一種新型數(shù)據(jù)手套系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種新型數(shù)據(jù)手套系統(tǒng)，該手套系統(tǒng)包括若干個傳感器、微處理器和數(shù)據(jù)處理顯示單元，其中若干個傳感器分別設置在人體的大臂、小臂、手背和每個手指的各個關節(jié)之間，用于采集人體上肢不同部位的運動信息；微處理器設置在人體手腕上，用于從傳感器接收運動信息，并將所述運動信息發(fā)送給數(shù)據(jù)處理顯示單元，數(shù)據(jù)處理顯示單元實時接收微處理器發(fā)送的運動信息進行解算，得到人體大臂、小臂、手背以及每個手指的姿態(tài)，該手套系統(tǒng)充分考慮人體上肢模型的特征，將各個功能模塊進行合理布局，使得穿戴使用更加方便、舒適，穩(wěn)定性更高，并且在充分考慮人體上肢特征基礎上設計的解算方法，使得解算結果更加準確可靠。
【專利說明】
一種新型數(shù)據(jù)手套系統(tǒng)
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及一種新型數(shù)據(jù)手套系統(tǒng)，特別是涉及一種用于捕獲人體手臂、手掌和 手指運動信息的數(shù)據(jù)手套系統(tǒng)，屬于人機交互設備技術領域。
【背景技術】
[0002] 近年來人機交互技術迅猛發(fā)展，它主要是通過相關設備識別人的各種行為動作、 身體姿勢等與計算機虛擬環(huán)境進行互動，實現(xiàn)游戲、操作訓練、健身等功能。捕獲人體運動 是其中關鍵。目前，人體運動捕獲技術大部分是基于圖像識別技術，需要攝像頭等外接設 備，易受到光照、環(huán)境等條件的影響。
[0003]
【申請人】在先申請的專利號為201510271805.4的專利，該專利公開了一種用于捕獲 人體上肢運動信息的穿戴系統(tǒng)，包括傳感器、中央處理器、電源、無線模塊和顯示器，并具體 給出了各個模塊功能及在人體大臂、小臂及手上的設置方式，該系統(tǒng)可以完整捕捉上肢運 動信息，能夠應用于人機交互、遙操作等領域，但是存在各個模塊設置不合理、穿戴不方便 的缺陷，此外該專利解算過程沒有充分考慮人上肢模型的特征，解算過程闡述不充分。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術的上述缺陷，提供一種新型數(shù)據(jù)手套系統(tǒng)，該手 套系統(tǒng)充分考慮人體上肢模型的特征，將各個功能模塊進行合理布局，使得穿戴使用更加 方便、舒適，穩(wěn)定性更高，并且在充分考慮人體上肢特征基礎上設計的解算方法，使得解算 結果更加準確可靠。
[0005] 本發(fā)明的上述目的主要是通過如下技術方案予以實現(xiàn)的：
[0006] -種新型數(shù)據(jù)手套系統(tǒng)，包括若干個傳感器、微處理器、和數(shù)據(jù)處理顯示單元，其 中若干個傳感器分別設置在人體的大臂、小臂、手背和每個手指的各個關節(jié)之間，用于采集 人體上肢不同部位的運動信息;微處理器設置在人體手腕上，用于從傳感器接收運動信息， 并將所述運動信息發(fā)送給數(shù)據(jù)處理顯示單元，數(shù)據(jù)處理顯示單元實時接收微處理器發(fā)送的 運動信息進行解算，得到人體大臂、小臂、手背以及每個手指的姿態(tài)，并進行實時顯示;所述 運動信息包括人體大臂、小臂、手背和每個手指的各個關節(jié)之間手指部分的角速度、加速度 和磁場值；
[0007] 其中若干個傳感器的具體設置方法為:人體的大臂、小臂上各設置一個傳感器，中 指的根關節(jié)與中關節(jié)之間、中關節(jié)與末端關節(jié)之間以及末端關節(jié)與指尖之間各設置一個傳 感器，并與手背上設置的一個傳感器，共四個傳感器形成串聯(lián)連接，其余手指中每個手指的 根關節(jié)與中關節(jié)之間、中關節(jié)與末端關節(jié)之間以及末端關節(jié)與指尖之間各設置一個傳感 器，每個手指上的三個傳感器形成串聯(lián)連接；
[0008] 其中數(shù)據(jù)處理顯示單元實時接收微處理器發(fā)送的運動信息進行解算的具體方法 如下：
[0009] (1)、計算當前時刻人體大臂的姿態(tài)!^!^具體公式如下：
