CN115227204B - 一种非侵入式腕关节轴线参数的测量装置及测量方法 - Google Patents

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CN115227204B CN202210853311.7A CN202210853311A CN115227204B CN 115227204 B CN115227204 B CN 115227204B CN 202210853311 A CN202210853311 A CN 202210853311A CN 115227204 B CN115227204 B CN 115227204B
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Abstract

本发明涉及一种非侵入式腕关节轴线参数的测量装置，包括驱动模块、测量模块和手臂承托模块，驱动模块包括支撑板和设在支撑板上的减速电机组，用角度传感器测减速电机组输出端的转动角度；测量模块包括摆臂和握把，摆臂与减速电机组的输出端连接，摆臂上沿其旋转径向滑动设有安装块，采用直线位移传感器测安装块的滑动位移，握把与安装块可拆卸连接，握把的手持端水平设置或者竖直设置；手臂承托模块包括水平设置的支撑手托，支撑手托与握把相互垂直设置，前臂固定在支撑手托上，且手部握住握把，采用激光指示器指示减速电机组输出端的转动轴线与腕关节的转动轴线对齐，第一惯性传感器相对于腕关节固定设置，第二惯性传感器设置在手掌或手指上。

Description

一种非侵入式腕关节轴线参数的测量装置及测量方法
技术领域
本发明属于人体工程技术领域，尤其涉及一种非侵入式腕关节轴线参数的测量装置及测量方法。
背景技术
由于腕关节复杂的生理解剖结构，手腕在进行掌屈/背伸和桡偏/尺偏两自由度的运动时，其转动的轴线并不是固定的，而是随着腕关节的运动而发生变化，其相对于固定轴线会产生一个轴线偏差。此外，在对腕关节功能障碍的患者使用机器人进行康复训练时发现，手臂表面皮肤的变形、穿戴绑具与皮肤的相对滑动等都可能导致腕关节运动时的转动轴线相对机器人的转动轴线发生偏移，这也给腕关节转动轴线的定位以及腕关节转动半径的测量工作带来干扰和困难。但腕关节转动轴线偏差及转动半径的准确测量一方面可以为康复训练装置、假肢、矫形器等提供设计的理论依据，另一方面也可作为腕关节功能性评估的评价指标。因此，腕关节转动轴线偏差及转动半径的准确测量具有的较大的现实应用价值。
腕关节转动轴线偏差及转动半径的测量方法主要包括侵入式和非侵入式。侵入式常见于将标记点直接打入关节骨骼，通过X光等成像设备，实现对轴线运动变化的观测，以及转动半径的测量，该方法对人体伤害较大，故一般较少采纳。非侵入式测量方法，主要是在皮肤表面贴放标记点进行测量，通过运动捕捉系统等设备进行测量，尽管一定程度上减少了对人体的伤害，但测量结果易受标记点放置位置的影响，此外皮肤表面变形、也会对结果产生影响；此外，近些年有文献记载如申请号为CN201711032354.4公开的一种非侵入式腕关节轴线运动模型测量方法，或Yu N,Xu C.An Improved Wrist Kinematic Model forHuman-Robot Interaction[J].2020.，通过构建腕关节运动封闭矢量环，结合坐标变换、参数优化等方式求解腕关节转动轴线的位姿，但需配合特殊的运动捕捉系统或视觉传感设备，计算量较大，求解过程较复杂，成本较高。
发明内容
为解决现有技术存在的非侵入式腕关节的转动轴线偏差和转动半径的测量过程较复杂的问题，本发明提供一种非侵入式腕关节轴线参数的测量装置及测量方法。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下，一种非侵入式腕关节轴线参数的测量装置，包括，
驱动模块，所述驱动模块包括支撑板、减速电机组和角度传感器，所述减速电机组设置在支撑板上，所述角度传感器用于检测减速电机组的输出端的转动角度；
测量模块，所述测量模块包括摆臂、握把、激光指示器、直线位移传感器、第一惯性传感器和第二惯性传感器，所述摆臂与减速电机组的输出端连接，所述摆臂上滑动设置有安装块，所述安装块的滑动方向朝向摆臂的旋转径向，所述直线位移传感器用于检测安装块的滑动位移，所述握把与安装块可拆卸连接，所述握把的手持端水平设置或者竖直设置；
