CN105011941A - 一种人体膝关节运动学三维测量仪 - Google Patents

一种人体膝关节运动学三维测量仪 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种人体膝关节运动学三维测量仪，包括测试电路、测试架（1）、大腿支撑架（2）、小腿绑缚件（3）和设置于大腿支撑架（2）顶端的大腿绑缚件（4）；所述的测试架（1）与大腿支撑架（2）焊接在一起；所述的测试架（1）包括测试架本体（5）和测试架底座（6）。本发明提供了一种人体膝关节运动学三维测量仪，基于机械测量机构和传感器电路对膝关节运动学数据进行采集，实现对膝关节转动和平动数据的高精度采集与计算。

Description

一种人体膝关节运动学三维测量仪
技术领域
本发明涉及一种人体膝关节运动学三维测量仪。
背景技术
在针对膝关节的人体仿生研究领域，正常人的膝关节运动学数据具有最重要和直接的参考意义；在医疗康复领域，通过比较术后伤者与正常人的膝关节的运动学数据，来验证伤者膝关节手术和康复效果。
因此，膝关节的运动学数据在某些领域具有非常重要的作用，人体的膝关节是一个非常复杂的机械体，在曲伸过程中，其同时具有转动和平动两种运动，运动复杂度远高于常见的铰链结构，因此需要更加精准的测量设备来获取膝关节转动和平动数据。目前已有的膝关节运动学测量设备如VICON为代表的视觉测量设备，如倾角仪或角度仪为代表的测量设备；前者价格昂贵，同时由于视觉标识球与人体之间是非刚性连接，人体运动时视觉标识球的晃动导致测量数据精度降低；而后者只能测量关节的角度数据，无法测量膝关节在曲伸时的平动数据。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种人体膝关节运动学三维测量仪，基于机械测量机构和传感器电路对膝关节运动学数据进行采集，实现对膝关节转动和平动数据的高精度采集与计算。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种人体膝关节运动学三维测量仪，它包括测试电路、测试架、大腿支撑架、小腿绑缚件和设置于大腿支撑架顶端的大腿绑缚件；所述的测试架与大腿支撑架焊接在一起；
所述的测试架包括测试架本体和测试架底座；所述的测试架本体上与X轴方向平行的四条棱为四条导轨，所述四条导轨上分别设置有X向滑块一、X向滑块二、X向滑块三和X向滑块四；
所述的X向滑块一与X向滑块二之间连接有与X轴方向垂直，并且与Y轴方向平行的Y向导轨一；
所述的X向滑块三与X向滑块四之间连接有与X轴方向垂直，并且与Y轴方向平行的Y向导轨二；
所述的X向滑块一与X向滑块三之间连接有与X轴方向垂直，并且与Z轴方向平行的Z向导轨一；
所述的X向滑块二与X向滑块四之间连接有与X轴方向垂直，并且与Z轴方向平行的Z向导轨二；
所述的Y向导轨一上设置有Y向滑块一，Y向导轨二上设置有Y向滑块二；Y向滑块一与Y向滑块二之间连接有与Y轴方向垂直,且与Z轴方向平行的立杆；
所述的Z向导轨一上设置有Z向滑块一；所述的Z向导轨二上设置有Z向滑块二；Z向滑块一与Z向滑块二之间设置有与Z轴方向垂直，且与Y轴方向平行的横杆；
所述的测试架本体上还设置有X轴方向的小腿绑缚件固定架，所述的小腿绑缚件固定架上设置有与立杆相配合的Z轴方向通孔以及与横杆相配合的Y轴方向通孔，所述的立杆和横杆分别通过对应的通孔穿过小腿绑缚件固定架；所述的小腿绑缚件固定在小腿绑缚件固定架上。
所述的测试架本体上还设置有多个距离传感器，所述的距离传感器包括沿X轴方向的设置的距离传感器一、沿Y轴方向设置的距离传感器二和沿Z轴方向设置的距离传感器三；
所述的距离传感器一、距离传感器二和距离传感器三分别与测试电路连接；
所述的距离传感器为激光测距传感器。
所述的距离传感器一沿X轴方向设置于测试架本体上顶点位置；所述的距离传感器二沿着Y向导轨一设置于X向滑块二上；所述的距离传感器三沿Z向导轨二设置于X向滑块二上。
所述的大腿支撑架为高度可调的支撑架。
所述的测试电路包括计算电路和初始化电路；所述的计算电路包括运算单元和存储单元；所述的运算单元用于计算膝关节曲伸时的小腿绑缚件所在点的位移数据和小腿弯曲角度数据，所述的存储单元用于存储距离传感器采集到的数据和运算单元计算得到的数据；所述的初始化电路用于将计算电路中的数据初始化。
本发明的有益效果是：（1）通过传感器采集膝盖曲伸前后，三维方向上滑块的空间位置变化，得小腿绑缚件所在点的空间位置的变化，测量精度高，并且能同时计算出膝关节曲伸时的小腿绑缚件所在点的位移数据和小腿弯曲角度数据；（2）具有合理的机械结构和传感器电路，加工工艺简单，使用可靠耐用，实现了低成本的测量要求。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为测试架的结构示意图；
