CN108013880A

CN108013880A - 一种人体肘关节前屈后伸绕瞬时动心运动的瞬时动心测量方法

Info

Publication number: CN108013880A
Application number: CN201711253613.6A
Authority: CN
Inventors: 李剑锋; 张春召; 张雷雨; 周帅锋; 张凯; 高亚楠; 王福增
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2017-12-02
Filing date: 2017-12-02
Publication date: 2018-05-11
Anticipated expiration: 2037-12-02
Also published as: CN108013880B

Abstract

本发明公开了一种人体肘关节前屈后伸绕瞬时动心运动的瞬时动心测量方法，属于测量技术领域，包括以下三个步骤：人体上肢运动数据的采集：将两个标志点运动块固定在操作者上臂、前臂法兰上，在前臂做缓慢屈伸运动时，通过VICON测量系统，获取人体上臂、前臂运动信息；前臂运动模型的建立：将人体上臂、前臂作为一个刚体，建立一个前臂相对于上臂绕瞬时动心运动的运动学模型；关节旋转瞬时动心的求解：有理论力学知识，前臂相对于上臂做瞬时旋转运动的动心一定是前臂刚体上不在一个线上三点速度方向垂线的交点。基于该原理，即可获得某时刻肘关节前屈后伸的瞬时动心。本发明容易实现，测量点通过绑缚在人体骨骼上，计算简单并且测量准确。

Description

一种人体肘关节前屈后伸绕瞬时动心运动的瞬时动心测量方法

技术领域

本发明属于人体骨骼测量技术领域，具体是一种人体肘关节前屈后伸绕瞬时动心运动的瞬时动心测量方法。

背景技术

人体肘关节前屈后伸绕瞬时动心旋转运动规律和人体肘部绕动点运动的瞬时旋转轴是规划训练外骨骼系统导引运动、设计仿生肘关节机构和肘部运动功能损伤恢复的基础性数据，获得相对准确的肘部关节运动信息对于保证骨骼训练效果、设计仿生肘关节机构及肘部功能恢复具有实际意义。

通过查阅国内外文献可知，人体肘部关节运动信息检测从测试方法种类上说：分为紫外光拍摄系统、多维摄像系统、外骨骼穿戴系统、电磁跟踪系统、柔性传感器系统等。从本质上分，可以分为侵入式和非侵入两种测量方法，侵入式测量方法就是直接透过皮肤、组织测量人体肩部骨骼的相应运动，比如紫外光拍摄系统，人体肘部尸体解剖实验，这种测量方法对人体危害大，实验复杂，一般不可取，另一种是非侵入式测量方法：通过在人体骨骼皮肤表面贴取标志点，通过摄像机采集人体肘部关节的运动图像，通过对标志点提取与运动分析，以及基于不同肢体短连体坐标系之间的相对位姿分析得到人体肘部关节运动信息，在前述的检测方法中，采用肘关节运动分析模型为单自由度回转副。

根据人体解剖学可知，人体肘部关节图1所示错综复杂，它由肱骨、桡骨、尺骨及其间的肱桡关节、肱尺关节、桡尺近侧关节和桡尺远侧关节连接而成，根据人体骨骼模型运动学分析，肘部关节(传统意义上的肘关节)在完成前屈/后伸的运动过程中，转动中心是瞬时变化的，并且不是在某一平面内运动，而是在三维空间中，目前还不清楚，为了获得肘部关节前屈后伸绕瞬时动心旋转运动信息，本发明提出一种人体肘关节前屈后伸绕瞬时动心旋转运动的测量方法，该测量方法测量准确。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种人体肘关节前屈后伸绕瞬时动心旋转运动，且结构简单、使用方便，算法简洁明了的一种测量方法。其理念是:在人体肘部结构的研究中，模型化处理是一切工作的开始，根据人体解剖学知识，并在参考人体骨骼学、人体骨骼运动学的基础上从人体中抽出上臂(等价于定刚体)，前臂(等价于动刚体)做相应的运动学分析，如图1、2、3、4所示。该运动学性质等价于理论力学中一般刚体的运动学模型，根据理论力学中刚体的一般运动学知识得知，人体上臂作为基础参考系，前臂等价于运动的刚体，有前臂相对于上臂做前屈后伸的运动数据，根据不在一个线上的三点速度方向垂面方程的交点，即可确定瞬时旋转动心。

