專利名稱：下肢關(guān)節(jié)作用力和力矩的穿戴式傳感器測(cè)量裝置及方法
下肢關(guān)節(jié)作用力和力矩的穿戴式傳感器測(cè)量裝置及方法本發(fā)明涉及醫(yī)療動(dòng)力學(xué)測(cè)量分析技術(shù)領(lǐng)域，具體地說(shuō)是一種人體或者仿真機(jī)器人的下肢關(guān)節(jié)作用力和力矩的測(cè)量裝置及方法。人類、動(dòng)物的行走運(yùn)動(dòng)乃至仿人機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制，都必須通過(guò)關(guān)節(jié)的鏈接，人體下肢關(guān)節(jié)主要包括足關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)，承擔(dān)著身體運(yùn)動(dòng)的較大負(fù)載。定量化的關(guān)節(jié)作用力信息對(duì)關(guān)節(jié)疾病的診斷有極其重要的參考意義，在中風(fēng)或者運(yùn)動(dòng)傷病康復(fù)治療的前后，也需要對(duì)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)和力進(jìn)行定量的測(cè)量，以評(píng)價(jià)治療的效果，對(duì)開發(fā)出高效行走的仿人機(jī)器人，關(guān)節(jié)作用力信息的反饋對(duì)智能控制系統(tǒng)開發(fā)也很有幫助。目前，傳統(tǒng)的關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)分析系統(tǒng)基于多個(gè)高速照相機(jī)的圖像運(yùn)動(dòng)分析系統(tǒng)和固定于地面的多塊測(cè)力板構(gòu)成。在每次測(cè)量之前，首先標(biāo)定照相機(jī)對(duì)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)標(biāo)準(zhǔn)目標(biāo)的三維位置坐標(biāo)的測(cè)量，建立標(biāo)定模板；然后在模板數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)高速相機(jī)捕捉測(cè)量對(duì)象的不同部位上固定的多個(gè)標(biāo)識(shí)點(diǎn)的位置三位坐標(biāo)，計(jì)算被測(cè)部分的三維姿態(tài)角。在高速相機(jī)的拍攝范圍內(nèi)該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)較高的檢測(cè)精度，但由于采用高速高精度的照相機(jī)以及圖像分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)價(jià)格偏高，只局限于實(shí)驗(yàn)研究和有限的臨床實(shí)驗(yàn)研究。而且這種傳統(tǒng)方法測(cè)量的運(yùn)動(dòng)區(qū)域有限，大量的標(biāo)識(shí)點(diǎn)也會(huì)影響到測(cè)量對(duì)象的正常運(yùn)動(dòng)，例如在狹小樓梯、多障礙工作區(qū)等特殊環(huán)境下，該運(yùn)動(dòng)分析系統(tǒng)將無(wú)法進(jìn)行測(cè)量。用于測(cè)量地面反作用力的一塊測(cè)力板則只能測(cè)量約0. 5平方米的平面范圍內(nèi)的作用力，如果要大范圍地測(cè)量人體運(yùn)動(dòng)，就需要鋪設(shè)多塊測(cè)力板，系統(tǒng)的采集數(shù)據(jù)的復(fù)雜程度和成本就會(huì)大幅增加，因此這種傳統(tǒng)的分析方法很難實(shí)現(xiàn)廣泛的臨床應(yīng)用和研究。