CN107080547A - 一种人体上肢运动特性与机械阻抗的测量系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种人体上肢运动特性与机械阻抗的测量系统及方法，包括上位机，并设有用于上肢任务空间测量的手持式装置，手持式装置安装有测量力与力矩的力传感器；以及分布在上肢处用于关节空间测量的marker球、和测量marker球运动参数的运动捕捉系统。力传感器的测量数据和运动捕捉系统的测量数据发送给上位机，上位机具有根据测量数据计算人体上肢运动参数和机械阻抗的计算模块。该测量系统及方法可以有效测量人体上肢动态机械阻抗，更好地认识人体上肢运动规律。

Description

一种人体上肢运动特性与机械阻抗的测量系统及方法
技术领域
本发明涉及一种运动参数与机械阻抗测量的系统，具体地说是一种人体上肢运动特性与机械阻抗的测量系统及方法。
背景技术
人体上肢是人体运动系统中最灵活、运动幅度最大的运动系统，是一个具有众多复杂结构关节的多自由度机械运动系统。测量人体上肢运动特性，可以用来评估人体上肢的操作能力和灵活性，认识人体上肢自然运动规律，对日后机器人开展拟人化技能作业亦具有重要的先导作用。人体上肢机械阻抗特性反映了上肢肌肉收缩情况等肌体生理特征。相对于国外学者，目前国内进行人体上肢机械阻抗方面的研究的学者较少，起步较晚，研究主要集中在静态手臂末端阻抗。国外学者对于人体上肢机械阻抗的研究，主要集中于动态手臂末端阻抗，对于手臂关节空间的动态阻抗的研究较少。
发明内容
本发明针对上述现有技术现状，而提供一种人体上肢运动特性与机械阻抗的测量系统及方法，可以快速、准确、方便的测量人体上肢的运动特性与机械阻抗。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种人体上肢运动特性与机械阻抗的测量系统，包括上位机，并设有用于上肢任务空间测量的手持式装置，手持式装置安装有测量力与力矩的力传感器；以及分布在上肢处用于关节空间测量的marker球、和测量marker球运动参数的运动捕捉系统；力传感器的测量数据和运动捕捉系统的测量数据发送给上位机，上位机具有根据测量数据计算人体上肢运动参数和机械阻抗的计算模块。
为优化上述技术方案，本发明还包括以下改进的技术方案。
上述的手持式装置具有用于固定测试工具的工具安装部和用于握持的手柄，在手柄与工具安装部之间设有传感器安装部。
在上述工具安装部的顶部固定有四个分叉的连接杆，每个连接杆的端部固定有一个marker球。
上述的marker球包括分布在上臂并呈三角形布置的第一marker簇、分布在前臂并呈三解形布置的第二marker簇。
上述的marker球包括分布在肩峰、外侧髁、内侧髁、桡骨茎突、尺骨茎突和第三掌骨头上的marker球。
上述的第一marker簇和第二marker簇呈直角三角形排列。
上述的力传感器和运动捕捉系统通过UDP协议与上位机进行通信。
一种应用上述测量系统进行人体上肢运动特性与机械阻抗的测量方法，包括如下步骤：
步骤1：根据接触式任务将测试工具安装到手持式装置上；在上肢的对应位置安装相应的marker球；
步骤2：被测试者用手握住手持式装置的手柄，根据接触式任务的指定轨迹和任务特性，使用手持式装置完成相应的运动；
步骤3：将上位机中采集到的数据进行综合分析处理，得到人体上肢的运动参数与机械阻抗。
上述的接触式任务包括绘画、刨木、或打磨；相应的测试工具是能安装到手持式装置上的画笔、刨刀或打磨头。
在测量开始前，将手持式装置还安装在机械臂的末端法兰上，利用机械臂末端位姿验证运动捕捉系统测得的末端位姿的精度。
与现有技术相比，本发明的人体上肢的运动特性与机械阻抗测量系统能够更全面更准确地测量人体上肢运动参数与机械阻抗，尤其是针对接触式任务，设计了可以换装测试工具的手持式装置，为接触任务过程中的机械阻抗测量研究提供了便利，进一步可以应用于机器人拟人化操作和肢体康复等领域。
附图说明
图1是实施例1中上肢在测量过程中的结构示意图。
图2是实施例1中手持式装置装夹画笔的立体结构示意图。
图3是画笔及其夹具的立体结构示意图。
图4是刨刀及其夹具的立体结构示意图。
图5是打磨头及其夹具的立体结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。
