角度解算方法作详细说明。

[0055] 图2示出了本发明一实施例中人体右臂与随动机器人之间的映射关系。其中，人体右大臂、肘部、右小臂与随动机器人的右大臂、肘部、右小臂一一对应，并在人体的右大臂和右小臂上安装至少一个人体姿态采集器，即在右大臂和右小臂上设置至少一个采集点。本发明实施例中，右大臂设置一个采集点即第一采集点，右小臂设置一个采集点即第二采集点，第一采集点与第二采集点是相邻的，两者之间没有其他采集点。图2中以肩关节为原点建立坐标系，沿着图2垂直方向为X轴，左右方向为Y轴，上下方向为Z轴。

[0056] 如图3所示，获取人体肘关节角度的解算方法包括：

[0057] S31、在随动机器人上电初始化阶段，获取右大臂的初始四元数和右小臂的初始四元数，并采用以下公式表示：

[0058] q'1＝q'10+i q'11+j q'12+k q'13； (1)

[0059] q'2＝q'20+i q'21+j q'22+k q'23； (2)

[0060] 式中，q'10、q'11、q'12和q'13分别为初始情况下第一采集点中第一元数、第二元数、第三元数和第四元数；i、j和k第一采集点为在x、y、z上的虚数单位；q'20、q'21、q'22和q'23分别为初始情况下第二采集点中第一元数、第二元数、第三元数和第四元数。

[0061] S32、利用所述右大臂的初始四元数和所述右小臂的初始四元数计算两者的初始偏置四元数Δq'，并采用以下公式表示：

[0062]

[0063]

[0064] S33、在工作阶段，获取每个采集周期内右大臂的当前四元数q1和右小臂的当前四元数q2，采用以下公式表示：

[0065] q1＝q10+i q11+j q12+k q13； (5)

[0066] q2＝q20+i q21+j q22+k q23； (6)

[0067] 式中，q10、q11、q12和q13分别为采集周期内第一采集点中第一元数、第二元数、第三元数和第四元数；q20、q21、q22和q23分别为采集周期内第二采集点中第一元数、第二元数、第三元数和第四元数。

[0068] S34、利用所述右大臂的当前四元数和所述右小臂的当前四元数计算两者的绝对偏置四元数Δq，采用以下公式表示：

[0069]

[0070] T＝q102+q112+q122+q132。 (8)

[0071] S35、计算当前时刻下所述右大臂和所述右小臂的相对偏置四元数q，如下公式所示：

[0072]

[0073] S36、根据上述相对偏置四元数解算右臂肘关节在三轴方向上的相对转角。

[0074] q＝q0+q1i+q2j+q3k；； (10)

[0075]

[0076]

[0077]

[0078]

[0079] 其中，θ为四元数绕矢量旋转的转角，是一个中间量；α、β、γ分别为绕X轴、Y轴、Z轴旋转的角度，即俯仰角、横滚角、偏航角。

[0080] 如图4所示，本发明可以获取肘关节在三轴方向上的相对转角，即求解了肘关节的全姿态角度变化，其中参考角度为人体实际姿态，解算角度为本发明的方案计算的结果。实际应用中，肘关节只有俯仰角一个自由度，因此将α给定随动机器人即可。肩部关节为一个球状关节，可以拆分成串联的三个自由度，故将计算结果α、β、γ对应作为随动机器人三自由度的实时角度给定。对于人体其他关节，可以选用α、β、γ中相应角度作为随动机器人对应关节不同自由度的实时角度给定。

[0081] 第二方面，本发明还提供了一种人体关节角度解算装置，如图5所示，包括：

[0082] 初始四元数获取模块M1，用于获取第一采集点的初始四元数和第二采集点的初始四元数；

[0083] 初始偏置四元数获取模块M2，用于利用所述第一采集点的初始四元数和所述第二采集点的初始四元数计算两者的初始偏置四元数；

[0084] 当前四元数获取模块M3，用于获取每个采集周期内第一采集点的当前四元数和第二采集点的当前四元数；

[0085] 绝对偏置四元数获取模块M4，用于利用所述第一采集点的当前四元数和所述第二采集点的当前四元数计算两者的绝对偏置四元数；

[0086] 相对偏置四元数获取模块M5，用于计算当前时刻下所述第一采集点和所述第二采集点的相对偏置四元数；

[0087] 相对转角解算模块M6，用于根据上述相对偏置四元数解算右臂肘关节在三轴方向上的相对转角。

[0088] 由上可以看出，本发明实施例提供的装置基于上文所述的方法实现，因而可以解决同样的技术问题，并取得相同的技术效果，在此不再一一赘述。

[0089] 在本发明中，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“多个”指两个或两个以上，除非另有明确的限定。

[0090] 虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

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