在解析關(guān)節(jié)的作用力和力矩的時(shí)候，公開發(fā)表的關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)分析方法都是針對(duì)傳統(tǒng)的測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果，隨著傳感器和通訊技術(shù)的發(fā)展，小型或者微型的運(yùn)動(dòng)傳感器和力傳感器正開始在人體運(yùn)動(dòng)分析和機(jī)器人領(lǐng)域中大量使用。各式各樣的輕便小型的穿戴式傳感器正被應(yīng)用于人體姿態(tài)的分析中，但迄今為止，尚未有基于穿戴式傳感器的下肢各關(guān)節(jié)作用力和力矩的計(jì)算方法的公開。本發(fā)明的目的在于改進(jìn)現(xiàn)有測(cè)量裝置及計(jì)算方法，提供一種精確度高、使用不受空間限制、成本低廉、可實(shí)現(xiàn)對(duì)人體或動(dòng)物或機(jī)器人的關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)圖像分析的下肢關(guān)節(jié)作用力和力矩的測(cè)量裝置和計(jì)算方法。為實(shí)現(xiàn)上述目的，設(shè)計(jì)一種有關(guān)人體下肢關(guān)節(jié)作用力和力矩的穿戴式傳感器測(cè)量 裝置，包括利用計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器和軟件的數(shù)據(jù)采集器、藍(lán)牙無(wú)線通訊模塊及綁帶裝置，其特征在于盆骨設(shè)有第一傳感器，左右大腿部設(shè)有第二傳感器和第三傳感器，左右小腿部設(shè)有第四傳感器和第五傳感器，左右腳后跟側(cè)部設(shè)有第六傳感器和第七傳感器，右前腳掌側(cè)部設(shè)有第八傳感器和第九傳感器，左右足底的上下位置設(shè)有第十至第十三傳感器，用于測(cè)量行走過(guò)程中下肢的三維姿態(tài)和行走過(guò)程中底面的反作用力和力矩，所述的傳感器的數(shù)據(jù)測(cè)試信號(hào)輸入到具有藍(lán)牙無(wú)線通訊模塊和采集設(shè)備的計(jì)算機(jī)信號(hào)輸入端或者移動(dòng)設(shè)備連接的數(shù)據(jù)采集機(jī)的信號(hào)輸入端進(jìn)行采集和實(shí)時(shí)運(yùn)算，所述的第一傳感器至第九傳感器為三維姿態(tài)傳感器，該三維姿態(tài)傳感器的傳感單元由三軸陀螺儀、三軸加速度計(jì)和三軸磁強(qiáng)計(jì)構(gòu)成一個(gè)九軸運(yùn)動(dòng)傳感模塊，所述的第十至第十三傳感器為六軸力傳感器，該六軸力傳感器的傳感單元由三軸力傳感器和三軸力矩傳感器構(gòu)成，用以測(cè)量地面的三軸反作用力和三軸反作用力矩。所述的計(jì)算機(jī)程序控制的信號(hào)和采集模塊包括模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、微處理器、直流電源模塊和藍(lán)牙無(wú)線通訊模塊。一種有關(guān)人體下肢關(guān)節(jié)作用力和力矩的穿戴式傳感器測(cè)量方法，包括九個(gè)固定在下肢各運(yùn)動(dòng)部分的三維姿態(tài)傳感器，用于測(cè)量行走過(guò)程中下肢的三維姿態(tài)，四個(gè)分布在兩足足底的六軸力傳感器，用于測(cè)量行走過(guò)程中地面的反作用力和力矩，以及一臺(tái)連接有藍(lán)牙無(wú)線通訊模塊的計(jì)算機(jī)，通過(guò)藍(lán)牙無(wú)線通訊模塊的計(jì)算機(jī)程序?qū)γ織l腿單獨(dú)順次求解足關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)的力和力矩，其特征在于該方法包括以下步驟a.運(yùn)動(dòng)起始時(shí)，在測(cè)量對(duì)象的右腳后跟(7)重合處定義一個(gè)全局直角坐標(biāo)系(21)，該坐標(biāo)系的X軸正方向指向測(cè)量對(duì)象的正右方，Y軸正方向指向測(cè)量對(duì)象的正前方，通過(guò)右手法確定該坐標(biāo)系的Z軸正方向。b.