CN112438725B - 头部转动角度测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种头部转动角度测量装置，包括头部固定装置、肩部固定装置、三自由度转动角度测量装置和控制器，头部固定装置和肩部固定装置分别固定在人体头部和肩部，三自由度转动角度测量装置用于提供头部绕矢状轴、冠状轴和垂直轴的转动自由度，通过磁编码器测量头部绕矢状轴的旋转角度、头部绕垂直轴的旋转角度、头部绕冠状轴的旋转角度并上传至控制器进行输出。本发明通过使用磁编码器，可以提高头部转动角度测量的灵活度和精度。
Description
技术领域
本发明属于头部转动角度测量技术领域，更为具体地讲，涉及一种头部转动角度测量装置。
背景技术
颈椎活动度是指颈椎在矢状面、冠状面和水平面等三个平面的运动，包括前后屈、左右侧屈和左右旋三个自由度，是反应颈椎运动功能的最有效最直接的指标。图1是人体的面与轴示意图。大多数颈部疾病都会引起颈椎活动度的改变，所以目前颈椎活动度是评价颈椎功能及颈椎受损程度、诊断和鉴别颈部疾病、治疗效果评价及预后分析的重要参考指标。
公开号为CN 209107988 U的专利提出了一种人体头部左右旋转角度测量的装置，包括支架底座、两根定位架、量角器、头套以及指针，只能测量人体仰卧状态下颈部左右旋转的角度，角度数据只能目视读取。
公开号为CN 210582487 U的专利提出一种颈椎三维活动度智能测量仪，使用头顶布置的姿态传感器/九轴陀螺仪检测颈椎在三维空间中的姿态变化，并通过无线传输到终端设备显示。但使用陀螺仪测量头部姿态数据会有漂移，精度较差。
公开号为CN 210375087 U的专利通过头盔上安装的姿态测量传感器模块和红外测量模块测量头部转动角度，需要配合外部红外工业相机使用，使用场景受限，使用不方便。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种头部转动角度测量装置，通过设置三自由度转动角度测量装置进行头部转动角度测量，提高测量的灵活度和精度。
为实现上述发明目的，本发明头部转动角度测量装置包括头部固定装置、肩部固定装置、三自由度转动角度测量装置和控制器，其中：
头部固定装置固定在人体头部；
肩部固定装置固定在人体肩部；
三自由度转动角度测量装置用于提供头部绕矢状轴、冠状轴和垂直轴的转动自由度，通过磁编码器测量转动角度并上传至控制器，三自由度转动角度测量装置包括头部连杆、滑轨夹持机构、弧形滑轨、两个滑轨连接杆、两个肩部连杆、矢状轴旋转磁编码器、垂直轴线性磁编码器、冠状轴旋转磁编码器，其中：
头部连杆的上端与头部固定装置固定连接，下端与滑轨夹持机构转动连接，提供头部绕矢状轴的转动自由度；
滑轨夹持机构与弧形滑轨滑动连接，滑轨夹持机构绕弧形滑轨滑动，提供头部绕垂直轴的转动自由度；
弧形滑轨位于头部后方，其两端分别与两个滑轨连接杆的上端固定连接；
两个滑轨连接杆的下端分别与对应肩部连杆的上端转动连接，提供头部绕冠状轴的转动自由度；
两个肩部连杆的下端分别与肩部固定装置固定连接；
矢状轴旋转磁编码器安装在头部连杆和滑轨夹持机构的转动副上，测量得到头部绕矢状轴的旋转角度θs并发送给控制器；
垂直轴线性磁编码器安装在滑轨夹持机构上，测量得到滑轨夹持机构在弧形滑轨上的移动弧长距离L，计算得到头部绕垂直轴的旋转角度θv并发送给控制器，头部绕垂直轴的旋转角度θv的计算公式如下：
其中，r表示弧形滑轨的半径；
冠状轴旋转磁编码器安装在其中一组滑轨连接杆24和肩部连杆25的转动副上，测量得到头部绕冠状轴的旋转角度θc并发送给控制器；
