[發(fā)明專利]下肢關(guān)節(jié)作用力和力矩的穿戴式傳感器測(cè)量裝置及方法

無效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210138889.0
• 申請(qǐng)日: 2012-05-04
• 公開（公告）號(hào): CN102670217A
• 公開（公告）日: 2012-09-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉濤
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 嘉興市制衡精儀有限公司
• 主分類號(hào): A61B5/22
• 分類號(hào): A61B5/22;G01L1/00;G01L3/00
• 代理公司: 上海三方專利事務(wù)所 31127
• 代理人: 吳干權(quán)

1.下肢關(guān)節(jié)作用力和力矩的穿戴式傳感器測(cè)量裝置，包括利用計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器和軟件的數(shù)據(jù)采集器、藍(lán)牙無線通訊模塊及綁帶裝置，其特征在于盆骨設(shè)有第一傳感器，左右大腿部設(shè)有第二傳感器和第三傳感器，左右小腿部設(shè)有第四傳感器和第五傳感器，左右腳后跟側(cè)部設(shè)有第六傳感器和第七傳感器，右前腳掌側(cè)部設(shè)有第八傳感器和第九傳感器，左右足底的上下位置設(shè)有第十至第十三傳感器，用于測(cè)量行走過程中下肢的三維姿態(tài)和行走過程中底面的反作用力和力矩，所述的傳感器的數(shù)據(jù)測(cè)試信號(hào)輸入到具有藍(lán)牙無線通訊模塊和采集設(shè)備的計(jì)算機(jī)信號(hào)輸入端或者移動(dòng)設(shè)備連接的數(shù)據(jù)采集機(jī)的信號(hào)輸入端進(jìn)行采集和實(shí)時(shí)運(yùn)算，所述的第一傳感器至第九傳感器為三維姿態(tài)傳感器，該三維姿態(tài)傳感器的傳感單元由三軸陀螺儀、三軸加速度計(jì)和三軸磁強(qiáng)計(jì)構(gòu)成一個(gè)九軸運(yùn)動(dòng)傳感模塊，所述的第十至第十三傳感器為六軸力傳感器，該六軸力傳感器的傳感單元由三軸力傳感器和三軸力矩傳感器構(gòu)成，用以測(cè)量地面的三軸反作用力和三軸反作用力矩。

2.如權(quán)利要求1所述的下肢關(guān)節(jié)作用力和力矩的穿戴式傳感器測(cè)量裝置，其特征在于所述的計(jì)算機(jī)程序控制的信號(hào)和采集模塊包括模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、微處理器、直流電源模塊和藍(lán)牙無線通訊模塊。

3.下肢關(guān)節(jié)作用力和力矩的穿戴式傳感器測(cè)量方法，包括九個(gè)固定在下肢各運(yùn)動(dòng)部分的三維姿態(tài)傳感器，用于測(cè)量行走過程中下肢的三維姿態(tài)，四個(gè)分布在兩足足底的六軸力傳感器，用于測(cè)量行走過程中地面的反作用力和力矩，以及一臺(tái)連接有藍(lán)牙無線通訊模塊的計(jì)算機(jī)，通過藍(lán)牙無線通訊模塊的計(jì)算機(jī)程序?qū)γ織l腿單獨(dú)順次求解足關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)的力和力矩，其特征在于該方法包括以下步驟：

a.運(yùn)動(dòng)起始時(shí)，在測(cè)量對(duì)象的右腳后跟（7）重合處定義一個(gè)全局直角坐標(biāo)系（21），該坐標(biāo)系的X軸正方向指向測(cè)量對(duì)象的正右方，Y軸正方向指向測(cè)量對(duì)象的正前方，通過右手法確定該坐標(biāo)系的Z軸正方向。

b.通過彈性繃帶或兩面膠將九個(gè)三維姿態(tài)傳感器分別固定在定義為剛體的九個(gè)部位（4、5、6、7、8、9、10、11和12）的表面。

c．由三軸陀螺儀（22）、三軸加速度計(jì)（23）和三軸磁強(qiáng)計(jì)（24）構(gòu)成的九軸運(yùn)動(dòng)傳感模塊輸出信號(hào)，經(jīng)過微處理器運(yùn)算，得到用于計(jì)算三維姿態(tài)矩陣的三維姿態(tài)角或三維姿態(tài)的四維數(shù)，通過藍(lán)牙無線通訊模塊（26）將三維姿態(tài)的四維數(shù)按設(shè)定的采樣周期發(fā)送至連有藍(lán)牙無線通訊模塊的計(jì)算機(jī)（3），計(jì)算機(jī)（3)通過藍(lán)牙無線通訊模塊發(fā)送指令，設(shè)定三維姿態(tài)傳感器的測(cè)量范圍、低通濾波器參數(shù)和采樣頻率。

