本发明涉及捕捉关节运动技术领域，具体涉及关节运动检测的组合式传感器、关节运动检测系统及方法。
背景技术：
在申请号为201510778570.8公开的发明专利，其名称为关节运动检测系统及方法，其解决了在大型步态实验室采用多个运动捕捉摄像机捕捉关节运动中所遇到的问题，如，申请号为201510778570.8的发明专利中不需要对多个摄像机进行系统标定，且占地空间小。
但是申请号为201510778570.8的发明专利的技术方案也存在一定的不便性，如，其采用光学传感装置捕获真实标记点的空间位置并形成相应的空间运动数据，使得，受试者必须在光学传感装置的有效测试范围内运动，才能采集到关节的空间运动数据，若受试者运动到该有效测试范围外，则不能采集到关节的空间运动数据，即，申请号为201510778570.8的发明专利对受试者的运动范围及运动空间进行了严格限制，使得受试者不能随意走动。
技术实现要素：
为了使捕捉关节运动操作简单、占地空间小及方便受试者随意走动，本申请提供一种关节运动检测的组合式传感器、关节运动检测系统及方法。
根据第一方面，一种实施例中提供一种关节运动检测的组合式传感器，包括：支撑架、惯性测量装置和红外标定装置；
所述惯性测量装置和红外标定装置分别设置于所述支撑架上，其中，所述惯性测量装置的测量数据反映关节骨结构在整个运动过程中的空间姿态信息，所述红外标定装置用于在关节周围设定位置处设置真实标记点，所述真实标记点只能在红外检测范围内被感测到，且所述真实标记点的空间位置能够反映关节骨结构在红外检测范围内运动时的空间运动情况；
待所述支撑架戴于关节上后，在所述关节运动的过程中，通过所述惯性测量装置和红外标定装置之间的对应关系，将所述惯性测量装置的测量数据对所述真实标记点在红外检测范围外的空间运动情况进行补充，以获得所述真实标记点能够反映关节骨结构在整个运动过程中的空间运动情况。
一种实施例中，惯性测量装置为惯性传感器。
一种实施例中，红外标定装置为若干个红外标记点。
一种实施例中，红外标记点呈球状或半球状。
一种实施例中，支撑架呈十字型结构，红外标记点的数量为四个，四个红外标记点分别设置于支撑架的四个自由端，惯性测量装置设置于支撑架的交叉点处。
一种实施例中，支撑架呈圆盘结构，若干个红外标记点均匀布设于支撑架的圆周边缘，惯性测量装置设置于支撑架的中心点。
一种实施例中，支撑架的高度大于等于惯性测量装置的高度，惯性测量装置贯穿设置于支撑架内。
根据第二方面，一种实施例中提供一种关节运动检测系统，包括：
组合式传感器，所述组合式传感器为上述任一项所述的组合式传感器，所述红外标定装置用于在关节周围设定位置处设置真实标记点，所述真实标记点只能在红外检测范围内被感测到，且所述真实标记点的空间位置能够反映关节骨结构在红外检测范围内运动时的空间运动情况，所述惯性测量装置的测量数据用于反映关节骨结构在整个运动过程中的空间姿态信息；
虚拟点标定装置，用于在关节骨结构解剖特征位置处设置虚拟标记点；
红外感测装置，用于在红外检测范围内感测所述真实标记点的空间位置，从而获得所述真实标记点的空间运动数据，及还用于根据所述虚拟标记点和真实标记点的空间相对位置，在红外检测范围内感测所述虚拟标记点和真实标记点的空间的相对位置数据；
数据采集装置，用于采集所述真实标记点的空间运动数据、虚拟标记点和真实标记点的空间的相对位置数据、及惯性测量装置的测量数据；
补充装置，用于将所述惯性测量装置的测量数据对所述真实标记点在红外检测范围外的空间运动数据进行补充，以获得所述真实标记点在整个运动过程中的整体空间运动数据；
