基于數(shù)據(jù)手套和位置跟蹤儀的人手運動功能捕捉系統(tǒng)及方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于人手運動功能捕捉系統(tǒng)技術領域，尤其涉及基于數(shù)據(jù)手套和位置跟蹤儀的人手運動功能捕捉系統(tǒng)及方法。
【背景技術】
[0002]人手是人體最靈巧的部分之一，擁有超過20個自由度，實現(xiàn)人手穩(wěn)定的抓握功能和靈巧操作功能一直是仿人假手和靈巧手領域研究的重點和難點，首先，就仿人假手和靈巧手設計而言，最基本的問題是搜集能夠體現(xiàn)人手抓握能力的抓取姿勢，以期從構型和控制上復現(xiàn)擬人的抓取姿勢，從而最終達到仿人性抓取的目標。對于康復領域而言，捕捉正常人手運動時的關節(jié)角度變化特性，體現(xiàn)的是正常人手的運動能力，將為中風等手或者手指運動困難病患的康復性治療提供參考和指導。因此，無論從殘疾人假手穩(wěn)定抓取、仿人靈巧手靈巧操作還是手指運動困難病患的康復性治療指導來看，人手運動捕捉就顯得尤為重要。
[0003]當前對于人手運動特性的捕捉研究主要采用數(shù)據(jù)手套和視覺的方式進行，使用視覺的方法提取的為人手笛卡爾空間的運動數(shù)據(jù)，需要將其通過運動學模型或者投影法將笛卡爾空間數(shù)據(jù)映射到關節(jié)空間來提取人手關節(jié)的運動功能譜。但經過調研發(fā)現(xiàn)采用視覺會出現(xiàn)很多丟點串點的情況，尤其是人手采用marker(標識)標記時，marker在手背面布局密集，將會導致丟點串現(xiàn)象點更為嚴重，這樣就需要人為一幀一幀的找marker點，使得數(shù)據(jù)的提取十分困難。所以經過對比，我們采用了數(shù)據(jù)手套的方法來進行人手運動功能譜的提取，但在使用數(shù)據(jù)手套的過程中發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)手套需要前期先進行手套的標定，由于數(shù)據(jù)手套包含多個光纖傳感器，因此標定顯得十分困難，尤其是拇指的傳感器在人手抓握過程中的耦合現(xiàn)象，同時由于不同的人手尺寸大小不同，因此標定十分困難，采用手套自帶的標定軟件不能夠滿足實驗要求。
[0004]此外，手腕在人手完成抓取任務時起到將人手調整到抓取物體的較佳位姿，因此對于抓取而言，手腕的也起到了至關重要的作用，記錄并模擬人手抓取過程中手腕的位置和姿態(tài)就顯得尤為重要，同樣，對于手腕活動困難的病患，正常人手抓取物體時的位置和姿態(tài)信息也將起到重要的參考和指導作用。
[0005]就進行人手運動功能捕捉而言，抓取任務的擬人復現(xiàn)是實現(xiàn)目標，提取足夠多的人手抓取姿勢盡可能的覆蓋人手運動功能就顯得尤為重要，因此，在記錄人手抓取姿勢時，需要記錄多人多次多抓取姿勢，設計一種能夠用來記錄抓取姿勢和手腕位姿的系統(tǒng)也是十分必要的。

【發(fā)明內容】

[0006]本發(fā)明是為了解決人手運動功能捕捉困難，且現(xiàn)有數(shù)據(jù)手套記錄人手抓取姿勢數(shù)據(jù)標定困難的問題，現(xiàn)提供基于數(shù)據(jù)手套和位置跟蹤儀的人手運動功能捕捉系統(tǒng)及方法。
[0007]基于數(shù)據(jù)手套和位置跟蹤儀的人手運動功能捕捉系統(tǒng)，它包括以下單元:
[0008]數(shù)據(jù)手套傳感器初始值記錄單元:采集并記錄數(shù)據(jù)手套中每個傳感器的初始值，并將該初始值發(fā)送至數(shù)據(jù)手套傳感器標定單元，所述初始值為戴有數(shù)據(jù)手套的人手在數(shù)據(jù)手套標定實驗范式下每個關節(jié)的角度值；
[0009]數(shù)據(jù)手套傳感器標定單元:利用初始值和實際角度給定值建立實際角度和初始值之間的映射模型和模型參數(shù)，并將該映射模型和模型參數(shù)發(fā)送至標定后傳感器實際值獲得單元，所述實際角度給定值為預先設定的；
[0010]數(shù)據(jù)手套傳感器抓取姿勢采集單元:實時采集并記錄數(shù)據(jù)手套中每個傳感器的當前值，并將該當前值發(fā)送至標定后傳感器實際值獲得單元，所述當前值為戴有數(shù)據(jù)手套的人手在每個抓取任務下每個關節(jié)的角度值，所述抓取任務為需要獲得的人手抓取姿態(tài)；
[0011 ]手腕位置姿態(tài)數(shù)據(jù)采集單元:實時采集位置跟蹤儀獲得的手腕位置姿態(tài)數(shù)據(jù)，并將該手腕位置姿態(tài)數(shù)據(jù)發(fā)送至存儲單元，所述手腕位置姿態(tài)數(shù)據(jù)為手腕上戴有位置跟蹤儀的人手在每個抓取任務下手腕的位置姿態(tài)數(shù)據(jù)；
[0012]標定后傳感器實際值獲得單元:將數(shù)據(jù)手套中每個傳感器的當前值代入映射模型中，獲得標定后傳感器實際值，并將該標定后傳感器實際值發(fā)送至存儲單元，所述標定后傳感器實際值為戴有數(shù)據(jù)手套的人手在每個抓取任務下每個關節(jié)的實際角度值；
[0013]存儲單元:將同一抓取任務下的標定后傳感器實際值和手腕位置姿態(tài)數(shù)據(jù)作為同一組人手運動功能信息進行存儲；
[0014]顯示單元:實時顯示數(shù)據(jù)手套中每個傳感器的初始值、映射模型參數(shù)、數(shù)據(jù)手套中每個傳感器的當前值、手腕位置姿態(tài)數(shù)據(jù)和標定后傳感器實際值；
[0015]所述數(shù)據(jù)手套標定實驗范式包括以下姿態(tài):
[0016]姿態(tài)一:五個手指伸直，手掌和手指平貼在水平面上；
[0017]姿態(tài)二:拇指與其余四指之間角度為90度伸直；
[0018]姿態(tài)三:握拳，并使除拇指外的手指均與掌關節(jié)呈90度屈曲；
[0019]姿態(tài)四:除拇指外四個手指的指間關節(jié)均呈90度屈曲；
[0020]姿態(tài)五:拇指外指節(jié)屈曲α度，α = 10、30、50和70;
[0021]姿態(tài)六:拇指掌指關節(jié)屈曲β度，β=10、30、45和60;
[0022]姿態(tài)七:手掌和手指伸直并平貼在水平面上，每個相鄰的手指間夾角為15度；
[0023]姿態(tài)八:手掌和手指伸直并平貼在水平面上，每個相鄰的手指間夾角為30度。
[0024]基于數(shù)據(jù)手套和位置跟蹤儀的人手運動功能捕捉方法，它包括以下步驟:
[0025]數(shù)據(jù)手套傳感器初始值記錄步驟:采集并記錄數(shù)據(jù)手套中每個傳感器的初始值，所述初始值為戴有數(shù)據(jù)手套的人手在數(shù)據(jù)手套標定實驗范式下每個關節(jié)的角度值；
[0026]數(shù)據(jù)手套傳感器標定步驟:利用初始值和實際角度給定值建立實際角度和初始值之間的映射模型和模型參數(shù)，所述實際角度給定值為預先設定的；