[0010] Tijk = Ai XAi,k+(l-Ai)XBi;k
[0011] 其中:A1,k為當前時刻大臂的高頻姿態(tài),B1,k為當前時刻大臂的低頻姿態(tài)A1為互補 系數(shù)，取值為OS l;k為時刻序列，取值為2 1的正整數(shù)；
[0012] (2)、計算當前時刻人體小臂的姿態(tài)，人體小臂的姿態(tài)通過小臂與大臂之間的相對 夾角T 2,k來表示，具體公式如下：
[0013] %k = ar cos~^--~ ' g
[0014] 其中:a2X,k為沿人體小臂軸方向的加速度，aix,k為沿人體大臂軸方向的加速度，g為 重力加速度；
[0015] ⑶、計算當前時刻人體手的姿態(tài)T3,k，具體公式如下：
[0016] T3,k = A3XA3,k+(l-A3)XB3，k
[0017]其中：A3,k當期時刻手的高頻姿態(tài)，B3, k當前時刻手的低頻姿態(tài)，λ3為互補系數(shù)，取 值為0 <入3 ;
[0018] (4)、計算當前時刻人體手指根關節(jié)與中關節(jié)之間手指部分的姿態(tài)T4,k，具體公式 如下：
[0019] Τ4^ = λ4ΧΑ4^+(1-λ4) XB4,k
[0020] 其中：A4,k為當期時刻手指根關節(jié)與中關節(jié)之間手指部分的高頻姿態(tài)，B4, k為當前 時刻手指根關節(jié)與中關節(jié)之間手指部分的低頻姿態(tài)，λ4為互補系數(shù)，取值為OS λ4 < 1;
[0021] (5)、計算當前時刻人體手指中關節(jié)與末端關節(jié)之間手指部分的姿態(tài)，通過與手指 根關節(jié)和中關節(jié)之間手指部分的夾角T 5,k來表示，具體公式如下：
[0022] Tu=arcos---
[0023] 其中:a5X,k為沿手指中關節(jié)與末端關節(jié)之間手指部分方向的加速度，a4X,k為沿手指 根關節(jié)與中關節(jié)之間手指部分方向的加速度；
[0024] (6)、計算當前時刻人體手指末端關節(jié)與指尖之間手指部分的姿態(tài)，通過與手指中 關節(jié)與末端關節(jié)之間手指部分的夾角T 6, k來表示，具體公式如下：
[0025] Tu=Circos S
[0026] 其中:a6x,k為沿手指末端關節(jié)與指尖之間手指部分方向的加速度。
[0027] 在上述新型數(shù)據(jù)手套系統(tǒng)中，步驟（1)中當前時刻大臂的高頻姿態(tài)A1,k通過如下公 式得到：
[0028] Ai，k = Ti，k-i+gi，kX A t
[0029] 其中=T1^1為上一時刻大臂的姿態(tài)，g1;k為當前時刻大臂的角速度，At為解算周 期；
[0030] 所述當前時刻大臂的低頻姿態(tài)B1,k通過確定性姿態(tài)濾波算法得到，具體通過如下 公式得到：
[0031] C(Bi,k) = [G M GXM]/[ai,k mi,k ai.kXmi.k]
[0032] 其中：G為重力矢量，M為地磁矢量，ai,k為當前時刻大臂的加速度，nu,k為當前時刻 大臂的磁場值，C(Bi,k)為Bi,k的姿態(tài)矩陣。
[0033] 在上述新型數(shù)據(jù)手套系統(tǒng)中，步驟(3)中當前時刻手的高頻姿態(tài)A3,k通過如下公式 得到：
[0034] A3,k = T3,k-i+(g3,k-g2,k) X At
[0035] 其中：T3,η為上一時刻手的姿態(tài)，g3,k為當前時刻手的角速度，g 2,k為當前時刻小臂 的角速度，At為解算周期；
[0036] 所述當前時刻手的低頻姿態(tài)B3,!^通過確定性姿態(tài)濾波算法得到，具體通過如下公 式得到：
[0037] C(B3，k) = [G M GXM]/[a3，k_a2，k m3，k-m2，k(a3，k-a2，k) X (m3，k_m2，k)]
[0038] 其中：G為重力矢量，M為地磁矢量，a3,k為當前時刻手的加速度，a2,k為當前時刻小 臂的加速度，m3, k為當前時刻手的磁場值，m2, k為當前時刻小臂的磁場值，C(B3,k)為B3,k的姿 態(tài)矩陣。
[0039] 在上述新型數(shù)據(jù)手套系統(tǒng)中，步驟(4)中當前時刻手指根關節(jié)與中關節(jié)之間手指 部分的高頻姿態(tài)A4,k通過如下公式得到：
