CN109394231B - 一种站起运动平衡监测与动力学解析系统 - Google Patents

一种站起运动平衡监测与动力学解析系统 Download PDF

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Abstract

本发明依据康复医学科最康复人群运动训练时需要量化评估运动康复状态的需求，提供一种站起运动平衡监测与动力学解析系统，采用多种传感器实时监测站起过程中身体各肢段的运动学信号和足底力信号，解算与评估站起运动过程中人体的平衡性，解析站起过程中各关节力矩，判别站起过程中，人体所处站起阶段。本发明中所提供的可穿戴式多维足底测力模块，可实时检测患者足底力学状态，用于和对标健康人体站起过程中的足底力学规律做比对分析，判断站起过程中人体所处运动姿态，可为外辅力康复设备的研制提供必要的参考信息。在老年化人口日益增长的社会背景下填补了本领域的技术空白，可减轻康复科医师的工作量，为站起运动康复训练提供定量化评估参考。

Description

一种站起运动平衡监测与动力学解析系统
技术领域
本发明涉及一种人体可穿戴式传感监测设备及站起运动力学数据解析方法，具体涉及一种站起运动平衡监测与动力学解析系统。
背景技术
当前我国人口老龄化趋势明显，老年人口不断增多，多种病因导致的肢体运动功能缺失问题严重，需要运动康复辅助重获运动能力。目前市场上常见的运动康复设备多以器械为主，不考虑康复过程中病人与设备之间的人机交互问题，从而导致病人康复体验感差，康复运动效果不佳。
医学研究表明早期的运动康复训练对运动神经及肌肉的恢复具有明显效果。而站起过程是整个运动康复过程中最早需要恢复的基础动作。针对站起运动过程，本发明设计一种站起运动平衡监测与动力学解析系统。运动平衡监测系统中采用多种传感器实时监测站起过程中身体各肢段的运动学信号和足底力信号，再以ZMP原理为基础解算与评估身体的运动平衡状态，可用于运动康复辅助器械的控制或康复理疗科的临床分析。其中站起过程的动力学解析系统，以拉格朗日动力学方程为基础，采用由惯性传感器测得的速度、加速度等数据实时解算出下肢各关节力矩，可将所检测患者的各关节力矩值与对标健康人体站起中各关节力矩值进行实时比对，进而分析评估患者主要肌肉肌群的康复程度，从而用于定量化诊断运动康复状态。
发明内容
本发明依据康复医学科最康复人群运动训练时需要量化评估运动康复状态的需求，提供一种站起运动平衡监测与动力学解析系统，监测站起运动过程中人体的平衡性，解析站起过程中各关节力矩，判别站起过程中，人体所处站起阶段。本发明中所提供的可穿戴式多维足底测力模块，可实时检测患者足底力学状态，用于和对标健康人体站起过程中的足底力学规律做比对分析，判断站起过程中人体所处运动姿态，可为外辅力康复设备的研制提供必要的参考。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
一种站起运动平衡监测与动力学解析系统，包括以下四部分：
第一部分：采集使用者人体各肢段标记点的惯性信号，依据ZMP原理监测站起过程中人体运动平衡性；
第二部分：采集使用者人体各肢段标记点的惯性信号，依据拉格朗日方程，解析站起过程中下肢各关节力矩值；
第三部分：采集使用者足底地面支持反力信号，实时对比在对标健康人站起过程中的地面反力值变化规律数据库，判断使用者人体所处运动阶段。
第四部分：设计了一种可穿戴式足底六维力检测系统，用于足底六维力采集。
所述的一种站起运动平衡监测与动力学解析系统，其特征在于，第一部分包括以 下步骤：
第一步，以使用者人体站立时左右两脚踝在人体冠状面内的中点为原点，建立三维坐标系，并在此坐标系中建立站起过程中人体四肢段站起运动模型，包含脚、小腿、大腿、上身等四肢段；
