手部关节的计算方法及手套与流程

本发明涉及电子及体育领域，尤其涉及一种手部关节的计算方法及手套。

背景技术：

利用与身体关节紧密连接的惯性测量单元(imu)获取各局部关节独立的，在地理空间中的旋转姿态，进而综合获得整体的空间姿态(例如动作趋势)，是近年来实现运动姿态捕捉的主要技术之一。其中，手掌部分关节密集，灵活性强，运动复杂，可完成的动作多种多样，可专门针对该部分进行姿态捕捉的研究。为了获取完整的手部运动状态，一般需要在每根手指上各安置两至三个惯性测量单元，对应各个指关节。并在手背上也放置一个，以联系起各指关节。每个测量单元一般集合了加速计或陀螺仪或磁力计，可分别测得x,y,z三个方向上的加速度、角速度以及磁场强度。在测量之前乃至测量过程中还需分别对三个传感器进行偏移、尺度等误差纠正，再将得到的数据进行融合，最终获得各传感器在地理空间中的姿态，一般表示为四元数或者欧拉角。

得到了所有关节在地理坐标系中的姿态数据之后，以地理坐标系为中介，计算下级关节与上级关节间的相对位置关系，可重构出整个手掌的形态。方便快捷，处理效率高。然而，四元数不能很好地反映出各个关节相互之间的关系，并且对于非专业人士而言，结果不够直观。

现有的姿态解算采用的是四元数直接求解。用该方法解算出的下级关节的姿态数据只与直属上级关节有关，而各个关节自身的运动规律，同级关节、以及不存在直系从属关系的非同级关节之间的一些隐含的相对位置条件则被忽略。由于实际操作中，传感器的设置、固定以及传感器获得的数据本身都存在一定误差，这些误差很可能导致解算出的姿态不符合自然规律，出现诸如指关节发生以手指指向为轴的扭转，相邻手指位置重合等状况，所以现有的姿态结算方法的准确度不高，用户体验度低。

技术实现要素：

提供一种手部关节的计算方法，所述手部关节的计算的方法将传感器的姿态数据映射到手部关节角度的计算方式，以便将手部的限制条件的引入计算模型以保证重现出来的手部是符合自然规律的，所以其具有准确度高，用户体验度好的优点。

一方面，提供一种手部关节的计算方法，所述方法包括：

从中指第一关节传感器、食指第一关节传感器以及手掌传感器融合得到四元数，所述四元数具体包括：q1,q2及q0；

建立所述食指第一关节传感器的坐标轴向量x1、向量y1；

使用四元数乘法及将向量q1y1q1^-1变q1x1q1^-1换至地理坐标系向量yg1xg1；

使用四元数乘法q0^-1yg1q0及q0^-1xg1q0将地理坐标系向量变换至手掌坐标系下向量yh1及xh1；

建立中指第一关节传感器105的坐标轴向量x2、向量y2，将向量x2、向量y2转换至手掌坐标系下向量；

将手掌坐标系下的向量z轴坐标置零，yh1p、xh1p及yh2p、xh2p；得到向量

计算向量xh1p及xh2p的夹角α以及向量yh1p及yh2p的夹角β；

依据该α、β模拟出手指姿势。

可选的，所述方法还包括：

建立每个手指中每个关节传感器的向量，将每个关节传感器的向量转换成手掌传感器坐标系的向量，将手掌传感器坐标系的向量投影到x-0-y平面，计算x-0-y平面相邻手指相同关节的两个向量之间的角度，依据相邻手指相同关节的两个向量之间角度模拟出手部的姿势。

第二方面，提供一种手套，所述手套包括：传感器、处理单元，所述传感器设置在每个手指的关节处；

所述处理器，用于从中指第一关节传感器、食指第一关节传感器以及手掌传感器融合得到四元数，所述四元数具体包括：q1,q2及q0；建立所述食指第一关节传感器的坐标轴向量x1、向量y1；使用四元数乘法及将向量变换至地理坐标系向量；使用四元数乘法将地理坐标系向量变换至手掌坐标系下向量，建立中指第一关节传感器的坐标轴向量x2、向量y2，将向量x2、向量y2转换至手掌坐标系下向量；

所述处理器，用于将手掌坐标系下的向量z轴坐标置零，得到向量yh1p、xh1p及yh2p、xh2p；

计算向量xh1p及xh2p的夹角α以及向量yh1p及yh2p的夹角β；依据该α、β模拟出手指姿势。

可选的，所述处理器，还用于建立每个手指中每个关节传感器的向量，将每个关节传感器的向量转换成手掌传感器坐标系的向量，将手掌传感器坐标系的向量投影到x-0-y平面，计算x-0-y平面相邻手指相同关节的两个向量之间的角度，依据相邻手指相同关节的两个向量之间角度模拟出手部的姿势。

根据各实施方式提供的技术方案新的将传感器的姿态数据映射到手部关节角度的计算方式，以便将手部的限制条件的引入计算模型以保证重现出来的手部是符合自然规律的，所以其具有计算准确，用户体验度高的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明第一较佳实施方式提供的手部关节的计算方法的流程图。