[0040] A4,k = T4,k-i+(g4,k-g3,k) X At
[0041] 其中：T4,為上一時刻人體手指根關節(jié)與中關節(jié)之間手指部分的姿態(tài)，g4,k為當前 時刻手指根關節(jié)與中關節(jié)之間手指部分的角速度，g 3,k當前時刻手的角速度，At為解算周 期；
[0042] 當前時刻手指根關節(jié)與中關節(jié)之間手指部分的低頻姿態(tài)B4,k通過確定性姿態(tài)濾波 算法得到，具體通過如下公式得到：
[0043] C(B4,k) = [G M GXM]/[a4,k_a3,k m4,k-m3,k(a4,k_a3,k) X (m4,k-m3,k)]
[0044] 其中：G為重力矢量，M為地磁矢量，a4,k當前時刻手指根關節(jié)與中關節(jié)之間手指部 分的加速度，a 3,k為當前時刻手的加速度，m4,kS當前時刻手指根關節(jié)與中關節(jié)之間手指部 分的磁場值，m3, k為當前時刻手的磁場值，C (B4, k)為B4, k的姿態(tài)矩陣。
[0045] 在上述新型數(shù)據(jù)手套系統(tǒng)中，A1、λ3和λ4的取值為 0.2<λ 4<0.5。
[0046] 在上述新型數(shù)據(jù)手套系統(tǒng)中，人體手背和每個手指上的傳感器設置在手套上，手 套穿戴在人體的手上。
[0047]在上述新型數(shù)據(jù)手套系統(tǒng)中，各個傳感器之間以及傳感器與微處理器之間采用軟 排線連接，微處理器和數(shù)據(jù)處理顯示單元之間通過無線或有線連接。
[0048]在上述新型數(shù)據(jù)手套系統(tǒng)中，還包括供電單元，供電單元設置在微處理器的下部， 用于為微處理器及傳感器供電。
[0049] 在上述新型數(shù)據(jù)手套系統(tǒng)中，解算周期Δ t的取值為0.001-0.1 s。
[0050] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比的有益效果如下：
[0051] (1)、本發(fā)明提出的新型數(shù)據(jù)手套系統(tǒng)包括若干個傳感器、微處理器和數(shù)據(jù)處理顯 示單元，該手套系統(tǒng)充分考慮人體上肢的特征，將各個功能模塊進行優(yōu)化設計和合理布局， 使得穿戴使用更加方便、舒適，穩(wěn)定性更高；
[0052] (2)、本發(fā)明提出的新型數(shù)據(jù)手套系統(tǒng)充分考慮傳感器的特性，結合人體上肢的特 點，設計出一種高效準確的運動信息解算方法，使得解算結果更加準確可靠，可以更好的應 用于人機交互、遙操作、上肢康復監(jiān)測等多種領域；
[0053] (3)、本發(fā)明運動信息解算方法過程簡單，易于實現(xiàn)，具有較強的實用性；
[0054] (4)、本發(fā)明新型數(shù)據(jù)手套系統(tǒng)，無需外接設備如攝像頭等就可以進行工作，不受 環(huán)境光照、遮擋等影響，適應力強，穿戴方便，能適應不同人體上肢，能實時、完整、快速地捕 獲手臂、手掌和每個手指的加速度、速度、姿態(tài)和位置等運動信息。
【附圖說明】
[0055] 圖1為本發(fā)明新型數(shù)據(jù)手套系統(tǒng)的結構示意圖；
[0056]圖2為本發(fā)明新型數(shù)據(jù)手套系統(tǒng)的原理框圖。
【具體實施方式】
[0057]下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細的描述：
[0058]如圖1所示為本發(fā)明新型數(shù)據(jù)手套系統(tǒng)的結構示意圖，由圖可知本發(fā)明新型數(shù)據(jù) 手套系統(tǒng)，包括若干個傳感器1、微處理器2和數(shù)據(jù)處理顯示單元4,其中若干個傳感器1分別 設置在人體的大臂、小臂、手背和每個手指的各個關節(jié)之間，用于采集人體上肢不同部位的 運動信息;微處理器2設置在人體手腕上，用于從傳感器1接收運動信息，并將運動信息發(fā)送 給數(shù)據(jù)處理顯示單元4,數(shù)據(jù)處理顯示單元4實時接收微處理器2發(fā)送的運動信息進行解算， 得到人體大臂、小臂、手背以及每個手指的姿態(tài)，并進行實時顯示。各個傳感器1之間以及傳 感器1與微處理器2之間采用軟排線3連接，微處理器2和數(shù)據(jù)處理顯示單元4之間通過無線 或有線連接，本發(fā)明實施例中微處理器2和數(shù)據(jù)處理顯示單元4之間為無線通訊。上述運動 信息包括人體大臂、小臂、手背和每個手指的各個關節(jié)之間手指部分以及末端關節(jié)與指尖 之間手指部分的角速度、加速度和磁場值。