d.在九個(gè)三維姿態(tài)傳感器上設(shè)定局部直角坐標(biāo)系，各個(gè)局部直角坐標(biāo)系滿足右手法則，固定在骨盆（4）的三維姿態(tài)傳感器的局部直角坐標(biāo)系（31），X軸與右髖關(guān)節(jié)（13）和左髖關(guān)節(jié)（17）的連線平行，并指向右髖關(guān)節(jié)（13），其Y軸與全局直角坐標(biāo)系（21）的Y軸一致；固定在右大腿（5）的三維姿態(tài)傳感器的局部直角坐標(biāo)系（32）X軸與全局直角坐標(biāo)系21的X軸一致，Z軸與右髖關(guān)節(jié)（13）和右膝關(guān)節(jié)（14）的連線平行對(duì)齊，Z軸正方向指向右髖關(guān)節(jié)（13）；固定在右小腿（6）的三維姿態(tài)傳感器的局部直角坐標(biāo)系（33）的Z軸與右膝關(guān)節(jié)（14）和右踝關(guān)節(jié)（15）的連線平行對(duì)齊，其Z軸正方向指向右膝關(guān)節(jié)（14），三維姿態(tài)傳感器的X軸與全局直角坐標(biāo)系（21）的X軸一致；固定在右腳后跟（7）的三維姿態(tài)傳感器的局部直角坐標(biāo)系（34）的Y軸與水平面對(duì)齊，且Y軸正方向指向右足關(guān)節(jié)（16），X軸與全局直角坐標(biāo)系（21）的X軸一致；固定在右前腳掌（8）的三維姿態(tài)傳感器的局部直角坐標(biāo)系（35）的Y軸與水平面對(duì)齊，且Y軸負(fù)方向指向右足關(guān)節(jié)（16），X軸與全局直角坐標(biāo)系21的X軸一致；左腿（9、10、11和12）上固定的三維姿態(tài)傳感器的對(duì)齊方法與所述右腿方法類似。

e.地面的反作用力和力矩的實(shí)時(shí)測(cè)量，將足底的兩個(gè)六軸力傳感器以及腳后跟和前腳掌側(cè)部的三維姿態(tài)傳感器的測(cè)量結(jié)果轉(zhuǎn)換到全局坐標(biāo)系下參考分析，轉(zhuǎn)換方式如下，例如前腳掌底部的六軸力傳感器相對(duì)于其局部坐標(biāo)系（37）的測(cè)量輸出結(jié)果（三軸力：FX(k)FY(k)FZ(k)]]>和三軸力矩：MX(k)MY(k)MZ(k)]]>），通過公式（1）轉(zhuǎn)換為在全局坐標(biāo)系下力和力矩的測(cè)量值（三軸力：FX(k)FY(k)FZ(k)g]]>和三軸力矩：MX(k)MY(k)MZ(k)g]]>），坐標(biāo)系（38）即坐標(biāo)原點(diǎn)與六軸力傳感器的局部坐標(biāo)系重合的全局坐標(biāo)系，轉(zhuǎn)換公式為：

FX(k)FY(k)FZ(k)g=R·FX(k)FY(k)FZ(k);]]>MX(k)MY(k)MZ(k)g=R·MX(k)MY(k)MZ(k)---(a)]]>

R=cos(Cz(k))-sin(Cz(k))0sin(Cz(k))cos(Cz(k))0000·1000cos(Cx(k))-sin(Cx(k))0sin(Cx(k))cos(Cx(k))·cos(Cy(k))0sin(Cy(k))010-sin(Cy(k))0cos(Cy(k))]]>

f.傳感器數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙無線通訊模發(fā)至計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)軟件計(jì)算流程包括以下四步，第一步，輸入被測(cè)目標(biāo)的下肢各個(gè)部位的長(zhǎng)度建立下肢的簡(jiǎn)化骨骼模型，包括簡(jiǎn)化直線連桿和球關(guān)節(jié)；第二步，根據(jù)定義的各個(gè)三維姿態(tài)傳感器的局部坐標(biāo)系，輸入各三維姿態(tài)傳感器的三軸姿態(tài)角，得到簡(jiǎn)化骨骼模型中代表下肢運(yùn)動(dòng)部位的各個(gè)連桿的三維姿態(tài)及各個(gè)關(guān)節(jié)的在三維全局坐標(biāo)系（21）中的三維坐標(biāo)；第三步，輸入固定于足底的六軸力傳感器在全局坐標(biāo)系（21）里地面的反作用力和力矩的實(shí)時(shí)測(cè)量值，結(jié)合測(cè)量對(duì)象下肢的質(zhì)量、質(zhì)心和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等參數(shù)，進(jìn)行自下而上的逆向動(dòng)力學(xué)分析，計(jì)算下肢各個(gè)關(guān)節(jié)的三軸作用力和力矩；第四步，實(shí)時(shí)對(duì)關(guān)節(jié)的負(fù)載進(jìn)行定量分析和繪圖，并按步態(tài)周期進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。