图2(a)为本发明第一较佳实施方式的提供的手部关节的向量示意图。

图2(b)为本发明第一较佳实施方式的提供的手部关节角度的示意图。

图3为本发明第一较佳实施方式提供的传感器分布示意图。

图4为本发明提供的手套结构的示意图。

图5为本发明智能手套的结构示意图。

图6(a)为本发明第一较佳实施方式的提供的手部关节的向量示意图。

图6(b)为本发明第一较佳实施方式的提供的手部关节角度的示意图。

具体实施方式

在更加详细地讨论示例性实施例之前应当提到的是，一些示例性实施例被描述成作为流程图描绘的处理或方法。虽然流程图将各项操作描述成顺序的处理，但是其中的许多操作可以被并行地、并发地或者同时实施。此外，各项操作的顺序可以被重新安排。当其操作完成时所述处理可以被终止，但是还可以具有未包括在附图中的附加步骤。所述处理可以对应于方法、函数、规程、子例程、子程序等等。

在上下文中所称“计算机设备”，也称为“电脑”，是指可以通过运行预定程序或指令来执行数值计算和/或逻辑计算等预定处理过程的智能电子设备，其可以包括处理器与存储器，由处理器执行在存储器中预存的存续指令来执行预定处理过程，或是由asic、fpga、dsp等硬件执行预定处理过程，或是由上述二者组合来实现。计算机设备包括但不限于服务器、个人电脑、笔记本电脑、平板电脑、智能手机等。

后面所讨论的方法(其中一些通过流程图示出)可以通过硬件、软件、固件、中间件、微代码、硬件描述语言或者其任意组合来实施。当用软件、固件、中间件或微代码来实施时，用以实施必要任务的程序代码或代码段可以被存储在机器或计算机可读介质(比如存储介质)中。(一个或多个)处理器可以实施必要的任务。

这里所公开的具体结构和功能细节仅仅是代表性的，并且是用于描述本发明的示例性实施例的目的。但是本发明可以通过许多替换形式来具体实现，并且不应当被解释成仅仅受限于这里所阐述的实施例。

应当理解的是，虽然在这里可能使用了术语“第一”、“第二”等等来描述各个单元，但是这些单元不应当受这些术语限制。使用这些术语仅仅是为了将一个单元与另一个单元进行区分。举例来说，在不背离示例性实施例的范围的情况下，第一单元可以被称为第二单元，并且类似地第二单元可以被称为第一单元。这里所使用的术语“和/或”包括其中一个或更多所列出的相关联项目的任意和所有组合。

这里所使用的术语仅仅是为了描述具体实施例而不意图限制示例性实施例。除非上下文明确地另有所指，否则这里所使用的单数形式“一个”、“一项”还意图包括复数。还应当理解的是，这里所使用的术语“包括”和/或“包含”规定所陈述的特征、整数、步骤、操作、单元和/或组件的存在，而不排除存在或添加一个或更多其他特征、整数、步骤、操作、单元、组件和/或其组合。

还应当提到的是，在一些替换实现方式中，所提到的功能/动作可以按照不同于附图中标示的顺序发生。举例来说，取决于所涉及的功能/动作，相继示出的两幅图实际上可以基本上同时执行或者有时可以按照相反的顺序来执行。

参阅图1，图1为本发明第一较佳实施方式提供的手部关节的计算的方法,该方法由智能终端执行，该方法用于对手部关节进行计算，其模拟手部的姿态，如图2所示，每根手指均有三个活动关节，自掌心向指尖依次为第一指关节，第二指关节与第三指关节，以食指为例，如图2(a)中201、202、203所示。其中，关节203的活动范围较小，且在大多数自然运动的过程中与关节202的活动存在固定的相关性。为了减轻手指负担，降低系统构建与运算成本，在该关节活动影响较小的应用场景中，一般不单独跟踪该关节的活动，而采用关节202的活动情况来估算。传感器布局图如图3中的圆圈所示，在指尖上并未设置传感器。传感器具体设置方式参考图2(a)中关节处建立的坐标系，即令传感器的y轴平行于手指方向，z轴垂直于指背平面向上。

以食指第一指关节的活动为例说明角度的计算。如图2(b)，第一指关节有两个活动自由度，分别为绕z轴及x轴旋转，而不能完成绕y轴的旋转。绕z轴的旋转形成了在水平面上的转动角度α，绕x轴的旋转形成了在竖直面上的转动角度β。这两个角度将被依次计算出，以代替四元数用于表示指关节的姿态。计算步骤如图1所示如下：