图1至图5所示为本发明的结构示意图。
其中的附图标记为：第一marker簇1、力传感器2、marker球3、连接杆31、画笔夹具4、画笔5、工作平面6、第二marker簇7、手持式装置8、手柄81、工具安装部82、传感器安装部83、刨刀9、刨刀夹具10、打磨头夹具11、打磨头12。
实施例1：
本发明的一种人体上肢运动特性与机械阻抗的测量系统，包括上位机，并设有用于上肢任务空间测量的手持式装置8，手持式装置8安装有测量力与力矩的力传感器2；以及用于上肢关节空间测量的marker球3，以及测量marker球3运动参数的运动捕捉系统。
力传感器2的测量数据和运动捕捉系统的测量数据发送给上位机，测试系统里的所有传感器都是通过同一台上位机进行控制，同步触发采集数据。上位机具有根据测量数据计算人体上肢运动参数和机械阻抗的计算模块。
图1所示是marker球3在人体上肢的位置分布示意图以及肘关节和腕关节的坐标系建立示意图。
测量系统基于接触式任务，如绘画、刨木、打磨等，来测量人体上肢的运动特性与机械阻抗，并可以同时测量人体上肢任务空间和关节空间的运动参数与机械阻抗。手持式装置8可以根据不同的接触式任务，换装多样化的测试工具，进而可以测量多种任务的人体上肢的运动特性与机械阻抗。
本实施例以绘画任务为例，测试工具为画笔5。如图2和图3所示，手持式装置8包括用于固定测试工具的工具安装部82和用于握持的手柄81，在手柄81与工具安装部82之间设有传感器安装部83。
测量力与力矩的力传感器2固定安装在传感器安装部83内，可以测量手柄81三个方向的力和三个方向上的力矩，进而可以推算出相应的人手臂末端的力和力矩。
在工具安装部82的顶部固定有四个分叉的连接杆31，每个连接杆31的端部固定有一个marker球3。
工具安装部82的底部固定有画笔夹具4，画笔夹具4包括与工具安装部82固定连接的笔筒，固定在笔筒上的U型支架。画笔5安装在笔筒内，画笔5的下端与U型支架上的固定板相连接。
marker球3包括分布在上臂并呈三角形布置的第一marker簇1、分布在前臂并呈三解形布置的第二marker簇7。
marker球3还包括分布在肩峰、外侧髁、内侧髁、桡骨茎突、尺骨茎突和第三掌骨头上的marker球3。
运动捕捉系统利用多台红外摄像头捕捉上述安装好的反光marker球3的位姿、速度和加速度。第一marker簇1和第二marker簇7呈直角三角形排列，这样在运动捕捉系统中判断marker球3的位姿时，能更清楚、更容易。
力传感器2和运动捕捉系统通过UDP协议与上位机进行通信。计算模块根据接收到的测量数据，按以下方式计算人体上肢运动参数和机械阻抗：人手臂末端阻抗可以描述为第一方程式：
其中I、B和K分别代表3×3的手臂惯量、阻尼和刚度，X分别是末端三维加速度、速度和位移向量，F代表末端三维反作用力向量。
第一方程式可以写成下面的参数辨识模式：F＝PY，其中F＝[FxFyFz]T，P是一个3×9的阻抗矩阵，P＝[I B K],I、B和K定义如下：
使用n个测得的数据点的力和位置数据，阻抗矩阵P可以用线性回归方法给出如下形式：其中是YN的右伪逆矩阵，FN和YN为：FN＝[F1 … Fn]，YN＝[Y1 … Yn]。
对于人体上肢关节空间，首先对其进行运动学建模。由于人体上肢关节自由度众多，为了便于分析，本发明将人体上肢简化成7自由度模型，分别为肩关节的旋内/旋外、屈/伸、内收/外展3个旋转自由度，肘关节的屈/伸1个旋转自由度，腕关节的旋内/旋外、屈/伸、内收/外展3个旋转自由度。然后根据国际生物力学协会推荐的定义方法，建立上肢运动学模型，分别在肩关节、肘关节和腕关节处建立局部坐标系。用欧拉角XYZ的旋转方法定义肩关节和腕关节处3个方向的旋转，根据局部坐标系相对于世界坐标系的关系，求得各自由度的旋转角度。
关节空间的力矩和任务空间的力的关系为：τ＝JTF，其中J为人体上肢关节空间的雅克比矩阵，J通过DH法求得。
人体上肢关节空间的机械阻抗可以描述为：其中q为关节角。
本发明应用上述测量系统进行人体上肢运动特性与机械阻抗的测量方法，包括如下步骤：
步骤1：根据接触式任务将测试工具安装到手持式装置8上；在上肢的对应位置安装相应的marker球3；
