面向手部康复应用的数据手套技术研究

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1、中图分类号：TP212.9论文编号：102870318-SX034学科分类号：080202硕士学位论文面向手部康复应用的数据手套技术研究研究生姓名赵裕沛学科、专业测试计量技术及仪器研究方向智能传感技术及系统指导教师费飞讲师南京航空航天大学研究生院自动化学院二О一八年三月NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofAutomationEngineeringResearchonDataGloveforHandRehabilitationAThesisi

2、nInstrumentScienceandTechnologyEngineeringbyZhaoYupeiAdvisedbyLecturerFeiFeiSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringMarch,2018南京航空航天大学硕士学位论文摘要传统的手部康复治疗方案存在着设备成本过高、医疗资源不足等问题，为了辅助医生进行手部康复评定、制定合理的手部康复训练计划，使患者获得长期的居家手部康复指导，本文提出一种面向手部康复应用的数据

3、手套系统，包括数据手套的系统设计，数据手套上传感器的校正、数据融合和姿态解算，利用数据手套进行基于Unity的人机交互以及医学手部指标评定。具体研究内容和成果如下：（1）为了采用低成本、高精度的方式获取手部信息，本文搭建了基于MPU9150传感器的数据手套系统，根据系统需求，给出了数据手套系统的硬件实现方案，实现了手部主要关节和手背加速度、角速度以及地磁信息的获取。（2）为了解算手部主要关节和手背的姿态角，本文对数据手套上的传感器进行了校正、数据融合和姿态解算，采用六位置法估算陀螺仪的零偏，采用均值滤波减小陀螺仪的随机误差，利用最小二乘原理求解

4、加速度的校正参数，通过椭球拟合减小磁力计的硬磁干扰和软磁干扰，采用基于四元数的互补滤波对加速度、角速度和地磁数据进行数据融合，最后由四元数进行姿态解算，实验结果表明，解算的姿态角静态精度可达0.3°，动态精度可达1.7°。（3）为了利用数据手套进行动态高精度的人机交互，本文在Unity中建立了虚拟手模型以及虚拟场景，实现了传感器到虚拟手关节的映射，并将姿态角转化为可以驱动虚拟手关节运动的旋转角，最后设计脚本实现了数据手套对Unity中手部模型的控制。实验表明，利用本文设计的数据手套能在Unity中控制手部模型进行人和物体的实时高精度人机交互。（

5、4）为了给医生提供手部评定参考，本文分析了医学手部康复中的手部评定，将较为抽象的活动范围、震颤程度和灵活性指标转化为可以利用数据手套得到的角度、稳定性和时间，接着利用医学评定标准中的TAM等级评定法和基于BP神经网络的手势识别法对关节活动范围进行评定，并利用BP神经网络对手部震颤程度进行评定，都取得了较高的正确率。最后描述了系统利用动作完成时间对手部灵活性进行评定的过程。实验结果表明，利用数据手套系统可以实现对手部关节活动范围、震颤程度和灵活性较为准确的评定。关键词：数据手套，传感器校正，姿态解算，人机交互，手部康复评定I面向手部康复应用的数据

6、手套技术研究ABSTRACTTraditionalhandrehabilitationhasmanyproblemssuchashighpriceofrehabilitationequipmentsandlackofmedicalresources.Inordertoassistdoctorstoevaluatehandrehabilitationprocess,makereasonablehandtrainingplanandguidepatientswithlong-termrehabilitationathome,thisthesispu

7、tsforwardakindofdataglovesystemforhandrehabilitation,includingthedesignofdataglovesystem,calibrationofsensorsondataglove,datafusionandattitudecalculation,usingdataglovetoconducthuman-computerinteractionandmedicalindexjudgmentsofhand.Themaincontentsandachievementsarelistedasf

8、ollows:(1)Inordertocollecthandinformationwithlow-costandhigh-accuracymethod