控制器对头部绕矢状轴的旋转角度θs、头部绕垂直轴的旋转角度θv以及头部绕冠状轴的旋转角度θc进行汇总，按照预设操作进行处理后进行输出。
本发明头部转动角度测量装置，包括头部固定装置、肩部固定装置、三自由度转动角度测量装置和控制器，头部固定装置和肩部固定装置分别固定在人体头部和肩部，三自由度转动角度测量装置用于提供头部绕矢状轴、冠状轴和垂直轴的转动自由度，通过磁编码器测量头部绕矢状轴的旋转角度、头部绕垂直轴的旋转角度、头部绕冠状轴的旋转角度并上传至控制器进行输出。
本发明具有以下技术效果：
1)本发明不需要相机等外部数据采集设备，使用简单灵活；
2)通过磁编码器进行旋转角度测量，避免采用姿态传感器进行测量可能会发生的数据漂移，从而有效提高测量精度。
附图说明
图1是人体的面与轴示意图；
图2是本发明头部转动角度测量装置的具体实施方式结构图；
图3是本发明中三自由度转动角度测量装置的正视图；
图4是本发明中三自由度转动角度测量装置的后视图；
图5是本实施例中滑轨夹持机构的结构图；
图6是本实施例中矢状轴旋转磁编码器的安装方式示意图；
图7是本实施例中垂直轴旋转磁编码器的安装方式示意图；
图8是本实施例中冠状轴旋转磁编码器的安装方式示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
实施例
图2是本发明头部转动角度测量装置的具体实施方式结构图。如图2所示，本发明头部转动角度测量装置包括头部固定装置1、肩部固定装置2、三自由度转动角度测量装置3和控制器4，下面分别对各个部分进行详细说明。
头部固定装置1固定在人体头部。本实施例中头部固定装置1采用帽子实现，还可以增加一个扣带，用于增加固定效果。
肩部固定装置2固定在人体肩部。本实施例中肩部固定装置2为一对弧形固定装置，分别扣在人体两肩并通过织物固定。
三自由度转动角度测量装置3用于提供头部绕矢状轴、冠状轴和垂直轴的转动自由度，并通过磁编码器测量转动角度并上传至控制器。图3是本发明中三自由度转动角度测量装置的正视图。图4是本发明中三自由度转动角度测量装置的后视图。如图3和图4所示，本发明中头部连杆21、滑轨夹持机构22、弧形滑轨23、两个滑轨连接杆24、两个肩部连杆25、矢状轴旋转磁编码器26、垂直轴线性磁编码器27和冠状轴旋转磁编码器28，其中：
头部连杆21的上端与头部固定装置1固定连接，下端与滑轨夹持机构22转动连接，提供头部绕矢状轴的转动自由度。也就是说，当人体头部绕矢状轴转动时，头部连杆21会以其与滑轨夹持机构22连接处为轴进行转动。
滑轨夹持机构22与弧形滑轨23滑动连接，滑轨夹持机构22绕弧形滑轨23滑动，提供头部绕垂直轴的转动自由度。也就是说，当人体头部绕垂直轴转动时，滑轨夹持机构22会在弧形滑轨23上进行滑动。图5是本实施例中滑轨夹持机构的结构图。如图3所示，本实施例中滑轨夹持机构包括滑轨夹持盖221、两对凹槽轴承222和滑轨夹持座223，滑轨夹持盖221位于弧形滑轨23内侧，与头部连杆21连接，弧形滑轨23位于滑轨夹持盖221和滑轨夹持座223之间，两对凹槽轴承222安装在滑轨夹持座223上，两对凹槽轴承222分别位于弧形滑轨23的上方和下方，用于限制弧形滑轨23在两个非圆周方向上的移动。
弧形滑轨23位于头部后方，其两端分别与两个滑轨连接杆24的上端固定连接。
两个滑轨连接杆24的下端分别与对应肩部连杆25的上端转动连接，提供头部绕冠状轴的转动自由度。也就是说，当人体头部绕冠状轴转动时，两个滑轨连接杆24会以其与对应肩部连杆25的连接处为轴进行转动。
两个肩部连杆25的下端分别与肩部固定装置2固定连接。
矢状轴旋转磁编码器26安装在头部连杆21和滑轨夹持机构22的转动副上，测量得到头部绕矢状轴的旋转角度θs并发送给控制器4；
