[发明专利]一种人体上肢运动特性与机械阻抗的测量系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种运动参数与机械阻抗测量的系统，具体地说是一种人体上肢运动特性与机械阻抗的测量系统及方法。

背景技术

人体上肢是人体运动系统中最灵活、运动幅度最大的运动系统，是一个具有众多复杂结构关节的多自由度机械运动系统。测量人体上肢运动特性，可以用来评估人体上肢的操作能力和灵活性，认识人体上肢自然运动规律，对日后机器人开展拟人化技能作业亦具有重要的先导作用。人体上肢机械阻抗特性反映了上肢肌肉收缩情况等肌体生理特征。相对于国外学者，目前国内进行人体上肢机械阻抗方面的研究的学者较少，起步较晚，研究主要集中在静态手臂末端阻抗。国外学者对于人体上肢机械阻抗的研究，主要集中于动态手臂末端阻抗，对于手臂关节空间的动态阻抗的研究较少。

发明内容

本发明针对上述现有技术现状，而提供一种人体上肢运动特性与机械阻抗的测量系统及方法，可以快速、准确、方便的测量人体上肢的运动特性与机械阻抗。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种人体上肢运动特性与机械阻抗的测量系统，包括上位机，并设有用于上肢任务空间测量的手持式装置，手持式装置安装有测量力与力矩的力传感器；以及分布在上肢处用于关节空间测量的marker球、和测量marker球运动参数的运动捕捉系统；力传感器的测量数据和运动捕捉系统的测量数据发送给上位机，上位机具有根据测量数据计算人体上肢运动参数和机械阻抗的计算模块。

为优化上述技术方案，本发明还包括以下改进的技术方案。

上述的手持式装置具有用于固定测试工具的工具安装部和用于握持的手柄，在手柄与工具安装部之间设有传感器安装部。

在上述工具安装部的顶部固定有四个分叉的连接杆，每个连接杆的端部固定有一个marker球。

上述的marker球包括分布在上臂并呈三角形布置的第一marker簇、分布在前臂并呈三解形布置的第二marker簇。

上述的marker球包括分布在肩峰、外侧髁、内侧髁、桡骨茎突、尺骨茎突和第三掌骨头上的marker球。

上述的第一marker簇和第二marker簇呈直角三角形排列。

上述的力传感器和运动捕捉系统通过UDP协议与上位机进行通信。

一种应用上述测量系统进行人体上肢运动特性与机械阻抗的测量方法，包括如下步骤：

步骤1：根据接触式任务将测试工具安装到手持式装置上；在上肢的对应位置安装相应的marker球；

步骤2：被测试者用手握住手持式装置的手柄，根据接触式任务的指定轨迹和任务特性，使用手持式装置完成相应的运动；

步骤3：将上位机中采集到的数据进行综合分析处理，得到人体上肢的运动参数与机械阻抗。

上述的接触式任务包括绘画、刨木、或打磨；相应的测试工具是能安装到手持式装置上的画笔、刨刀或打磨头。

在测量开始前，将手持式装置还安装在机械臂的末端法兰上，利用机械臂末端位姿验证运动捕捉系统测得的末端位姿的精度。

与现有技术相比，本发明的人体上肢的运动特性与机械阻抗测量系统能够更全面更准确地测量人体上肢运动参数与机械阻抗，尤其是针对接触式任务，设计了可以换装测试工具的手持式装置，为接触任务过程中的机械阻抗测量研究提供了便利，进一步可以应用于机器人拟人化操作和肢体康复等领域。

附图说明

图1是实施例1中上肢在测量过程中的结构示意图。

图2是实施例1中手持式装置装夹画笔的立体结构示意图。

图3是画笔及其夹具的立体结构示意图。

图4是刨刀及其夹具的立体结构示意图。

图5是打磨头及其夹具的立体结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。

图1至图5所示为本发明的结构示意图。

其中的附图标记为：第一marker簇1、力传感器2、marker球3、连接杆31、画笔夹具4、画笔5、工作平面6、第二marker簇7、手持式装置8、手柄81、工具安装部82、传感器安装部83、刨刀9、刨刀夹具10、打磨头夹具11、打磨头12。

实施例1：

本发明的一种人体上肢运动特性与机械阻抗的测量系统，包括上位机，并设有用于上肢任务空间测量的手持式装置8，手持式装置8安装有测量力与力矩的力传感器2；以及用于上肢关节空间测量的marker球3，以及测量marker球3运动参数的运动捕捉系统。