图中，1-测试架，2-大腿支撑架，3-小腿绑缚件，4-大腿绑缚件，5-测试架本体，6-测试架底座，7.1-X向滑块一，7.2- X向滑块二，7.3- X向滑块三，7.4-X向滑块四，8.1-Y向导轨一,8.2-Y向导轨二，9.1-Z向导轨一，9.2-Z向导轨二，10-立杆，11-横杆，12.1-Y向滑块一，12.2-Y向滑块二，13.1-Z向滑块一，13.2-Z向滑块二，14-小腿绑缚件固定架，15-距离传感器一，16-距离传感器二，17-距离传感器三，18-顶点。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
如图1所示，一种人体膝关节运动学三维测量仪，其特征在于：它包括测试电路、测试架1、大腿支撑架2、小腿绑缚件3和设置于大腿支撑架2顶端的大腿绑缚件4；所述的测试架1与大腿支撑架2焊接在一起；
如图2所示，所述的测试架1包括测试架本体5和测试架底座6；所述的测试架本体5上与X轴方向平行的四条棱为四条导轨，所述四条导轨上分别设置有X向滑块一7.1、X向滑块二7.2、X向滑块三7.3和X向滑块四7.4；
所述的X向滑块一7.1与X向滑块二7.2之间连接有与X轴方向垂直，并且与Y轴方向平行的Y向导轨一8.1；
所述的X向滑块三7.3与X向滑块四7.4之间连接有与X轴方向垂直，并且与Y轴方向平行的Y向导轨二8.2；
所述的X向滑块一7.1与X向滑块三7.3之间连接有与X轴方向垂直，并且与Z轴方向平行的Z向导轨一9.1；
所述的X向滑块二7.2与X向滑块四7.4之间连接有与X轴方向垂直，并且与Z轴方向平行的Z向导轨二9.2；
所述的Y向导轨一8.1上设置有Y向滑块一12.1，Y向导轨二8.2上设置有Y向滑块二12.2；Y向滑块一12.1与Y向滑块二12.2之间连接有与Y轴方向垂直,且与Z轴方向平行的立杆10；
所述的Z向导轨一9.1上设置有Z向滑块一13.1；所述的Z向导轨二9.2上设置有Z向滑块二13.2；Z向滑块一13.1与Z向滑块二13.2之间设置有与Z轴方向垂直，且与Y轴方向平行的横杆11；
所述的测试架本体5上还设置有X轴方向的小腿绑缚件固定架14，所述的小腿绑缚件固定架14上设置有与立杆10相配合的Z轴方向通孔以及与横杆11相配合的Y轴方向通孔，所述的立杆10和横杆11分别通过对应的通孔穿过小腿绑缚件固定架14；所述的小腿绑缚件3固定在小腿绑缚件固定架14上。
所述的测试架本体5上还设置有多个距离传感器，所述的距离传感器包括沿X轴方向的设置的距离传感器一15、沿Y轴方向设置的距离传感器二16和沿Z轴方向设置的距离传感器三17；
所述的距离传感器一15、距离传感器二16和距离传感器三17分别与测试电路连接。
所述的距离传感器为激光测距传感器。
所述的距离传感器一15沿X轴方向设置于测试架本体5上顶点18位置，（也可以沿X轴方向设置在测试架本体5的其它七个顶点位置）；所述的距离传感器二16沿着Y向导轨一8.1设置于X向滑块二7.2上（也可以沿着Y向导轨一8.1设置在X向滑块一7.1上，或者沿着Y向导轨二8.2设置在X向滑块三7.3或X向滑块四7.4上）；所述的距离传感器三17沿Z向导轨二9.2设置于X向滑块二7.2上（也可以沿着Z向导轨二9.2设置于X向滑块四7.4上，或者沿着Z向导轨二9.1设置在X向滑块一7.1或者X向滑块三7.3上）。
需要说明的是，本发明中提到的距离传感器沿着X轴方向、Y轴方向或者Z轴方向设置指的是：使距离传感器的信号发射和接收路径与对应轴平行。
所述的大腿支撑架2为高度可调的支撑架。
所述的测试电路包括计算电路和初始化电路；所述的计算电路包括运算单元和存储单元；所述的运算单元用于计算膝关节曲伸时的小腿绑缚件所在点的位移数据和小腿弯曲角度数据，所述的存储单元用于存储距离传感器采集到的数据和运算单元计算得到的数据；所述的初始化电路用于将计算电路中的数据初始化。
在使用本发明进行测量时，测试员身体平行于测试架，端坐于高度可调的座椅，调整座椅和大腿支撑架2的高度使大腿水平，将大腿固定于大腿绑缚件4，将膝关节伸至最大角度（大小腿近似水平），并将小腿固定于小腿绑缚件3；此时将测试电路初始化，计算电路的存储单元记录初始状态的三个距离传感器采集到的数据。
膝关节反复进行曲伸动作，测试电路记录每一次曲伸动作时的滑块空间运动轨迹数据（滑块在三个方向的距离），并根据此数据和初始状态数据计算膝关节的转动和平动数据，完成对膝关节运动学数据的测量。
所述的运算单元为单片机，运算单元与外部设备连接，外部设备用于对计算出来的膝关节运动学数据进行后续处理，外部设备可以是显示设备，也可以是数据分析设备。