垂直轴线性磁编码器27安装在滑轨夹持机构22上，测量得到滑轨夹持机构22在弧形滑轨23上的移动弧长距离L，计算得到头部绕垂直轴的旋转角度θv并发送给控制器4，头部绕垂直轴的旋转角度θv的计算公式如下：
其中，r表示弧形滑轨的半径。
冠状轴旋转磁编码器28安装在其中一组滑轨连接杆24和肩部连杆25的转动副上，测量得到头部绕冠状轴的旋转角度θc并发送给控制器4。
控制器4对头部绕矢状轴的旋转角度θs、头部绕垂直轴的旋转角度θv以及头部绕冠状轴的旋转角度θc进行汇总，按照预设操作进行处理后进行输出。预设操作通常包括去噪处理、统计处理等。在实际应用中，控制器4的安装位置可以根据需要进行选择，如图3和图4所示，本实施例中控制器4安装于头部固定装置1(即帽子)的上方。控制器4与各个磁编码器之间可以采用有线连接，也可以采用无线连接。本实施例中采用有线连接方式，且由控制器向各个磁编码器进行供电。控制器4对头部转动角度测量装置测量得到的数据进行输出后，收到数据的上位机可以进行进一步分析处理和显示。
对于本发明而言，各个磁编码器的安装结构十分重要，合理准确的安装才能使测量得到的旋转角度更加准确。
图6是本实施例中矢状轴旋转磁编码器的安装方式示意图。如图6所示，本实施例中矢状轴旋转磁编码器26包括磁柱261、旋转磁编码器262和编码器盖263，安装配件包括台阶轴264、无油衬套265和垫片266。其中，台阶轴264的轴头穿过头部连杆21上所设置的开孔与滑轨夹持盖211固定，使得头部连杆21和滑轨夹持盖221以台阶轴264为旋转轴形成转动连接。在台阶轴264和头部连杆21之间设置有无油衬套265，在头部连杆21和滑轨夹持盖221之间设置有铜垫片266，以减小头部连杆21在转动过程中的摩擦阻力。矢状轴旋转磁编码器26中的磁柱261固定在台阶轴264轴端的中心，旋转磁编码器262盖住磁柱261与头部连杆21固定连接，编码器盖263安装于旋转磁编码器262外侧。如此，头部连杆21和滑轨夹持盖221之间的相对转动即等同于磁柱261与旋转磁编码器262之间的相对转动，从而使矢状轴旋转磁编码器26得以测量出头部绕矢状轴的旋转角度θs。
图7是本实施例中垂直轴旋转磁编码器的安装方式示意图。如图7所示，本实施例中垂直轴线性磁编码器27包括磁性带271和线性磁编码器272，其中磁性带271安装于弧形滑轨23外侧，线性磁编码器272安装于滑轨夹持座223的外侧，滑轨夹持座223上设置有开孔，线性磁编码器272通过开孔捕捉磁性带271上的磁信号进行测量，从而测量得到滑轨夹持机构22在弧形滑轨23上的移动弧长距离L。
图8是本实施例中冠状轴旋转磁编码器的安装方式示意图。如图8所示，本实施例中冠状轴旋转磁编码器28包括磁柱281、旋转磁编码器282和编码器盖283，安装配件包括台阶轴284、无油衬套285和螺母286。其中，台阶轴284依次穿过滑轨连接杆24和肩部连杆25上所设置的开孔，通过螺母286与肩部连杆25固定连接，形成转动副，在台阶轴284和滑轨连接杆24之间设置无油衬套285，以减小滑轨连接杆24在转动过程中的摩擦阻力。冠状轴旋转磁编码器28中的磁柱281固定在台阶轴284轴端的中心，旋转磁编码器282盖住磁柱281与滑轨连接杆24固定连接，编码器盖283安装于旋转磁编码器282外侧。如此，滑轨连接杆24和肩部连杆25之间的相对转动即等同于磁柱281与旋转磁编码器282之间的相对转动，从而使冠状轴旋转磁编码器28得以测量出头部绕冠状轴的旋转角度θc。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
Claims (6)