以及手臂承托模块，所述手臂承托模块包括水平设置的支撑手托，所述支撑手托与握把相互垂直设置，前臂固定在支撑手托上，且手部握住握把，所述激光指示器用于指示减速电机组的输出端转动轴线与腕关节的转动轴线对齐，所述第一惯性传感器相对于腕关节固定设置，所述第二惯性传感器设置在手掌或手指上。
作为优选，所述握把通过快拆结构与安装块可拆卸连接，所述快拆结构包括拉杆、外挡板、内挡板和弹簧，所述安装块上开设有弹簧腔和安装孔，所述拉杆的一端滑动穿过弹簧腔，且所述内挡板固定设置在拉杆的该端，所述外挡板固定设置在安装块上，所述弹簧位于内挡板和外挡板之间，所述握把的一端设置在安装孔内，所述弹簧处于压缩状态使得内挡板与握把的该端相抵固定。快拆结构简单可靠，设计巧妙，只需拉动或松开拉杆即可实现握把的拆装，握把的拆装十分便捷。
进一步地，所述内挡板上设置有卡珠，所述握把位于安装孔的一端开设有环槽，所述卡珠与环槽相抵固定。提高握把的安装可靠性和稳定性。
作为优选，所述手臂承托模块还包括支撑底座，所述支撑手托与支撑底座上下滑动连接，所述支撑手托和支撑底座之间设置有锁止件，所述锁止件用于使支撑手托相对于支撑底座锁止固定。支撑手托的高度可升降，提高该测量装置的适用范围，提高该测量装置的测量精度。
作为优选，所述测量模块还包括直线导轨滑块结构，所述直线导轨滑块结构的直线导轨固定设置在摆臂上，且其方向朝向摆臂的旋转径向，所述安装块与直线导轨滑块结构的滑块固定连接。安装块的滑动设置简单可靠，滑动精度高，成本较低。
作为优选，该测量装置还包括底板，所述支撑板和支撑手托均设置在底板上。使得该测量装置集成化，便于该测量装置的移动，以适应各使用环境。
进一步地，所述前臂通过绑带固定在支撑手托上，所述手部通过绑带固定在握把上。确保前臂与支撑手托之间无相对运动，确保手部与握把之间无相对运动，确保腕关节与握把之间产生了交互力，以驱动安装块产生直线位移，确保腕关节的运动参数测量精度。
进一步地，所述第一惯性传感器通过魔术贴或支架固定设置在支撑手托上，所述第二惯性传感器通过魔术贴固定设置在手掌或手指上；所述直线位移传感器固定设置在摆臂上；所述激光指示器固定设置在减速电机组的输出端。第一惯性传感器、第二惯性传感器和激光指示器的固定结构简单可靠，便于实现，成本较低。
一种非侵入式腕关节轴线参数的测量方法，采用上述任一种所述的非侵入式腕关节轴线参数的测量装置，该测量方法包括如下步骤：
1)测量前准备和初始时刻数据记录：
首先将第二惯性传感器固定在手掌或手指上，再将前臂放置在支撑手托上，且手部抓握在握把上，手部再带动握把水平前伸，同时根据激光指示器发射的激光束调整前臂和手部的放置位置，直至腕关节的转动轴线与驱动模块的转动轴线对齐，再将前臂固定在支撑手托上，以及将手部固定在握把上，再将第一惯性传感器相对于腕关节固定；当手部水平前伸时驱动模块的摆臂水平并设定为测量的初始位置，此时记录角度传感器的初始角度数值、直线位移传感器的初始位移数值，以及驱动模块的转动轴线到握把的轴线的初始距离；
2)转动轴线运动模型的建立：
将驱动模块的转动轴线作为基准轴线，将腕关节的转动轴线相对于基准轴线的偏差量记为m；将腕关节的转动轴线到握把轴线的距离定义为腕关节的转动半径r1；若测量腕关节的掌屈背伸，则握把的手持端为水平设置，若测量腕关节的桡偏尺偏，则握把的手持端为竖直设置；
3)转动轴线偏差量和腕关节转动半径的求解：
将驱动模块的转动轴线到握把的轴线的距离r2定义为驱动模块的转动半径，假定初始时刻无轴线偏差，则有r2＝r1；当驱动模块转动角度θ2后，此时腕关节的转动轴线发生偏差量m，腕关节转动半径由r1变为r1'，驱动模块的转动半径自适应调整量为Δ，则驱动模块的转动半径由r2变为r'2，并且r'2＝r2+Δ；再通过第一惯性传感器和第二惯性传感器得出腕关节的实际转动角度θ1，再通过驱动模块内的角度传感器得出驱动模块的转动角度θ2；最后，根据正弦定理有：
Figure BDA0003736645170000051
式中/>
Figure BDA0003736645170000052