通過(guò)彈性繃帶或兩面膠將九個(gè)三維姿態(tài)傳感器分別固定在定義為剛體的九個(gè) 部位(4、5、6、7、8、9、10、11 和 12)的表面。c.由三軸陀螺儀(22 )、三軸加速度計(jì)(23 )和三軸磁強(qiáng)計(jì)(24 )構(gòu)成的九軸運(yùn)動(dòng)傳感模塊輸出信號(hào)，經(jīng)過(guò)微處理器運(yùn)算，得到用于計(jì)算三維姿態(tài)矩陣的三維姿態(tài)角或三維姿態(tài)的四維數(shù)，通過(guò)藍(lán)牙無(wú)線通訊模塊(26)將三維姿態(tài)的四維數(shù)按設(shè)定的采樣周期發(fā)送至連有藍(lán)牙無(wú)線通訊模塊的計(jì)算機(jī)(3)，計(jì)算機(jī)(3)通過(guò)藍(lán)牙無(wú)線通訊模塊發(fā)送指令，設(shè)定三維姿態(tài)傳感器的測(cè)量范圍、低通濾波器參數(shù)和采樣頻率。d.在九個(gè)三維姿態(tài)傳感器上設(shè)定局部直角坐標(biāo)系，各個(gè)局部直角坐標(biāo)系滿足右手法則，固定在骨盆(4)的三維姿態(tài)傳感器的局部直角坐標(biāo)系(31)，X軸與右髖關(guān)節(jié)(13)和左髖關(guān)節(jié)(17)的連線平行，并指向右髖關(guān)節(jié)(13)，其Y軸與全局直角坐標(biāo)系(21)的Y軸一致；固定在右大腿(5)的三維姿態(tài)傳感器的局部直角坐標(biāo)系(32)X軸與全局直角坐標(biāo)系21的X軸一致，Z軸與右髖關(guān)節(jié)(13)和右膝關(guān)節(jié)(14)的連線平行對(duì)齊，Z軸正方向指向右髖關(guān)節(jié)(13);固定在右小腿(6)的三維姿態(tài)傳感器的局部直角坐標(biāo)系(33)的Z軸與右膝關(guān)節(jié)
(14)和右踝關(guān)節(jié)(15)的連線平行對(duì)齊，其Z軸正方向指向右膝關(guān)節(jié)(14)，三維姿態(tài)傳感器的X軸與全局直角坐標(biāo)系(21)的X軸一致；固定在右腳后跟(7)的三維姿態(tài)傳感器的局部直角坐標(biāo)系(34)的Y軸與水平面對(duì)齊，且Y軸正方向指向右足關(guān)節(jié)(16)，X軸與全局直角坐標(biāo)系(21)的X軸一致；固定在右前腳掌(8)的三維姿態(tài)傳感器的局部直角坐標(biāo)系(35)的Y軸與水平面對(duì)齊，且Y軸負(fù)方向指向右足關(guān)節(jié)(16)，X軸與全局直角坐標(biāo)系21的X軸一致；左腿(9、10、11和12)上固定的三維姿態(tài)傳感器的對(duì)齊方法與所述右腿方法類似。e.地面的反作用力和力矩的實(shí)時(shí)測(cè)量，將足底的兩個(gè)六軸力傳感器以及腳后跟和前腳掌側(cè)部的三維姿態(tài)傳感器的測(cè)量結(jié)果轉(zhuǎn)換到全局坐標(biāo)系下參考分析，轉(zhuǎn)換方式如下，例如前腳掌底部的六軸力傳感器相對(duì)于其局部坐標(biāo)系(37)的測(cè)量輸出結(jié)果(三軸力
權(quán)利要求
1.下肢關(guān)節(jié)作用力和力矩的穿戴式傳感器測(cè)量裝置，包括利用計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器和軟件的數(shù)據(jù)采集器、藍(lán)牙無(wú)線通訊模塊及綁帶裝置，其特征在于盆骨設(shè)有第一傳感器，左右大腿部設(shè)有第二傳感器和第三傳感器，左右小腿部設(shè)有第四傳感器和第五傳感器，左右腳后跟側(cè)部設(shè)有第六傳感器和第七傳感器，右前腳掌側(cè)部設(shè)有第八傳感器和第九傳感器，左右足底的上下位置設(shè)有第十至第十三傳感器，用于測(cè)量行走過(guò)程中下肢的三維姿態(tài)和行走過(guò)程中底面的反作用力和カ矩，所述的傳感器的數(shù)據(jù)測(cè)試信號(hào)輸入到具有藍(lán)牙無(wú)線通訊模塊和采集設(shè)備的計(jì)算機(jī)信號(hào)輸入端或者移動(dòng)設(shè)備連接的數(shù)據(jù)采集機(jī)的信號(hào)輸入端進(jìn)行采集和實(shí)時(shí)運(yùn)算，所述的第一傳感器至第九傳感器為三維姿態(tài)傳感器，該三維姿態(tài)傳感器的傳感單元由三軸陀螺儀、三軸加速度計(jì)和三軸磁強(qiáng)計(jì)構(gòu)成一個(gè)九軸運(yùn)動(dòng)傳感模塊，所述的第十至第十三傳感器為六軸カ傳感器，該六軸力傳感器的傳感單元由三軸カ傳感器和三軸カ矩傳感器構(gòu)成，用以測(cè)量地面的三軸反作用力和三軸反作用カ矩。
