基于光学和惯性跟踪数据融合的上肢运动测量技术及应用研究

基于光学和惯性跟踪数据融合的上肢运动测量技术及应用研究

　　基于光学和惯性跟踪数据融合的上肢运动测量技术及应用研究----运动训练论文-->1绪论1.1研究背景及意义人体运动与健康密切相关，一直受到广泛的关注，随着运动生物力学的快速发展，人体运动的研究也越来越深入。人体运动研究的关鍵技术便是人体运动信息的测量，而人体运动测量技术是一种综合性多学科交叉技术，其原理涉及生物学、医学、物理学、计算机科学、控制理论和人机工程学等多种学科知识其应用领域也随着该技术的不断发展而变得更加广泛。人体运动测量技术具有较强的应用价值和重要的意义，目前该技术主要的应用领域有如下几方面：1.在医疗领域，该技术可用于对人体的运动功能及损伤进行评估，例如通过对进行大量重复性工作人员重复运动的测量，可以对重复性累计伤害的产生原因进行分析；也可间接用于帮助病人进行康复训练[3，4]，例如通过对正常人的动作测量，为脑卒中患者的康复训练提供数据参考，下文中将进一步探讨。\n2.在工程仿生领域，通过该技术对人体的运动机理进行深入研究，为仿生机器人的设计提供技术参数，从而研发出仿人机器人。例如日本早稻田大学加藤一郎教授等人在1980年研制出了双足机器人otionStarus公司的电磁运动测量系统。.................................2上肢运动学建模及解算方案上肢是人体中最灵活的运动系统，可使人体-->在日常生活中完成喝水、书写、弹琴等各种灵巧的动作。人体上肢具有如此强大的运动能力的主要原因是它具有一个由众多复杂结构关节构成的多自由度运动系统。要对上胺进行运动测量，首先要对其生理结构、关节构成及运动特点等进行分析，并在此基础上对其进行必要简化，从而建立上肢运动学模型。然后根据所确定的参考坐标系，利用齐次坐标、欧拉角等方法描述上肢运动的参数。并通过解算，将传感器测到的数据转换成具体的上肢关节角度。2.1上肢关节运动机理2.1.1人体的基本平面和基本轴\n矢状面：是指沿身体前后径所作的纵切面，将人体分为左右两部分。沿正中线作的矢状切面叫正中面。额状面：又称冠状靣，是指沿身体左右径所作的纵切面，将人体分为前后两个部分。水平面：又称横切面，是指与大地平行的身体横切面，将人体分为上下两个部分。矢状轴：沿前后方向，在矢状面内且垂直于额状面的轴，即矢状面与水平面的交线。额状轴或称冠状轴：沿左右方向，在额状面内且垂直于矢状面的轴，即额状面与水平面的交线。垂直轴：沿上下方向，垂直通过水平面的轴，它是额状面与矢状面的交线。人体关节的运动形式便是根据人体的基本平面和基本轴定义的，如下所示：屈/伸：运动环节（相邻两关节中间的部分）在矢状面内绕额状轴活动，向前为屈，向后为仲。内收/外展：运动环节在额状面内绕矢状轴活动，靠近正中面为内收，远离正中面为外展。旋内/旋外：在水平面内，运动环节绕其自身的垂直轴旋转，由前向内为旋内，由前向外为旋外。\n环旋：运动环节绕额状轴、矢状轴和它们之间的轴连续运动，轨迹为一个圆锥体，运动环节的远端描成圆锥体的低周。2.1.2上肢关节结构及运动特点人体上肢由骨體、血管和大量肌肉等组成，它们在神经系统的协调下，构成一个复杂而精细的系统。本节中重点研究上肢骨路系统的组成和其运动学特性。人体上肢主要包括肩关节、上臂、肘关节、前臂、腕关节和手部，由骨赂、关节和肌肉等组织构成，各部位与各组成结构互相影响、协同工作，以实现人体上肢的灵活、高效的日常操作和使用工具等运动功能。图2.2所示为人体上肢运动关节解剖图。手臂的运动通过附着在骨赂上的骨路肌驱动，通过由多个肌肉组成的肌肉群的伸展和收缩牵引相应骨赂绕各关节运动而形成。肩关节、肘关节和挠腕关节为人体上肢的三个主要关节。下面分别就其生理结构和运动形式一一介绍。(1)肩关节\n人体肩关节具有丰富的肌肉群以及复杂的骨路是人体所有关节中最为灵活、活动范围最大、结构最为复杂的关节。