r'2＝r2+Δ，可求得腕关节的转动轴线偏差m以及对应于转动轴线偏差的腕关节转动半径r1'。
进一步地，在步骤1)中在第一惯性传感器处建立直角坐标系{Od,Xd,Yd,Zd}，以及在第二惯性传感器处建立直角坐标系{Of,Xf,Yf,Zf}，以及建立世界坐标系{Ow,Xw,Yw,Zw}；
在步骤3)中记驱动模块的转动中心点为O，记腕关节的掌屈背伸或桡偏尺偏自由运动的初始转动中心点为C1，初始时刻点O与点C1重合，则初始时刻的腕关节转动轴线的偏差量为零；记初始时刻握把的轴线中心点为D1，
Figure BDA0003736645170000061
为驱动模块的转动轴线到握把的轴线之间的距离，即为驱动模块的初始转动半径，表示为/>
Figure BDA0003736645170000062
Figure BDA0003736645170000063
表示为腕关节的转动轴线到握把的轴线之间的距离，即为腕关节的初始转动半径，表示为/>
Figure BDA0003736645170000064
初始时刻有r2＝r1；
当驱动模块转动角度θ2后，腕关节的转动中心由点C1变化到点C2，则有
Figure BDA0003736645170000065
握把的轴线中心点由点D1变化到点D2；若腕关节的转动轴线无偏差，握把的轴线中心点到达虚拟的中心点记为D'2；因此，当驱动模块转动角度θ2后，此时腕关节的转动轴线已发生偏差量m；驱动模块的转动半径自适应调整量为/>
Figure BDA0003736645170000066
表示为/>
Figure BDA0003736645170000067
则驱动模块的转动半径变为/>
Figure BDA0003736645170000068
表示为/>
Figure BDA0003736645170000069
Figure BDA00037366451700000610
表示驱动模块转动角度θ2后的腕关节的转动半径，可表示为/>
Figure BDA00037366451700000611
通过姿态角计算第一惯性传感器和第二惯性传感器之间的夹角度数，再将180度与夹角度数相减得出腕关节的实际转动角度θ1；由驱动模块内的角度传感器可以获得驱动模块的转动角度θ2；r2数值可由初始时刻通过手动测量而得；Δ数值可由直线位移传感器测量而得；
最后，在ΔOdM2P2中，根据正弦定理有：
Figure BDA00037366451700000612
式中/>
Figure BDA00037366451700000613
r'2＝r2+Δ，可求得驱动模块转动角度θ2后，腕关节的转动轴线偏差m以及对应于转动轴线偏差的腕关节转动半径r1'。
有益效果：本发明的非侵入式腕关节轴线参数的测量装置，摆臂和沿摆臂的旋转径向滑动设置的安装块，巧妙的实现腕关节的转动半径的自适应，分析并建立腕关节的转动轴线偏差量及转动半径与驱动模块实际转动角度、腕关节实际转动角度、腕关节转动半径自适应调整量之间的动态关系，建立求解数学方程，从而求解立腕关节的转动轴线偏差及转动半径，其中转动轴线偏差是通过求解其相对于静止的驱动模块的转动轴线的偏差而得，并求解握把轴线到腕关节转动轴线的距离作为腕关节的转动半径；本发明的非侵入式腕关节轴线参数的测量装置，结构简单可靠，设计巧妙，便于实现，成本较低。
本发明的非侵入式腕关节轴线参数的测量方法，在实验过程中将前臂和手部分别与支撑手托和握把紧密绑定，并将惯性传感器安装于手掌或手指上，排除表面皮肤变形、前臂与支撑手托之间的相对滑动等因素对腕关节转动轴线的位置带来的干扰，提高了腕关节转动轴线偏差及转动半径的求解的准确性，因此，使用本发明求解腕关节转动轴线偏差及转动半径，可以比较充分地表征因生理结构原因导致的腕关节转动轴线及转动半径的变化情况；
本发明的非侵入式腕关节轴线参数的测量方法，相比于现有的方法，本发明对于腕关节转动轴线偏差及转动半径的测量具有明显的个体化特征，腕关节转动轴线偏差的数值与人体生理结构(如腕关节腕骨到指骨的距离、关节活动范围等)相关，且不易受表面皮肤变形、前臂与支撑手托之间的相对滑动等因素的影响，测量简单方便，测量精度较高，成本较低，具有较好的推广应用价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。