2.如權(quán)利要求I所述的下肢關(guān)節(jié)作用力和力矩的穿戴式傳感器測(cè)量裝置，其特征在于所述的計(jì)算機(jī)程序控制的信號(hào)和采集模塊包括模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、微處理器、直流電源模塊和藍(lán)牙無(wú)線通訊模塊。
3.下肢關(guān)節(jié)作用力和力矩的穿戴式傳感器測(cè)量方法，包括九個(gè)固定在下肢各運(yùn)動(dòng)部分的三維姿態(tài)傳感器，用于測(cè)量行走過(guò)程中下肢的三維姿態(tài)，四個(gè)分布在兩足足底的六軸カ傳感器，用于測(cè)量行走過(guò)程中地面的反作用力和カ矩，以及一臺(tái)連接有藍(lán)牙無(wú)線通訊模塊的計(jì)算機(jī)，通過(guò)藍(lán)牙無(wú)線通訊模塊的計(jì)算機(jī)程序?qū)γ織l腿單獨(dú)順次求解足關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)的力和カ矩，其特征在于該方法包括以下步驟 a.運(yùn)動(dòng)起始時(shí)，在測(cè)量對(duì)象的右腳后跟(7)重合處定義ー個(gè)全局直角坐標(biāo)系(21)，該坐標(biāo)系的X軸正方向指向測(cè)量對(duì)象的正右方，Y軸正方向指向測(cè)量對(duì)象的正前方，通過(guò)右手法確定該坐標(biāo)系的Z軸正方向。
b.通過(guò)彈性繃帶或兩面膠將九個(gè)三維姿態(tài)傳感器分別固定在定義為剛體的九個(gè)部位(4、5、6、7、8、9、10、11 和 12)的表面。
c.由三軸陀螺儀(22)、三軸加速度計(jì)(23 )和三軸磁強(qiáng)計(jì)(24)構(gòu)成的九軸運(yùn)動(dòng)傳感模塊輸出信號(hào)，經(jīng)過(guò)微處理器運(yùn)算，得到用于計(jì)算三維姿態(tài)矩陣的三維姿態(tài)角或三維姿態(tài)的四維數(shù)，通過(guò)藍(lán)牙無(wú)線通訊模塊(26)將三維姿態(tài)的四維數(shù)按設(shè)定的采樣周期發(fā)送至連有藍(lán)牙無(wú)線通訊模塊的計(jì)算機(jī)(3)，計(jì)算機(jī)(3)通過(guò)藍(lán)牙無(wú)線通訊模塊發(fā)送指令，設(shè)定三維姿態(tài)傳感器的測(cè)量范圍、低通濾波器參數(shù)和采樣頻率。
d.在九個(gè)三維姿態(tài)傳感器上設(shè)定局部直角坐標(biāo)系，各個(gè)局部直角坐標(biāo)系滿足右手法貝U，固定在骨盆(4)的三維姿態(tài)傳感器的局部直角坐標(biāo)系(31)，X軸與右髖關(guān)節(jié)(13)和左髖關(guān)節(jié)(17)的連線平行，并指向右髖關(guān)節(jié)(13)，其Y軸與全局直角坐標(biāo)系(21)的Y軸一致；固定在右大腿(5)的三維姿態(tài)傳感器的局部直角坐標(biāo)系(32)X軸與全局直角坐標(biāo)系21的X軸一致，Z軸與右髖關(guān)節(jié)(13)和右膝關(guān)節(jié)(14)的連線平行對(duì)齊，Z軸正方向指向右髖關(guān)節(jié)(13);固定在右小腿(6)的三維姿態(tài)傳感器的局部直角坐標(biāo)系(33)的Z軸與右膝關(guān)節(jié)(14)和右踝關(guān)節(jié)(15)的連線平行對(duì)齊，其Z軸正方向指向右膝關(guān)