本发明解决技术问题所采用的方案是：

肘部运动数据的采集：首先将四个不在一个平面上的标志点固定在运动块上，运动块固定在运动法兰上，运动法兰固定在靠近上臂上部、前臂前部的适当位置，利用VICON测量系统，获取以上标志点的实时位置，其中VICON光学运动捕捉系统测样频率高。

肘部运动模型的建立：为求解人体肘关节前屈后伸绕瞬时动心旋转运动的动心，将人体上臂作为固定刚体，前臂作为实时运动刚体，建立一个前臂相对于上臂绕瞬时动心运动的运动学模型。

关节绕瞬时动心旋转运动的瞬时动心求解：根据空间刚体运动学知识得，空间刚体绕一瞬时动点运动，其相应速度方向的垂线必定经过该点，选取不在一个线上的三点，求取经过不在一个面上三点速度方向垂面方程的交点，三个平面方程的交点即为该时刻肘关节前屈后伸运动的瞬时动心。为了量化关节中心在任意时刻t的位置，以VICON的检测频率进行更新，利用给出的数学公式计算得到任意时刻肘部关节绕瞬时动心运动的动点，数学公式中的所有参数都是通过前面测量得到的上臂、前臂运动的表面数据。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：

本发明的一种人体肘关节前屈后伸绕瞬时动心旋转运动的测量方法，能够根据人体肘部骨骼及关节的解剖结构，建立一个前臂相对于上臂绕瞬时动心运动的运动学模型，根据VICON系统检测标志块上标志点的运动学数据，并通过构建平面方程，获取三个平面的瞬时交点，即为人体肘部关节绕瞬时动心运动的动点。具体验算得知：本发明容易实现，测量点通过绑缚在人体骨骼上，计算简单并且测量准确。

以下对以上的每一步骤做进一步说明：

肘部运动数据的采集：上臂固定在测试平台上，上臂法兰固定在上臂上，上臂法兰与上臂之间添加弹性垫；前臂法兰固定在前臂上，前臂法兰与手部之间同样添加弹性垫。为让VICON光学运动捕捉系统更精确的采集到标志点，避免丢点的情况出现，并有利于肘关节运动幅度最大化，上臂法兰与前臂法兰远离肘关节。在测量过程中，屈伸采集运动数据时，前臂保持自然状态，固定上臂与测量平台后，前臂由屈向伸运动，往复三个周期。如图3、4所示。

利用VICON测量系统，能准确获取以上标志点的实时位置。将上臂和前臂8个标志点记为P_i，上臂和前臂分别采集4个标志点，每个标志点的位置为(x_i y_i z_i)，其中i＝1,2,···,8，这些标志点的位置数据都是在VICON坐标系下描述的，上臂固定坐标系O原点用O1表示，x、y、z轴分别用X1、Y1、Z1表示，为简化计算，其方向和VICON系统基础坐标系方向一致，其中：

O1＝(P₁+P₂+P₃+P₄)/4 (1)

P₁、P₂、P₃、P₄分别表示上臂的四个标志点。

选取不在同一个直线上的无遮挡、丢点前臂标志点三个，此时i＝5,6,7，将前臂标志点在上臂坐标系中的表示为P_ii，其中：

P_ii＝P_i-O1 (2)

关节绕瞬时动心旋转运动的瞬时动心求解：根据空间刚体运动学知识得，空间刚体绕一瞬时动点运动，其相应速度方向的垂线定过该点，选取不在同一个线上的三点，求取过不在同一个线上三点速度方向垂线的平面方程，三个平面方程的交点即为该时刻肘关节前屈后伸运动的瞬时动心。如图5所示。为量化关节中心在任意时刻t的位置，以VICON系统的检测频率进行更新，利用给出的简单数学公式计算得到任意时刻肘部关节绕瞬时动心运动的动点，方程中的所有参数都是通过前面测量得到的上臂、前臂运动的表面数据。具体算法为：

首先将标志块上空间三点A、B、C转换到上臂坐标系中表示：

K时刻：A1(x1,y1,z1)、B1(x2,y2,z2)、C1(x3,y3,z3)

L时刻：A2(x4,y4,z4)、B2(x5,y5,z5)、C2(x6,y6,z6)