[0059] 由圖1可知本發(fā)明人體的每個手臂上設置18個傳感器1，具體設置方法為:人體的 大臂、小臂上各設置一個傳感器1，中指的根關節(jié)5與中關節(jié)6之間、中關節(jié)6與末端關7節(jié)之 間以及末端關節(jié)7與指尖之間各設置一個傳感器1，并與手背上設置的一個傳感器1，共四個 傳感器1形成串聯(lián)連接，其余手指中每個手指的根關節(jié)5與中關節(jié)6之間、中關節(jié)6與末端關 節(jié)7之間以及末端關節(jié)7與指尖之間各設置一個傳感器1，每個手指上的三個傳感器1形成串 聯(lián)連接。
[0060] 上述傳感器1可以直接設置在人體的上肢部分，也可以將人體手背和每個手指上 的傳感器1設置在手套上，手套穿戴在人體的手上，手套穿戴在人體的手上后，各個傳感器1 對應的位置分別為人體的手背及每個手指的各個關節(jié)之間。該手套為軟質(zhì)手套。
[0061] 本發(fā)明新型數(shù)據(jù)手套系統(tǒng)還包括供電單元，供電單元設置在微處理器2的下部，用 于為微處理器2及各個傳感器1供電，供電單元可以為電池或其它電源。
[0062] 如圖2所示為本發(fā)明新型數(shù)據(jù)手套系統(tǒng)的原理框圖，本發(fā)明新型數(shù)據(jù)手套系統(tǒng)的 具體實現(xiàn)方法包括如下步驟：
[0063] (1)、設置在人體的大臂、小臂、手背和每個手指的各個關節(jié)之間的傳感器1，采集 人體上肢不同部位的運動信息；
[0064] (2)、微處理器2從傳感器1接收所述運動信息，并將所述運動信息發(fā)送給數(shù)據(jù)處理 顯示單元4;
[0065] (3)、數(shù)據(jù)處理顯示單元4實時接收微處理器2發(fā)送的運動信息進行解算，得到人體 大臂、小臂、手背以及每個手指的姿態(tài)，并進行實時顯示，具體解算方法如下：
[0066] (3.1)、大臂的傳感器量1測得的當前時刻大臂角速度gi,k、加速度ai,k、磁場值mi,k， 計算當前時刻人體大臂的姿?Tu，具體公式如下：
[0067] Ti,k = ^i XAi,k+(Ui) XBi，k
[0068] 其中=A1,k為當前時刻大臂的高頻姿態(tài)，B1>k為當前時刻大臂的低頻姿態(tài)A1為互補 系數(shù)，取值為OO 1S 1，優(yōu)選0.2 O1 5 0.5。
[0069] 當前時刻大臂的高頻姿態(tài)A1,k根據(jù)當前時刻大臂的角速度gl, k，通過如下公式得 到：
[0070] Ai,k = Ti,k-i+gi,kX A t
[0071] 其中=T1^1為上一時刻大臂的姿態(tài)，gl,k為當前時刻大臂的角速度，At為解算周 期。本實施例中X 1SO. 3;本實施例中Δ t取值為0.02s。
[0072] 當前時刻大臂的低頻姿態(tài)B1,k根據(jù)重力矢量、地磁矢量、當前時刻大臂的加速度和 當前時刻大臂的磁場值通過確定性姿態(tài)濾波算法得到，為3 X 1矩陣，具體根據(jù)如下轉化公 式得到：
[0073] C(Bi,k) = [G M GXM]/[ai,k mi,k ai,kXmi,k]
[0074] 其中：G為重力矢量，M為地磁矢量，ai,k為當前時刻大臂的加速度，nu,k為當前時刻 大臂的磁場值，C(Bi,k)為Bi,k的姿態(tài)矩陣。
[0075] (3.2)、人體小臂的姿態(tài)通過小臂與大臂之間的相對夾角T2,k來表示，小臂的傳感 器量1測得的當前時刻小臂角速度g2,k、加速度a 2,k、磁場值m2,k，則相對角速度為g2,k_gi,k，相 對加速度為a2,k_ai,k，相對磁場值為m2,k-mi,k，取其中沿著小臂軸方向的相對加速度和重力 加速度解算得到相對夾角T 2,k，具體公式如下：
[0076] % = etr cos-- S
[0077] 其中:a2x,k為沿人體小臂軸方向的加速度，aix,k為沿人體大臂軸方向的加速度，g為 重力加速。
