CN107092749A - 运动生物力学耦合分析系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种运动生物力学耦合分析系统，其主要是由测试装置、无线同步触发装置和人机交互软件系统组成，测试装置包括变速测力跑台、鞋垫式足底测量装置、光学动作捕捉装置、高速摄像装置、无线肌电测量装置；无线同步触发装置通过发射同步脉冲控制测试装置，实现生物运动学及动力学参数的信号同步采集及存储；人机交互软件系统包括测试生物力学模型模块、参数设置模块、数据批处理模块、光学捕捉试验数据的预处理模块、数据分析模块、数据库存储及人工回放分析模块。本发明具有测试参数全面、通用性好、简单可靠等优点，真正意义上实现了对生物运动的多力学参数、运动机理和运动规律的在体、实时、精确的耦合定量分析。

Description

运动生物力学耦合分析系统
技术领域
本发明涉及运动生物力学领域，特别涉及一种运动生物力学耦合分析系统。
背景技术
运动生物力学着眼于生物运动机理和运动规律的探索，是揭示生命体运动原理奥秘的基础。然而，由于生物体是一个复杂、非线性、自适应的生命系统，个体差异性、运动形式多样性及活体实验的局限性使得开展运动生物力学的研究目前仍存在很多的问题亟待解决。在理论研究方面，生物运动力学模型的建立是理论研究的关键，目前运动生物力学研究大多采用多刚体或骨骼肌肉模型，模拟生物运动形式，估算关节、骨骼和肌肉在运动过程中的载荷及运动规律，但由于这些力学模型都存在许多的简化和假设，并且再加上力学方程的不封闭性、理论误差的不可测性、模拟的困难性等原因，单用理论方法来研究生物运动目前还存在很大的缺陷。在试验测试方面，目前采用单一或两两组合的测试方法居多，虽然可以获取生物运动时的某些运动学或动力学参数，但并不能对生物运动的力学性能参数进行全面的、同步测量与分析，也无法获取肌肉运动规律的细节信息，再加上试验数据分析的复杂性、试验误差的不可避免性和不可重复性等原因，单用试验方法同样无法弥补研究成效的不足。
综观上述运动生物力学研究现状，亟需一种能够多学科、多测试方法同步测量，并可以与理论分析相结合的运动生物力学耦合分析系统。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够多学科、多测试方法同步测量，并可以与理论分析相结合的运动生物力学耦合分析系统。
本发明具有测试参数全面、通用性好、简单可靠等优点，真正意义上实现了对生物运动的多力学参数、运动机理和运动规律的在体、实时、精确全面的定量分析。
本发明包括有测试装置、无线同步触发装置和人机交互软件系统；
所述的测试装置包括变速测力跑台、鞋垫式足底测量装置、光学动作捕捉装置、高速摄像装置、无线肌电测量装置；其中，变速测力跑台通过电机及升降装置完成速度和角度的无级可调，实现生物上坡、下坡、快跑、慢走等多种运动模式模拟，变速测力跑台的跑带上安装有柔性阵列压力传感器，柔性阵列压力传感器实现生物运动时六分量数据包括Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz的获取；鞋垫式足底测量装置内集成电容式传感器，采集人在各种运动中足底动态压力分布和压力中心变化轨迹力学信息；光学动作捕捉装置由两个或两个以上感光发射/接收器和反射标记球组成，用来测量及计算生物三维运动位移和角度变化运动学信息；高速摄像装置由两个或两个以上的高速摄像机组成，高速摄像装置全方位实时捕捉生物运动过程；无线肌电测量装置通过多个肌电电极采集运动时肌肉群的激励序列、收缩状态等动力学参数；高速摄像机和光学动作捕捉装置的感光发射/接收器安装在伸缩杆的两端，且通过伸缩杆调节安装的高度。
所述的无线同步触发装置通过发射同步脉冲控制测试装置，实现生物运动学及动力学参数的信号同步采集及存储；