图1是本发明非侵入式腕关节轴线参数的测量装置的立体结构示意图，其中握把的手持端水平设置；
图2是图1中A的局部放大示意图；
图3是本发明非侵入式腕关节轴线参数的测量装置的快拆结构的剖视示意图；
图4是本发明非侵入式腕关节轴线参数的测量装置的立体结构示意图，其中握把的手持端竖直设置；
图5是本发明非侵入式腕关节轴线参数的测量方法的原理示意图；
图中：1、驱动模块，11、支撑板，12、减速电机组，13、角度传感器，2、测量模块，21、摆臂，22、握把，221、环槽，23、激光指示器，24、直线位移传感器，25、第一惯性传感器，26、第二惯性传感器，27、安装块，271、弹簧腔，28、快拆结构，281、拉杆，282、外挡板，283、内挡板，284、弹簧，285、卡珠，29、直线导轨滑块结构，291、直线导轨，292、滑块，3、手臂承托模块，31、支撑手托，32、支撑底座，33、锁止件，4、魔术贴，5、底板，6、前臂，7、手部。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
如图1～4所示，一种非侵入式腕关节轴线参数的测量装置，包括驱动模块1、测量模块2以及手臂承托模块3；所述驱动模块1包括支撑板11、减速电机组12和角度传感器13，所述减速电机组12设置在支撑板11上，所述角度传感器13用于检测减速电机组12的输出端的转动角度；所述测量模块2包括摆臂21、握把22、激光指示器23、直线位移传感器24、第一惯性传感器25和第二惯性传感器26，所述摆臂21与减速电机组12的输出端连接，所述摆臂21上滑动设置有安装块27，所述安装块27的滑动方向朝向摆臂21的旋转径向，安装块27和摆臂21组成自适应结构，所述直线位移传感器24用于检测安装块27的滑动位移，本实施例的所述直线位移传感器24固定设置在摆臂21上，所述握把22与安装块27可拆卸连接，所述握把22的手持端水平设置如图1所示，或者所述握把22的手持端竖直设置如图4所示；所述手臂承托模块3包括水平设置的支撑手托31，所述支撑手托31与握把22相互垂直设置，前臂6固定在支撑手托31上，且手部7握住握把22，所述激光指示器23用于指示减速电机组12的输出端转动轴线与腕关节的转动轴线对齐，本实施例的所述激光指示器23固定设置在减速电机组12的输出端，所述第一惯性传感器25相对于腕关节固定设置，所述第二惯性传感器26设置在手掌或手指上，所述第二惯性传感器26和第一惯性传感器25相对设置；该测量装置还包括底板5，所述支撑板11和支撑手托31均设置在底板5上。
为了便于更换握把22，在本实施例中，如图2和图3所示，所述握把22通过快拆结构28与安装块27可拆卸连接，所述快拆结构28包括拉杆281、外挡板282、内挡板283和弹簧284，所述安装块27上开设有弹簧腔271和安装孔，所述拉杆281的一端滑动穿过弹簧腔271，且所述内挡板283固定设置在拉杆281的该端，所述外挡板282固定设置在安装块27上，所述弹簧284位于内挡板283和外挡板282之间，所述握把22的一端设置在安装孔内，所述弹簧284处于压缩状态使得内挡板283与握把22的该端相抵固定；进一步地，所述内挡板283上设置有卡珠285，所述握把22位于安装孔的一端开设有环槽221，所述卡珠285与环槽221相抵固定。
为了便于调节支撑手托31的高度以适应不同的测量者，在本实施例中，如图1所示，所述手臂承托模块3还包括支撑底座32，所述支撑手托31与支撑底座32上下滑动连接，所述支撑手托31和支撑底座32之间设置有锁止件33，所述锁止件33用于使支撑手托31相对于支撑底座32锁止固定；具体地，本实施例的所述锁止件33为锁止螺钉。
为了实现安装块27在摆臂21上稳定可靠的滑动，在本实施例中，如图2所示，所述测量模块2还包括直线导轨滑块结构29，所述直线导轨滑块结构29的直线导轨291固定设置在摆臂21上，且其方向朝向摆臂21的旋转径向，所述安装块27与直线导轨滑块结构29的滑块292固定连接。
为了前臂6和手部7的可靠固定，提高测量精度，在本实施例中，所述前臂6通过绑带(图中未示意出)固定在支撑手托31上，所述手部7通过绑带(图中未示意出)固定在握把22上；如图2所示，所述第一惯性传感器25通过魔术贴4或支架固定设置在支撑手托31上，所述第二惯性传感器26通过魔术贴4固定设置在手掌或手指上。