步骤s11、从中指第一关节传感器105、食指第一关节传感器107以及手掌传感器100融合得到四元数，该四元数具体可以包括：q1,q2及q0。

步骤s12、建立食指第一关节传感器107的坐标轴向量x1、向量y1；

步骤s13、使用四元数乘法q1y1q1^-1及q1x1q1^-1将向量变换至地理坐标系向量yg1xg1

步骤s14、使用四元数乘法q0^-1yg1q0及q0^-1xg1q0将地理坐标系向量变换至手掌坐标系下向量yh1及xh1

步骤s15、建立中指第一关节传感器105的坐标轴向量x2、向量y2，将向量x2、向量y2转换至手掌坐标系下向量yh1及xh1

步骤s16、将手掌坐标系下的向量z轴坐标置零，yh1p、xh1p及yh2p、xh2p得到向量

步骤s17、计算向量xh1p及xh2p的夹角α以及向量yh1p及yh2p的夹角β。

步骤s18、依据该角度α、β模拟出手指姿势。

本发明则提出了一种新的将传感器的姿态数据映射到手部关节角度的计算方式，以便将手部的限制条件的引入计算模型以保证重现出来的手部是符合自然规律的。

上述向量的示意图可以参见图6(a)或图6(b)。

可选的，上述方法在步骤s18之后还可以包括：

建立每个手指中每个关节传感器的向量，将每个关节传感器的向量转换成手掌传感器坐标系的向量，将手掌传感器坐标系的向量投影到x-0-y平面，计算x-0-y平面相邻手指相同关节的两个向量之间的角度，依据相邻手指相同关节的两个向量之间角度模拟出手部的姿势。

参阅图4，图4提供一种手套，所述手套包括：传感器401、处理单元402，所述传感器设置在每个手指的关节处；

处理器402，用于从中指第一关节传感器、食指第一关节传感器以及手掌传感器融合得到四元数，所述四元数具体包括：q1,q2及q0；建立所述食指第一关节传感器的坐标轴向量x1、向量y1；使用四元数乘法及将向量变换至地理坐标系向量；使用四元数乘法将地理坐标系向量变换至手掌坐标系下向量，建立中指第一关节传感器的坐标轴向量x2、向量y2，将向量x2、向量y2转换至手掌坐标系下向量；

所述处理器，用于将手掌坐标系下的向量z轴坐标置零，得到向量yh1p、xh1p及yh2p、xh2p；

计算向量xh1p及xh2p的夹角α以及向量yh1p及yh2p的夹角β；依据该α、β模拟出手指姿势。

可选的，所述处理器，还用于建立每个手指中每个关节传感器的向量，将每个关节传感器的向量转换成手掌传感器坐标系的向量，将手掌传感器坐标系的向量投影到x-0-y平面，计算x-0-y平面相邻手指相同关节的两个向量之间的角度，依据相邻手指相同关节的两个向量之间角度模拟出手部的姿势。

参阅图5，图5为本发明提供的一种智能手套500，包括处理器501、存储器502、收发器503、传感器505和总线504。收发器503用于与外部设备之间收发数据。智能手套500中的处理器501的数量可以是一个或多个。本发明的一些实施例中，处理器501、存储器502、传感器505和收发器503可通过总线系统或其他方式连接。智能手套500可以用于执行图1所示的方法。关于本实施例涉及的术语的含义以及举例，可以参考图6对应的实施例。此处不再赘述。

收发器503，用于接收或发送命令；

传感器505，用于检测手指关节的数据，该传感器为多个传感器，设置在手指关节处，具体可以参见如图3所示的设置图。

其中，存储器502中存储程序代码。处理器501用于调用存储器502中存储的程序代码，用于执行如图1所示的方法。

需要说明的是，这里的处理器501可以是一个处理元件，也可以是多个处理元件的统称。例如，该处理元件可以是中央处理器(centralprocessingunit，cpu)，也可以是特定集成电路(applicationspecificintegratedcircuit，asic)，或者是被配置成实施本发明实施例的一个或多个集成电路，例如：一个或多个微处理器(digitalsignalprocessor，dsp)，或，一个或者多个现场可编程门阵列(fieldprogrammablegatearray，fpga)。

存储器503可以是一个存储装置，也可以是多个存储元件的统称，且用于存储可执行程序代码或应用程序运行装置运行所需要参数、数据等。且存储器503可以包括随机存储器(ram)，也可以包括非易失性存储器(non-volatilememory)，例如磁盘存储器，闪存(flash)等。

总线504可以是工业标准体系结构(industrystandardarchitecture，isa)总线、外部设备互连(peripheralcomponent，pci)总线或扩展工业标准体系结构(extendedindustrystandardarchitecture，eisa)总线等。该总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。

该用户设备还可以包括输入输出装置，连接于总线504，以通过总线与或处理器501等其它部分连接。该输入输出装置可以为操作人员提供一输入界面，以便操作人员通过该输入界面选择布控项，还可以是其它接口，可通过该接口外接其它设备。

需要说明的是，对于前述的各个方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明，某一些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本发明所必须的。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：闪存盘、只读存储器(英文：read-onlymemory，简称：rom)、随机存取器(英文：randomaccessmemory，简称：ram)、磁盘或光盘等。

以上对本发明实施例所提供的内容下载方法及相关设备、系统进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。