广义上来说，肩关节是肩狎骨、胜骨、锁骨、胸骨、关节囊、韦刃带、肌肉、肌腱等组成的复合结构，即肩部复合体。肩部复合体所涉及的关节包括胸锁关节、肩锁关节、肩胸关节和孟胜关节，其中肩锁关节是面-面关节，主要作用是使肩肝骨在胸骨表面做滑移运动。胸锁关节与肩锁关节厲于由初带连接的凹凸关节，孟肱关节属于由关节襄包裹的球面关节，凸凹关节与球面关节均具有三个转动自由度。胸大肌、胸小肌、背阔肌等肌肉群以及与此类肌群关联的众多初带是肩部复合体的重要组成部分，在神经系统的统一支配下，肩部肌群协调地收缩，牵引肩部骨體完成一系列复杂的日常功能运动[13，14]。在特定肌肉的作用下，肩关节可做屈/伸、内收/外展、旋内/旋外及环旋等多种运动，其中环旋运动可以看作是屈/伸、内收/外展运动的组合，故可将肩关节看作一个三自由度球窝关节。..............................2.2人体上肢建模2.2.1常见的人体上肢模型人体上肢是人类各部分肢体中最灵活的部分，在刚体假设理论的前提下对其简化。人体上肢可看成一个多刚体模型，它由上臂、前臂和手三个刚体组成，它们之间通过关节连接。1)七自由度模型\n人体上肢使用最广泛的模型是七自由度模型7自由度上肢多刚体模型如图2.3所示，分别对应肩关节的三个运动自由度：旋内/旋外、内收/外展和屈/伸。肘关节一个屈/伸自由度。腕关节旋内/旋外、内收/外展和屈/伸三个自由度。由于七自由度模型最接近人体上肢的动作机能，可以很好的描述人体的运动，通用性较强，所以目前使用最广泛。2)十一自由度模型华中科技大学的陈文斌在其博士论文[46]中通过从上肢肩关节复合体和肘关节复合体中抽取出等价运动链，建立了具有四个关节、十一个自由度的人体上肢运动链模型，如图2.4所示。十一个自由度分别为：胸锁关节内收/外展、抬起/下落和轴向转动三个自由度，肩锁关节内收/外展、侧旋/回旋和前倾/后倾三个自由度，孟胜关节内旋/外旋、外展/内收和前屈/后伸三个自由度，肘关节屈/伸和旋前/旋后两个自由度。与7自由度模型相比，该模型通过更多的自由度完整地展现了肩部多块骨路间的运动关系。对于研究肩关节复合体和肘关节复合体之间的协调运动关系以及上肢运动的灵巧性具有重要的意义。3)其它模型\n还有研究者提出了五自由度和六自由度结构的人体上肢模型。这些模型通过省略运动范围较小的自由度，达到简化上肢模型，并且保持上肢基本功能的目的，从而在机构的设计中简化设计，并满足基本的需要。例如在研究中发现肩关节的屈/伸和内收/外展的运动范围较大，旋内/旋外的运动范围较小，又由于肩关节的旋内/旋外运动可以由肘关节的旋内/旋外运动来适当补偿，故肩关节的旋内/旋外自由度可以舍弃，保留肩部屈/伸和内收/外展自由度。由于上肢腕关节屈/伸的运动范围较大，内收/外展运动范围较小，所以在设计上肢机构时可考虑保留腕关节屈/伸自由度，省略腕关节内收/外展自由度。通过对上面这两个活动角度较小的自由度进行取舍，可以得到人体上败的五自由度和六自由度的模型。随着模型精度的提高，对人体上胺运动的描述也越为逼真，却增加了测量和计算的难度，因此在建立模型时，要根据需求建立能描述上肢主要运动的复杂或简化模型。2.2.2上肢建模的原则由于人体上胜结构的特硃性，保证在建模过程中上放原有运动学特性不变，同时对真实上肤进行适当的简化，方便后续的分析与处理。为保证所建立模型的合理性，上肤建模过程中应当遵守以下要求以确保合理建模：1)对上肢关节进行合理简化，使之便于建模\n关节类型决定了上肢的运动形式，由于上肢的关节比较复杂，所以应该进行合理简化。关节的简化对上肢模型运动的正确性有重要影响。2)上妝的简化模型结构应当尽量与上肢真实结构一致构建合理的上败模型，其结构不一定要完全与上肢的骨赂一一对应，可以在保证上肢运动特性不变的前提下，适当减少实际骨體、关节结构等的复杂性。-->3)上肢模型的运动能够反映真实的上肢运动本课题中，上肢模型的运动由外部采集的真实上肢运动的数据驱动，模型的所有运动应该都是合理的，较精确地反映了人体上肢的实际运动情况。