[发明专利]一种基于MARG传感器和磁场定位技术的数据手套

权利要求书

1.一种基于MARG传感器和磁场定位技术的数据手套，包括6个HAMS系统(6、6′)和5个磁场发生线圈(7)，其特征在于：所述HAMS系统(6、6′)，一个HAMS系统(6′)放置于手掌背面中央位置，用于捕捉手腕关节的3个转动自由度；其余5个HAMS系统(6)分别安放在拇指(1)的手掌骨背面和其余4指(2、3、4、5)的近指骨的背面，用于捕捉手腕骨拇指关节的弯曲和扩展自由度，以及其余4指(2、3、4、5)的掌指关节的弯曲和扩展自由度；所述5个磁场发生线圈(7)分别安放在5根手指(1、2、3、4、5)的远指骨背面上，与HAMS系统(6)中的AMR磁阻构成磁阻-线圈磁场检测模型，用于检测远指骨与近指骨之间的角度；5个磁场发生线圈(7)由中央处理模块(8)的线圈驱动电路驱动，并由中央处理模块(8)的微处理器MCU控制其分时开启和关闭；中央处理模块(8)与5根手指(1、2、3、4、5)的HAMS系统(6)通过SPI总线连接，与PC端软件通过串口发送接收数据，完成与数据手套的数据交互；

所述磁阻-线圈磁场检测模型的定位技术关系式如下：令HAMS系统(6)相对于线圈的位置为P(x,y,z)，由于HAMS系统(6)与线圈位于同一根手指上，所以点P相对于线圈在Y方向上为零，因此实际的相对位置为P(x,0,z)；θ_DIP为远指关节的旋转角度，θ_PIP为近指关节的旋转角度；线圈和HAMS-ARM磁阻在OXZ平面内，可以得到θ与P的关系；

点P(x,0,z)与角度之间的关系解析表达式如下：

其中L_PP为近指关节到HAMS的距离，L_MP为中指关节的长度；式中的x，y，z是在线圈坐标系下点P的坐标；λ为从线圈到远指关节的距离，由于人手在自然状态下θ_DIP与θ_PIP满足关系：

因此设：

将点在圆柱坐标系下表示P(ρ,θ,z)，HAMS系统所在的系统坐标系相对于线圈所在的线圈坐标系旋转了5β；由此得到点P与手指关节旋转角度之间的关系，其表达式为：

同时，将HAMS-AMR磁阻与线圈的相对运动轨迹和圆柱坐标系下点P的位置表示在同一个坐标系下，通过确定线圈圆柱坐标系下点P处的磁场强度和HAMS-AMR系统坐标系下传感器解算得到的磁场强度之间的旋转关系，确定出点P处HAMS-AMR系统相对于线圈的旋转角度，从而确定手指关节的旋转角度；

通过HAMS-AMR磁阻得到系统坐标系下的传感器检测的磁场矢量但是在做进一步运算之前，必须将其中叠加的地磁矢量去除，因此采用了分时检测的方法，在不同的时间段检测不同的手指磁场，避免相互之间的干扰；在同一时间段首先检测地磁场，然后使相应手指的线圈通电产生磁场，检测空间内磁场；由于地磁场和空间磁场检测时间间隔很短，人手运动速度相对较慢，因此将两次检测的时间差忽略，从而得到去除地磁干扰的系统磁场

固定于人手近指指节的HAMS-AMR磁阻通过人手远指关节旋转角度θ_DIP和近指关节旋转角度θ_PIP的旋转，相对于磁场线圈旋转了一定的角度，确定这个角度的大小为：

5β＝θ_DIP+θ_PIP

从而根据坐标系旋转关系得HAMS-AMR系统坐标系相对于圆环线圈坐标系的旋转矩阵：

因此将HAMS-AMR系统坐标系下的磁场信息转换到线圈坐标系下：

通过圆环线圈磁场模型和运动轨迹之间的关系得到角度β与磁场之间的关系：

由于现有的磁场数学模型过于复杂，根据ρ＞＞R,z＞＞R，将位置P处的磁场公式化简为：

B_θ＝0

其中N为线圈的匝数；

根据所述的点P(ρ,θ,z)与运动轨迹的关系，确定β：

ρ＝L_DPcos5β+L_MPcos2β+λ

z＝L_DPsin5β+L_MPsin2β

由于θ_DIP＝2β，θ_PIP＝3β，从而获得θ_DIP和θ_PIP，根据自然状态下人手关节旋转的约束关系，其满足以下范围：