一种非侵入式腕关节轴线参数的测量方法，采用上述的非侵入式腕关节轴线参数的测量装置，该测量方法包括如下步骤：
1)测量前准备和初始时刻数据记录：
首先将第二惯性传感器26通过魔术贴4固定在手掌或手指上，再将前臂6放置在支撑手托31上，且手部7抓握在握把22上，手部7再带动握把22水平前伸，同时根据激光指示器23发射的激光束调整前臂6和手部7的放置位置，直至腕关节的转动轴线与驱动模块1的转动轴线对齐，再将前臂6通过绑带固定在支撑手托31上，确保前臂6与支撑手托31之间无相对运动，以及将手部7通过绑带固定在握把22上，确保手部7与握把22之间无相对运动，再将第一惯性传感器25通过魔术贴4固定在支撑手托31上以相对于腕关节固定；当手部7水平前伸时驱动模块1的摆臂21水平并设定为测量的初始位置(零位)，此时记录角度传感器13的初始角度数值、直线位移传感器24的初始位移数值，以及根据该测量装置的尺寸，结合直线位移传感器24的初始数值，可以获得驱动模块1的转动轴线到握把22的轴线的初始距离；如图1所示，在第一惯性传感器25处建立直角坐标系{O1,X1,Y1,Z1}，以及在第二惯性传感器26处建立直角坐标系{O2,X2,Y2,Z2}，以及建立世界坐标系{Ow,Xw,Yw,Zw}；
2)转动轴线运动模型的建立：
腕关节具备两个自由度，即腕关节的掌屈/背伸自由度和桡偏/尺偏自由度，两自由度的转动轴线位置随着腕关节的转动而不断变化，而驱动模块1的转动轴线是固定不变的；为方便求解，将驱动模块1的转动轴线作为基准轴线，将腕关节的转动轴线相对于基准轴线的偏差量记为m，作为本发明所述的腕关节转动轴线变化量的表征；同时，腕关节转动轴线偏差带来了腕关节转动轴线到握把22轴线的距离发生变化，为方便求解，将腕关节的转动轴线到握把22轴线的距离定义为腕关节的转动半径r1；此外，通过快拆结构28可以实现两自由度不同握把22的快速切换，实现不同自由度的转动轴线偏差量m的求解，若测量腕关节的掌屈/背伸，则握把22的手持端为水平设置，若测量腕关节的桡偏/尺偏，则握把22的手持端为竖直设置；以下对腕关节掌屈/背伸自由度的转动轴线偏差量及对应的转动半径的求解作具体描述，而桡偏/尺偏的转动轴线偏差量及对应的转动半径可同理求得，不再赘述；
3)转动轴线偏差量和腕关节转动半径的求解：
如图5所示，通过绘制腕关节掌屈/背伸自由度转动过程中的运动简图，可获得腕关节转动轴线偏差量及腕关节转动半径与驱动模块1实际转动角度、腕关节实际转动角度、腕关节转动半径自适应调整量之间的动态关系；利用数学几何方程，可定量求解腕关节的转动轴线偏差量m和对应的腕关节转动半径r1'的数值；
将驱动模块1的转动轴线到握把22的轴线的距离r2定义为驱动模块1的转动半径，假定初始时刻无轴线偏差，则有r2＝r1；当驱动模块1转动角度θ2后，腕关节的转动轴线发生偏差量m，腕关节转动半径由r1变为r1'，驱动模块1的转动半径自适应调整量为Δ，则驱动模块1的转动半径由r2变为r'2，可表示为r'2＝r2+Δ；再通过第一惯性传感器25和第二惯性传感器26得出腕关节的实际转动角度θ1，再通过驱动模块1内的角度传感器13得出驱动模块1的转动角度θ2，直线位移传感器24测得自适应调整量Δ；最后，根据正弦定理有：
Figure BDA0003736645170000131
式中/>
Figure BDA0003736645170000132
r'2＝r2+Δ，可求得驱动模块1转动角度θ2后，腕关节的转动轴线偏差m以及对应于转动轴线偏差的腕关节转动半径r1'。
进一步地，对步骤3)作如下具体描述：
如图1和图5所示，记驱动模块1的转动中心点为O，记腕关节的掌屈背/伸自由运动的初始转动中心点为C1，初始时刻在激光指示器23的辅助下，驱动模块1的转动轴线与腕关节掌屈/背伸自由度的转动轴线视觉上对齐，尽管其实际可能存在一定的偏差(偏差可忽略不计)，为方便后期计算，假定初始转动轴线对齐，初始时刻点O与点C1重合，则初始时刻的腕关节转动轴线的偏差量为零；记初始时刻握把22的轴线中心点为D1，
Figure BDA0003736645170000141
