一種關節級聯系統的運動參數檢測方法及關節級聯系統的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及運動仿生模型技術領域，具體涉及一種關節級聯系統的運動參數檢測 方法及關節級聯系統。
【背景技術】
[0002] 關節級聯系統也稱為多關節串聯系統，多關節表示由多個關節相互連接的整體系 統，當一個關節連接的連桿發生運動時，會導致相關關節同樣發生位置姿態的變化，關節級 聯系統最常見的為人體與動物連桿模型，以及多足動物運動生理結構，圖1示出了常見的2 支撐點和4支撐點情況下的關節級聯系統的結構，可參照。
[0003] 對關節級聯系統的運動進行檢測，對于雙足以及多足生物體的運動仿生模擬具有 重要意義；關節級聯系統的運動檢測主要是對關節級聯系統的運動參數進行檢測，諸如關 節級聯系統的連桿運動位置的檢測、關節級聯系統的重心檢測、關節級聯系統的位移檢測 等；通過檢測關節級聯系統的連桿運動位置、重心、位移等運動參數，可實現對關節級聯系 統的移動、轉向、靜止等運動控制調整。
[0004] 目前，關節級聯系統的運動參數檢測方式主要是通過光學傳感器（如攝像頭）實 現，通過在關節級聯系統的運動場地安裝不同角度的多個攝像頭，可追蹤關節級聯系統的 關鍵位置的標記點，從而根據攝像頭拍攝的圖像數據分析出關節級聯系統的運動參數。
[0005] 本發明的發明人在研究過程中發現，采用光學傳感器檢測關節級聯系統的運動參 數的方式，雖然可直接以攝像頭拍攝的圖像數據獲得關節級聯系統的絕對運動軌跡，進而 分析出運動軌跡相應的運動參數，所得到的運動參數具有一定的精度；但是，光學傳感器對 于光線、場地的要求較高，在使用要求上具有一定的局限性，并無法普遍應用；因此提供一 種新的關節級聯系統的運動參數檢測方法，以解決使用要求的局限性，使得關節級聯系統 的運動參數檢測能夠被普遍應用，成為本領域技術人員需要考慮的問題。
【發明內容】
[0006] 有鑒于此，本發明實施例提供一種關節級聯系統的運動參數檢測方法及關節級聯 系統，以解決關節級聯系統的運動參數檢測過程中，所存在的使用要求局限的問題，以使得 關節級聯系統的運動參數檢測能夠被普遍應用。
[0007] 為實現上述目的，本發明實施例提供如下技術方案：
[0008] -種關節級聯系統的運動參數檢測方法，基于一種關節級聯系統，所述關節級聯 系統包括：多個連桿，設置于各連桿上的運動姿態傳感器，連接各關聯連桿的電機，和處理 裝置；
[0009] 所述方法應用于處理裝置，所述方法包括：
[0010] 獲取運動姿態傳感器所感應的運動姿態數據；
[0011] 根據所述運動姿態數據分析關節級聯系統的運動參數。
[0012] 其中，所述運動參數包括：關節級聯系統的連桿的運動位置；所述方法還包括：
[0013] 對運動姿態傳感器進行初始姿態校準，使得連桿處于初始姿態的初始連桿向量與 運動姿態傳感器的測量坐標系對齊；
[0014] 所述獲取運動姿態傳感器所感應的運動姿態數據包括：
[0015] 獲取連桿運動時，連桿運動的連桿姿態歐拉角，所述連桿姿態歐拉角包括：連桿運 動的俯仰角Θ，連桿運動的橫滾角Φ，和連桿運動的航向角Φ ;
[0016] 所述根據所述運動姿態數據分析關節級聯系統的運動參數包括：
[0017] 根據所述連桿姿態歐拉角生成連桿運動所對應的三維旋轉矩陣R，R為
[0018] 將連桿處于初始姿態的初始連桿向量乘以R，得到連桿運動所對應的連桿向量，所 述連桿向量表示連桿的運動位置。
[0019] 其中，所述對運動姿態傳感器進行初始姿態校準包括：
[0020] 在進行初始姿態校準時，將連桿的向量V (輸出）_向量V (補償），得到連桿處于初 始姿態的初始連桿向量。
[0021] 其中，所述關節級聯系統還包括：設置于關節級聯系統的支撐點下方的壓力分布 傳感器；所述運動參數包括：關節級聯系統的重心；
[0022] 所述獲取運動姿態傳感器所感應的運動姿態數據包括：
[0023] 獲取關節級聯系統重心沿X軸方向上的加速度'。和重心沿y軸方向上的加速度 .vg . ，.
