2016年第35卷第11期设计与制造
传感器与微系统(Transducerand Microsystem Technologies）
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DOI:10.13873/J.10009787( 2016 )11007703
微传感器测量运动状态下的人体驱干倾角
于波，夏海生，Shull PeterB
（上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室，上海200240）
摘要：精确地测量与控制躯干部的姿态对于人体和仿人机器人的运动学研究具有重要意义。先前的研究大多基于泛用算法，实验条件单一。基于陀螺仪和磁力计的数据融合，提出了一种用于估算运动状态下人体躯干倾角的算法。实验结果表明：在不同运动状态下，算法的均方根误差为1.81°土0.77°。该算法可
以应用在有关人体和机器人运动平衡性的研究中，关键词：惯性传感器；人体运动学；卡尔曼滤波器
中图分类号：TP212.9
文献标识码：A
文章编号：1000-9787(2016)11-0077-03
Inclination of human trunk in movement state
based on micro sensor YU Bo, XIA Hai-sheng, Shull Peter B
( State Key Laboratory of Mechanical System and Vibration,Shanghai Jiao Tong University
Shanghai 200240,China）
Abstract : Accurately measure and control posture of trunk is critical for kinematic research in human and robots. The majority of former researches are based on general algorithms or under specific condition. A novel algorithm is developed by fusing of gyroscope and magnetometer data to estimate inclination of human trunk during movements. Experimental results shows that root-mean-square error is 1. 81° ±0. 77° under different moving conditions. This
algorithm can be used in movement balance research of human and roboties. Key words : inertial sensor; human kinematies; Kalman filter
0引言
在人体运动稳定性的研究中，能够精确地估计和控制驱干部位姿态是至关重要的。人体上半身的质量集中在躯十部，当其偏离正常位置达到一定程度时，人体就会失去平衡1。其中，沿左右方向偏离躯干中轴（medial-lateral，M L)面的倾斜角，可以作为衡量人体是否失衡的标准，在临床上具有重要的实用意义[2.3]。同时，仿人两足机器人的运动控制中也需要对机器人躯干部的重心进行检测4]。
目前，惯性测量单元（inertialmeasurementunit，IMU）及磁力计等微型传感器被广泛应用于运动学研究中，测量运动状态下人体躯干的倾角5汀。然而，各类传感器都存在不同程度的误差。陀螺仪可以测量角速度，再将其积分得到角度，结果会产生显著的漂移。加速度计通过测量重力加速度在各个坐标轴的分量计算角度，会受到运动加速度的干扰。因此，需要设计科学的算法以减小误差。一种基于陀螺仪的加权傅里叶组合滤波器可以有效降低陀螺仪因
收稿日期：2016-01-04
漂移产生的误差"。卡尔曼滤波器也可以有效地融合加速度计和陀螺仪的数据9。此外，一种结合了惯性测量单元和磁力计的梯度下降算法，也被用于测量人体运动时的姿态[1]。但是，目前的研究大多数都是在有限的条件下进行验证，运动模式单一，速度相对缓慢，并没有涵盖包括走、跑在内的常见运动方式，不能体现其泛用性。
本文介绍一种新的用于估计常见运动状态下人体躯干倾角的算法。算法基于磁强计和陀螺仪数据融合，通过采集不同的运动状态下的数据，计算人体驱干在M/L平面上
的倾角，并与其他常见算法进行比较， 1算法设计
算法包括初始化和融合算法两部分（图1）。算法中，世界坐标系R。定义为：X。轴平行于水平面指向受试者前进方向（即垂直于M/L平面）,Z。轴竖直向上，为右手坐标系。传感器坐标系R。同为右手坐标系，坐标原点位于传感器中心。