[發明專利]關節空間中人體運動捕捉裝置

有效

• 申請號: 201410012189.6
• 申請日: 2014-01-10
• 公開（公告）號: CN103750843A
• 公開（公告）日: 2014-04-30
• 發明（設計）人: 龔道雄;謝訓鵬;高居炎;王寶平;孫曉英;陳煥朝
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: A61B5/11
• 分類號: A61B5/11
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 張慧

1.一種關節空間中人體運動捕捉裝置，其特征在于：該裝置包括背部子系統、左下肢子系統、右下肢子系統，其中左右下肢子系統為對稱結構；

具體而言，所述背部子系統包括肩部橫桿（1）、肩部軸關節A（2.1）、肩部曲桿（3）、肩部軸關節B（2.2）、背部連桿（4）、背部調節桿（5）、腰部俯仰轉動軸關節A（6.1）、連接桿（7）、腰部橫滾轉動軸關節B（6.2）、腰部偏航轉動軸關節C（6.3）、腰部軸關節（8）、腰部固定板A（9.1）、腰帶（10）、腰帶固定板B（9.2）、腰部固定塊（11）；肩部曲桿（3）為一曲桿結構，一端為直桿，另一端為曲桿；肩部曲桿（3）直桿端通過肩部軸關節A（2.1）與肩部橫桿（1）連接，肩部曲桿（3）曲桿端通過肩部軸關節B（2.2）與背部連桿（4）連接；肩部軸關節A（2.1）與肩部軸關節B（2.2）可以繞俯仰方向轉動；背部連桿（4）與背部調節桿（5）通過螺栓連接固定，所述背部連桿4設有長形孔，背部調節桿5上安裝的螺栓與背部連桿（4）上的長形孔可自由調節，從而實現調節背部連桿（4）與背部調節桿（5）之間的配合長度；連接板（7）為一組合機構，該機構分為上部連接板、側部連接板、下部連接板三部分；上部連接板與側部連接板組成“L”形結構，連接處通過螺釘連接；上部連接板與側部連接板分別于腰部俯仰轉動軸關節A（6.1）與腰部橫滾轉動軸關節B（6.2）連接，下部連接板直接一端與腰部橫滾轉動軸關節B（6.2）連接，另一端與腰部偏航轉動軸關節C（6.3）連接；其中所述腰部俯仰轉動軸關節A（6.1）、腰部橫滾轉動軸關節B（6.2）和腰部偏航轉動軸關節C（6.3）之間呈“品”字結構；所述腰部各轉動軸關節都安裝有角度編碼器，以實現測量腰關節俯仰、橫滾、偏航三個方向的角度變化值；背部調節桿（5）與連接板（7）的上部連接板通過腰俯仰轉動軸關節A（6.1）連接；腰部偏航轉動軸關節C（6.3）與腰部軸關節（8）連接；腰部軸關節（8）與腰部固定板A（9.1）固定連接；腰部固定板A（9.1）與腰部固定板B（9.2）中間固定有腰帶（10），腰帶（10）可實現與人體腰部綁定，肩部橫桿（1）與人體肩部綁定，二者可實現固定背部子系統的目的；腰部固定板B（9.2）與腰部固定塊（11）固定連接；左下肢子系統的左腰部連接桿（12）、右下肢子系統的右腰部連接桿（29）通過背部子系統的腰部固定塊（11）螺栓連接固定；所述左腰部連接桿（12）與右腰部連接桿（29）連接處設有螺栓孔，用以調節以適應不同實驗者腰部長度；

所述左下肢子系統包括左腰側連接桿（12）、左髖側連接桿A（13.1）、左髖俯仰轉動軸關節A（14.1）、左髖側連接桿B（13.2）、左髖側連接橫桿（15）、左髖橫滾轉動軸關節B（14.2）、左大腿調節連桿（16）、左大腿連桿A（17.1）、左髖偏航轉動軸關節C（14.3）、左髖調節機構（18）、左大腿連桿B（17.2）、左膝俯仰轉動軸關節（19）、左小腿連桿（20）、左小腿調節連桿（21）、左踝俯仰轉動軸關節A（22.1）、左踝橫滾轉動軸關節B（22.2）、左踝調節桿（23）、左腳底固定桿（24）、左髖部軸關節（25）、左髖部連接桿（26）、左髖部調節桿（27）、左髖部固定塊（28）；腰部固定塊（11）與左腰側連接桿（12）固定連接；左腰側連接桿（12）與左髖側連接桿A（13.1）通過螺栓固定連接；所述與左腰側連接桿（12）連接的左髖側連接桿A（13.1）連接處設有螺栓孔，用以調節以適應不同實驗者腰部寬度；左髖側連接桿A（13.1）與左髖側連接桿B（13.2）通過左髖俯仰轉動軸關節A（14.1）連接；左髖俯仰轉動軸關節A（14.1）安裝有角度編碼器，通過左髖俯仰轉動軸關節A（14.1）的轉動，可測得左髖關節俯仰角的變化值；左髖側連接桿B（13.2）和左腰側連接橫桿（15）通過螺栓固定連接；所述與左腰側連接橫桿（15）連接的左髖側連接桿B（13.2）連接處設有螺栓孔，用以調節以適應不同實驗者髖部寬度；左腰側連接橫桿（15）和左大腿調節連桿（16）通過左髖橫滾轉動軸關節B（14.2）連接；左髖橫滾轉動軸關節B（14.2）安裝有角度編碼器，由于左髖橫滾轉動軸關節B（14.2）的轉動，可測得左髖關節橫滾角的變化值；左大腿調節連桿（16）與左大腿連桿A（17.1）通過螺栓固定連接；所述左大腿調節連桿（16）上設有螺栓孔組，左大腿連桿A（17.1）上固定有螺栓，通過調節螺栓與螺栓孔組的位置，以實現調節左大腿調節連桿（16）與左大腿連桿A（17.1）配合長度，以適應不同實驗者大腿長度；左髖調節機構（18）包括左髖部軸關節（25）、左髖部連接桿（26）、左髖部調節桿（27）、左髖部固定塊（28）；左髖部軸關節（25）與左髖部調節桿（27）通過左髖部連接桿（26）連接；