[0024] 所述根據所述運動姿態數據分析關節級聯系統的運動參數包括：
[0025] 確定關節級聯系統的零力矩點（xzmp，yzmp，〇);
[0026] 根據公式'
計算xg，根據公式 計算y g，其中，關 節級聯系統重心的表達式為（xg，yg，zg)，zgS常量。
[0027] 其中，所述關節級聯系統還包括：設置于關節級聯系統的支撐點下方的壓力分布 傳感器；所述運動參數包括：關節級聯系統的位移；
[0028] 所述獲取運動姿態傳感器所感應的運動姿態數據包括：
[0029] 獲取各接觸點的各軸旋轉角度速率；
[0030] 所述根據所述運動姿態數據分析關節級聯系統的運動參數包括：
[0031] 檢測各接觸點的總旋轉角度速率，總旋轉角度速率=sqrt (X旋轉角度速率*X旋 轉角度速率+Y旋轉角度速率*Y旋轉角度速率+Z旋轉角度速率*Z旋轉角度速率）；
[0032] 根據接觸點的總旋轉角度速率確定落地點，其中，總旋轉角度速率從大于閾值到 小于閾值變化時，接觸點的運動正處在落地點，總旋轉角度速率從小于閾值到大于閾值變 化時，接觸點的運動則正處在離地點；
[0033] 根據連桿之間的層次關系，通過落地點的連桿位置推算，落地點與另一接觸點之 間關聯的各連桿的位置；
[0034] 根據落地點與另一接觸點之間關聯的各連桿的位置，計算接觸點當前落地所對應 的位移。
[0035] 本發明實施例還提供一種關節級聯系統，包括：多個連桿，設置于各連桿上的運動 姿態傳感器，連接各關聯連桿的電機，和處理裝置；
[0036] 其中，處理裝置，用于獲取運動姿態傳感器所感應的運動姿態數據；根據所述運動 姿態數據分析關節級聯系統的運動參數。
[0037] 其中，所述運動參數包括：關節級聯系統的連桿的運動位置；
[0038] 所述處理裝置還用于，對運動姿態傳感器進行初始姿態校準，使得連桿處于初始 姿態的初始連桿向量與運動姿態傳感器的測量坐標系對齊；
[0039] 所述處理裝置在獲取運動姿態傳感器所感應的運動姿態數據，根據所述運動姿態 數據分析關節級聯系統的運動參數的方面，具體用于：
[0040] 獲取連桿運動時，連桿運動的連桿姿態歐拉角，所述連桿姿態歐拉 角包括：連桿運動的俯仰角Θ，連桿運動的橫滾角φ，和連桿運動的航向 角Φ ;根據所述連桿姿態歐拉角生成連桿運動所對應的三維旋轉矩陣R，R為
將連桿處于初始姿 態的初始連桿向量乘以R，得到連桿運動所對應的連桿向量，所述連桿向量表示連桿的運動 位置。
[0041] 其中，所述處理裝置在對運動姿態傳感器進行初始姿態校準的方面具體用于，在 進行初始姿態校準時，將連桿的向量V (輸出）-向量V (補償），得到連桿處于初始姿態的初 始連桿向量。
[0042] 其中，所述關節級聯系統還包括：設置于關節級聯系統的支撐點下方的壓力分布 傳感器；所述運動參數包括：關節級聯系統的重心；
[0043] 所述處理裝置具體用于，獲取關節級聯系統重心沿X軸方向上的加速度\和 5 重心沿y軸方向上的加速度匕^確定關節級聯系統的零力矩點（xzmp，yzmp，0);根據公式
計算xg，根據公式
計算yg，其中，關節級聯系統重心的 表達式為（xg，yg，zg)，zgS常量。
[0044] 其中，所述關節級聯系統還包括：設置于關節級聯系統的支撐點下方的壓力分布 傳感器；所述運動參數包括：關節級聯系統的位移；
[0045] 所述處理裝置具體用于，獲取各接觸點的各軸旋轉角度速率；檢測各接觸點的總 旋轉角度速率，總旋轉角度速率=sqrt (X旋轉角度速率*X旋轉角度速率+Y旋轉角度速率 *Y旋轉角度速率+Z旋轉角度速率*Z旋轉角度速率）；
[0046] 根據接觸點的總旋轉角度速率確定落地點，其中，總旋轉角度速率從大于閾值到 小于閾值變化時，接觸點的運動正處在落地點，總旋轉角度速率從小于閾值到大于閾值變 化時，接觸點的運動則正處在離地點；
[0047] 根據連桿之間的層次關系，通過落地點的連桿位置推算，落地點與另一接觸點之 間關聯的各連桿的位置；
[0048] 根據落地點與另一接觸點之間關聯的各連桿的位置，計算接觸點當前落地所對應 的位移。
[0049] 基于上述技術方案，本發明實施例中關節級聯系統的關節是由電機組成，電機的 運動可使得關節具有三個轉動的自由度，并且通過設置于連桿上的運動姿態傳感器在關節 運動時，采集關節級聯系統的運動姿態數據，可使得反應關節級聯系統的運動參數的運動 數據得以獲取，通過分析運動姿態傳感器采集的運動數據則可檢測出關節級聯系統的運動 參數；由于關節級聯系統中由電機組成關節，運動姿態傳感器設置于連桿上，分析關節級聯 系統的運動參數的源數據均可通過集合于關節級聯系統的本體結構上的設備采集，進而由 處理裝置分析得出運動參數，因此，本發明實施例可在任意場地實現關節級聯系統的運動 參數檢測，對于應用場地并無限制，由此解決了關節級聯系統的運動參數檢測過程中，對于 使用要求的局限問題，使得關節級聯系統的運動參數檢測能夠被普遍應用。
【附圖說明】
[0050] 為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的