步骤2：被测试者用手握住手持式装置8的手柄81，根据接触式任务的指定轨迹和任务特性，使用手持式装置8完成相应的运动；
步骤3：将上位机中采集到的数据进行综合分析处理，得到人体上肢的运动参数与机械阻抗。
在本实施例的步骤1中，将画笔夹具4固定到手持式装置8上，再将画笔5固定在画笔夹具4上。
步骤2中，被测试者用手扶住手柄81，使手持式装置8在工作平面6上沿直线轨迹完成相应的运动。
此时，运动捕捉系统记录了上肢各个marker球3和手持式装置8上marker球3的位姿、速度和加速度。力传感器2记录了手柄81处的力和力矩。将这些测量数据送到上位机进行综合分析处理，由计算模块得到人体上肢的运动参数和机械阻抗。
在测量开始前，将手持式装置8还安装在机械臂的末端法兰上，利用机械臂末端位姿验证运动捕捉系统测得的末端位姿的精度。手持式装置8安装在机械臂末端法兰上时，要进行重力补偿，然后手握住手柄81拖动着机械臂一起运动。手持式装置8安装在机械臂末端法兰上后，可以进行位置和力的示教，复现测试者拖动机械臂工作时的工作特性。
实施例2：
如图4所示，本实施例是在实施例1的基础上，以刨木任务为例，测试工具为刨刀9。工具安装部82与刨刀夹具10固定连接，刨刀夹具10为U型支架，刨刀9固定在U型支架的开口处。
实施例3
如图5所示，本实施例是在实施例1的基础上，以打磨任务为例，测试工具为打磨头12。打磨头12固定在打磨头夹具11的套筒内，套筒的顶部具有与工具安装部82固定连接的安装座。
本发明的最佳实施例已阐明，由本领域普通技术人员做出的各种变化或改型都不会脱离本发明的范围。

Claims (10)

1.一种人体上肢运动特性与机械阻抗的测量系统，包括上位机，其特征是：设有用于上肢任务空间测量的手持式装置(8)，所述的手持式装置(8)安装有测量力与力矩的力传感器(2)；以及分布在上肢处用于关节空间测量的marker球(3)、和测量marker球(3)运动参数的运动捕捉系统；所述力传感器(2)的测量数据和运动捕捉系统的测量数据发送给所述的上位机，所述的上位机具有根据测量数据计算人体上肢运动参数和机械阻抗的计算模块。
2.根据权利要求1所述的测量系统，其特征是：所述的手持式装置(8)具有用于固定测试工具的工具安装部(82)和用于握持的手柄(81)，在所述手柄(81)与工具安装部(82)之间设有传感器安装部(83)。
3.根据权利要求2所述的测量系统，其特征是：在所述工具安装部(82)的顶部固定有四个分叉的连接杆(31)，每个连接杆(31)的端部固定有一个marker球(3)。
4.根据权利要求3所述的测量系统，其特征是：所述的marker球(3)包括分布在上臂并呈三角形布置的第一marker簇(1)、分布在前臂并呈三解形布置的第二marker簇(7)。
5.根据权利要求4所述的测量系统，其特征是：所述的marker球(3)包括分布在肩峰、外侧髁、内侧髁、桡骨茎突、尺骨茎突和第三掌骨头上的marker球(3)。
6.根据权利要求5所述的测量系统，其特征是：所述的第一marker簇(1)和第二marker簇(7)呈直角三角形排列。
7.根据权利要求6所述的测量系统，其特征是：所述的力传感器(2)和运动捕捉系统通过UDP协议与上位机进行通信。
8.一种应用权利要求1至7任一权利要求的测量系统进行人体上肢运动特性与机械阻抗的测量方法，其特征是：包括如下步骤：
步骤1：根据接触式任务将测试工具安装到手持式装置(8)上；在上肢的对应位置安装相应的marker球(3)；
步骤2：被测试者用手握住手持式装置(8)的手柄(81)，根据接触式任务的指定轨迹和任务特性，使用手持式装置(8)完成相应的运动；
步骤3：将上位机中采集到的数据进行综合分析处理，得到人体上肢的运动参数与机械阻抗。
9.根据权利要求8所述的测量方法，其特征是：所述的接触式任务包括绘画、刨木、或打磨；相应的测试工具是能安装到手持式装置(8)上的画笔(5)、刨刀(9)或打磨头(12)。
10.根据权利要求9所述的测量方法，其特征是：在测量开始前，将手持式装置(8)还安装在机械臂的末端法兰上，利用机械臂末端位姿验证运动捕捉系统测得的末端位姿的精度。
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