基于封闭解析解模型多源磁信息反演的手部运动解析研究

Focusing on the front field of medical rehabilitation, this project proposes a novel method for hand motion analysis by multi-source magnetic field inversion based on closed-form models to solve the fundamental issue that how to get hand motion information with high accuracy in real-time by solving the multi-source magnetic field inversion problem, and aims to establish feedback mechanism for remote rehabilitation training of hand function recovery. A closed-form model based on orientation-invariant magnetic source is proposed for multi-source magnetic field inversion, where multiple orientation-invariant magnetic sources are employed as markers of hand motion key nodes. Hand motion information including locations and orientations can be derived in real-time by solving the inverse problem involving 3D hand kinematic model and measured space magnetic fields. This project intends to carry out the following basic researches: theory of multi-source magnetic inversion based on closed-form models; method for 3D hand motion analysis based on magnetic field inversion; feature hand motion recognition method derived from hand motion information. Besides, on the basis of fundamental researches and simulation validations, experiments on wearable magnetic marked system and applications in multi degrees-of-freedom robot hand control will be applied. Through the source of this cutting-edge field of innovation and technological breakthroughs, the investigations of this project will promote the fundamental researches of medical rehabilitation and bio-mechatronics in our country.

本项目围绕康复医疗前沿领域，以建立远程手功能恢复康复训练效果反馈机制为目标，针对如何基于多源标记磁信息，通过多目标磁场逆问题求解，获取实时、高精度人手运动全姿态信息这一基础课题，提出了一种基于封闭解析解模型多源磁信息反演的手部运动解析新方法。该方法利用磁偶极矩方向固定的磁源表征手动关键节点，基于此构建封闭解析解形式的多源磁信息反演模型；利用磁传感器技术测量空间磁场分布，结合三维手部运动学模型，实现快速、高精度的人手运动全姿态信息记录，获得丰富的手部运动信息。项目就基于封闭解析解模型的多源磁信息反演方法、基于磁信息反演的三维手部全姿态运动信息求解方法以及基于手部全姿态信息的人手特征动作识别方法等基础理论问题开展研究；在理论研究和仿真验证基础上，开展可穿戴磁标记装备实验验证和多自由度机械手控制应用研究。通过本项目的源头创新与技术突破，推动我国在康复医疗、生机电一体化等前沿领域中基础研究的发展。

目前，我国正处于人口老龄化社会快速发展阶段，其中脑卒中等高发病率、高致残率的心脑血管疾病患者群体数量日益增多，并导致大量运动功能障碍患者出现，引起了社会的持续广泛关注。如何实现快速、高精度人手运动全姿态信息获取是制约卒中患者手部康复辅助技术发展的重要障碍。本项目围绕康复医疗前沿领域，基于电磁信息开展手部全姿态运动信息求解方法研究。项目通过基于封闭解析解模型的多源磁信息反演理论研究，提出了标记磁源竖直保持机制，建立了永磁体磁源的位置姿态信息反演封闭解析解模型，并开展实验验证；为了进一步提高磁源的定位精度和效率，通过基于多源磁信息反演的三维手部全姿态运动信息求解方法研究，提出了T型标记磁源和磁检测传感器的布局策略与标定方法，并提出了基于位置-姿态映射关系的高精度磁反演定位方法，通过仿真和实验联合手段进行了验证；基于提出的快速、高精度磁信息反演方法，开展手部全姿态信息识别及人机交互系统应用研究，研发了基于可穿戴磁标记定位系统，并开展实验验证。本项目研究可为远程交互控制提供借鉴，项目完成了预定的各项研究任务，相关成果发表论文5篇，其中国外SCI期刊论文3篇，EI论文2篇；申请发明专利3项，其中已授权1项。项目执行期间，项目组成员参加智能机电装备领域知名国际会议3次，项目组成员硕士研究生毕业3名。