[發明專利]一種工作姿勢分析系統測算方法

有效

• 申請號: 201810051149.0
• 申請日: 2018-01-19
• 公開（公告）號: CN108170281B
• 公開（公告）日: 2018-09-28
• 發明（設計）人: 姜盛乾;劉鵬;張開淦;張昕瑩;陳雪純;黃卓;徐楊;高大偉;曹明鈺
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: G06F3/01
• 分類號: G06F3/01;G06K9/00
• 代理公司: 長春吉大專利代理有限責任公司 22201
• 代理人: 崔斌

1.一種工作姿勢分析系統測算方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：

步驟一、啟動Kinect V2設備，并采集操作人直立時25個骨骼點的模板數據；

步驟二、判斷操作人員頭部的分值；

步驟三、判斷操作人員背部的分值；

步驟四、判斷操作人員腿部的分值；

步驟五、判斷操作人員手臂的分值；

步驟六、根據四個部位的分值通過表格得到最終評級；

所述的步驟一的具體方法如下：

啟動Kinect V2，正對操作人員，并采集操作人直立時25個骨骼點的模板數據；其中25個部位骨骼點包括頭、頸、肩中心、左拇指、右拇指、左指尖、右指尖、左手、右手、左手腕、右手腕、左肘、右肘、左肩膀、右肩膀、脊柱、髖關節中心、左臀、左膝蓋、左腳踝、左腳、右臀、右膝蓋、右腳踝、右腳；

所述的步驟二的具體方法如下：

采集人體頭坐標點A₁(x₁,y₁,z₁)、頸坐標點A₂(x₂,y₂,z₂)、肩中心坐標點A₃(x₃,y₃,z₃)、左肩膀坐標點A₄(x₄,y₄,z₄)、右肩膀坐標點A₅(x₅,y₅,z₅)、左腳坐標點A₆(x₆,y₆,z₆)、左腳踝坐標點A₇(x₇,y₇,z₇)、右腳坐標點A₈(x₈,y₈,z₈)、右腳踝坐標點A₉(x₉,y₉,z₉)；通過Kinect V2的面孔識別模塊捕捉人的左眼坐標點A₁₀(x₁₀,y₁₀,z₁₀)、右眼坐標點A₁₁(x₁₁,y₁₁,z₁₁)；

此時，頸到頭的向量為

肩中心到頸的向量為

左肩膀到右肩膀的向量為

左腳踝到左腳的向量為

右腳踝到右腳的向量為

左眼到右眼的向量為

計算夾角選取θ₆＝min{|θ₃-90°|，|θ₄-90°|}，假設θ₆＝|θ₃-90°|，計算反之

當θ₁≥135°且135°≥θ₂≥45°且135°≥θ₇≥45°時，操作人員的活動區域處于頭部自由區域I，并且記1分；

當θ₁<135°且θ₇<45°且θ₅<10°時，操作人員的活動區域處于頭部向前彎曲區域Ⅱ，并且記2分；

當θ₂>135°或θ₂<45°時，操作人員的活動區域處于頭部側彎區域Ⅲ，并且記3分；

當θ₁<135°且θ₇>135°且θ₅<10°時，操作人員的活動區域處于頭部仰區域Ⅳ，并且記4分；

當活動區域不在頭部側彎區域Ⅲ，則可通過眼向量與肩膀向量的夾角確定是否扭轉，當135°≥θ₂≥45°且θ₅>10°時，操作人員的活動區域處于頭部扭轉范圍Ⅴ，并且記5分；

當其它角度時，操作人員的活動區域處于扭轉側彎區域Ⅵ，并且記6分；

所述的步驟三的具體方法如下：

采集肩中心坐標點A₃(x₃,y₃,z₃)、左肩膀坐標點A₄(x₄,y₄,z₄)、右肩膀坐標點A₅(x₅,y₅,z₅)、脊柱坐標點A₁₂(x₁₂,y₁₂,z₁₂)、髖關節中心坐標點A₁₃(x₁₃,y₁₃,z₁₃)、左臀坐標點A₁₄(x₁₄,y₁₄,z₁₄)、右臀坐標點A₁₅(x₁₅,y₁₅,z₁₅)；

此時，左肩膀到右肩膀的向量為

脊柱到肩中心的向量為

髖關節中心到脊柱的向量為

左臀到右臀的向量為

計算夾角

當θ₈≥135°且θ₉<10°時，操作人員處于背部直立范圍，并且記1分；

當θ₈<135°且θ₉<10°時，操作人員處于背部彎腰范圍，并且記2分；

當θ₈≥135°且θ₉≥10°時，操作人員處于背部扭轉范圍，并且記3分；

當θ₈<135°且θ₉≥10°時，操作人員處于背部彎腰加扭轉范圍，并且記4分；

所述的步驟四的具體方法如下：

采集脊柱坐標點A₁₂(x₁₂,y₁₂,z₁₂)、髖關節中心坐標點A₁₃(x₁₃,y₁₃,z₁₃)、左臀坐標點A₁₄(x₁₄,y₁₄,z₁₄)、右臀膀坐標點A₁₅(x₁₅,y₁₅,z₁₅)、左膝蓋坐標點A₁₆(x₁₆,y₁₆,z₁₆)、右膝蓋坐標點A₁₇(x₁₇,y₁₇,z₁₇)、左腳踝坐標點A₇(x₇,y₇,z₇)、右腳踝坐標點A₉(x₉,y₉,z₉)；