[0078]小臂的傳感器量1測得的當前時刻小臂角速度g2,k、加速度a2,k、磁場值m 2,k均為三 軸角速度矢量g2,k、三軸加速度矢量&2>1{和三軸磁場值矢量m2,k，其中a 2x,k為沿人體小臂軸方 向的加速度，可以直接測量得到。同理，alx,k*沿人體大臂軸方向的加速度，可以直接測量 得到。
[0079] (3.3)、人體手背的傳感器量1測得的當前時刻人體手的角速度g3,k、加速度a 3,k、磁 場值m3, k，則相對角速度為g3, k-g2, k、相對加速度為a3, k_a2, k、相對磁場值為Π13, k-m2, k，計算當 前時刻人體手的姿態(tài)T3,k，具體公式如下：
[0080] T3，k = A3XA3，k+(l-A3)XB3，k
[0081] 其中：A3,k當期時刻手的高頻姿態(tài)，B3,k當前時刻手的低頻姿態(tài)，λ 3為互補系數(shù)，取 值為 〇<λ3< 1;優(yōu)選〇·2<λ3<〇·5。
[0082]當前時刻手的高頻姿態(tài)A3,k根據(jù)相對角速度g3,k_g2,k，通過如下公式得到：
[0083] A3,k = T3,k-i+(g3,k-g2,k) X At
[0084] 其中：T3,!^為上一時刻手的姿態(tài)，g3,k為當前時刻手的角速度，g2,k為當前時刻小臂 的角速度，A t為解算周期。本實施例中△ t取值為0.02s，本實施例中λ3取值為〇. 3。
[0085] 當前時刻手的低頻姿態(tài)B3,k根據(jù)重力矢量、地磁矢量、相對加速度a3,k_a2,k和相對 磁場值m3,k-m2,k，通過確定性姿態(tài)濾波算法得到，具體通過如下公式得到：
[0086] C(B3，k) = [G M GXM]/[a3，k_a2，k m3，k-m2，k(a3，k-a2，k) X (m3，k-m2,k)]
[0087] 其中：G為重力矢量，M為地磁矢量，a3,k為當前時刻手的加速度，a2,k為當前時刻小 臂的加速度，m3, k為當前時刻手的磁場值，m2, k為當前時刻小臂的磁場值，C(B3,k)為B3,k的姿 態(tài)矩陣。
[0088] (3.4)、人體手指根關節(jié)5與中關節(jié)6之間設置的傳感器1測得當前時刻手指根關節(jié) 與中關節(jié)之間手指部分的角速度g4, k，手指根關節(jié)與中關節(jié)之間手指部分的加速度a4,k，手 指根關節(jié)與中關節(jié)之間手指部分的磁場值m4,k，則相對角速度為g4,k_g3,k、相對加速度為 a4,k_a3,k、相對磁場值為m4,k-m3,k，計算當前時刻人體手指根關節(jié)與中關節(jié)之間手指部分的 姿態(tài)T4, k，具體公式如下：
[0089] Τ4^ = λ4ΧΑ4^+(1-λ4) XB4jk
[0090] 其中：A4,k為當期時刻手指根關節(jié)與中關節(jié)之間手指部分的高頻姿態(tài)，B4, k為當前 時刻手指根關節(jié)與中關節(jié)之間手指部分的低頻姿態(tài)，λ4為互補系數(shù)，取值為OS λ4<1，優(yōu)選 0.2<λ4<0.5。
[0091 ]當前時刻手指根關節(jié)與中關節(jié)之間手指部分的高頻姿態(tài)A4,k根據(jù)相對角速度g4, legs,k，通過如下公式得到：
[0092] A4,k = T4,k-i+(g4,k-g3,k) X At
[0093] 其中：T4,為上一時刻人體手指根關節(jié)與中關節(jié)之間手指部分的姿態(tài)，g4,k為當前 時刻手指根關節(jié)與中關節(jié)之間手指部分的角速度，g 3,k當前時刻手的角速度，At為解算周 期。本實施例中△ t取值為0.02s，本實施例中λ4取值為〇. 3。
[0094]當前時刻手指根關節(jié)與中關節(jié)之間手指部分的低頻姿態(tài)B4,k根據(jù)重力矢量、地磁 矢量，相對加速度a4,k_a3,k、相對磁場值m4,k-m3,k通過確定性姿態(tài)濾波算法得到，具體通過如 下公式得到：
[0095] C(B4,k) = [G M GXM]/[a4,k_a3,k m4,k-m3,k(a4,k_a3,k) X (m4,k-m3,k)]