为驱动模块1的转动轴线到握把22的轴线之间的距离，即为驱动模块1的初始转动半径，表示为/>
Figure BDA0003736645170000142
Figure BDA0003736645170000143
表示为腕关节的转动轴线到握把22的轴线之间的距离，即为腕关节的初始转动半径，表示为/>
Figure BDA0003736645170000144
初始时刻有r2＝r1；
当驱动模块1转动角度θ2后，因腕关节生理结构原因，腕关节的转动轴线相对于驱动模块1的转动轴线发生偏差m，如图1和图5所示，腕关节的转动中心由点C1变化到点C2，则有
Figure BDA0003736645170000145
同时，因腕关节的转动轴线偏差原因，腕关节的转动半径也发生变化，导致腕关节并不按照其初始半径发生转动，而驱动模块1的转动半径继续按照其初始半径发生转动，则两者间轨迹将不重合，考虑到前臂6和手部7均通过绑带固定无相对运动，从而导致腕关节与握把22之间产生了交互力，驱动安装块27沿直线导轨291产生直线位移，最终导致了握把22的轴线中心点由点D1变化到点D2；若腕关节的转动轴线无偏差，则安装块27无直线位移产生，握把22的轴线中心点到达虚拟的中心点记为D'2；当驱动模块1转动角度θ2，腕关节的转动轴线发生偏差量m后，驱动模块1的转动半径自适应调整量为/>
Figure BDA0003736645170000146
可表示为
Figure BDA0003736645170000147
则驱动模块1的转动半径由/>
Figure BDA0003736645170000148
变为/>
Figure BDA0003736645170000149
可表示为/>
Figure BDA0003736645170000151
即驱动模块(1)的转动半径由r2变为r'2；驱动模块转动角度θ2后，腕关节的转动半径由/>
Figure BDA0003736645170000152
变为
Figure BDA0003736645170000153
可表示为/>
Figure BDA0003736645170000154
即腕关节的转动半径由r1变为r1'；
根据文献(Yu N,Xu C.An Improved Wrist Kinematic Model for Human-RobotInteraction[J].2020.)了解，腕骨中的头状骨与第三指骨(中指)之间几乎不存在相对运动，通常将其作为刚性体研究，因此第二惯性传感器26相对于世界坐标系(固定坐标系)的数值变化可以作为腕关节实际转动角度的表征量；在驱动模块1转动角度后，第一惯性传感器25的数值相对世界坐标系保持不变，第二惯性传感器26相对于世界坐标系发生转动；本发明分别解算每个惯性传感器姿态的四元数，再将所得到的四元数转换成姿态角，通过姿态角计算第一惯性传感器25和第二惯性传感器26之间的夹角度数，再将180度与夹角度数相减得出腕关节的实际转动角度θ1；
最后，在ΔOdM2P2中，根据正弦定理有：
Figure BDA0003736645170000155
式中/>
Figure BDA0003736645170000156
r'2＝r2+Δ；初始时刻，驱动模块1的转动轴线到握把22轴线的距离r2可通过手动测量，腕关节转动半径自适应调整量Δ通过转动过程中直线位移传感器24实时获得，驱动模块1转动角度θ2通过驱动模块1内的角度传感器13实时获得，通过姿态角计算第一惯性传感器25和第二惯性传感器26之间的夹角度数，再将180度与夹角度数相减得出腕关节的实际转动角度θ1，则通过上式可求得驱动模块1转动角度θ2后，腕关节的转动轴线偏差m以及对应于转动轴线偏差的腕关节转动半径r1'。
以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种非侵入式腕关节轴线参数的测量方法，其特征在于：该测量方法通过非侵入式腕关节轴线参数的测量装置实现，该测量装置包括，
驱动模块(1)，所述驱动模块(1)包括支撑板(11)、减速电机组(12)和角度传感器(13)，所述减速电机组(12)设置在支撑板(11)上，所述角度传感器(13)用于检测减速电机组(12)的输出端的转动角度；
