[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

本發明依據康復醫學科最康復人群運動訓練時需要量化評估運動康復狀態的需求，提供一種站起運動平衡監測與動力學解析系統，采用多種傳感器實時監測站起過程中身體各肢段的運動學信號和足底力信號，解算與評估站起運動過程中人體的平衡性，解析站起過程中各關節力矩，判別站起過程中，人體所處站起階段。本發明中所提供的可穿戴式多維足底測力模塊，可實時檢測患者足底力學狀態，用于和對標健康人體站起過程中的足底力學規律做比對分析，判斷站起過程中人體所處運動姿態，可為外輔力康復設備的研制提供必要的參考信息。在老年化人口日益增長的社會背景下填補了本領域的技術空白，可減輕康復科醫師的工作量，為站起運動康復訓練提供定量化評估參考。

技術領域

本發明涉及一種人體可穿戴式傳感監測設備及站起運動力學數據解析方法，具體涉及一種站起運動平衡監測與動力學解析系統。

背景技術

當前我國人口老齡化趨勢明顯，老年人口不斷增多，多種病因導致的肢體運動功能缺失問題嚴重，需要運動康復輔助重獲運動能力。目前市場上常見的運動康復設備多以器械為主，不考慮康復過程中病人與設備之間的人機交互問題，從而導致病人康復體驗感差，康復運動效果不佳。

醫學研究表明早期的運動康復訓練對運動神經及肌肉的恢復具有明顯效果。而站起過程是整個運動康復過程中最早需要恢復的基礎動作。針對站起運動過程，本發明設計一種站起運動平衡監測與動力學解析系統。運動平衡監測系統中采用多種傳感器實時監測站起過程中身體各肢段的運動學信號和足底力信號，再以ZMP原理為基礎解算與評估身體的運動平衡狀態，可用于運動康復輔助器械的控制或康復理療科的臨床分析。其中站起過程的動力學解析系統，以拉格朗日動力學方程為基礎，采用由慣性傳感器測得的速度、加速度等數據實時解算出下肢各關節力矩，可將所檢測患者的各關節力矩值與對標健康人體站起中各關節力矩值進行實時比對，進而分析評估患者主要肌肉肌群的康復程度，從而用于定量化診斷運動康復狀態。

發明內容

本發明依據康復醫學科最康復人群運動訓練時需要量化評估運動康復狀態的需求，提供一種站起運動平衡監測與動力學解析系統，監測站起運動過程中人體的平衡性，解析站起過程中各關節力矩，判別站起過程中，人體所處站起階段。本發明中所提供的可穿戴式多維足底測力模塊，可實時檢測患者足底力學狀態，用于和對標健康人體站起過程中的足底力學規律做比對分析，判斷站起過程中人體所處運動姿態，可為外輔力康復設備的研制提供必要的參考。

本發明的上述目的通過以下技術方案實現：

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，用于足底六維力采集。

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重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；