数据分析装置，用于将所述真实标记点的整体空间运动数据通过优化运算及虚拟标记点与真实标记点之间的空间映射关系获取所述虚拟标记点的整体空间运动数据，并根据所述虚拟标记点的整体空间运动数据模拟分析关节骨结构运动情况。
一种实施例中，还包括，在红外检测范围内，利用真实标记点对所述惯性测量装置的漂移误差系数进行校正的校正装置。
一种实施例中，红外感测装置为双目红外传感器。
根据第三方面，一种实施例中提供一种关节运动检测方法，包括步骤：
将上述任一项所述的组合式传感器佩戴于关节位置；
利用红外标定装置在关节周围设定位置处设置真实标记点，所述真实标记点只能在红外检测范围内被感测到，且所述真实标记点的空间位置能够反映关节骨结构在红外检测范围内运动时的空间运动情况；
利用虚拟点标定装置在关节骨结构解剖特征位置处设置虚拟标记点；
建立虚拟标记点与真实标记点的空间相对位置；
使用红外感测装置在红外检测范围内感测所述真实标记点的空间位置，从而获得所述真实标记点的空间运动数据，及还根据所述虚拟标记点和真实标记点的空间相对位置，在红外检测范围内感测到所述虚拟标记点和真实标记点的空间的相对位置数据；
采集所述真实标记点的空间运动数据、虚拟标记点和真实标记点的空间的相对位置数据、及惯性测量装置的测量数据；
将所述惯性测量装置的测量数据对所述真实标记点在红外检测范围外的空间运动数据进行补充，以获得所述真实标记点在整个运动过程中的整体空间运动数据；
将所述真实标记点的整体空间运动数据通过优化运算及虚拟标记点与真实标记点之间的空间映射关系获取所述虚拟标记点的整体空间运动数据，并根据所述虚拟标记点的整体空间运动数据模拟分析关节骨结构运动情况。
一种实施例中，还包括对所述组合式传感器中的红外标定装置和惯性测量装置的空间相对位置进行标定的步骤。
一种实施例中，还包括在红外检测范围内利用真实标记点对所述惯性测量装置的误差系数进行校正的步骤。
依据上述实施例的组合式传感器，将其用于关节运动检测时，通过利用红外标定装置要关节骨结构周围标定真实标记点，及在关节骨结构的解剖特征点处标记虚拟标记点，建立虚拟标记点与真实标记点的空间映射关系，从而实现符合关节解剖结构的运动学数据检测，当受试者在红外检测范围内运动时，可以通过红外标定装置标定的真实标记点的空间位置实时获取关节的空间运动数据，当受试者在红外检测范围外运动时，可以通过惯性测量装置的测量数据对真实标记点的空间运动数据进行补充，以获得受试者整个运动过程中的真实标记点的空间运动数据，根据虚拟标记点与真实标记点的空间映射关系，进而获得虚拟标记点的空间运动数据，保证高精度和符合关节解剖结构的条件下，解决现有技术中受试者运动受限的问题，同时，占地空间小，便携，操作简单。
附图说明
图1为组合式传感器结构示意图；
图2为关节运动检测系统示意图；
图3为现有技术关节空间运动数据采集示意图；
图4为本申请的关节空间运动数据采集示意图；
图5为图4中惯性测量数据与真实标记点的空间数据拟合后的示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。
在本发明实施例中，通过将惯性测量和红外测量融合在一体对关节运动进行检测，以解决现有关节运动检测的技术中，要么占地空间大、要么受试者运动受限的问题，同时，通过惯性测量和红外测量融合使用时，还能解决惯性测量在关节运动检测中测量误差大的问题。
实施例一：
为了在关节检测中能更好的融合惯性测量技术和红外测量技术，本例提供一种关节运动检测的组合式传感器，其结构图请参考图1，包括支撑架1、惯性测量装置2和红外标定装置3；具体的，惯性测量装置2和红外标定装置3分别设置于支撑架1上，其中，惯性测量装置2的测量数据反映关节骨结构在整个运动过程中的空间姿态信息，红外标定装置3用于在关节周围设定位置处设置真实标记点，真实标记点只能在红外检测范围内被感测到，且真实标记点的空间位置能够反映关节骨结构在红外检测范围内运动时的空间运动情况。