[0096] 其中：G為重力矢量，M為地磁矢量，a4,k當前時刻手指根關節(jié)與中關節(jié)之間手指部 分的加速度，a 3,k為當前時刻手的加速度，m4,kS當前時刻手指根關節(jié)與中關節(jié)之間手指部 分的磁場值，m3, k為當前時刻手的磁場值，C (B4, k)為B4, k的姿態(tài)矩陣。
[0097] (3.5)、人體手指中關節(jié)6與末端關節(jié)7之間手指部分的姿態(tài)，通過與手指根關節(jié)5 和中關節(jié)6之間手指部分的相對夾角T 5,k來表示，人體手指中關節(jié)6與末端關節(jié)7之間設置的 傳感器1測得當前時刻手指中關節(jié)6與末端關節(jié)7之間手指部分的角速度g 5,k，手指中關節(jié)6 與末端關節(jié)7之間手指部分的加速度a5, k，手指中關節(jié)6與末端關節(jié)7之間手指部分的磁場值 1115,1<，則相對角速度為85,1^4,1<、相對加速度為35,1^4,1<、相對磁場值為1115,1<114,1<，取其中沿著 手指中關節(jié)與末端關節(jié)之間手指部分方向的相對加速度和重力加速度解算得到相對夾角 T5,k，具體公式如下： rr a5x,k ~ aAxJ-
[0098] Tsk =GTCOS- O
[0099] 其中:a5X,k為沿手指中關節(jié)與末端關節(jié)之間手指部分方向的加速度，a4X,k為沿手指 根關節(jié)與中關節(jié)之間手指部分方向的加速度。
[0100] 人體手指中關節(jié)6與末端關節(jié)7之間設置的傳感器1測得當前時刻手指中關節(jié)6與 末端關節(jié)7之間手指部分的角速度g5,k，手指中關節(jié)6與末端關節(jié)7之間手指部分的加速度 a5,k，手指中關節(jié)6與末端關節(jié)7之間手指部分的磁場值m5,k均為三軸角速度矢量g5,k、三軸加 速度矢量a5,k和三軸磁場值矢量m5,k，其中a5 X,k為沿手指中關節(jié)與末端關節(jié)之間手指部分方 向的加速度，可以直接測量得到。同理，&4^為沿手指根關節(jié)與中關節(jié)之間手指部分方向的 加速度，可以直接測量得到。
[0101] (3.6)、人體手指末端關節(jié)7與指尖之間手指部分的姿態(tài)，通過該手指部分與手指 中關節(jié)6和末端關節(jié)7之間手指部分的相對夾角T6,k來表示，人體手指末端關節(jié)7與指尖之間 設置的傳感器1測得當前時刻手指末端關節(jié)7與指尖之間手指部分的角速度g 6,k，手指末端 關節(jié)7與指尖之間手指部分的加速度a6,k，手指末端關節(jié)7與指尖之間手指部分的磁場值 1116,1<，則相對角速度為86,1^5,1<、相對加速度為36,1^5,1<、相對磁場值為1116,1<115,1<，取其中沿著 手指末端關節(jié)與指尖之間手指部分方向的相對加速度和重力加速度解算得到相對夾角 T6,k，具體公式如下： .ηρ Q.'bx'k a^i.x'k
[0102] Ti =OZ-COS- g'
[0103] 其中:a6x,k為沿手指末?而關節(jié)與指尖之間手指部分方向的加速度，a5x,k為沿手指中 關節(jié)與末端關節(jié)之間手指部分方向的加速度。其中a5 X,k、a6X,k均直接測量得到。
[0104] 本發(fā)明中A1A3和λ4的取值可以相同或不同，本發(fā)明實施例中三者相同，取值均為 0.3, At取值均為0.02s。
[0105] 本發(fā)明中初始時刻人體大臂、小臂、手背和每個手指的各個關節(jié)之間手指部分以 及末端關節(jié)與指尖之間手指部分的姿態(tài)可以為設定值。
[0106] 本發(fā)明手套系統(tǒng)充分考慮人體上肢模型的特征，將各個功能模塊進行合理布局， 使得穿戴使用更加方便、舒適，穩(wěn)定性更高，并且在充分考慮人體上肢特征基礎上設計的解 算方法，使得解算結果更加準確可靠，并且捕捉的方向更多，更加多維化，可以更好的應用 于人機交互、遙操作、上肢康復監(jiān)測等多種領域，例如根據(jù)人體大臂、小臂、手及每個手指的 姿態(tài)信息，實時驅動人體上肢仿真模型。
[0107] 本發(fā)明實施例中獲得的姿態(tài)精度比傳統(tǒng)方法提高了20%。