所述的人机交互软件系统包括测试生物力学模型模块、参数设置模块、数据批处理模块、光学捕捉试验数据的预处理模块、数据分析模块、数据库存储及人工回放分析模块；其中，生物力学模型模块内嵌常规弹簧-质量-阻尼模型、多刚体模型、神经-肌肉-骨骼系统模型供用户自由选择，同时也提供智能导入和重构模型功能，用户可导入CT、MRI、超声图像重构数字化生物图像模型，也可导入运动学或动力学批量运动数据重构基于人工神经网络的模型；参数设置模块提供变速测力跑台速度及角度、鞋垫式足底测量装置信号采样频率、光学动作捕捉装置捕捉频率等测试装置参数设定；数据批处理模块包括批量数据空隙填补、数字滤波；光学捕捉试验数据的预处理包括环节和关节旋转中心解剖学局部坐标系确定、运动过程中环节技术局部坐标系确定、局部坐标系到全局坐标系映射；数据分析模块包括三维运动学分析、动力学分析、力学耦合分析；数据库存储模块可以将测试预设参数信息、测试原始数据及分析结果进行自动存储，为生物力学分析及后续数据浏览与查询提供信息化资源；人工回放分析模块可以方便用户对整个生物力学测试测试过程进行逐点回放，同时支持对各种运动学和动力学参数进行回顾性深入分析。
所述的变速测力跑台、鞋垫式足底测量装置、光学动作捕捉装置、高速摄像装置和无线肌电测量装置可单独进行生物运动测试，也可几个组合或同时一起进行生物运动测试。
本发明的有益效果：
1、简单紧凑，仅需较小的范围，即可实现对生物多种运动模式下的运动力学测试。
2、能实现多个生物运动测试装置的同步、自动化测量，不但能够获取全面的生物运动学和动力学参数，而且可以获得肌肉运动规律的细节信息。
3、生物力学模型模块不但提供理论研究常用的生物运动力学模型，还提供多种运动力学模型建模方式，可满足生物不同运动特性分析需求。
4、人机交互软件系统集成多个智能数据处理模块，实现了从信号同步采集、数据批处理、多运动参数耦合分析到后续测试结果的信息化管理等整个过程的自动化、智能化，软件交互界面良好，使用方便，效率高，实用性强，具有较好的应用及推广价值。
附图说明
图1是本发明变速测力跑台、光学动作捕捉装置及高速摄像装置示意图。
图2是本发明鞋垫式足底测量装置示意图。
图3是本发明无线肌电电极示意图。
图4是本发明光学动作捕捉装置部分反射标记球示意图。
图5是本发明的人机交互软件系统示意图。
图6是本发明的参数设置模块示意图。
其中：1-高速摄像机；2-伸缩杆；3-感光发射/接收器；4-变速测力跑台；5-鞋垫式足底测量装置；6-电容式传感器；7-无线肌电电极；8-柔性阵列压力传感器；9-反射标记球；10-人机交互软件系统；11-参数设置模块；
具体实施方式
请参阅图1、图2、图3、图4、图5和图6所示，本实施例包括有测试装置、无线同步触发装置和人机交互软件系统10；
所述的测试装置包括变速测力跑台4、鞋垫式足底测量装置5、光学动作捕捉装置、高速摄像装置1、无线肌电测量装置；其中，变速测力跑台4通过电机及升降装置完成速度和角度的无级可调，实现生物上坡、下坡、快跑、慢走等多种运动模式模拟，变速测力跑台4的跑带上安装有柔性阵列压力传感器8，柔性阵列压力传感器8实现生物运动时六分量数据包括Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz的获取；鞋垫式足底测量装置5内集成电容式传感器6，采集人在各种运动中足底动态压力分布和压力中心变化轨迹力学信息；光学动作捕捉装置由两个或两个以上感光发射/接收器3和反射标记球9组成，用来测量及计算生物三维运动位移和角度变化运动学信息；高速摄像装置1由两个或两个以上的高速摄像机组成，高速摄像装置1全方位实时捕捉生物运动过程；无线肌电测量装置通过多个肌电电极7采集运动时肌肉群的激励序列、收缩状态等动力学参数；高速摄像机1和光学动作捕捉装置的感光发射/接收器3安装在伸缩杆2的两端，且通过伸缩杆2调节安装的高度。
所述的无线同步触发装置通过发射同步脉冲控制测试装置，实现生物运动学及动力学参数的信号同步采集及存储；
