[发明专利]一种人体肘关节前屈后伸绕瞬时动心运动的瞬时动心测量方法

权利要求书

1.一种人体肘关节前屈后伸绕瞬时动心运动的瞬时动心测量方法，其特征在于：肘部运动数据的采集：首先将四个不在一个平面上的标志点固定在运动块上，运动块固定在运动法兰上，运动法兰固定在靠近上臂上部、前臂前部的适当位置，利用VICON测量系统，获取以上标志点的实时位置，其中VICON光学运动捕捉系统测样频率高；

肘部运动模型的建立：为求解人体肘关节前屈后伸绕瞬时动心旋转运动的动心，将人体上臂作为固定刚体，前臂作为实时运动刚体，建立一个前臂相对于上臂绕瞬时动心运动的运动学模型；

关节绕瞬时动心旋转运动的瞬时动心求解：根据空间刚体运动学知识得，空间刚体绕一瞬时动点运动，其相应速度方向的垂线必定经过该点，选取不在一个面上的三点，求取经过不在一个面上三点速度方向垂面方程的交点，三个平面方程的交点即为该时刻肘关节前屈后伸运动的瞬时动心；为了量化关节中心在任意时刻t的位置，以VICON的检测频率进行更新，计算得到任意时刻肘部关节绕瞬时动心运动的动点，所有计算参数都是通过前面测量得到的上臂、前臂运动的表面数据。

2.根据权利要求1所述的一种人体肘关节前屈后伸绕瞬时动心运动的瞬时动心测量方法，其特征在于：

肘部运动数据的采集：上臂固定在测试平台上，上臂法兰固定在上臂上，上臂法兰与上臂之间添加弹性垫；前臂法兰固定在前臂上，前臂法兰与手部之间同样添加弹性垫；为让VICON光学运动捕捉系统更精确的采集到标志点，避免丢点的情况出现，并有利于肘关节运动幅度最大化，上臂法兰与前臂法兰远离肘关节；在测量过程中，屈伸采集运动数据时，前臂保持自然状态，固定上臂与测量平台后，前臂由屈向伸运动，往复三个周期；

利用VICON测量系统，能准确获取以上标志点的实时位置；将上臂和前臂8个标志点记为P_i，上臂和前臂分别采集4个标志点，每个标志点的位置为(x_i y_i z_i)，其中i＝1,2,···,8，这些标志点的位置数据都是在VICON坐标系下描述的，上臂固定坐标系O原点用O1表示，x、y、z轴分别用X1、Y1、Z1表示，为简化计算，上臂固定坐标系和VICON系统基础坐标系方向一致，其中：

O1＝(P₁+P₂+P₃+P₄)/4

P₁、P₂、P₃、P₄分别表示上臂的四个标志点；

选取不在同一个平面上的无遮挡且无丢点的前臂标志点三个，此时i＝5,6,7，将前臂标志点在上臂坐标系中的表示为P_ii，其中：

P_ii＝P_i-O1。

3.根据权利要求1所述的一种人体肘关节前屈后伸绕瞬时动心运动的瞬时动心测量方法，其特征在于：

肘部运动模型的建立：为求解人体肘关节前屈后伸绕瞬时动心旋转运动的动心，将人体上臂作为固定刚体，前臂作为实时运动刚体，建立一个前臂相对于上臂绕瞬时动心运动的运动学模型。

4.根据权利要求1所述的一种人体肘关节前屈后伸绕瞬时动心运动的瞬时动心测量方法，其特征在于：

关节绕瞬时动心旋转运动的瞬时动心求解：根据空间刚体运动学知识得，空间刚体绕一瞬时动点运动，其相应速度方向的垂线定过该点，选取不在同一个直线上的三点，求取过不在同一个直线上三点速度方向垂线的平面方程，三个平面方程的交点即为该时刻肘关节前屈后伸运动的瞬时动心；为量化关节中心在任意时刻t的位置，以VICON的检测频率进行更新，利用给出的简单数学公式计算得到任意时刻肘部关节绕瞬时动心运动的动点，方程中的所有参数都是通过前面测量得到的上臂、前臂运动的表面数据；具体算法为：

首先将标志块上空间三点A、B、C转换到上臂坐标系中表示：

K时刻：A1(x1,y1,z1)、B1(x2,y2,z2)、C1(x3,y3,z3)

L时刻：A2(x4,y4,z4)、B2(x5,y5,z5)、C2(x6,y6,z6)

其中，K时刻、L时刻两个时间的间隔非常短，使连接A1A2，B1B2，C1C2，运动方向近似为速度方向；

由空间几何知识得：

连接A1A2，B1B2，C1C2，分别过A1A2，B1B2，C1C2的中点A、B、C作A1A2，B1B2，C1C2的中垂面α、β、γ，三面的交点即为旋转中心q；

具体为：

直线方程A1A2：

(x-x1)/(x4-x1)＝(y-y1)/(y4-y1)＝(z-z1)/(z4-z1)

直线A1A2方向向量：

(x4-x1,y4-y1,z4-z1)

中点坐标：

则中垂面α：

同理可得

中垂面β：

中垂面γ：

联立以上中垂面α、中垂面β、中垂面γ，得三个中垂面交点，即该时刻的旋转中心，方程中的参数都是通过前面测量得到的标志点位置。