[0108] 以上所述，僅為本發(fā)明最佳的【具體實施方式】，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此， 任何熟悉本技術領域的技術人員在本發(fā)明揭露的技術范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換， 都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
[0109] 本發(fā)明說明書中未作詳細描述的內(nèi)容屬于本領域專業(yè)技術人員的公知技術。
【主權項】
1. 一種新型數(shù)據(jù)手套系統(tǒng)，其特征在于:包括若干個傳感器（1)、微處理器(2)、和數(shù)據(jù) 處理顯示單元(4)，其中若干個傳感器(1)分別設置在人體的大臂、小臂、手背和每個手指的 各個關節(jié)之間，用于采集人體上肢不同部位的運動信息；微處理器(2)設置在人體手腕上， 用于從傳感器（1)接收運動信息，并將所述運動信息發(fā)送給數(shù)據(jù)處理顯示單元(4)，數(shù)據(jù)處 理顯示單元(4)實時接收微處理器(2)發(fā)送的運動信息進行解算，得到人體大臂、小臂、手背 W及每個手指的姿態(tài)，并進行實時顯示;所述運動信息包括人體大臂、小臂、手背和每個手 指的各個關節(jié)之間手指部分的角速度、加速度和磁場值； 其中若干個傳感器(1)的具體設置方法為:人體的大臂、小臂上各設置一個傳感器（1)， 中指的根關節(jié)(5)與中關節(jié)(6)之間、中關節(jié)(6)與末端關節(jié)(7)之間W及末端關節(jié)(7)與指 尖之間各設置一個傳感器(1)，并與手背上設置的一個傳感器(1)，共四個傳感器(1)形成串 聯(lián)連接，其余手指中每個手指的根關節(jié)(5)與中關節(jié)(6)之間、中關節(jié)(6)與末端關節(jié)(7)之 間W及末端關節(jié)(7)與指尖之間各設置一個傳感器（1)，每個手指上的Ξ個傳感器（1)形成 串聯(lián)連接； 其中數(shù)據(jù)處理顯示單元(4)實時接收微處理器（2)發(fā)送的運動信息進行解算的具體方 法如下： (1) 、計算當前時刻人體大臂的姿態(tài)Τι,k，具體公式如下： Τι,?? = λιXAi,k+( 1~λι) XBi,k 其中:Ai,功當前時刻大臂的高頻姿態(tài)，Bi,功當前時刻大臂的低頻姿態(tài)，λι為互補系數(shù)， 取值為0 ^ λι ^ 1;k為時刻序列，取值為^ 1的正整數(shù)； (2) 、計算當前時刻人體小臂的姿態(tài)，人體小臂的姿態(tài)通過小臂與大臂之間的相對夾角 T2,k來表示，具體公式如下：其中：a2x,k為沿人體小臂軸方向的加速度，aix,k為沿人體大臂軸方向的加速度，g為重力 加速度； (3) 、計算當前時刻人體手的姿態(tài)T3,k，具體公式如下： T3,k = ^3 X A3,k+( 1-^3) XBs.k 其中：A3,k當期時刻手的高頻姿態(tài)，B3,k當前時刻手的低頻姿態(tài)，λ3為互補系數(shù)，取值為ο < 入3 < 1 ; (4) 、計算當前時刻人體手指根關節(jié)（5)與中關節(jié)(6)之間手指部分的姿態(tài)T4,k，具體公 式如下： T4,k = ^4XA4,k+(l-^4) XB4,k 其中：A4,k為當期時刻手指根關節(jié)與中關節(jié)之間手指部分的高頻姿態(tài)，B4,k為當前時刻 手指根關節(jié)與中關節(jié)之間手指部分的低頻姿態(tài)，λ4為互補系數(shù)，取值為0含λ4 < 1 ; (5) 、計算當前時刻人體手指中關節(jié)(6)與末端關節(jié)(7)之間手指部分的姿態(tài)，通過與手 指根關節(jié)(5)和中關節(jié)(6)之間手指部分的夾角Τ5,諫表示，具體公式如下：其中：a日x,k為沿手指中關節(jié)與末端關節(jié)之間手指部分方向的加速度，a4x,k為沿手指根關 節(jié)與中關節(jié)之間手指部分方向的加速度； (6)、計算當前時刻人體手指末端關節(jié)(7)與指尖之間手指部分的姿態(tài)，通過與手指中 關節(jié)(6)與末端關節(jié)(7)之間手指部分的夾角T6,k來表示，具體公式如下：其中:asx,k為沿手指末端關節(jié)與指尖之間手指部分方向的加速度。2. 