测量模块(2)，所述测量模块(2)包括摆臂(21)、握把(22)、激光指示器(23)、直线位移传感器(24)、第一惯性传感器(25)和第二惯性传感器(26)，所述摆臂(21)与减速电机组(12)的输出端连接，所述摆臂(21)上滑动设置有安装块(27)，所述安装块(27)的滑动方向朝向摆臂(21)的旋转径向，所述直线位移传感器(24)用于检测安装块(27)的滑动位移，所述握把(22)与安装块(27)可拆卸连接，所述握把(22)的手持端水平设置或者竖直设置；
以及手臂承托模块(3)，所述手臂承托模块(3)包括水平设置的支撑手托(31)，所述支撑手托(31)与握把(22)相互垂直设置，前臂(6)固定在支撑手托(31)上，且手部(7)握住握把(22)，所述激光指示器(23)用于指示减速电机组(12)的输出端转动轴线与腕关节的转动轴线对齐，所述第一惯性传感器(25)相对于腕关节固定设置，所述第二惯性传感器(26)设置在手掌或手指上；
该测量方法包括如下步骤：
1)测量前准备和初始时刻数据记录：
首先将第二惯性传感器(26)固定在手掌或手指上，再将前臂(6)放置在支撑手托(31)上，且手部(7)抓握在握把(22)上，手部(7)再带动握把(22)水平前伸，同时根据激光指示器(23)发射的激光束调整前臂(6)和手部(7)的放置位置，直至腕关节的转动轴线与驱动模块(1)的转动轴线对齐，再将前臂(6)固定在支撑手托(31)上，以及将手部(7)固定在握把(22)上，再将第一惯性传感器(25)相对于腕关节固定；当手部(7)水平前伸时驱动模块(1)的摆臂(21)水平并设定为测量的初始位置，此时记录角度传感器(13)的初始角度数值、直线位移传感器(24)的初始位移数值，以及驱动模块(1)的转动轴线到握把(22)的轴线的初始距离；
2)转动轴线运动模型的建立：
将驱动模块(1)的转动轴线作为基准轴线，将腕关节的转动轴线相对于基准轴线的偏差量记为m；将腕关节的转动轴线到握把(22)轴线的距离定义为腕关节的转动半径r1；若测量腕关节的掌屈背伸，则握把(22)的手持端为水平设置，若测量腕关节的桡偏尺偏，则握把(22)的手持端为竖直设置；
3)转动轴线偏差量和腕关节转动半径的求解：
将驱动模块(1)的转动轴线到握把(22)的轴线的距离r2定义为驱动模块(1)的转动半径，假定初始时刻无轴线偏差，则有r2＝r1；当驱动模块(1)转动角度θ2后，此时腕关节的转动轴线发生偏差量m，腕关节转动半径由r1变为r′1，驱动模块(1)的转动半径自适应调整量为Δ，则驱动模块(1)的转动半径由r2变为r′2，并且r′2＝r2+Δ；再通过第一惯性传感器(25)和第二惯性传感器(26)得出腕关节的实际转动角度θ1，再通过驱动模块(1)内的角度传感器(13)得出驱动模块(1)的转动角度θ2；最后，根据正弦定理有：
Figure FDA0004190080250000031
式中/>
Figure FDA0004190080250000032
r′2＝r2+Δ，可求得腕关节的转动轴线偏差m以及对应于转动轴线偏差的腕关节转动半径r′1。
2.根据权利要求1所述的非侵入式腕关节轴线参数的测量方法，其特征在于：在步骤1)中在第一惯性传感器(25)处建立直角坐标系{Od,Xd,Yd,Zd}，以及在第二惯性传感器(26)处建立直角坐标系{Of,Xf,Yf,Zf}，以及建立世界坐标系{Ow,Xw,Yw,Zw}；
在步骤3)中记驱动模块(1)的转动中心点为O，记腕关节的掌屈背伸或桡偏尺偏自由运动的初始转动中心点为C1，初始时刻点O与点C1重合，则初始时刻的腕关节转动轴线的偏差量为零；记初始时刻握把(22)的轴线中心点为D1，
Figure FDA0004190080250000033
为驱动模块(1)的转动轴线到握把(22)的轴线之间的距离，即为驱动模块(1)的初始转动半径，表示为/>
Figure FDA0004190080250000034
Figure FDA0004190080250000035
表示为腕关节的转动轴线到握把(22)的轴线之间的距离，即为腕关节的初始转动半径，表示为
Figure FDA0004190080250000036
初始时刻有r2＝r1；
当驱动模块(1)转动角度θ2后，腕关节的转动中心由点C1变化到点C2，则有