第二步，依据《中华人民共和国国家标准:成年人人体惯性参数》，首先确定使用者人体各肢段重量在人体总质量内的占比，并确定各肢段质心位置相对于本肢段长度位置比。监测过程中，以使用者人体总质量为输入量，确定各肢段质量，并以各肢段质心处为该肢段标记点，安装惯性传感器，可检测该点加速度信号、速度信号，推算该肢段的关节角度信号；
第三步，通过惯性传感器得到使用者人体各肢段质心在站起过程中的速度、加速度等信息，计算各肢段运动过程中的惯性力，从而构建出多刚体人体运动力学模型；
第四步，依据ZMP原理，确定多刚体人体运动力学模型零力矩点位置；计算公式如下：
Figure BDA0001898360850000021
Figure BDA0001898360850000022
zzmp＝-h
式中：
mi为多刚体人体运动学模型各肢段的质量，
xi yi zi分别为多刚体人体运动学模型各肢段质心位置坐标，
Figure BDA0001898360850000031
分别为多刚体人体运动学模型各肢段质心处加速度，
h为坐标原点到支撑面的距离；
第五步、确定稳定支撑区域；站起过程中，稳定支撑区域为双脚站立区域。
第六步、将多刚体人体运动学模型零力矩点位置与稳定支撑区域做匹配判断，若位于稳定区域之内，则站起过程稳定，否则反之。
所述的一种站起运动平衡监测与动力学解析系统，其特征在于，第二部分包括以 下步骤：
第一步、将第一部分所建人体肢段模型向人体矢状面即YoZ平面内投影，简化人体肢段模型；
第二步、监测过程中，依据《中华人民共和国国家标准:成年人人体惯性参数》，以人体总质量为输入量，首先确定人体各肢段重量所占总体质量之比，计算出各肢段质量。其次确定各肢段质心位置相对于本肢段长度的之比，最后确定各肢段转动惯量；
第三步、仅取各肢段在人体矢状面内的速度、加速度等检测值；
第四步、依据拉格朗日方程，计算踝、膝、髋等关节力矩，计算公式如下：
L＝T-P
Figure BDA0001898360850000032
Figure BDA0001898360850000041
Figure BDA0001898360850000042
Figure BDA0001898360850000043
L拉格朗日函数；；
T系统动能；
P系统势能；
Mi关节力矩：1-踝关节力矩、2-膝关节力矩、3-髋关节力矩；
mi li kiθi
Figure BDA0001898360850000044
第i肢段的质量、长度、质心位置系数、角度、角速度、角加速度。
第五步、实时计算出使用者的各关节力矩，并与健康人实时关节力矩对比，以此估算出使用者站起运动的康复程度。
所述的一种站起运动平衡监测与动力学解析系统，其特征在于，第三部分包括以 下步骤：
第一步、运用所设计的足底测力装置，测出站起过程中足底六维力；
第二步、足底六维力具体计算公式如下：
Figure BDA0001898360850000045
第三步、依据与使用者对标的健康人站起过程中地面支持反力的变化规律，判断使用者所处站起运动的具体阶段。
所述的一种站起运动平衡监测与动力学解析系统，其特征在于：所采用惯性传感器以60Hz/s，采集人体站起过程中各肢段速度、加速度等惯性参数值。
所述的一种站起运动平衡监测与动力学解析系统，其特征在于，第四部分设计了 一种可穿戴式足底六维力检测系统，包括支撑鞋底1和六维力检测模块2两部分。六维力检测模块2下部与支撑鞋底1上表面的三个位置开孔的圆形阶梯槽内径之间采用过盈配合，以固定六维力检测模块2的位置；六维力检测模块2上部与支撑鞋底1圆形阶梯槽外平面之间保持一定间隙，保证人体足底力可以直接全部加载到六维力检测模块上，实现准确测量。