Claims (6)

1.一种人体膝关节运动学三维测量仪，其特征在于：它包括测试电路、测试架（1）、大腿支撑架（2）、小腿绑缚件（3）和设置于大腿支撑架（2）顶端的大腿绑缚件（4）；所述的测试架（1）与大腿支撑架（2）焊接在一起；
所述的测试架（1）包括测试架本体（5）和测试架底座（6）；所述的测试架本体（5）上与X轴方向平行的四条棱为四条导轨，所述四条导轨上分别设置有X向滑块一（7.1）、X向滑块二（7.2）、X向滑块三（7.3）和X向滑块四（7.4）；
所述的X向滑块一（7.1）与X向滑块二（7.2）之间连接有与X轴方向垂直，并且与Y轴方向平行的Y向导轨一（8.1）；
所述的X向滑块三（7.3）与X向滑块四（7.4）之间连接有与X轴方向垂直，并且与Y轴方向平行的Y向导轨二（8.2）；
所述的X向滑块一（7.1）与X向滑块三（7.3）之间连接有与X轴方向垂直，并且与Z轴方向平行的Z向导轨一（9.1）；
所述的X向滑块二（7.2）与X向滑块四（7.4）之间连接有与X轴方向垂直，并且与Z轴方向平行的Z向导轨二（9.2）；
所述的Y向导轨一（8.1）上设置有Y向滑块一（12.1），Y向导轨二（8.2）上设置有Y向滑块二（12.2）；Y向滑块一（12.1）与Y向滑块二（12.2）之间连接有与Y轴方向垂直,且与Z轴方向平行的立杆(10)；
所述的Z向导轨一（9.1）上设置有Z向滑块一（13.1）；所述的Z向导轨二（9.2）上设置有Z向滑块二（13.2）；Z向滑块一（13.1）与Z向滑块二（13.2）之间设置有与Z轴方向垂直，且与Y轴方向平行的横杆（11）；
所述的测试架本体（5）上还设置有X轴方向的小腿绑缚件固定架（14），所述的小腿绑缚件固定架（14）上设置有与立杆（10）相配合的Z轴方向通孔以及与横杆（11）相配合的Y轴方向通孔，所述的立杆（10）和横杆（11）分别通过对应的通孔穿过小腿绑缚件固定架（14）；所述的小腿绑缚件（3）固定在小腿绑缚件固定架（14）上。
2.所述的测试架本体（5）上还设置有多个距离传感器，所述的距离传感器包括沿X轴方向的设置的距离传感器一（15）、沿Y轴方向设置的距离传感器二（16）和沿Z轴方向设置的距离传感器三（17）；
所述的距离传感器一（15）、距离传感器二（16）和距离传感器三（17）分别与测试电路连接。
3.根据权利要求1所述的一种人体膝关节运动学三维测量仪，其特征在于：所述的距离传感器为激光测距传感器。
4.根据权利要求1所述的一种人体膝关节运动学三维测量仪，其特征在于：所述的距离传感器一（15）沿X轴方向设置于测试架本体（5）上顶点（18）位置；所述的距离传感器二（16）沿着Y向导轨一（8.1）设置于X向滑块二（7.2）上；所述的距离传感器三（17）沿Z向导轨二（9.2）设置于X向滑块二（7.2）上。
5.根据权利要求1所述的一种人体膝关节运动学三维测量仪，其特征在于：所述的大腿支撑架（2）为高度可调的支撑架。
6.根据权利要求1所述的一种人体膝关节运动学三维测量仪，其特征在于：所述的测试电路包括计算电路和初始化电路；所述的计算电路包括运算单元和存储单元；所述的运算单元用于计算膝关节曲伸时的小腿绑缚件所在点的位移数据和小腿弯曲角度数据，所述的存储单元用于存储距离传感器采集到的数据和运算单元计算得到的数据；所述的初始化电路用于将计算电路中的数据初始化。
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