[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

说明书

本发明公开了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，属于测量技术领域，包括以下三个步骤：人体上肢运动数据的采集：将两个标志点运动块固定在操作者上臂、前臂法兰上，在前臂做缓慢屈伸运动时，通过VICON测量系统，获取人体上臂、前臂运动信息；前臂运动模型的建立：将人体上臂、前臂作为一个刚体，建立一个前臂相对于上臂绕瞬时动心运动的运动学模型；关节旋转瞬时动心的求解：有理论力学知识，前臂相对于上臂做瞬时旋转运动的动心一定是前臂刚体上不在一个线上三点速度方向垂线的交点。基于该原理，即可获得某时刻肘关节前屈后伸的瞬时动心。本发明容易实现，测量点通过绑缚在人体骨骼上，计算简单并且测量准确。

技术领域

本发明属于人体骨骼测量技术领域，具体是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。

背景技术

人体肘关节前屈后伸绕瞬时动心旋转运动规律和人体肘部绕动点运动的瞬时旋转轴是规划训练外骨骼系统导引运动、设计仿生肘关节机构和肘部运动功能损伤恢复的基础性数据，获得相对准确的肘部关节运动信息对于保证骨骼训练效果、设计仿生肘关节机构及肘部功能恢复具有实际意义。

通过查阅国内外文献可知，人体肘部关节运动信息检测从测试方法种类上说：分为紫外光拍摄系统、多维摄像系统、外骨骼穿戴系统、电磁跟踪系统、柔性传感器系统等。从本质上分，可以分为侵入式和非侵入两种测量方法，侵入式测量方法就是直接透过皮肤、组织测量人体肩部骨骼的相应运动，比如紫外光拍摄系统，人体肘部尸体解剖实验，这种测量方法对人体危害大，实验复杂，一般不可取，另一种是非侵入式测量方法：通过在人体骨骼皮肤表面贴取标志点，通过摄像机采集人体肘部关节的运动图像，通过对标志点提取与运动分析，以及基于不同肢体短连体坐标系之间的相对位姿分析得到人体肘部关节运动信息，在前述的检测方法中，采用肘关节运动分析模型为单自由度回转副。

根据人体解剖学可知，人体肘部关节图1所示错综复杂，它由肱骨、桡骨、尺骨及其间的肱桡关节、肱尺关节、桡尺近侧关节和桡尺远侧关节连接而成，根据人体骨骼模型运动学分析，肘部关节(传统意义上的肘关节)在完成前屈/后伸的运动过程中，转动中心是瞬时变化的，并且不是在某一平面内运动，而是在三维空间中，目前还不清楚，为了获得肘部关节前屈后伸绕瞬时动心旋转运动信息，本发明提出一种人体肘关节前屈后伸绕瞬时动心旋转运动的测量方法，该测量方法测量准确。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种人体肘关节前屈后伸绕瞬时动心旋转运动，且结构简单、使用方便，算法简洁明了的一种测量方法。其理念是:在人体肘部结构的研究中，模型化处理是一切工作的开始，根据人体解剖学知识，并在参考人体骨骼学、人体骨骼运动学的基础上从人体中抽出上臂(等价于定刚体)，前臂(等价于动刚体)做相应的运动学分析，如图1、2、3、4所示。该运动学性质等价于理论力学中一般刚体的运动学模型，根据理论力学中刚体的一般运动学知识得知，人体上臂作为基础参考系，前臂等价于运动的刚体，有前臂相对于上臂做前屈后伸的运动数据，根据不在一个线上的三点速度方向垂面方程的交点，即可确定瞬时旋转动心。

本发明解决技术问题所采用的方案是：

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。