所述的一种站起运动平衡监测与动力学解析系统，其特征在于：所述六维力检测模块2包括螺栓201、承力顶板202、封装盖板203、螺帽204、导力环205、滚珠206、导力柱207、承力台208、薄膜压力传感器209、承载基座210。
在承载基座210内底面四点位置呈正方形贴四片薄膜压力传感器209，承力台208内置于承载基座210腔体内，承力台208底面的4个下凸压脚与薄膜压力传感器209上表面紧密压实接触，承力台208侧向的四面通过滚珠206与承载基座210腔体内侧四点横向开槽卡位并滚动接触。承力台208上表面四点位置呈正方形分布4个开孔槽，槽内置滚珠206后，向上支撑导力柱207，圆形的导力柱207侧面均匀分布半圆的竖向开槽，通过内嵌滚珠206与套接的导力环205内径面滚动接触，导力环205外径面四点均匀加工四个螺纹轴，螺纹轴上的螺帽204分别在四轴方向分别向外抵压承载基座210腔体内侧面对应位置所粘贴的薄膜压力传感器209。导力环205上表面同样四点位置呈正方形分布4个开孔槽，槽内置滚珠206，实现与封装盖板203之间通过滚珠206滚动接触，封装盖板203通过螺栓201与承载基座210封装。承力顶板202底面与导力柱207上表面接触，两者之间通过螺栓201连接。
本发明的有益效果在于通过运动学信号与力学信号的检测，监测人体站起过程中的平衡性；解析站起过程中各关节力矩，并将关节力矩与健康人做对比，从而评估病人的康复情况；检测人体足底六维力，并判断站起过程中人体所处站起阶段，可为站起运动康复机器人提供检测与分析工具。本发明设计尺寸适合家庭环境中使用，并且可以实现多功能应用，在老年化人口日益增长的社会背景下填补了本领域的技术空白，可减轻康复科医师的工作量，为站起运动康复训练提供定量化评估参考。造价低，重量轻，填补对标健康人体站起运动力学检测与评估产品领域的空白，具有广阔的市场应用前景。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1本发明的方法流程图
图2人体肢段模型与传感器安装位置图
图3基于站起运动力学分析的人体肢段模型图
图4脚部轮廓即稳定区域与ZMP点位置示意图
图5足底测力装置轴测图
图6足底六维力检测模块结构爆炸图
图7足底六维力检测模块剖视图
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。
参见图1所示，一种站起运动平衡监测与动力学解析系统包括四部分内容：
第一部分：采集使用者人体各肢段标记点的惯性信号，依据ZMP原理监测站起过程中人体运动平衡性；
第二部分：采集使用者人体各肢段标记点的惯性信号，依据拉格朗日方程，解析站起过程中下肢各关节力矩值；
第三部分：采集使用者足底地面支持反力信号，实时对比在对标健康人站起过程中的地面反力值变化规律数据库，判断使用者人体所处运动阶段。
第四部分：设计了一种可穿戴式足底六维力检测系统，用于足底六维力采集。
所述的一种站起运动平衡监测与动力学解析系统，其特征在于，第一部分包括以 下步骤：
第一步，以使用者人体站立时左右两脚踝在人体冠状面内的中点为原点，建立三维坐标系，并在此坐标系中建立站起过程中人体四肢段站起运动模型，包含脚、小腿、大腿、上身等四肢段；
第二步，依据《中华人民共和国国家标准:成年人人体惯性参数》，首先确定使用者人体各肢段重量在人体总质量内的占比，并确定各肢段质心位置相对于本肢段长度位置比。监测过程中，以使用者人体总质量为输入量，确定各肢段质量，并以各肢段质心处为该肢段标记点，安装惯性传感器，可检测该点加速度信号、速度信号，推算该肢段的关节角度信号；
第三步，通过惯性传感器得到使用者人体各肢段质心在站起过程中的速度、加速度等信息，计算各肢段运动过程中的惯性力，从而构建出多刚体人体运动力学模型；