節(jié)(14)，三維姿態(tài)傳感器的X軸與全局直角坐標(biāo)系(21)的X軸一致；固定在右腳后跟(7)的三維姿態(tài)傳感器的局部直角坐標(biāo)系(34)的Y軸與水平面對(duì)齊，且Y軸正方向指向右足關(guān)節(jié)(16)，X軸與全局直角坐標(biāo)系(21)的X軸一致；固定在右前腳掌(8)的三維姿態(tài)傳感器的局部直角坐標(biāo)系(35)的Y軸與水平面對(duì)齊，且Y軸負(fù)方向指向右足關(guān)節(jié)(16)，X軸與全局直角坐標(biāo)系21的X軸一致；左腿(9、10、11和12)上固定的三維姿態(tài)傳感器的對(duì)齊方法與所述右腿方法類似。
e.地面的反作用力和カ矩的實(shí)時(shí)測(cè)量，將足底的兩個(gè)六軸カ傳感器以及腳后跟和前腳掌側(cè)部的三維姿態(tài)傳感器的測(cè)量結(jié)果轉(zhuǎn)換到全局坐標(biāo)系下參考分析，轉(zhuǎn)換方式如下，例如~Fx{k)前腳掌底部的六軸カ傳感器相對(duì)于其局部坐標(biāo)系(37)的測(cè)量輸出結(jié)果(三軸力
4.如權(quán)利要求3所述的下肢關(guān)節(jié)作用力和力矩的穿戴式傳感器測(cè)量方法，其特征在于所述計(jì)算機(jī)軟件計(jì)算流程具體步驟如下 a.第一歩，輸入被測(cè)目標(biāo)下肢各部位的長(zhǎng)度參數(shù)，建立下肢簡(jiǎn)化骨骼模型，簡(jiǎn)化后的骨骼模型由簡(jiǎn)化直線和球形構(gòu)成。b.第二步，根據(jù)各三維姿態(tài)傳感器的局部坐標(biāo)系和各部位長(zhǎng)度參數(shù)，在右腳后跟(7)開始著地到左后腳跟(11)或左前腳掌(12)開始著地前這段間隔內(nèi)，以右腳后跟(7)作為轉(zhuǎn)動(dòng)原點(diǎn)，用公式(b-k)計(jì)算下肢各個(gè)關(guān)節(jié)坐標(biāo)(%f、(S、■、 、禮ヽ啦、私、びL、在i和鋒？)，計(jì)算順序設(shè)定為先右側(cè)從下到上，然后左側(cè)從上到下。
5.如權(quán)利要求I和3所述的下肢關(guān)節(jié)作用力和力矩的穿戴式傳感器測(cè)量裝置及方法，其特征在于所述裝置和方法應(yīng)用于人體、動(dòng)物及仿真機(jī)器人下肢運(yùn)動(dòng)測(cè)試。
全文摘要
本發(fā)明涉及醫(yī)療動(dòng)力學(xué)測(cè)量分析技術(shù)領(lǐng)域，具體地說(shuō)是下肢關(guān)節(jié)作用力和力矩的穿戴式傳感器測(cè)量裝置及方法，裝置包括計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器和軟件的數(shù)據(jù)采集器、藍(lán)牙無(wú)線通訊模塊等，其特征在于盆骨設(shè)有第一傳感器，左右大腿部設(shè)有第二和第三傳感器，左右小腿部設(shè)有第四和第五傳感器，左右腳后跟側(cè)部設(shè)有第六和第七傳感器，右前腳掌側(cè)部設(shè)有第八和第九傳感器，左右足底的上下位置設(shè)有第十至第十三傳感器，傳感器數(shù)據(jù)測(cè)試信號(hào)輸入到計(jì)算機(jī)信號(hào)輸入端進(jìn)行采集和運(yùn)算，本發(fā)明可最大限度減少下肢各部位質(zhì)量、質(zhì)心和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量估算誤差對(duì)關(guān)節(jié)力和力矩計(jì)算精度的影響，而且該方法可以減少計(jì)算量，有利于實(shí)現(xiàn)在實(shí)時(shí)測(cè)量和控制上的應(yīng)用。
文檔編號(hào)G01L3/00GK102670217SQ201210138889
公開日2012年9月19日 申請(qǐng)日期2012年5月4日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月4日
發(fā)明者劉濤 申請(qǐng)人:嘉興市制衡精儀有限公司