其中，K时刻、L时刻两个时间的间隔非常短，使连接A1A2，B1B2，C1C2，运动方向近视为速度方向。

由空间几何知识得：

连接A1A2，B1B2，C1C2，分别过A1A2，B1B2，C1C2的中点A、B、C作A1A2，B1B2，C1C2的中垂面α、β、γ，三面的交点即为旋转中心q；

具体为：

直线方程A1A2：

(x-x1)/(x4-x1)＝(y-y1)/(y4-y1)＝(z-z1)/(z4-z1) (3)

直线A1A2方向向量：

(x4-x1,y4-y1,z4-z1) (4)

中点坐标：

则中垂面α：

同理可得

中垂面β：

中垂面γ：

联立以上中垂面α、中垂面β、中垂面γ，得三个中垂面交点，即该时刻的旋转中心，方程中的参数都是通过前面测量得到的标志点位置。

附图说明

图1为人体肘部骨骼结构示意图。

图2为人体肘部关节运动学模型示意图。

图3为人体肘部关节贴标志点运动示意图。

图4为标志块、标志块连接法兰、标志块绑缚结构示意图。

图5为刚体绕动心运动几何表示。

图6为前臂前屈后伸从K时刻到L时刻绕动点运动动点示意图。

具体实施方式

以下结合附图进一步说明本发明。

肘部运动数据的采集：如图3、4所示，在测试者的上臂及前臂贴放8个标志点，通过vicon光学运动捕捉系统采集8个标志点的位置。以屈伸运动为例，在实验过程中，采集屈/伸运动数据时，前臂由屈向伸运动，往复三个周期。为了减少标志点遮挡，数据标志点丢失等，从前臂四个标志点为位置信息中，选取运动数据较理想的三组数据点进行分析。

在K时刻下，7个标志点的位置为：

^KP₁(437.6526 493.1732 819.979),^KP₂(363.1217 477.2114 836.7054)，

^KP₃(413.5268 441.6476 844.7069),^KP₄(387.5869 526.7878 809.4149),

^KP₅(329.8853 417.8105 915.3994),^KP₆(342.9722 393.8766 986.4868)，

^KP₇(335.5577 369.4469 933.4294)

在L时刻下，7个标志点的位置为：

^LP₁(437.6255 493.1824 819.9858),^LP₂(363.0935 477.2412 836.6909)，

^LP₃(413.4816 441.6774 844.7012),^LP₄(387.5737 526.8057 809.3972),

^LP₅(329.2468 417.7037 915.7803),^LP₆(341.9793 393.761 986.9365)，

^LP₇(334.7705 369.3447 933.8512)

将上臂和前臂7个标志点记为P_i，每个标志点的位置为(x_i y_i z_i)，其中i＝1,2,···,7，由式

(1)得上臂固定坐标系O坐标原点在K时刻为：

^KO＝(400.4720,484.7050,827.7015)

上臂固定坐标系O坐标原点在L时刻为：

^LO＝(400.4436 484.7267 827.6938)

由式(2)得，前臂标志点在上臂坐标系中K时刻表示的数据为：

^KP₅₅＝(-70.5867 -66.8944 87.6978)^KP₆₆＝(-57.4998,-90.8284,158.7853)

^KP₇₇＝(-64.9143,-115.2581,105.7278)

上臂坐标系中L时刻表示的数据为：

^LP₅₅＝(-71.1968,-67.0229,88.0865)^LP₆₆＝(-58.4643,-90.9656,159.2427)

^LP₇₇＝(-65.6731,-115.3820,106.1574)

关节绕瞬时动心旋转运动的瞬时动心求解：根据空间刚体一般运动学知识得，空间刚体绕一瞬时动点运动，其相应速度方向的垂线定过该点，选取不在一个线上的三点，求取过不在一个线上三点速度方向垂线的平面方程，三个平面方程的交点即为该时刻肘关节前屈后伸运动的瞬时动心。通过实例，通过两时刻点的坐标值，利用给出的简单数学公式计算(3)、(4)、(5)、(6)、(7)、(8)得到该时刻肘部关节绕瞬时动心运动的动点坐标为(-159.4186,43,6545,-14.5024)，如图6所示，方程中的所有参数都是通过前面测量得到的上臂、前臂运动的表面数据。

