[发明专利]一种人体惯性参数识别方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种人体惯性参数识别方法，特别涉及一种利用冲量和动量矩定理、基于运动捕捉技术和压力传感测量装置获得人体惯性参数的方法。人体惯性参数可用于人体步态的动力学分析，在体育运动科学、医疗康复等其他领域有重要应用。 

背景技术

人体惯性参数包括质量、质心和惯性张量。大量研究表明，人体惯性参数识别对人体步态的动力学分析有重要的影响。在人体运动学分析、体育运动科学、医疗康复等其他领域，需要更高精度的人体惯性参数。 

在生物机械学领域，第一种用于人体惯性参数测量的方法是解剖测量，并建立且不断更新数据库。后来随着医疗科学技术的发展，像磁共振成像法、X光扫描法和计算机断层扫描法都用于测量人体惯性参数。由于每个人体的密度、身高、体重和性别等因素差异，这些方法只能得到估计值，得到的惯性参数很有局限性。而且在人体运动过程中，这些参数都是在随时变化的。 

机器人领域的学者尝试用识别的方法获得惯性参数。主要是通过对系统进行动力学分析，得到相关数据后再统计计算得到惯性参数。该方法在80年代主要是用于机械手惯性参数的识别，近年来也将人体作为多体动力学系统，同时用该方法识别人体惯性参数。 

发明内容

本发明的目的是为了克服不同人体的差异和测量条件的局限性，提出一种准确度高、测量简单的人体惯性参数识别方法。 

本发明的采用如下技术方案： 

1、将人体简化为五刚体模型。 

2、运用动量定理和动量矩定理，获得人体五刚体动力学方程。 

3、通过运动捕捉系统获得被测人体的位移、速度、加速度等运动参数。 

4、通过压力传感测量装置获得双足与地面的接触力。 

5、将获得的数据代入动力学方程，通过迭代最小二乘法计算出所需测量的惯性参数。 

在运动生物力学的诸多研究方法当中，多体系统动力学是一种极其重要的理论方法，它把人体简化为多刚体模型；把人体看成各肢体具有相同密度及简单几何形状，由球铰连接、不考虑组织变型及器官不对称性的系统。本发明针对人体行走的特点,采用五刚体动力学模型。首先把人体骨架简化为躯干、双大腿、双小腿的五刚体模型，如图1所示。 

人体简化刚体模型如图2所示，系统质心是COM，每个刚体的质量是m_i，质心是c_i， 惯性张量是I_i，这些就是所要求取的惯性参数。 

运用人体多刚体的动力学模型（在后面会详细介绍），建立人体五刚体的动力学方程，对如图2所示的人体简化刚体模型进行分析，根据动量定理和动量矩定理得： 

Δ(ΣmivAi+Σωi×mir)=∫t1t2(Mg+FL+FR)dt]]>

                               (1)