第四步，依据ZMP原理，确定多刚体人体运动力学模型零力矩点位置；计算公式如下：
Figure BDA0001898360850000071
Figure BDA0001898360850000072
zzmp＝-h
式中：
mi为多刚体人体运动学模型各肢段的质量，
xi yi zi分别为多刚体人体运动学模型各肢段质心位置坐标，
Figure BDA0001898360850000073
分别为多刚体人体运动学模型各肢段质心处加速度，
h为坐标原点到支撑面的距离；
第五步、确定稳定支撑区域；站起过程中，稳定支撑区域为双脚站立区域。
第六步、将多刚体人体运动学模型零力矩点位置与稳定支撑区域做匹配判断，若位于稳定区域之内，则站起过程稳定，否则反之。
所述的一种站起运动平衡监测与动力学解析系统，其特征在于，第二部分包括以 下步骤：
第一步、将第一部分所建人体肢段模型向人体矢状面即YoZ平面内投影，简化人体肢段模型；
第二步、监测过程中，依据《中华人民共和国国家标准:成年人人体惯性参数》，以人体总质量为输入量，首先确定人体各肢段重量所占总体质量之比，计算出各肢段质量。其次确定各肢段质心位置相对于本肢段长度的之比，最后确定各肢段转动惯量；
第三步、仅取各肢段在人体矢状面内的速度、加速度等检测值；
第四步、依据拉格朗日方程，计算踝、膝、髋等关节力矩，计算公式如下：
L＝T-P
Figure BDA0001898360850000081
Figure BDA0001898360850000082
Figure BDA0001898360850000083
Figure BDA0001898360850000084
L拉格朗日函数；；
T系统动能；
P系统势能；
Mi关节力矩：1-踝关节力矩、2-膝关节力矩、3-髋关节力矩；
mi li kiθi
Figure BDA0001898360850000085
第i肢段的质量、长度、质心位置系数、角度、角速度、角加速度。
第五步、实时计算出使用者的各关节力矩，并与健康人实时关节力矩对比，以此估算出使用者站起运动的康复程度。
所述的一种站起运动平衡监测与动力学解析系统，其特征在于，第三部分包括以 下步骤：
第一步、运用所设计的足底测力装置，测出站起过程中足底六维力；
第二步、足底六维力具体计算公式如下：
Figure BDA0001898360850000091
第三步、依据与使用者对标的健康人站起过程中地面支持反力的变化规律，判断使用者所处站起运动的具体阶段。
所述的一种站起运动平衡监测与动力学解析系统，其特征在于：所采用惯性传感器以60Hz/s，采集人体站起过程中各肢段速度、加速度等惯性参数值。
所述的一种站起运动平衡监测与动力学解析系统，其特征在于，第四部分设计了 一种可穿戴式足底六维力检测系统，包括支撑鞋底1和六维力检测模块2两部分。六维力检测模块2下部与支撑鞋底1上表面三个位置开孔的圆形阶梯槽内径之间采用过盈配合，以固定六维力检测模块2的位置；六维力检测模块2上部与支撑鞋底1圆形阶梯槽外平面之间保持一定间隙，保证人体足底力可以直接全部加载到六维力检测模块上，实现准确测量。
所述的一种站起运动平衡监测与动力学解析系统，其特征在于：所述六维力检测模块2包括螺栓201、承力顶板202、封装盖板203、螺帽204、导力环205、滚珠206、导力柱207、承力台208、薄膜压力传感器209、承载基座210。
