[发明专利]一种人体肘关节前屈后伸及前臂旋内旋外瞬时螺转轴测量方法

权利要求书

1.一种人体肘关节前屈后伸及前臂旋内旋外瞬时螺转轴测量方法，其特征在于，包括以下三个步骤；

(1)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；

(2)肘部运动模型的建立：为了求解人体肘关节前屈后伸瞬时螺转轴，将人体上臂作为固定刚体，前臂作为实时运动刚体，建立一个广义一自由度肘部关节运动学模型,同理可建立前臂旋内旋外运动的广义一自由度运动学模型；

(3)关节瞬时旋转轴的求解：根据刚体运动时刚体上的标记点相对刚体的运动不变性，通过VICON光学运动捕捉系统将上臂以及前臂的标记点运动时的坐标数据采集下来，通过构建空间位移矩阵方程，提取关节螺旋轴运动相关参数，获得关节前臂相对于上臂在运动过程中的瞬时旋转轴；

肘部运动模型的建立：为求解人体肘关节前屈后伸及前臂旋内旋外瞬时螺转轴，将人体上臂作为固定刚体，前臂作为实时运动刚体，建立一个广义一自由度肘部关节及前臂旋内旋外运动学模型；关节瞬时旋转轴的求解：根据刚体运动时刚体上的标志点相对刚体的运动不变性，通过VICON光学运动捕捉系统将上臂以及前臂的标志点运动时的坐标数据采集下来，通过构建空间位移矩阵方程，提取关节螺旋轴运动相关参数，获得关节前臂相对于上臂在运动过程中的瞬时旋转轴；

S1 构建空间位移矩阵方程：前臂标志点在固定坐标系O1中表示，在1，j时刻，时刻1表示测量开始，时刻j表示测量过程，前臂标志点上四点命名为k、q、r、j，转化方程表示为：

公式3中的D_1j的含义为前臂j时刻相对于1时刻的相对位移矩阵，(k_1x,k_1y,k_1z)为k标志点在1时刻相对于上臂固定坐标系的位置，(k_jx,k_jy,k_jz)为k标志点在j时刻相对于上臂固定坐标系的位置；

写成矩阵方程：

获取位移矩阵：

S2 提取关节螺旋轴运动相关参数，根据如下方程，获取螺旋轴运动参数：

φ为螺旋轴转角，为螺旋轴的方向向量，为在1时刻的前臂一点的三维坐标向量，s为螺旋轴方向上的移动量，为前臂j时刻相对于1时刻的相对旋转矩阵；

S3 根据求得的螺旋运动参数，获得关节前臂相对于上臂在运动过程中的瞬时旋转轴。

2.根据权利要求1所述的一种人体肘关节前屈后伸及前臂旋内旋外瞬时螺转轴测量方法，其特征在于，肘部运动数据的采集：测试者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；为了让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尽量远离肘关节。

3.根据权利要求1所述的一种人体肘关节前屈后伸及前臂旋内旋外瞬时螺转轴测量方法，其特征在于，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；前臂旋内旋外运动采集数据时，调整前臂法兰固定在前臂适当位置，使VICON系统能够检测到标志点在一个运动周期的所有数据，固定上臂与测量平台后，前臂由旋内向旋外运动，往复三个运动周期。

4.根据权利要求1所述的一种人体肘关节前屈后伸及前臂旋内旋外瞬时螺转轴测量方法，其特征在于，利用VICON测量系统，能准确获取以上标志点的实时位置数据；将上臂和前臂8个标志点记为P_i，每个标志点的位置为(x_i y_i z_i)，其中i＝1,2,…,8，这些实时位置数据都是在VICON坐标系下描述的，上臂固定坐标系原点用O1表示，x、y、z轴分别用X1、Y1、Z1表示，为简化计算，其方向和VICON系统基础坐标系方向一致，其中：

O1＝(P₁+P₂+P₃+P₄)/4 (1)

P₁、P₂、P₃、P₄为上臂标志点；

前臂标志点在上臂坐标系中的表示为P_ii，此时i＝5,6,7,8，其中：

P_ii＝P_i-O1 (2)。