根據(jù)權利要求1所述的一種新型數(shù)據(jù)手套系統(tǒng)，其特征在于:所述步驟（1)中當前時 刻大臂的高頻姿態(tài)Ai,k通過如下公式得到： Al，k二Tl，k-1+容l，kX At 其中:Τι,k-功上一時刻大臂的姿態(tài)，gi,功當前時刻大臂的角速度，At為解算周期； 所述當前時刻大臂的低頻姿態(tài)Bi,k通過確定性姿態(tài)濾波算法得到，具體通過如下公式 得到： C(Bi,k) = [G Μ GXM]/[ai,k mi,k ai,kXmi,k] 其中：G為重力矢量，M為地磁矢量，ai,k為當前時刻大臂的加速度，mi,k為當前時刻大臂 的磁場值，C(Bi,k)為Bi,k的姿態(tài)矩陣。3. 根據(jù)權利要求1所述的一種新型數(shù)據(jù)手套系統(tǒng)，其特征在于:所述步驟(3)中當前時 刻手的高頻姿態(tài)A3,k通過如下公式得到： A3,k = T3,k-l+(g3,l<-g2,k) X A t 其中：T3,k-功上一時刻手的姿態(tài)，g3,k為當前時刻手的角速度，g2,k為當前時刻小臂的角 速度，At為解算周期； 所述當前時刻手的低頻姿態(tài)B3,k通過確定性姿態(tài)濾波算法得到，具體通過如下公式得 到： C(B3,k) = [G Μ GXM]/[a3,k_a2,k m3,k-m2,k(a3,k-a2,k)X(m3,k-m2,k)] 其中：G為重力矢量，Μ為地磁矢量，a3,k為當前時刻手的加速度，a2,k為當前時刻小臂的 加速度，m3,k為當前時刻手的磁場值，m2,k為當前時刻小臂的磁場值，C(B3,k)為B3,k的姿態(tài)矩 陣。4. 根據(jù)權利要求1所述的一種新型數(shù)據(jù)手套系統(tǒng)，其特征在于:所述步驟(4)中當前時 刻手指根關節(jié)與中關節(jié)之間手指部分的高頻姿態(tài)A4,k通過如下公式得到： A4,k = T4,k-l+(g4,l<-g3,k) X A t 其中：T4,k-1為上一時刻人體手指根關節(jié)與中關節(jié)之間手指部分的姿態(tài)，g4,k為當前時刻 手指根關節(jié)與中關節(jié)之間手指部分的角速度，g3,k當前時刻手的角速度，At為解算周期； 當前時刻手指根關節(jié)與中關節(jié)之間手指部分的低頻姿態(tài)B4,k通過確定性姿態(tài)濾波算法 得到，具體通過如下公式得到： C(B4,k) = [G Μ GXM]/[a4,k_a3,k m4,k-m3,k(a4,k-a3,k)X(m4,k-m3,k)] 其中：G為重力矢量，Μ為地磁矢量，a4,k當前時刻手指根關節(jié)與中關節(jié)之間手指部分的 加速度，33,k為當前時刻手的加速度，m4,k為當前時刻手指根關節(jié)與中關節(jié)之間手指部分的 磁場值，m3,功當前時刻手的磁場值，C(B4,k)為B4,k的姿態(tài)矩陣。5. 根據(jù)權利要求1~4之一所述的一種新型數(shù)據(jù)手套系統(tǒng)，其特征在于:所述λι、λ3和λ4 的取值為：0.2 <λι<〇.5,0.2 <入3<0.5,0.2 <入4< 0.5。6. 根據(jù)權利要求1~4之一所述的一種新型數(shù)據(jù)手套系統(tǒng)，其特征在于:所述人體手背 和每個手指上的傳感器(1)設置在手套上，手套穿戴在人體的手上。7. 根據(jù)權利要求1~4之一所述的一種新型數(shù)據(jù)手套系統(tǒng)，其特征在于:所述各個傳感 器（1)之間W及傳感器（1)與微處理器(2)之間采用軟排線（3)連接，微處理器(2)和數(shù)據(jù)處 理顯示單元(4)之間通過無線或有線連接。8. 根據(jù)權利要求1~4之一所述的一種新型數(shù)據(jù)手套系統(tǒng)，其特征在于:還包括供電單 元，供電單元設置在微處理器(2)的下部，用于為微處理器(2)及傳感器(1)供電。9. 根據(jù)權利要求1~4之一所述的一種新型數(shù)據(jù)手套系統(tǒng)，其特征在于:所述解算周期 At 的取值為 0.001-0.1 s。
【文檔編號】G06F3/01GK105843388SQ201610168064
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年3月23日
【發(fā)明人】方斌, 張韜懿, 范立明
【申請人】北京軒宇智能科技有限公司