我一直在使用Cyber​​glove来控制人形机器人的手，但由于它不能非常准确地测量人的手的姿势而感到失望。



我一直想知道使用安装在手指上的惯性测量单元（IMU）来跟踪位置和测量姿势的可能性。但我不确定它是否可行。


IMU是否会返回足够的数据以使跟踪在所有情况下均可靠？
是否有可能将系统欺骗错误地跟踪手指吗？
使用简单的3轴加速度计可能会逃脱，还是需要9轴（加速度计，陀螺仪和磁力计）？


评论

一般来说，为了帮助站点可访问性，优良作法是定义可能不广为人知的首字母缩写词。这样，即使他们无法帮助您解决问题，人们也可以更轻松地从您的问题中学到一些东西。

#1 楼

简单的3轴加速度计将为您估算螺距。但是，这将非常嘈杂，尤其是当手从一个姿势移动到另一个姿势时。这是因为加速度的方向直接用于估计重力方向。因此，此选项仅在手不移动时才有用。

陀螺仪可以使重力方向稳定。这使数据在移动过程中仍然有用。只要您对此进行纠正，漂移/偏差就不成问题。这可以通过使用带有陀螺仪漂移模型的卡尔曼滤波器来完成。通过将重力方向的长期估算值与陀螺仪数据进行比较，可以校正漂移。一些IMU自动校正漂移，例如VectorNav的VN-100。

磁力仪提供了剩余角度方向（偏航角）的整体估计。这只会添加更多有用的数据。

如果仅将IMU放在指尖上，则该数据不足以估计姿势。请记住，IMU仅测量空间中的姿态（也称为方向）。您能想象一下指尖可能保持相同方向而手部姿势不同的情况吗？



观察到食指方向不变，但是，位置（姿势）已更改。

因此，您可以看到指尖上的IMU数据不足以估计姿势。但是，如果使用卡尔曼滤波器将IMU数据与现有数据融合在一起，则其他数据可以改善手部姿势的估计。

从理论上讲，仅IMU数据就足以估计姿势。然而，这将需要用于手的每个独立可移动部分的IMU。由于我无法独立移动每个手指的前两个段，因此每个手指只需要2个IMU（一个在指尖上，一个在指关节后的那个段上即一个，即手指上的第1和3个段），外加2个一只手，另一只用于手臂末端（使手腕运动）。因此，总共需要13个IMU才能获得所需的所有数据。

我对小型IMU的价格了解不多，但是，我想获得它并不便宜那么多的IMU（我不知道您的预算）。通常，单个IMU用于刚体。 IMU的价格各不相同（在http://damien.douxchamps.net/research/imu/上有列表），但是说，VN-100 IMU在最佳条件下可能能够为您提供0.1度的精度。如果您购买了更便宜的IMU，则精度可能会不那么好，并且/或者它们可能缺少集成的卡尔曼滤波器。购买13台VN-100 IMU，花费数千美元可能会破产（尽管如果您想要尺寸更小的IMU，20V 20x2mm的VN-100可能不合适）。

我的建议是考虑可以更便宜地获得的其他数据源。例如：基于相机的系统，在进行图像处理之后，您可以获得有关手的不同部位的位置的数据。可以使用某种反射性标记来辅助图像处理。
嵌入在手套织物中的传感器


应变仪
SMA线
。 ..




评论

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感谢ronalchn。您提到了磁力计。 9轴IMU（带有磁力计，如MPU-9150）不能检测到照片中显示的姿势之间的差异吗？
$ \ endgroup $
– Rocketmagnet
2012年11月14日9:31


$ \ begingroup $
如果仅将IMU放在指尖上，那么只有位置发生了变化（姿势没有变化），如后面所述，在指节之后，您将需要在该段上使用IMU。我编辑来澄清。
$ \ endgroup $
– ronalchn
2012年11月14日上午10:19
$ \ begingroup $
@Rocketmagnet，当我说仅来自13个IMU的数据就足够时，我应该澄清一下，它们需要包括磁力计。
$ \ endgroup $
– ronalchn
2012年11月14日上午10:28

#2 楼

简短的回答是，可以。长答案是“是的，但是您需要做很多传感器融合”。
您所追求的技术大约是5年前构思的，学术工作在这里：
https：// people.csail.mit.edu/wojciech/MoCap/index.html
（来源：mit.edu）
他们将加速度计数据与关节之间的超声波范围结合在一起，以改善位置估计。在这种情况下，它是用于全身运动捕捉的，但仅用手指来做应该是一个类似的问题。
该项目立即成为一家公司，开始生产运动捕捉设备（用于3D电影，视频游戏等）。 ，但我不记得公司名称了。谷歌搜索导致我进入“ animazoo”，但是我不认为这是以前所说的。也许是同一家公司的新名字。无论哪种情况，这些都是我所知道的唯一相关资源，但它们似乎支持您的想法。

#3 楼

尽管ronalchn已经提供了一个很好的答案，但我实际上想采取可能的立场。它基本上与XSens出售的全身跟踪设备相同。在这些应用程序中，您将根据来自imu的方向数据执行模型拟合。我不确定您需要多少个传感节点，但是例如您可以使用这种集成的6DOF IMU传感器。即使从价格的角度来看，使用13个传感器也不再是不可能的了。我想您也可以仅使用加速度计和一只手腕上的完整IMU来完成此操作，但这会涉及很多。最后，它取决于您所要求的精度。