[0027]數(shù)據(jù)手套傳感器抓取姿勢記錄步驟:實時采集并記錄數(shù)據(jù)手套中每個傳感器的當前值，所述當前值為戴有數(shù)據(jù)手套的人手在每個抓取任務下每個關節(jié)的角度值，所述抓取任務為需要獲得的人手抓取姿態(tài)；
[0028]手腕位置姿態(tài)數(shù)據(jù)記錄步驟:實時采集位置跟蹤儀獲得的手腕位置姿態(tài)數(shù)據(jù)，所述手腕位置姿態(tài)數(shù)據(jù)為手腕上戴有位置跟蹤儀的人手在每個抓取任務下手腕的位置姿態(tài)數(shù)據(jù)；
[0029]標定后傳感器實際值獲得步驟:將數(shù)據(jù)手套中每個傳感器的當前值代入映射模型中，獲得標定后傳感器實際值，所述標定后傳感器實際值為戴有數(shù)據(jù)手套的人手在每個抓取任務下每個關節(jié)的實際角度值；
[0030]存儲步驟:將同一抓取任務下的標定后傳感器實際值和手腕位置姿態(tài)數(shù)據(jù)作為同一組人手運動功能信息進行存儲；
[0031]顯示步驟:實時顯示數(shù)據(jù)手套中每個傳感器的初始值、映射模型參數(shù)、數(shù)據(jù)手套中每個傳感器的當前值、手腕位置姿態(tài)數(shù)據(jù)和標定后傳感器實際值；
[0032]所述數(shù)據(jù)手套標定實驗范式包括以下姿態(tài):
[0033]姿態(tài)一:五個手指伸直，手掌和手指平貼在水平面上；
[0034]姿態(tài)二:拇指與其余四指之間角度為90度伸直；
[0035]姿態(tài)三:握拳，并使除拇指外的手指均與掌關節(jié)呈90度屈曲；
[0036]姿態(tài)四:除拇指外四個手指的指間關節(jié)均呈90度屈曲；
[0037]姿態(tài)五:拇指外指節(jié)屈曲α度，α = 10、30、50和70;
[0038]姿態(tài)六:拇指掌指關節(jié)屈曲β度，β=10、30、45和60;
[0039]姿態(tài)七:手掌和手指伸直并平貼在水平面上，每個相鄰的手指間夾角為15度；
[0040]姿態(tài)八:手掌和手指伸直并平貼在水平面上，每個相鄰的手指間夾角為30度。
[0041]本發(fā)明所述的基于數(shù)據(jù)手套和位置跟蹤儀的人手運動功能捕捉系統(tǒng)及方法，通過數(shù)據(jù)手套采集人手關節(jié)屈曲-伸展角度信息，通過8個姿態(tài)的數(shù)據(jù)手套標定實驗范式，快速、準確的地完成數(shù)據(jù)手套標定，根據(jù)人手運動功能實驗要求，并結合位置跟蹤儀的手腕位置姿態(tài)數(shù)據(jù)高效的記錄多人多次多抓取姿勢，大大的提高人手運動功能捕捉的準確性和效率。
【附圖說明】
[0042]圖1為【具體實施方式】一所述的基于數(shù)據(jù)手套和位置跟蹤儀的人手運動功能捕捉系統(tǒng)的結構框圖；
[0043]圖2為【具體實施方式】一所述的數(shù)據(jù)手套標定實驗范式圖，圖中1表示姿態(tài)一的姿勢，圖中2表示姿態(tài)二的姿勢，圖中3表示姿態(tài)三的姿勢，圖中4表示姿態(tài)四的姿勢，圖中5表示姿態(tài)五的姿勢，圖中6表示姿態(tài)六的姿勢，圖中7表示姿態(tài)七的姿勢，圖中8表示姿態(tài)八的姿勢。
【具體實施方式】
[0044]【具體實施方式】一:參照圖1和2具體說明本