1.一种头部转动角度测量装置，其特征在于包括头部固定装置、肩部固定装置、三自由度转动角度测量装置和控制器，其中：
头部固定装置固定在人体头部；
肩部固定装置固定在人体肩部；
三自由度转动角度测量装置用于提供头部绕矢状轴、冠状轴和垂直轴的转动自由度，通过磁编码器测量转动角度并上传至控制器，三自由度转动角度测量装置包括头部连杆、滑轨夹持机构、弧形滑轨、两个滑轨连接杆、两个肩部连杆、矢状轴旋转磁编码器、垂直轴线性磁编码器、冠状轴旋转磁编码器，其中：
头部连杆的上端与头部固定装置固定连接，下端与滑轨夹持机构转动连接，提供头部绕矢状轴的转动自由度；
滑轨夹持机构与弧形滑轨滑动连接，滑轨夹持机构绕弧形滑轨滑动，提供头部绕垂直轴的转动自由度；滑轨夹持机构包括滑轨夹持盖、两对凹槽轴承和滑轨夹持座，滑轨夹持盖位于弧形滑轨内侧，与头部连杆连接，弧形滑轨位于滑轨夹持盖和滑轨夹持座之间，两对凹槽轴承安装在滑轨夹持座上，两对凹槽轴承分别位于弧形滑轨的上方和下方，用于限制弧形滑轨在两个非圆周方向上的移动；
弧形滑轨位于头部后方，其两端分别与两个滑轨连接杆的上端固定连接；
两个滑轨连接杆的下端分别与对应肩部连杆的上端转动连接，提供头部绕冠状轴的转动自由度；
两个肩部连杆的下端分别与肩部固定装置固定连接；
矢状轴旋转磁编码器安装在头部连杆和滑轨夹持机构的转动副上，测量得到头部绕矢状轴的旋转角度θs并发送给控制器；
垂直轴线性磁编码器安装在滑轨夹持机构上，测量得到滑轨夹持机构在弧形滑轨上的移动弧长距离L，计算得到头部绕垂直轴的旋转角度θv并发送给控制器，头部绕垂直轴的旋转角度θv的计算公式如下：
其中，r表示弧形滑轨的半径；
冠状轴旋转磁编码器安装在其中一组滑轨连接杆和肩部连杆25的转动副上，测量得到头部绕冠状轴的旋转角度θc并发送给控制器；
控制器对头部绕矢状轴的旋转角度θs、头部绕垂直轴的旋转角度θv以及头部绕冠状轴的旋转角度θc进行汇总，按照预设操作进行处理后进行输出。
2.根据权利要求1所述的头部转动角度测量装置，其特征在于，所述头部固定装置采用帽子实现。
3.根据权利要求1所述的头部转动角度测量装置，其特征在于，所述肩部固定装置为一对弧形固定装置，分别扣在人体两肩并通过织物固定。
4.根据权利要求1所述的头部转动角度测量装置，其特征在于，所述矢状轴旋转磁编码器包括磁柱、旋转磁编码器和编码器盖，采用以下方式进行安装：
设置安装配件，包括台阶轴、无油衬套和垫片，其中台阶轴的轴头穿过头部连杆上所设置的开孔与滑轨夹持盖固定，使得头部连杆和滑轨夹持盖以台阶轴为旋转轴形成转动连接；在台阶轴和头部连杆之间设置有无油衬套，在头部连杆和滑轨夹持盖之间设置有垫片；矢状轴旋转磁编码器中的磁柱固定在台阶轴轴端的中心，旋转磁编码器盖住磁柱与头部连杆固定连接，编码器盖安装于旋转磁编码器外侧。
5.根据权利要求1所述的头部转动角度测量装置，其特征在于，所述垂直轴线性磁编码器包括磁性带和线性磁编码器，其中磁性带安装于弧形滑轨外侧，线性磁编码器安装于滑轨夹持座的外侧，滑轨夹持座上设置有开孔，线性磁编码器通过开孔捕捉磁性带上的磁信号进行测量。
6.根据权利要求1所述的头部转动角度测量装置，其特征在于，所述冠状轴旋转磁编码器包括磁柱、旋转磁编码器和编码器盖，采用以下方式进行安装：
设置安装配件台阶轴、无油衬套和螺母，其中台阶轴依次穿过滑轨连接杆和肩部连杆上所设置的开孔，通过螺母与肩部连杆固定连接，形成转动副，在台阶轴和滑轨连接杆之间设置无油衬套；冠状轴旋转磁编码器中的磁柱固定在台阶轴轴端的中心，旋转磁编码器盖住磁柱与滑轨连接杆固定连接，编码器盖安装于旋转磁编码器外侧。
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