4)上肢模型外观应当尽量符合人们的感观，并适合计算机处理上股的三维建模过程中，多边形的数量决定了上肢的外观，虽然模型的精确度随多边形数量的增多而提高，但是，计算机处理的时间也会越长，不利于模型运动状态的实时显示。因此，建模时要对模型精确度与计算机处理时间平衡考量。.................................\n3上肢运动光学跟踪测量方案..............................223.1光学跟踪系统..................................223.1.1Optitrack系统简介....................................223.1.2Optitrack系统使用步骤....................................233.1.3Optitrack系统摄像头分布方式研究.............................253.2Optitrack系统测量误差....................................283.3光学标记点布置及关节角度计算................................293.3.1光学标记点的布置...................................293.3.2关节角度计算.................................303.4本章小结..................................314基于光学和惯性跟踪数据融合的运动测量方法............................32\n4.1卡尔曼滤波算法原理..............................324.1.1系统模型.................................324.1.2算法流程....................................334.2基于卡尔曼滤波的运动测量实验设计.................................344.2.1实验系统简介....................................344.2.2系统对准..................................364.2.3数据融合的数学模型................................384.3测量实验及结果分析.................................394.3.1无遮挡情况下的测量实验.................................404.3.2标记点被遮挡情况下的测量实验.................................424.3.3特殊情况下的测量实验................................434.3.4动态协方差实验...................................444.4本章小结...........................................45\n5基于实时运动测量的外骨路康复训练系统实验传统的康复训练大都是理疔师手把手对患者进行训练，不仅训练效率低，对理疗师的水平和精力要求严格，而且不能实时反馈和记录训练卷数，影响康复效果评价扣后续治疗方案的改进[57]。本章节中所提出的基于实时运动测量的上肢外骨體康复训练控制系统把人体运动测量和外骨路康复训练结合起来，实时获取理疗师的标准肢体运动学数据，并传递至外骨路系统用于指导患者肢体运动康复训练；并能够记录日常生活巾常用的标准动作形成康复数据库，在没有理疗师的情况下也能指导患者训炼，大大提高训练效率和康复效果。此外，本系统还可以采集患者肢体运动学数据，方便理疗师分析和评估康复训练效果。