Figure FDA0004190080250000037
握把(22)的轴线中心点由点D1变化到点D2；若腕关节的转动轴线无偏差，握把(22)的轴线中心点到达虚拟的中心点记为D′2；因此，当驱动模块(1)转动角度θ2后，此时腕关节的转动轴线已发生偏差量m；驱动模块(1)的转动半径自适应调整量为/>
Figure FDA0004190080250000041
表示为/>
Figure FDA0004190080250000042
则驱动模块(1)的转动半径变为/>
Figure FDA0004190080250000043
表示为/>
Figure FDA0004190080250000044
Figure FDA0004190080250000045
表示驱动模块(1)转动角度θ2后的腕关节的转动半径，可表示为/>
Figure FDA0004190080250000046
通过姿态角计算第一惯性传感器(25)和第二惯性传感器(26)之间的夹角度数，再将180度与夹角度数相减得出腕关节的实际转动角度θ1；由驱动模块(1)内的角度传感器(13)可以获得驱动模块(1)的转动角度θ2；r2数值可由初始时刻通过手动测量而得；Δ数值可由直线位移传感器(24)测量而得；
最后，在ΔOdM2P2中，根据正弦定理有：
Figure FDA0004190080250000047
式中/>
Figure FDA0004190080250000048
r′2＝r2+Δ，可求得驱动模块(1)转动角度θ2后，腕关节的转动轴线偏差m以及对应于转动轴线偏差的腕关节转动半径r′1。
3.根据权利要求1所述的非侵入式腕关节轴线参数的测量方法，其特征在于：所述握把(22)通过快拆结构(28)与安装块(27)可拆卸连接，所述快拆结构(28)包括拉杆(281)、外挡板(282)、内挡板(283)和弹簧(284)，所述安装块(27)上开设有弹簧腔(271)和安装孔，所述拉杆(281)的一端滑动穿过弹簧腔(271)，且所述内挡板(283)固定设置在拉杆(281)的该端，所述外挡板(282)固定设置在安装块(27)上，所述弹簧(284)位于内挡板(283)和外挡板(282)之间，所述握把(22)的一端设置在安装孔内，所述弹簧(284)处于压缩状态使得内挡板(283)与握把(22)的该端相抵固定。
4.根据权利要求3所述的非侵入式腕关节轴线参数的测量方法，其特征在于：所述内挡板(283)上设置有卡珠(285)，所述握把(22)位于安装孔的一端开设有环槽(221)，所述卡珠(285)与环槽(221)相抵固定。
5.根据权利要求1所述的非侵入式腕关节轴线参数的测量方法，其特征在于：所述手臂承托模块(3)还包括支撑底座(32)，所述支撑手托(31)与支撑底座(32)上下滑动连接，所述支撑手托(31)和支撑底座(32)之间设置有锁止件(33)，所述锁止件(33)用于使支撑手托(31)相对于支撑底座(32)锁止固定。
6.根据权利要求1所述的非侵入式腕关节轴线参数的测量方法，其特征在于：所述测量模块(2)还包括直线导轨滑块结构(29)，所述直线导轨滑块结构(29)的直线导轨(291)固定设置在摆臂(21)上，且其方向朝向摆臂(21)的旋转径向，所述安装块(27)与直线导轨滑块结构(29)的滑块(292)固定连接。
7.根据权利要求1～6任一项所述的非侵入式腕关节轴线参数的测量方法，其特征在于：该测量装置还包括底板(5)，所述支撑板(11)和支撑手托(31)均设置在底板(5)上。
8.根据权利要求1～6任一项所述的非侵入式腕关节轴线参数的测量方法，其特征在于：所述前臂(6)通过绑带固定在支撑手托(31)上，所述手部(7)通过绑带固定在握把(22)上。
9.根据权利要求1～6任一项所述的非侵入式腕关节轴线参数的测量方法，其特征在于：所述第一惯性传感器(25)通过魔术贴(4)或支架固定设置在支撑手托(31)上，所述第二惯性传感器(26)通过魔术贴(4)固定设置在手掌或手指上；所述直线位移传感器(24)固定设置在摆臂(21)上；所述激光指示器(23)固定设置在减速电机组(12)的输出端。
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