[發明專利]多信息融合的人體運動分析方法和裝置

有效

• 申請號: 202110665443.2
• 申請日: 2021-06-16
• 公開（公告）號: CN113283116B
• 公開（公告）日: 2022-08-05
• 發明（設計）人: 陳學超;翁奕成;余張國;黃強;齊皓祥
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F119/14
• 代理公司: 南京智造力知識產權代理有限公司 32382
• 代理人: 張明明

1.多信息融合的人體運動分析裝置，其特征在于，包括：

動作捕捉系統，用于采集實驗員運動時的關節位置、關節角度、關節線加速度和質心位置；

測力平臺，用于采集實驗員足底豎直方向上的接觸力以及壓力中心位置；

PC上位機，接收動作捕捉系統和測力平臺采集的數據，獲取關節力矩、關節功/功率、繞質心角動量、腿部等效剛度值及阻尼值；

PC上位機根據動作捕捉系統和測力平臺采集的數據，獲取關節力矩、關節功/功率、繞質心角動量、腿部等效剛度值及阻尼值；

所述關節力矩的獲取過程為：根據關節角加速度、關節位置、關節線加速度、足底豎直方向上的接觸力以及壓力中心位置，通過逆動力學計算關節力矩；

所述關節功/功率的獲取過程為：功率計算模塊由關節角速度和關節力矩，計算得到關節功率，關節功率積分后，得到關節做功；

所述繞質心角動量的獲取過程為：角動量計算模塊根據質心位置、質心加速度和壓力中心位置，得到繞質心X軸方向的角動量；

所述腿部等效剛度值及阻尼值的獲取過程為：由足底豎直方向上的接觸力、質心速度、質心位置以及腿部剛度值和阻尼值之間的關系，設定最小二乘法中殘差函數，使殘差函數最小，解算出剛度值和阻尼值；

所述關節力矩的計算公式為：

其中，0ln_link，且k＝l+1，n_link為人體部件總數；M_lk是第l部分和第k部分之間關節的關節力矩，M_F是補償接觸力項，M_g是補償重力項，M_a是補償質心線加速度項，M_α是補償角加速度項，r_cop是世界坐標系下壓力中心的位置向量，r_lk是世界坐標系下第l部分和第k部分之間關節的位置向量，F_cop為接觸力向量，r_i、m_i、a_i、I_i、w_i分別是第i部分質心的位置向量、質量、質心加速度、轉動慣量和角速度，g為重力加速度向量；

對關節功率積分，得到一段時間(t₁-t₂)內關節做功的總值：

關節功率瞬時值的公式為：

p(t)＝M(t )*w(t )

其中：M(t)是該關節的力矩，w(t)是該關節的角速度；

所述繞質心X軸方向的角動量計算公式為：

其中，y_c、z_c為質心位置，為質心加速度，m為模型整體質量，g為重力加速度，y_COP為壓力中心位置在y方向上的坐標值。

2.根據權利要求1所述的人體運動分析裝置，其特征在于，所述動作捕捉系統包括動作捕捉服和動作追蹤器，動作追蹤器設置在動作捕捉服對應的人體各關節處。

3.根據權利要求1所述的人體運動分析裝置，其特征在于，所述測力平臺設置有力傳感板。

4.根據權利要求1所述的人體運動分析裝置，其特征在于，所述PC上位機中設有腿部剛度阻尼值求解模塊、角動量計算模塊和功率計算模塊。

5.一種根據權利要求1-4任一項所述的人體運動分析裝置的人體運動分析方法，其特征在于，PC上位機根據動作捕捉系統和測力平臺采集的數據，獲取關節力矩、關節功/功率、繞質心角動量、腿部等效剛度值及阻尼值；

所述關節力矩的獲取過程為：根據關節角加速度、關節位置、關節線加速度、足底豎直方向上的接觸力以及壓力中心位置，通過逆動力學計算關節力矩；

所述關節功/功率的獲取過程為：功率計算模塊由關節角速度和關節力矩，計算得到關節功率，關節功率積分后，得到關節做功；

所述繞質心角動量的獲取過程為：角動量計算模塊根據質心位置、質心加速度和壓力中心位置，得到繞質心X軸方向的角動量；

所述腿部等效剛度值及阻尼值的獲取過程為：由足底豎直方向上的接觸力、質心速度、質心位置以及腿部剛度值和阻尼值之間的關系，設定最小二乘法中殘差函數，使殘差函數最小，解算出剛度值和阻尼值。