左髖部調節桿（27）與左髖部固定塊（28）通過左髖偏航轉動軸關節C（14.3）連接；左髖部調節桿（27）上設有螺釘孔組，通過調節左髖部連接桿（26）、左髖偏航轉動軸關節C（14.3）與左髖部調節桿（27）上的螺釘孔組的間距，以滿足不同實驗者大腿粗細的要求；左髖偏航轉動軸關節C（14.3）上裝有角度編碼器，當左髖偏航轉動軸關節C（14.3）的轉動時，可測得左髖關節偏航角的變化值；左大腿連桿A（17.1）與左髖部軸關節（25）固定連接；左髖部固定塊（28）與左大腿連桿B（17.2）固定連接；

左膝俯仰轉動軸關節（19）通過左大腿連桿B（17.2）和左小腿連桿（20）連接；左膝俯仰轉動軸關節（19）上安裝有角度編碼器，當左膝俯仰轉動軸關節（19）轉動時，可測得左膝關節俯仰角的變化值；左小腿連桿（20）與左小腿調節連桿（21）連接，所述左小腿調節連桿（21）上設有螺栓孔組，左小腿連桿（20）上固定有螺栓，通過調節螺栓與螺栓孔組的位置，以實現左小腿連桿（20）與左小腿調節連桿（21）配合長度，以適應不同實驗者小腿長度；左小腿調節連桿（21）與左踝俯仰轉動軸關節A（22.1）連接；所述左踝俯仰轉動軸關節A（22.1）上安裝有角度編碼器，當左踝俯仰轉動軸關節A（22.1）轉動時，可測得左踝關節俯仰角的變化值；左踝俯仰轉動軸關節A（22.1）、左踝調節桿（23）通過左踝橫滾轉動軸關節B（22.2）連接；所述左踝橫滾轉動軸關節B（22.2）上安裝有角度編碼器，當左踝橫滾轉動軸關節B（22.2）轉動時，可測得左踝關節橫滾角的變化值；所述與左踝調節桿（23）連接的左踝橫滾轉動軸關節B（22.2）連接處設有螺栓孔組，用以調節以適應不同實驗者腳部的寬度；左踝調節桿（23）與左腳底固定桿（24）連接，所述與左踝調節桿（23）連接的左腳底固定桿（24）連接處設有螺栓孔組，用以調節以適應不同實驗者腳部的高度；