本例的惯性测量装置2为惯性传感器，本例的红外标定装置3为若干个红外标记点，优选的，红外标记点呈球状或半球状。
本例的支撑架1的具体结构及形状没有特定的限制，只要支撑架1具有一定的刚性即可，该一定的刚性是指惯性测量装置2和红外标定装置3安装到支撑架1上后，支撑架1能固定不变形。
本例提供的支撑架1的结构为十字型结构，与该十字型结构相对应，本例的红外标记点的数量为四个，且该四个红外标记点分别设置于支撑架1的四个自由端，惯性测量装置设置于支撑架1的交叉点处。
在另一实施例中，支撑架1的结构可以是圆盘型结构，若干个红外标记点均匀布设于支撑架1的圆周边缘，惯性测量装置2设置于支撑架1的中心点。
为了使惯性测量装置2能嵌入到支撑架1内，优选的，支撑架1的高度大于等于惯性装置2的高度，使惯性测量装置2能贯穿设置于支撑架1内。
由于本例的组合式传感器直接穿戴于受试者的关节上，而同时又要求支撑架1具有一定的刚性，在优选实施例中，为了使组合式传感器与受试者具有较高的配合度，也即是，使支撑架1与受试者接触的一面让受试者具有具较的体验度，支撑架1与受试者直接接触的一面，即支撑架1于红外标定装置3的相对面设置有软质层，使得，支撑架1直接与受试者接触时，避免支撑架1的刚性使受试者产生不适。
本例的组合式传感器可以穿戴于受试者的关节上，由于受试者的不同关节骨结构的位置及形状不同，有的位置不方便组合式传感器穿戴，为了使组合式传感器能放置到受试者的不同关节部位，也可以将组合式传感器贴于受试者的关节上，如，支撑架1在设有软质层的一面设置粘性层，这样，支撑架1可以直接通过粘性层贴于受试者的关节上。
本例的组合式传感器的具体应用如下：
待支撑架1戴于关节上后，若关节在红外检测范围内运动，则可以同时获得惯性测量装置2的测量数据和红外标定装置3中的真实标记点的空间位置；若关节在红外检测范围外运动时，这时只能获得惯性测量装置2的测量数据，而不能获得红外标定装置3中的真实标记点的空间位置；由于惯性测量装置2和红外标定装置3的空间相对位置固定，需要对惯性测量装置2和红外标定装置3的空间相对位置关系进行标定，具体的标定方法如下。
在惯性传感器坐标系下，惯性传感器输出的旋转角度和位移变化的矩阵表示为：(△Ri,△Ti)，在红外坐标系下，组合式传感器由初始位置P0转移到新位置P1时，则有P1＝P0·(△Rr，△Tr)，其中，(△Rr，△Tr)为红外标记点的角度和位移的变化矩阵；由于红外标定装置与惯性传感器的空间相对位置固定，而在组合式传感器移动由P0位置移动到P1位置时，惯性传感器在惯性坐标系下的输出值为：△Ri,△Ti，设由红外坐标系到惯性坐标系的转换矩阵为TRri，则有：(△Ri,△Ti)＝(△Rr，△Tr)·TRri,由此，可求得TRri。
在关节运动的过程中，在红外检测范围之外，需将通过惯性测量装置2和红外标定装置3之间的对应关系，将惯性测量装置2的测量数据对真实标记点在红外检测范围外的空间运动情况进行补充，以获得真实标记点能够反映关节骨结构在整个运动过程中的空间运动情况。如，通过转换矩阵TRri，将惯性传感器数据转换成红外坐标系下的数据(△Rr，△Tr)＝(△Ri,△Ti)·TRri-1，由此，可以得到真实标记点在红外检测范围之外的空间位置数据，所以，真实标记点能够反映关节骨结构在整个运动过程中的空间运动情况，从而，解决了红外标定装置3应用过程中检测空间受限的问题。
实施例二：
针对实施例一，本例提供一种关节运动检测系统，其系统示意图如图2所示，包括组合式传感器、虚拟点标定装置4、红外感测装置5、数据采集装置6、补充装置和数据分析装置7。