在承载基座210内底面四点位置呈正方形贴四片薄膜压力传感器209，承力台208内置于承载基座210腔体内，承力台208底面的4个下凸压脚与薄膜压力传感器209上表面紧密压实接触，承力台208侧向的四面通过滚珠206与承载基座210腔体内侧四点横向开槽卡位并滚动接触。承力台208上表面四点位置呈正方形分布4个开孔槽，槽内置滚珠206后，向上支撑导力柱207，圆形的导力柱207侧面均匀分布半圆的竖向开槽，通过内嵌滚珠206与套接的导力环205内径面滚动接触，导力环205外径面四点均匀加工四个螺纹轴，螺纹轴上的螺帽204分别在四轴方向分别向外抵压承载基座210腔体内侧面对应位置所粘贴的薄膜压力传感器209。导力环205上表面同样四点位置呈正方形分布4个开孔槽，槽内置滚珠206，实现与封装盖板203之间通过滚珠206滚动接触，封装盖板203通过螺栓201与承载基座210封装。承力顶板202底面与导力柱207上表面接触，两者之间通过螺栓201连接。
三块六维力检测模块2内置于支撑鞋底1之后，承力顶板202通过螺栓201与使用者的鞋子底面固定，并穿戴使用。当使用者开始站起运动时，体重开始向下压载承力顶板202，之后竖直方向的载荷力通过导力柱207向下压载滚珠206，之后再压载承力台208，之后竖直方向的载荷全部作用在承载基座210内的四片薄膜压力传感器209上，实现竖直方向载荷的检测。而在站起过程中，尽管相比与竖直方向，人体前后和左右方向的运动载荷力较小，但是通过导力柱207上所套接的导力环205侧向四个螺纹轴上的螺母，直接的压载承载基座210腔体内侧面对应位置所粘贴的薄膜压力传感器209，实现水平面内前后和左右两个轴向的运动载荷检测。本发明通过多组滚珠206实现各个方向载荷的解耦作用，在初始装配后，通过归零校准，实现足底六维力的精确测量。
以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种站起运动平衡监测与动力学解析系统，包括以下四部分：
第一部分：采集使用者人体各肢段标记点的惯性信号，依据ZMP原理监测站起过程中人体运动平衡性；
第二部分：采集使用者人体各肢段标记点的惯性信号，依据拉格朗日方程，解析站起过程中下肢各关节力矩值；
第三部分：采集使用者足底地面支持反力信号，实时对比在对标健康人站起过程中的地面反力值变化规律数据库，判断使用者人体所处运动阶段；
第四部分：设计了一种可穿戴式足底六维力检测系统，包括支撑鞋底(1)和六维力检测模块(2)两部分，六维力检测模块(2)下部与支撑鞋底(1)上表面的三个位置开孔的圆形阶梯槽内径之间采用过盈配合，以固定六维力检测模块(2)的位置，六维力检测模块(2)上部与支撑鞋底(1)圆形阶梯槽外平面之间保持一定间隙，保证人体足底力可以直接全部加载到六维力检测模块上，实现准确测量；所述六维力检测模块(2)包括螺栓(201)、承力顶板(202)、封装盖板(203)、螺帽(204)、导力环(205)、滚珠(206)、导力柱(207)、承力台(208)、薄膜压力传感器(209)、承载基座(210)；在承载基座(210)内底面四点位置呈正方形贴四片薄膜压力传感器(209)，承力台(208)内置于承载基座(210)腔体内，承力台(208)底面的4个下凸压脚与薄膜压力传感器(209)上表面紧密压实接触，承力台(208)侧向的四面通过滚珠(206)与承载基座(210)腔体内侧四点横向开槽卡位并滚动接触；承力台(208)上表面四点位置呈正方形分布4个开孔槽，槽内置滚珠(206)后，向上支撑导力柱(207)，圆形的导力柱(207)侧面均匀分布半圆的竖向开槽，通过内嵌滚珠(206)与套接的导力环(205)内径面滚动接触，导力环(205)外径面四点均匀加工四个螺纹轴，螺纹轴上的螺帽(204)分别在四轴方向分别向外抵压承载基座(210)腔体内侧面对应位置所粘贴的薄膜压力传感器(209)；导力环(205)上表面也四点位置呈正方形分布4个开孔槽，槽内置滚珠(206)，实现与封装盖板(203)之间通过滚珠(206)滚动接触，封装盖板(203)通过螺栓(201)与承载基座(210)封装；承力顶板(202)底面与导力柱(207)上表面接触，两者之间通过螺栓(201)连接。