在所述的一种人体肘关节前屈后伸绕瞬时动心运动的瞬时动心测量方法，是用于检测人体右侧肘部关节运动信息，同样可用于检测人体左侧肘部关节运动信息，不限于本实例。

上述实施方式对本发明的实质进行了阐释与说明，但不应视为对本发明的限制，任何基于本发明实质所作的简单改进，只要其运动学及测试方法基于该原理，都应落入本发明权利要求保护范围之内。

Claims

1.一种人体肘关节前屈后伸绕瞬时动心运动的瞬时动心测量方法，其特征在于：肘部运动数据的采集：首先将四个不在一个平面上的标志点固定在运动块上，运动块固定在运动法兰上，运动法兰固定在靠近上臂上部、前臂前部的适当位置，利用VICON测量系统，获取以上标志点的实时位置，其中VICON光学运动捕捉系统测样频率高；

肘部运动模型的建立：为求解人体肘关节前屈后伸绕瞬时动心旋转运动的动心，将人体上臂作为固定刚体，前臂作为实时运动刚体，建立一个前臂相对于上臂绕瞬时动心运动的运动学模型；

关节绕瞬时动心旋转运动的瞬时动心求解：根据空间刚体运动学知识得，空间刚体绕一瞬时动点运动，其相应速度方向的垂线必定经过该点，选取不在一个面上的三点，求取经过不在一个面上三点速度方向垂面方程的交点，三个平面方程的交点即为该时刻肘关节前屈后伸运动的瞬时动心；为了量化关节中心在任意时刻t的位置，以VICON的检测频率进行更新，计算得到任意时刻肘部关节绕瞬时动心运动的动点，所有计算参数都是通过前面测量得到的上臂、前臂运动的表面数据。

2.根据权利要求1所述的一种人体肘关节前屈后伸绕瞬时动心运动的瞬时动心测量方法，其特征在于：

肘部运动数据的采集：上臂固定在测试平台上，上臂法兰固定在上臂上，上臂法兰与上臂之间添加弹性垫；前臂法兰固定在前臂上，前臂法兰与手部之间同样添加弹性垫；为让VICON光学运动捕捉系统更精确的采集到标志点，避免丢点的情况出现，并有利于肘关节运动幅度最大化，上臂法兰与前臂法兰远离肘关节；在测量过程中，屈伸采集运动数据时，前臂保持自然状态，固定上臂与测量平台后，前臂由屈向伸运动，往复三个周期；

利用VICON测量系统，能准确获取以上标志点的实时位置；将上臂和前臂8个标志点记为P_i，上臂和前臂分别采集4个标志点，每个标志点的位置为(x_i y_i z_i)，其中i＝1,2,…,8，这些标志点的位置数据都是在VICON坐标系下描述的，上臂固定坐标系O原点用O1表示，x、y、z轴分别用X1、Y1、Z1表示，为简化计算，上臂固定坐标系和VICON系统基础坐标系方向一致，其中：

O1＝(P₁+P₂+P₃+P₄)/4

P₁、P₂、P₃、P₄分别表示上臂的四个标志点；

选取不在同一个平面上的无遮挡、丢点前臂标志点三个，此时i＝5,6,7，将前臂标志点在上臂坐标系中的表示为P_ii，其中：

P_ii＝P_i-O1。

3.根据权利要求1所述的一种人体肘关节前屈后伸绕瞬时动心运动的瞬时动心测量方法，其特征在于：

4.根据权利要求1所述的一种人体肘关节前屈后伸绕瞬时动心运动的瞬时动心测量方法，其特征在于：

关节绕瞬时动心旋转运动的瞬时动心求解：根据空间刚体运动学知识得，空间刚体绕一瞬时动点运动，其相应速度方向的垂线定过该点，选取不在同一个直线上的三点，求取过不在同一个直线上三点速度方向垂线的平面方程，三个平面方程的交点即为该时刻肘关节前屈后伸运动的瞬时动心；为量化关节中心在任意时刻t的位置，以VICON的检测频率进行更新，利用给出的简单数学公式计算得到任意时刻肘部关节绕瞬时动心运动的动点，方程中的所有参数都是通过前面测量得到的上臂、前臂运动的表面数据；具体算法为：