所述的人机交互软件系统10包括测试生物力学模型模块、参数设置模块11、数据批处理模块、光学捕捉试验数据的预处理模块、数据分析模块、数据库存储及人工回放分析模块；其中，生物力学模型模块内嵌常规弹簧-质量-阻尼模型、多刚体模型、神经-肌肉-骨骼系统模型供用户自由选择，同时也提供智能导入和重构模型功能，用户可导入CT、MRI、超声图像重构数字化生物图像模型，也可导入运动学或动力学批量运动数据重构基于人工神经网络的模型；参数设置模块11提供变速测力跑台速度及角度、鞋垫式足底测量装置信号采样频率、光学动作捕捉装置捕捉频率等测试装置参数设定；数据批处理模块包括批量数据空隙填补、数字滤波；光学捕捉试验数据的预处理包括环节和关节旋转中心解剖学局部坐标系确定、运动过程中环节技术局部坐标系确定、局部坐标系到全局坐标系映射；数据分析模块包括三维运动学分析、动力学分析、力学耦合分析；数据库存储模块可以将测试预设参数信息、测试原始数据及分析结果进行自动存储，为生物力学分析及后续数据浏览与查询提供信息化资源；人工回放分析模块可以方便用户对整个生物力学测试测试过程进行逐点回放，同时支持对各种运动学和动力学参数进行回顾性深入分析。
所述的变速测力跑台4、鞋垫式足底测量装置、光学动作捕捉装置、高速摄像装置和无线肌电测量装置可单独进行生物运动测试，也可几个组合或同时一起进行生物运动测试。

Claims (3)

1.一种运动生物力学耦合分析系统，其特征在于：包括有测试装置、无线同步触发装置和人机交互软件系统(10)；
所述的测试装置包括变速测力跑台(4)、鞋垫式足底测量装置(5)、光学动作捕捉装置、高速摄像装置、无线肌电测量装置；其中，变速测力跑台(4)通过电机及升降装置完成速度和角度的无级可调，实现生物上坡、下坡、快跑、慢走等多种运动模式模拟，变速测力跑台(4)的跑带上安装有柔性阵列压力传感器(8)，柔性阵列压力传感器(8)实现生物运动时六分量数据包括Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz的获取；鞋垫式足底测量装置(5)内集成电容式传感器(6)，采集人在各种运动中足底动态压力分布和压力中心变化轨迹力学信息；光学动作捕捉装置由两个或两个以上感光发射/接收器(3)和反射标记球(9)组成，用来测量及计算生物三维运动位移和角度变化运动学信息；高速摄像装置(1)由两个或两个以上的高速摄像机组成，高速摄像装置(1)全方位实时捕捉生物运动过程；无线肌电测量装置通过多个肌电电极(7)采集运动时肌肉群的激励序列、收缩状态等动力学参数；
所述的无线同步触发装置通过发射同步脉冲控制测试装置，实现生物运动学及动力学参数的信号同步采集及存储；
所述的人机交互软件系统(10)包括测试生物力学模型模块、参数设置模块(11)、数据批处理模块、光学捕捉试验数据的预处理模块、数据分析模块、数据库存储及人工回放分析模块；其中，生物力学模型模块内嵌常规弹簧-质量-阻尼模型、多刚体模型、神经-肌肉-骨骼系统模型供用户自由选择，同时也提供智能导入和重构模型功能，用户可导入CT、MRI、超声图像重构数字化生物图像模型，也可导入运动学或动力学批量运动数据重构基于人工神经网络的模型；参数设置模块(11)提供变速测力跑台速度及角度、鞋垫式足底测量装置信号采样频率、光学动作捕捉装置捕捉频率等测试装置参数设定；数据批处理模块包括批量数据空隙填补、数字滤波；光学捕捉试验数据的预处理包括环节和关节旋转中心解剖学局部坐标系确定、运动过程中环节技术局部坐标系确定、局部坐标系到全局坐标系映射；数据分析模块包括三维运动学分析、动力学分析、力学耦合分析；数据库存储模块可以将测试预设参数信息、测试原始数据及分析结果进行自动存储，为生物力学分析及后续数据浏览与查询提供信息化资源；人工回放分析模块可以方便用户对整个生物力学测试测试过程进行逐点回放，同时支持对各种运动学和动力学参数进行回顾性深入分析。
2.根据权利要求1所述的一种运动生物力学耦合分析系统，其特征在于：高速摄像机(1)和光学动作捕捉装置的感光发射/接收器(3)安装在伸缩杆(2)的两端，且通过伸缩杆(2)调节安装的高度。
3.根据权利要求1所述的一种运动生物力学耦合分析系统，其特征在于：变速测力跑台(4)、鞋垫式足底测量装置、光学动作捕捉装置、高速摄像装置和无线肌电测量装置可单独进行生物运动测试，或几个组合或同时一起进行生物运动测试。
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