本例的组合式传感器具体为实施例一的组合式传感器，其中，红外标定装置3用于在关节周围设定位置处设置真实标记点，真实标记点只能在红外检测范围内被感测到，且真实标记点的空间位置能够反映关节骨结构在红外检测范围内运动时的空间运动情况，惯性测量装置2的测量数据用于反映关节骨结构在整个运动过程中的空间姿态信息；根据受试者的具体情况，可以将多个组合式传感器戴于受试者的各关节上。
本例的虚拟点标定装置4用于在关节骨结构解剖特征位置处设置虚拟标记点；虚拟标记点的标记点设置在关节骨结构的解剖结构上，在相应典型特征点通过虚拟点标定装置4设置虚拟标记点，该虚拟标记点与真实标记点之间建立有相应的空间映射关系。
本例的红外感测装置5用于在红外检测范围内感测真实标记点的空间位置，从而获得真实标记点的空间运动数据，及还用于根据虚拟标记点和真实标记点的空间相对位置，在红外检测范围内感测虚拟标记点和真实标记点的空间的相对位置数据；本例的红外感测装置5与红外标定装置3之间是通过光感应进行通信的，红外感测装置5在红外检测范围内能不断地感到各真实标记点，从而根据各真实标记点的动态变化情况形成空间运动数据。
数据采集装置一方面和红外感测装置5连接，从而采集红外感测装置5的空间运动数据及虚拟标记点和真实标记点的空间的相对位置数据，数据采集装置采集真实标记点的空间运动数据及虚拟标记点的真实标记点的空间的相对位置数据的方式，及通过感测、采集方式形成虚拟标记点与真实标记点的相地空间位置的具体方案，可参考申请号为201510778570.8公开的发明专利，本例不作赘述；另一方面，数据采集装置和惯性传感器2连接，从而采集惯性测量装置2的测量数据。数据采集装置还与数据分析装置6连接，将采集的数据传输给数据分析装置6中。
补充装置用于将惯性测量装置2的测量数据对真实标记点在红外检测范围外的空间运动数据进行补充，以获得真实标记点在整个运动过程中的整体空间运动数据；具体补充的运行程序请参考实施例一中的补充计算公式。
数据分析装置6用于将真实标记点的整体空间运动数据通过优化运算及虚拟标记点与真实标记点之间的空间映射关系获取虚拟标记点的整体空间运动数据，并根据虚拟标记点的整体空间运动数据模拟分析关节骨结构运动情况。由于初始的虚拟标记点的空间位置是固定的，根据真实标记点的空间位置的改变，产生的空间运动数据通过优化更新虚拟标记点，使其相应发生动态变化，进而反映真实的关节运动。如，数据分析装置根据虚拟标记点的空间运动数据在解剖坐标系下沿坐标轴的位移和绕坐标轴的旋转，而模拟分析关节的三维六自由度的运动数据，以此表征关节的真实运动特征，使检测结构客观、量化、准确的反映关节实际情况。
还包括，在红外检测范围内，利用真实标记点对惯性测量装置2的漂移误差系数进行校正的校正装置，该校正装置的校正过程如下：
依据解剖点建立关节骨结构空间坐标Cr1，Cr2……Crn，其中n代表关节骨结构的关节数；
依据组合式传感器中的红外标记点建立对应坐标Cb1，Cb2……Cbn，两者关系为Crn＝Cbn·TRr；
关节内结构在红外检测范围内运动时，可获取组合式传感器的红外标记坐标Cbn和惯性传感器数据(△Ri,△Ti)；
通过Crn＝Cbn·TRr，计算关节骨结构运动中关节空间位置，不同时刻的坐标关系为：Crnt＝Crn t-1·(△Rr，△Tr)……………(1)；
同时通过转换矩阵TRri，则，将t-1到t时刻的惯性传感器数据转换成红外坐标系下的数据(△Rr，△Tr)＝TRerr·(△Ri,△Ti)·TRri-1……(2)；
