[發(fā)明專利]一種人體肘關(guān)節(jié)前屈后伸繞瞬時(shí)動(dòng)心運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)動(dòng)心測(cè)量方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201711253613.6
• 申請(qǐng)日: 2017-12-02
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN108013880B
• 公開(kāi)（公告）日: 2019-12-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李劍鋒;張春召;張雷雨;周帥鋒;張凱;高亞楠;王福增
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): A61B5/11
• 分類號(hào): A61B5/11
• 代理公司: 11203 北京思海天達(dá)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司
• 代理人: 沈波

本發(fā)明公開(kāi)了一種人體肘關(guān)節(jié)前屈后伸繞瞬時(shí)動(dòng)心運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)動(dòng)心測(cè)量方法，屬于測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，包括以下三個(gè)步驟：人體上肢運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的采集：將兩個(gè)標(biāo)志點(diǎn)運(yùn)動(dòng)塊固定在操作者上臂、前臂法蘭上，在前臂做緩慢屈伸運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)VICON測(cè)量系統(tǒng)，獲取人體上臂、前臂運(yùn)動(dòng)信息；前臂運(yùn)動(dòng)模型的建立：將人體上臂、前臂作為一個(gè)剛體，建立一個(gè)前臂相對(duì)于上臂繞瞬時(shí)動(dòng)心運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型；關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)瞬時(shí)動(dòng)心的求解：有理論力學(xué)知識(shí)，前臂相對(duì)于上臂做瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)心一定是前臂剛體上不在一個(gè)線上三點(diǎn)速度方向垂線的交點(diǎn)。基于該原理，即可獲得某時(shí)刻肘關(guān)節(jié)前屈后伸的瞬時(shí)動(dòng)心。本發(fā)明容易實(shí)現(xiàn)，測(cè)量點(diǎn)通過(guò)綁縛在人體骨骼上，計(jì)算簡(jiǎn)單并且測(cè)量準(zhǔn)確。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于人體骨骼測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種人體肘關(guān)節(jié)前屈后伸繞瞬時(shí)動(dòng)心運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)動(dòng)心測(cè)量方法。

背景技術(shù)

人體肘關(guān)節(jié)前屈后伸繞瞬時(shí)動(dòng)心旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律和人體肘部繞動(dòng)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)軸是規(guī)劃訓(xùn)練外骨骼系統(tǒng)導(dǎo)引運(yùn)動(dòng)、設(shè)計(jì)仿生肘關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)和肘部運(yùn)動(dòng)功能損傷恢復(fù)的基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)，獲得相對(duì)準(zhǔn)確的肘部關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)信息對(duì)于保證骨骼訓(xùn)練效果、設(shè)計(jì)仿生肘關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)及肘部功能恢復(fù)具有實(shí)際意義。

通過(guò)查閱國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)可知，人體肘部關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)信息檢測(cè)從測(cè)試方法種類上說(shuō)：分為紫外光拍攝系統(tǒng)、多維攝像系統(tǒng)、外骨骼穿戴系統(tǒng)、電磁跟蹤系統(tǒng)、柔性傳感器系統(tǒng)等。從本質(zhì)上分，可以分為侵入式和非侵入兩種測(cè)量方法，侵入式測(cè)量方法就是直接透過(guò)皮膚、組織測(cè)量人體肩部骨骼的相應(yīng)運(yùn)動(dòng)，比如紫外光拍攝系統(tǒng)，人體肘部尸體解剖實(shí)驗(yàn)，這種測(cè)量方法對(duì)人體危害大，實(shí)驗(yàn)復(fù)雜，一般不可取，另一種是非侵入式測(cè)量方法：通過(guò)在人體骨骼皮膚表面貼取標(biāo)志點(diǎn)，通過(guò)攝像機(jī)采集人體肘部關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)圖像，通過(guò)對(duì)標(biāo)志點(diǎn)提取與運(yùn)動(dòng)分析，以及基于不同肢體短連體坐標(biāo)系之間的相對(duì)位姿分析得到人體肘部關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)信息，在前述的檢測(cè)方法中，采用肘關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)分析模型為單自由度回轉(zhuǎn)副。

根據(jù)人體解剖學(xué)可知，人體肘部關(guān)節(jié)圖1所示錯(cuò)綜復(fù)雜，它由肱骨、橈骨、尺骨及其間的肱橈關(guān)節(jié)、肱尺關(guān)節(jié)、橈尺近側(cè)關(guān)節(jié)和橈尺遠(yuǎn)側(cè)關(guān)節(jié)連接而成，根據(jù)人體骨骼模型運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，肘部關(guān)節(jié)(傳統(tǒng)意義上的肘關(guān)節(jié))在完成前屈/后伸的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，轉(zhuǎn)動(dòng)中心是瞬時(shí)變化的，并且不是在某一平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，而是在三維空間中，目前還不清楚，為了獲得肘部關(guān)節(jié)前屈后伸繞瞬時(shí)動(dòng)心旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)信息，本發(fā)明提出一種人體肘關(guān)節(jié)前屈后伸繞瞬時(shí)動(dòng)心旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的測(cè)量方法，該測(cè)量方法測(cè)量準(zhǔn)確。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是，提供一種人體肘關(guān)節(jié)前屈后伸繞瞬時(shí)動(dòng)心旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便，算法簡(jiǎn)潔明了的一種測(cè)量方法。其理念是:在人體肘部結(jié)構(gòu)的研究中，模型化處理是一切工作的開(kāi)始，根據(jù)人體解剖學(xué)知識(shí)，并在參考人體骨骼學(xué)、人體骨骼運(yùn)動(dòng)學(xué)的基礎(chǔ)上從人體中抽出上臂(等價(jià)于定剛體)，前臂(等價(jià)于動(dòng)剛體)做相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，如圖1、2、3、4所示。該運(yùn)動(dòng)學(xué)性質(zhì)等價(jià)于理論力學(xué)中一般剛體的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，根據(jù)理論力學(xué)中剛體的一般運(yùn)動(dòng)學(xué)知識(shí)得知，人體上臂作為基礎(chǔ)參考系，前臂等價(jià)于運(yùn)動(dòng)的剛體，有前臂相對(duì)于上臂做前屈后伸的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，根據(jù)不在一個(gè)線上的三點(diǎn)速度方向垂面方程的交點(diǎn)，即可確定瞬時(shí)旋轉(zhuǎn)動(dòng)心。

本發(fā)明解決技術(shù)問(wèn)題所采用的方案是：

肘部運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的采集：首先將四個(gè)不在一個(gè)平面上的標(biāo)志點(diǎn)固定在運(yùn)動(dòng)塊上，運(yùn)動(dòng)塊固定在運(yùn)動(dòng)法蘭上，運(yùn)動(dòng)法蘭固定在靠近上臂上部、前臂前部的適當(dāng)位置，利用VICON測(cè)量系統(tǒng)，獲取以上標(biāo)志點(diǎn)的實(shí)時(shí)位置，其中VICON光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)測(cè)樣頻率高。

肘部運(yùn)動(dòng)模型的建立：為求解人體肘關(guān)節(jié)前屈后伸繞瞬時(shí)動(dòng)心旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)心，將人體上臂作為固定剛體，前臂作為實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)剛體，建立一個(gè)前臂相對(duì)于上臂繞瞬時(shí)動(dòng)心運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。