此時，髖關節中心到脊柱的向量為

左膝蓋到左臀的向量為

左腳踝到左膝蓋的向量為

右膝蓋到右臀的向量為右腳踝到右膝蓋的向量為

計算夾角

左腳踝到左臀距離

右腳踝到右臀距離

當θ₁₀<95°時，操作者處于坐立范圍，并且記1分；

當θ₁₀≥95°且θ₁₁<60°且θ₁₂<60°且|l₂-l₁|<5cm時，操作者處于站立狀態，并且記2分；

當θ₁₀≥95°且θ₁₁<60°且θ₁₂<60°且|l₂-l₁|≥5cm時，操作者處于單腳站立狀態，并且記3分；

當θ₁₀≥95°且θ₁₁≥60°且θ₁₂≥60°且|l₂-l₁|<5cm時，操作者處于雙膝彎曲站立狀態，并且記4分；

當θ₁₀≥95°且θ₁₁≥60°且θ₁₂≥60°且|l₂-l₁|≥5cm時，操作者處于單膝蓋彎曲站立狀態，并且記5分；

所述的步驟五的具體方法如下：

采集左手坐標點A₁₈(x₁₈,y₁₈,z₁₈)、右手坐標點A₁₉(x₁₉,y₁₉,z₁₉)、肩中心坐標點A₃(x₃,y₃,z₃)、脊柱坐標點A₁₂(x₁₂,y₁₂,z₁₂)、髖關節中心坐標點A₁₃(x₁₃,y₁₃,z₁₃)、左臀坐標點A₁₄(x₁₄,y₁₄,z₁₄)、右臀坐標點A₁₅(x₁₅,y₁₅,z₁₅)、左膝蓋坐標點A₁₆(x₁₆,y₁₆,z₁₆)、右膝蓋坐標點A₁₇(x₁₇,y₁₇,z₁₇)、左腳踝坐標點A₇(x₇,y₇,z₇)、右腳踝坐標點A₉(x₉,y₉,z₉)、左腳A₂₀(x₂₀,y₂₀,z₂₀)、右腳A₂₁(x₂₁,y₂₁,z₂₁)；

腿部判定是坐立時，選取左臀坐標點、右臀坐標點和右膝蓋坐標點組建向量構建平面1，首先確認法向量可得

其中設為B₁為(y₁₅-y₁₄)×(z₁₇-z₁₅)-(z₁₅-z₁₄)×(y₁₇-y₁₅)，

B₂為(z₁₅-z₁₄)×(x₁₇-x₁₅)-(x₁₅-x₁₄)×(z₁₇-z₁₅)，

B₃為(x₁₅-x₁₄)×(y₁₇-y₁₅)-(y₁₅-y₁₄)×(x₁₇-x₁₅)；

法向量即為n＝(B₁,B₂,B₃)，平面方程即為B₁(x-x₁₄)+B₂(y-y₁₄)+B₃(z-z₁₄)＝0，化簡可得B₁x+B₂y+B₃z＝B₁x₁₄+B₂y₁₄+B₃z₁₄；

設B₁x₁₄+B₂y₁₄+B₃z₁₄為C，平面1方程即可表示為B₁x+B₂y+B₃z＝C；

計算距離

偏移距離

構建平面2：B₁x+B₂y+B₃z＝C+l₇；

腿部判定是非坐立時，當l₁>l₂，選取左腳踝、左腳和右腳坐標點組建向量，依照平面構建方式得到平面1；

計算距離

偏移距離可得平面2；

當l₁≤l₂，選取右腳踝、左腳和右腳坐標點組建向量，依照平面構建方式得到平面1；

計算距離

偏移距離可得平面2；

計算左手和右手到平面1，平面2的距離，左手距離平面1的距離為距離平面2的距離為右手距離平面1的距離為距離平面2的距離為

當d₁<l₇且d₂<l₇且d₃<l₇且d₄<l₇或d₁<l₇且d₂<l₇且d₃<d₄且d₄≥l₇或d₁<d₂且d₂≥l₇且d₃<l₇且d₄<l₇或d₁<d₂且d₂≥l₇且d₃<d₄且d₄≥l₇時，操作者雙手處于肩下，并且記1分；

當d₁≥l₇且d₂<d₁且d₃<l₇且d₄<l₇或d₁≥l₇且d₂<d₁且d₃<d₄且d₄≥l₇或d₁<l₇且d₂<l₇且d₃>d₄且d₄≥l₇或d₁<d₂且d₂≥l₇且d₃>d₄且d₃≥l₇時，操作者單手處于肩膀以上，并且記2分；

當d₁≥l₇且d₂<d₁且d₃≥l₇且d₄<d₃時，操作者雙手處于肩以上，并且記3分；

所述的步驟六的具體方法如下：

根據算出的操作者的頭部、背部、腿部和手臂的分數查看作業人員的工作姿勢行動等級表即得出最終的評級；最終評級分為五級，分別為等級1、等級2、等級3、等級4和等級5；等級1表示為正常姿勢，可以接受，不需要處理；等級2為由輕微危害，需要近期采取改善措施；等級3為姿勢有明顯危害，需要盡快采取改善措施；等級4有較為嚴重危害，需要立即采取改善措施；等級5有嚴重危害，需立即停止。