所述右下肢子系統包括右腰側連接桿（29）、右髖側連接桿A（30.1）、右髖俯仰轉動軸關節A（31.1）、右髖側連接桿B（30.2）、右髖側連接橫桿（32）、右髖橫滾轉動軸關節B（31.2）、右大腿調節連桿（33）、右大腿連桿A（34.1）、右髖偏航轉動軸關節C（31.3）、右髖調節機構（35）、右大腿連桿B（34.2）、右膝俯仰轉動軸關節（36）、右小腿連桿（37）、右小腿調節連桿（38）、右踝俯仰轉動軸關節A（39.1）、右踝橫滾轉動軸關節B（39.2）、右踝調節桿（40）、右腳底固定桿（41）、右髖部軸關節（42）、右髖部連接桿（43）、右髖部調節桿（44）、右髖部固定塊（45）；腰部固定塊（11）與右腰側連接桿（29）固定連接；右腰側連接桿（29）與右髖側連接桿A（30.1）通過螺栓固定連接；所述與右腰側連接桿（29）連接的右髖側連接桿A（30.1）連接處設有螺栓孔，用以調節以適應不同實驗者腰部寬度；右髖側連接桿A（30.1）與右髖側連接桿B（30.2）通過右髖俯仰轉動軸關節A（31.1）連接；右髖俯仰轉動軸關節A（31.1）安裝有角度編碼器，通過右髖俯仰轉動軸關節A（31.1）的轉動，可測得右髖關節俯仰角的變化值；右髖側連接桿B（30.2）和右腰側連接橫桿（32）通過螺栓固定連接；所述與右腰側連接橫桿（32）連接的右髖側連接桿B（30.2）連接處設有螺栓孔，用以調節以適應不同實驗者髖部寬度；右腰側連接橫桿（32）和右大腿調節連桿（33）通過右髖橫滾轉動軸關節B（31.2）連接；右髖橫滾轉動軸關節B（31.2）安裝有角度編碼器，由于右髖橫滾轉動軸關節B（31.2）的轉動，可測得右髖關節橫滾角的變化值；右大腿調節連桿（33）與右大腿連桿A（34.1）通過螺栓固定連接；所述右大腿調節連桿（33）上設有螺栓孔組，右大腿連桿A（34.1）上固定有螺栓，通過調節螺栓與螺栓孔組的位置，以實現調節右大腿調節連桿（33）與右大腿連桿A（34.1）配合長度，以適應不同實驗者大腿長度；右髖調節機構（35）包括右髖部軸關節（42）、右髖部連接桿（43）、右髖部調節桿（44）、右髖部固定塊（45）；右髖部軸關節（42）與右髖部調節桿（44）通過右髖部連接桿（43）連接；右髖部調節桿（44）與右髖部固定塊（45）通過右髖偏航轉動軸關節C（31.3）連接；右髖部調節桿（44）上設有螺釘孔組，通過調節右髖部連接桿（43）、右髖偏航轉動軸關節C（31.3）與右髖部調節桿（44）上的螺釘孔組的間距，以滿足不同實驗者大腿粗細的要求；右髖偏航轉動軸關節C（31.3）上裝有角度編碼器，當右髖偏航轉動軸關節C（31.3）的轉動時，可測得右髖關節偏航角的變化值；右大腿連桿A(34.1)與右髖部軸關節（42）固定連接；右髖部固定塊（45）與右大腿連桿B（34.2）固定連接；右膝俯仰轉動軸關節（36）通過右大腿連桿B（34.2）和右小腿連桿（37）連接；右膝俯仰轉動軸關節（36）上安裝有角度編碼器，當右膝俯仰轉動軸關節（36）轉動時，可測得右膝關節俯仰角的變化值；右小腿連桿（37）與右小腿調節連桿（38）連接，所述右小腿調節連桿（38）上設有螺栓孔組，右小腿連桿(37)上固定有螺栓，通過調節螺栓與螺栓孔組的位置，以實現右小腿連桿（37）與右小腿調節連桿（38）配合長度，以適應不同實驗者小腿長度；右小腿調節連桿（38）與右踝俯仰轉動軸關節A（39.1）連接；所述右踝俯仰轉動軸關節A（39.1）上安裝有角度編碼器，當右踝俯仰轉動軸關節A(39.1)轉動時，可測得右踝關節俯仰角的變化值；右踝俯仰轉動軸關節A（39.1）、右踝調節桿（40）通過右踝橫滾轉動軸關節B（39.2）連接；所述右踝橫滾轉動軸關節B（39.2）上安裝有角度編碼器，當右踝橫滾轉動軸關節B（39.2）轉動時，可測得右踝關節橫滾角的變化值；所述與右踝調節桿（40）連接的右踝橫滾轉動軸關節B（39.2）連接處設有螺栓孔組，用以調節以適應不同實驗者腳部的寬度；右踝調節桿（40）與右腳底固定桿（41）連接，所述與右踝調節桿（40）連接的右腳底固定桿（41）連接處設有螺栓孔組，用以調節以適應不同實驗者腳部的高度；

所述背部子系統、左下肢子系統、右下肢子系統中的轉動軸關節，包括滾動軸承（46）、軸（47）、鍵（48）、絕對式編碼器（49）、通端蓋（50）、軸組件（51）、軸關節（52）、盲端蓋（53）、連接叉（54）；所述軸關節（52）包括滾動軸承（46）、軸（47）、鍵（48），軸（47）兩端裝有滾動軸承（46），軸（47）通過鍵（48）固定在連接叉（54）上；連接叉（54）一端為半圓形，一端為矩形，半圓形端開有通孔以裝配軸（47），矩形端開有一對通孔用以連接構件；所述軸組件（51）中間開有凹槽并通過軸（47）將連接叉（54）連接在一起；軸關節（52）與軸組件（51）連接后且其兩端通過通端蓋（50）和盲端蓋（53）固定在軸組件（51）上，所述通端蓋（50）連接有絕對式編碼器（49）；

所述腳底直接與壓力傳感器連接，所述的壓力傳感器為左腳后端壓力傳感器（57）、左腳前端壓力傳感器A（55）、壓力傳感器B（56）、右腳后端壓力傳感器（60）、右腳前端壓力傳感器A（58）、壓力傳感器B（59），布置于左腳與右腳上。