TRerr为传感器误差系数矩阵，其初始值为1，因为惯性传感器存在漂移误差，在红外可视范围内利用公式(1)和(2)对惯性传感器的误差系数进行校正，从而可获得更精准的数据。
另外，本例还提供一种关节运动检测方法，具体包括以下步骤。
S1：将实施例一的组合式传感器佩戴于关节位置。
在本步骤之后，还包括对组合式传感器中的红外标定装置和惯性测量装置的空间相对位置进行标定的步骤，具体请参考实施例一。
S2：利用红外标定装置在关节周围设定位置处设置真实标记点，真实标记点只能在红外检测范围内被感测到，且真实标记点的空间位置能够反映关节骨结构在红外检测范围内运动时的空间运动情况。
S3：利用虚拟点标定装置在关节骨结构解剖特征位置处设置虚拟标记点。
S4：建立虚拟标记点与真实标记点的空间相对位置。
如，建立虚拟标记点与真实标记点的空间相对位置可以通过特性标定器来标定，该特性标定器是和红外感测装置配合使用的特性标定器。
S5：使用红外感测装置在红外检测范围内感测真实标记点的空间位置，从而获得真实标记点的空间运动数据，及还根据虚拟标记点和真实标记点的空间相对位置，在红外检测范围内感测到所述虚拟标记点和真实标记点的空间的相对位置数据。
S6：采集真实标记点的空间运动数据、虚拟标记点和真实标记点的空间的相对位置数据、及惯性测量装置的测量数据。
由于在红外检测范围内能同时采集到真实标记点的空间位置和惯性测量装置2的测量数据，本步骤还进一步包括对惯性测量装置2的误差系数进行校正的步骤，具体请参考上述的校正装置的工作过程。
S7：将惯性测量装置的测量数据对真实标记点在红外检测范围外的空间运动数据进行补充，以获得真实标记点在整个运动过程中的整体空间运动数据。
具体的，在红外检测范围外，可获得惯性传感器数据(△Ri,△Ti)，通过转换矩阵TRri，将惯性传感器数据转换成红外坐标系下的数据(△Rr，△Tr)，(△Rr，△Tr)＝(△Ri,△Ti)·TRri-1；
同样可获得关节空间位置：Crnt＝Crn t-1·(△Rr，△Tr)，最终获得真实标记点在整个运动过程中的整体空间运动数据。
S8：将真实标记点的整体空间运动数据通过优化运算及虚拟标记点与真实标记点之间的空间映射关系获取虚拟标记点的整体空间运动数据，并根据虚拟标记点的整体空间运动数据模拟分析关节骨结构运动情况。
为了说明本申请的关节运动检测系统与申请号为201510778570.8的发明专利的不同及优点，如图3所示，为申请号为201510778570.8的发明专利的关节骨结构的空间运动数据采集示意图，图4为本申请的关节运动检测系统的空间运动数据采集示意图，图5为图4的空间运动数据拟合示意图，图3-图5只是为了表明本申请和申请号为201510778570.8的发明专利的数据采集的不同点，因此，相应图中并没有标明具体的数据单位及数据类型。
由图3可知，申请号为201510778570.8的发明专利只能在红外检测范围内采集到相应的空间运动数据，而红外检测范围外的空间运动数据不能被采集，即，受试者的运动范围超出红外检测范围后，就不能及时获取受试者关节运动情况，由图4可知，在红外检测范围内，本申请可以同时采集到真实标记点的空间运动数据及惯性传感器的测量数据，在红外检测范围外，虽然不能采集到真实标记点的空间运动数据，但是能采集到惯性传感器的测量数据；由图5可知，将惯性传感器的测量数据补充真实标记点的空间运动数据的拟合后，通过拟合后的真实标记点的空间运动数据能反映关节骨结构的整体运动情况。
本申请的关节运动检测系统整体结构简单，同时，也不需要布设多个摄像机，占地空间可灵活选取，受试者的测试空间不受限，操作简单。
以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。