[發明專利]一種站起運動平衡監測與動力學解析系統

在審

• 申請號: 201811501750.1
• 申請日: 2018-12-10
• 公開（公告）號: CN109394231A
• 公開（公告）日: 2019-03-01
• 發明（設計）人: 劉坤;吉碩;劉勇;孫震源;徐洪偉;駱星吉
• 申請（專利權）人: 劉坤
• 主分類號: A61B5/11
• 分類號: A61B5/11;A61B5/103;A61B5/107
• 代理公司: 長春市恒譽專利代理事務所(普通合伙) 22212
• 代理人: 李榮武

1.一種站起運動平衡監測與動力學解析系統，包括以下四部分：

第一部分：采集使用者人體各肢段標記點的慣性信號，依據ZMP原理監測站起過程中人體運動平衡性；

第二部分：采集使用者人體各肢段標記點的慣性信號，依據拉格朗日方程，解析站起過程中下肢各關節力矩值；

第三部分：采集使用者足底地面支持反力信號，實時對比在對標健康人站起過程中的地面反力值變化規律數據庫，判斷使用者人體所處運動階段；

第四部分：設計了一種可穿戴式足底六維力檢測系統，包括支撐鞋底(1)和六維力檢測模塊(2)兩部分，六維力檢測模塊(2)下部與支撐鞋底(1)上表面的三個位置開孔的圓形階梯槽內徑之間采用過盈配合，以固定六維力檢測模塊(2)的位置，六維力檢測模塊(2)上部與支撐鞋底(1)圓形階梯槽外平面之間保持一定間隙，保證人體足底力可以直接全部加載到六維力檢測模塊上，實現準確測量；所述六維力檢測模塊(2)包括螺栓(201)、承力頂板(202)、封裝蓋板(203)、螺帽(204)、導力環(205)、滾珠(206)、導力柱(207)、承力臺(208)、薄膜壓力傳感器(209)、承載基座(210)；在承載基座(210)內底面四點位置呈正方形貼四片薄膜壓力傳感器(209)，承力臺(208)內置于承載基座(210)腔體內，承力臺(208)底面的4個下凸壓腳與薄膜壓力傳感器(209)上表面緊密壓實接觸，承力臺(208)側向的四面通過滾珠(206)與承載基座(210)腔體內側四點橫向開槽卡位并滾動接觸；承力臺(208)上表面四點位置呈正方形分布4個開孔槽，槽內置滾珠(206)后，向上支撐導力柱(207)，圓形的導力柱(207)側面均勻分布半圓的豎向開槽，通過內嵌滾珠(206)與套接的導力環(205)內徑面滾動接觸，導力環(205)外徑面四點均勻加工四個螺紋軸，螺紋軸上的螺帽(204)分別在四軸方向分別向外抵壓承載基座(210)腔體內側面對應位置所粘貼的薄膜壓力傳感器(209)；導力環(205)上表面也四點位置呈正方形分布4個開孔槽，槽內置滾珠(206)，實現與封裝蓋板(203)之間通過滾珠(206)滾動接觸，封裝蓋板(203)通過螺栓(201)與承載基座(210)封裝；承力頂板(202)底面與導力柱(207)上表面接觸，兩者之間通過螺栓(201)連接。

2.根據權利要求1所述的一種站起運動平衡監測與動力學解析系統，其特征在于，第一部分包括以下步驟：

第一步，以使用者人體站立時左右兩腳踝在人體冠狀面內的中點為原點，建立三維坐標系，并在此坐標系中建立站起過程中人體四肢段站起運動模型，包含腳、小腿、大腿、上身等四肢段；

第二步，依據《中華人民共和國國家標準:成年人人體慣性參數》，首先確定使用者人體各肢段質量在人體總質量內的占比，并確定各肢段質心位置相對于本肢段長度位置比；監測過程中，以使用者人體總質量為輸入量，確定各肢段質量，并以各肢段質心處為該肢段標記點，安裝慣性傳感器，可檢測該點加速度信號、速度信號，推算該肢段的關節角度信號；

第三步，通過慣性傳感器得到使用者人體各肢段質心在站起過程中的速度、加速度等信息，計算各肢段運動過程中的慣性力，從而構建出多剛體人體運動力學模型；

第四步，依據ZMP原理，確定多剛體人體運動力學模型零力矩點位置；計算公式如下：

z_zmp＝-h

式中：

m_i為多剛體人體運動學模型各肢段的質量；

x_i y_i z_i分別為多剛體人體運動學模型各肢段質心位置坐標；

分別為多剛體人體運動學模型各肢段質心處加速度；

g為重力加速度；

h為坐標原點到支撐面的距離；

第五步、確定穩定支撐區域；站起過程中，穩定支撐區域為雙腳站立區域；

第六步、將多剛體人體運動學模型零力矩點位置與穩定支撐區域做匹配判斷，若位于穩定區域之內，則站起過程穩定，否則反之。