基于数据手套和位置跟踪仪的人手运动功能捕捉系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明属于人手运动功能捕捉系统技术领域，尤其涉及基于数据手套和位置跟踪仪的人手运动功能捕捉系统及方法。
【背景技术】
[0002]人手是人体最灵巧的部分之一，拥有超过20个自由度，实现人手稳定的抓握功能和灵巧操作功能一直是仿人假手和灵巧手领域研究的重点和难点，首先，就仿人假手和灵巧手设计而言，最基本的问题是搜集能够体现人手抓握能力的抓取姿势，以期从构型和控制上复现拟人的抓取姿势，从而最终达到仿人性抓取的目标。对于康复领域而言，捕捉正常人手运动时的关节角度变化特性，体现的是正常人手的运动能力，将为中风等手或者手指运动困难病患的康复性治疗提供参考和指导。因此，无论从残疾人假手稳定抓取、仿人灵巧手灵巧操作还是手指运动困难病患的康复性治疗指导来看，人手运动捕捉就显得尤为重要。
[0003]当前对于人手运动特性的捕捉研究主要采用数据手套和视觉的方式进行，使用视觉的方法提取的为人手笛卡尔空间的运动数据，需要将其通过运动学模型或者投影法将笛卡尔空间数据映射到关节空间来提取人手关节的运动功能谱。但经过调研发现采用视觉会出现很多丢点串点的情况，尤其是人手采用marker(标识)标记时，marker在手背面布局密集，将会导致丢点串现象点更为严重，这样就需要人为一帧一帧的找marker点，使得数据的提取十分困难。所以经过对比，我们采用了数据手套的方法来进行人手运动功能谱的提取，但在使用数据手套的过程中发现，数据手套需要前期先进行手套的标定，由于数据手套包含多个光纤传感器，因此标定显得十分困难，尤其是拇指的传感器在人手抓握过程中的耦合现象，同时由于不同的人手尺寸大小不同，因此标定十分困难，采用手套自带的标定软件不能够满足实验要求。
[0004]此外，手腕在人手完成抓取任务时起到将人手调整到抓取物体的较佳位姿，因此对于抓取而言，手腕的也起到了至关重要的作用，记录并模拟人手抓取过程中手腕的位置和姿态就显得尤为重要，同样，对于手腕活动困难的病患，正常人手抓取物体时的位置和姿态信息也将起到重要的参考和指导作用。
[0005]就进行人手运动功能捕捉而言，抓取任务的拟人复现是实现目标，提取足够多的人手抓取姿势尽可能的覆盖人手运动功能就显得尤为重要，因此，在记录人手抓取姿势时，需要记录多人多次多抓取姿势，设计一种能够用来记录抓取姿势和手腕位姿的系统也是十分必要的。
【发明内容】
[0006]本发明是为了解决人手运动功能捕捉困难，且现有数据手套记录人手抓取姿势数据标定困难的问题，现提供基于数据手套和位置跟踪仪的人手运动功能捕捉系统及方法。
[0007]基于数据手套和位置跟踪仪的人手运动功能捕捉系统，它包括以下单元:
[0008]数据手套传感器初始值记录单元:采集并记录数据手套中每个传感器的初始值，并将该初始值发送至数据手套传感器标定单元，所述初始值为戴有数据手套的人手在数据手套标定实验范式下每个关节的角度值；
[0009]数据手套传感器标定单元:利用初始值和实际角度给定值建立实际角度和初始值之间的映射模型和模型参数，并将该映射模型和模型参数发送至标定后传感器实际值获得单元，所述实际角度给定值为预先设定的；
[0010]数据手套传感器抓取姿势采集单元:实时采集并记录数据手套中每个传感器的当前值，并将该当前值发送至标定后传感器实际值获得单元，所述当前值为戴有数据手套的人手在每个抓取任务下每个关节的角度值，所述抓取任务为需要获得的人手抓取姿态；
[0011 ]手腕位置姿态数据采集单元:实时采集位置跟踪仪获得的手腕位置姿态数据，并将该手腕位置姿态数据发送至存储单元，所述手腕位置姿态数据为手腕上戴有位置跟踪仪的人手在每个抓取任务下手腕的位置姿态数据；
[0012]标定后传感器实际值获得单元:将数据手套中每个传感器的当前值代入映射模型中，获得标定后传感器实际值，并将该标定后传感器实际值发送至存储单元，所述标定后传感器实际值为戴有数据手套的人手在每个抓取任务下每个关节的实际角度值；
