[发明专利]一种关节角度测量方法及系统

说明书

技术领域

本发明属于传感器技术领域，更具体地，涉及一种关节角度测量方法及系统。

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方法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。这种测量方法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。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明实施例提供了一种关节角度测量方法及系统，使用微姿态传感器的关节角度测量装置及方法。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。

本发明设计的关节角度测量方法操作简单，穿戴方便，可实现连续的活动关节的活动角度测量。例如本发明的一个典型应用，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方法主要是量角规测量，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。本发明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方法，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。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种关节角度测量的方法，具体为：关节角度测量系统通过多个微姿态传感器获取关节运动的多个节点的姿态四元数据，所述多个微姿态传感器固定在关节的两端；根据所述获取到的姿态四元数据，确定所述姿态四元数据对应的多个状态向量；对所述确定出的多个状态向量取反余弦运算，计算出所述关节运动的角度。

在本发明的一个实施例中，在所述多个微姿态传感器获取关节运动的多个节点的姿态四元数据之前，还包括：

对初始安装误差导致的测量误差进行校准补偿。

在本发明的一个实施例中，所述对初始安装误差导致的测量误差进行校准补偿，包括：

获取到初始姿态四元数的基准值，所述基准值即理论上输出的初始姿态四元数值；

当手臂平放后，获取到实际输出的初始姿态四元数；

根据所述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，所述初始偏差四元数为所述基准值与所述初始姿态四元数的比值；

根据计算出的初始偏差四元数与所述获取到的姿态四元数据，确定出节点运动四元数，其中，所述节点运动四元数为校准补偿之后的节点运动数据，所述节点运动四元数为所述初始偏差四元数与所述姿态四元数的乘积。

在本发明的一个实施例中，所述根据所述获取到的姿态四元数据，确定所述姿态四元数据对应的多个状态向量，包括：

根据所述姿态四元数据确定出所述节点运动四元数；

定义节点初始向前方向的向量；

根据所述节点运动四元数、所述初始向前方向的向量以及所述初始姿态四元数的基准值，确定出所述多个状态向量，所述状态向量为所述节点运动四元数、所述初始向前方向的向量以及所述初始姿态四元数的基准值的乘积。

在本发明的一个实施例中,在所述计算出所述关节运动的角度之后，还包括：

通过所述无线传输模块发送所述关节运动角度数据至终端设备，以使在所述终端设备上实时查看所述关节活动角度数据。

按照本发明的另一方面，还提供了一种关节角度测量的系统，包括。