2.根据权利要求1所述的一种站起运动平衡监测与动力学解析系统，其特征在于，第一部分包括以下步骤：
第一步，以使用者人体站立时左右两脚踝在人体冠状面内的中点为原点，建立三维坐标系，并在此坐标系中建立站起过程中人体四肢段站起运动模型，包含脚、小腿、大腿、上身等四肢段；
第二步，依据《中华人民共和国国家标准:成年人人体惯性参数》，首先确定使用者人体各肢段质量在人体总质量内的占比，并确定各肢段质心位置相对于本肢段长度位置比；监测过程中，以使用者人体总质量为输入量，确定各肢段质量，并以各肢段质心处为该肢段标记点，安装惯性传感器，可检测该点加速度信号、速度信号，推算该肢段的关节角度信号；
第三步，通过惯性传感器得到使用者人体各肢段质心在站起过程中的速度、加速度等信息，计算各肢段运动过程中的惯性力，从而构建出多刚体人体运动力学模型；
第四步，依据ZMP原理，确定多刚体人体运动力学模型零力矩点位置；计算公式如下：
Figure FDA0003026997960000021
Figure FDA0003026997960000022
zzmp＝-h
式中：
mi为多刚体人体运动学模型各肢段的质量；
xi yi zi分别为多刚体人体运动学模型各肢段质心位置坐标；
Figure FDA0003026997960000023
分别为多刚体人体运动学模型各肢段质心处加速度；
g为重力加速度；
h为坐标原点到支撑面的距离；
第五步、确定稳定支撑区域；站起过程中，稳定支撑区域为双脚站立区域；
第六步、将多刚体人体运动学模型零力矩点位置与稳定支撑区域做匹配判断，若位于稳定区域之内，则站起过程稳定，否则反之。
3.根据权利要求1所述的一种站起运动平衡监测与动力学解析系统，其特征在于，第二部分包括以下步骤：
第一步、将第一部分所建人体肢段模型向人体矢状面即YOZ平面内投影，简化人体肢段模型；
第二步、监测过程中，依据《中华人民共和国国家标准:成年人人体惯性参数》，以人体总质量为输入量，首先确定人体各肢段质量所占总体质量之比，计算出各肢段质量；其次确定各肢段质心位置相对于本肢段长度的之比，最后确定各肢段转动惯量；
第三步、仅取各肢段在人体矢状面内的速度、加速度等检测值；
第四步、依据拉格朗日方程，计算踝、膝、髋等关节力矩，计算公式如下：
L＝T-P
Figure FDA0003026997960000031
Figure FDA0003026997960000032
Figure FDA0003026997960000033
Figure FDA0003026997960000034
L表示拉格朗日函数；
T表示系统动能；
P表示系统势能；
M1、M2、M3分别表示踝关节力矩、膝关节力矩、髋关节力矩；
mi、li、ki、θi、
Figure FDA0003026997960000041
分别表示第i肢段的质量、长度、质心位置系数、角度、角速度、角加速度，i＝1、2、3分别表示小腿肢段、大腿肢段与上身肢段；
第五步、实时计算出使用者的各关节力矩，并与健康人实时关节力矩对比，以此估算出使用者站起运动的康复程度。
4.根据权利要求1所述的一种站起运动平衡监测与动力学解析系统，其特征在于，第三部分包括以下步骤：
第一步、运用所设计的足底测力装置，测出站起过程中足底六维力；
第二步、依据与使用者对标的健康人站起过程中地面支持反力的变化规律，判断使用者所处站起运动的具体阶段。
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