[0013]存储单元:将同一抓取任务下的标定后传感器实际值和手腕位置姿态数据作为同一组人手运动功能信息进行存储；
[0014]显示单元:实时显示数据手套中每个传感器的初始值、映射模型参数、数据手套中每个传感器的当前值、手腕位置姿态数据和标定后传感器实际值；
[0015]所述数据手套标定实验范式包括以下姿态:
[0016]姿态一:五个手指伸直，手掌和手指平贴在水平面上；
[0017]姿态二:拇指与其余四指之间角度为90度伸直；
[0018]姿态三:握拳，并使除拇指外的手指均与掌关节呈90度屈曲；
[0019]姿态四:除拇指外四个手指的指间关节均呈90度屈曲；
[0020]姿态五:拇指外指节屈曲α度，α = 10、30、50和70;
[0021]姿态六:拇指掌指关节屈曲β度，β=10、30、45和60;
[0022]姿态七:手掌和手指伸直并平贴在水平面上，每个相邻的手指间夹角为15度；
[0023]姿态八:手掌和手指伸直并平贴在水平面上，每个相邻的手指间夹角为30度。
[0024]基于数据手套和位置跟踪仪的人手运动功能捕捉方法，它包括以下步骤:
[0025]数据手套传感器初始值记录步骤:采集并记录数据手套中每个传感器的初始值，所述初始值为戴有数据手套的人手在数据手套标定实验范式下每个关节的角度值；
[0026]数据手套传感器标定步骤:利用初始值和实际角度给定值建立实际角度和初始值之间的映射模型和模型参数，所述实际角度给定值为预先设定的；
[0027]数据手套传感器抓取姿势记录步骤:实时采集并记录数据手套中每个传感器的当前值，所述当前值为戴有数据手套的人手在每个抓取任务下每个关节的角度值，所述抓取任务为需要获得的人手抓取姿态；
[0028]手腕位置姿态数据记录步骤:实时采集位置跟踪仪获得的手腕位置姿态数据，所述手腕位置姿态数据为手腕上戴有位置跟踪仪的人手在每个抓取任务下手腕的位置姿态数据；
[0029]标定后传感器实际值获得步骤:将数据手套中每个传感器的当前值代入映射模型中，获得标定后传感器实际值，所述标定后传感器实际值为戴有数据手套的人手在每个抓取任务下每个关节的实际角度值；
[0030]存储步骤:将同一抓取任务下的标定后传感器实际值和手腕位置姿态数据作为同一组人手运动功能信息进行存储；
[0031]显示步骤:实时显示数据手套中每个传感器的初始值、映射模型参数、数据手套中每个传感器的当前值、手腕位置姿态数据和标定后传感器实际值；
[0032]所述数据手套标定实验范式包括以下姿态:
[0033]姿态一:五个手指伸直，手掌和手指平贴在水平面上；
[0034]姿态二:拇指与其余四指之间角度为90度伸直；
[0035]姿态三:握拳，并使除拇指外的手指均与掌关节呈90度屈曲；
[0036]姿态四:除拇指外四个手指的指间关节均呈90度屈曲；
[0037]姿态五:拇指外指节屈曲α度，α = 10、30、50和70;
[0038]姿态六:拇指掌指关节屈曲β度，β=10、30、45和60;
[0039]姿态七:手掌和手指伸直并平贴在水平面上，每个相邻的手指间夹角为15度；
[0040]姿态八:手掌和手指伸直并平贴在水平面上，每个相邻的手指间夹角为30度。
[0041]本发明所述的基于数据手套和位置跟踪仪的人手运动功能捕捉系统及方法，通过数据手套采集人手关节屈曲-伸展角度信息，通过8个姿态的数据手套标定实验范式，快速、准确的地完成数据手套标定，根据人手运动功能实验要求，并结合位置跟踪仪的手腕位置姿态数据高效的记录多人多次多抓取姿势，大大的提高人手运动功能捕捉的准确性和效率。
【附图说明】
[0042]图1为【具体实施方式】一所述的基于数据手套和位置跟踪仪的人手运动功能捕捉系统的结构框图；
[0043]图2为【具体实施方式】一所述的数据手套标定实验范式图，图中1表示姿态一的姿势，图中2表示姿态二的姿势，图中3表示姿态三的姿势，图中4表示姿态四的姿势，图中5表示姿态五的姿势，图中6表示姿态六的姿势，图中7表示姿态七的姿势，图中8表示姿态八的姿势。
【具体实施方式】
[0044]【具体实施方式】一:参照图1和2具体说明本