5.1系统总体实验方案基于实时运动测量的外骨敝康复训练系统整体方案如图5.1所示，首先分别从光学跟踪系统和惯性测量单元获得光学标记点的位姿信息和加速度信息，获得的数据经过系统对准后利用卡尔曼滤波算法进行数据融合，然后把融合后的数据代入关节角度解算方案中计算得到各关节角度，最后把关节角度信息转换为电机指令从而控制上肢外骨赂进行同样的运动，完成对外骨愁的实时控制。\n系统采用二级计算机控制系统结构，系统结构框图如图5.2所示。其中，上位机采用运算能力强大的PC机，主要用于获取和处理人体运动信息并向下位机发送电机步态轨迹命令，创建并实时更新患者数据库以及通过用户界面进行人机交互等功能的实现。下位机使用的是直流伺服电机控制器，它与外骨赂各关节的侗服电机“一对一”的构成电流、速度和位置的闭环控制，直接控制伺服电机执行上位机发出的命令。另外，利用控制器的可编程I/O口配合各个关节的限位开关实现上肢外骨路的关节转角安全限位功能，保证患者康复训练时的安全。这样，用户便可以通过上位机编制好的用户界面，对人体进行运动测量，并对上肢康复医疗外骨豁的动作和运行状况进行控制及监测，以保证患者康复训练的顺利进行。5.2外骨赂康复训练系统5.2.1系统硬件介绍系统的硬件主要包括光学跟踪系统、惯性测量单元和穿戴式上肢外骨路系统三部分。其中前两部分巳经在第三章中做过详细的介绍，本章重点讲述上肢外骨赂系统部分。\n上肢外骨赂系统包括外骨路机械结构和相应的控制硬件。外骨赂机械结构如图5.3所示，具有4个旋转关节，包括肩部屈/伸、内收/外展和内旋/外旋，財部屈/伸，与第二章所建的上肢简化模型一致。旋转关节采用模块化设计，由独立的直流伺服电机控制，同时提供位置信息反馈。为了保证患者和系统的安全，每个关节都具有与人体生理运动一致的机械限位装置。考虑到训练对象差异性，外骨路可以通过调节整体高度和特定杆件长度来适应不同身材的患者。图5.4所示是系统硬件实现示意图。上位机由PC机及CopleyCAN-K’l-()2卡构成；下位机由伺服电机控制器CopleyMicroPanelACJ-055-l8实现；外-->骨傲控制系统的硬件终端及传感器包括：关节MaxonRLi40DCServoMotor,电机编码器及关节限位开关。.............................6总结与展望6.1总结\n本课题结合当今国内外人体运动测量的研究现状和发展方向，针对目前利用光学跟踪系统进行人体运动测量时数据处理算法复杂、计算量大、当标记点混淆或被遮挡时需要人工后处理等问题，提出了一种新型的人体运动测量方案并将其运用于外骨骼康复训练系统实验，主要研究工作如下：(1)分析了几种常见的人体上肢模型的优缺点，根据人体上肢的运动特点和人体建模的原则建立了上肢四自由度简化模型。设计了上肢关节解算方法，利用D-H参数法对上肢模型进行参数化，建立了其运动学方程，并完成关节角度解算方案。(2)针对光学跟踪系统在某些区域测量精度不高、当光标被遮挡时无法测量的问题，提出基于光学和惯性跟踪数据融合的测量方案，通过基于动态协方差的卡尔曼滤波算法对位置测量数据进行预测和补偿来优化测量结果。在Maltlab平台上完成了对光学跟踪系统和惯性测量单元的数据采集和融合实验，通过实验数据和分析可以看出，融合后的测量精度更高、可靠性更好。(3)利用MATLAB虚拟现实工具箱建立了人体的虚拟现实模型，完成了基于实时测量的人体上肢运动虚拟现实实验，验证了人体上肢运动测量方案的正确性；并对数据融合前后测量系统的工作空间进行了对比和分析，证明了在人体运动测量中运用数据融合技术的有效性。\n(4)将人体运动测量应用于外骨骼康复训练系统实验，完成了系统的实验方案设计，搭建了系统的软硬件平台并进行一系列实验，结果表明，该系统能够实时测量人体上肢的运动信息并控制外骨骼完成相同的动作，且经过数据融合获得的光滑曲线更适用于康复训练。...........................