[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

说明书

本发明公开了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，属于测量技术领域，本发明包括以下三个步骤：(1)人体上肢运动数据的采集：首先将两个标志点运动块固定在操作者上臂，前臂适当位置、获取人体上臂、前臂运动信息(2)前臂运动模型的建立：将人体上臂、前臂作为一个刚体，建立肘关节广义一自由度及前臂广义一自由度运动学模型。(3)关节旋转瞬时螺旋轴求解：通过采集到上臂，前臂运动数据，构建前臂刚体相对上臂刚体运动的空间位移矩阵，获得肘关节螺旋轴在运动过程中的瞬时位置。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及前臂旋内旋外瞬时螺转轴测量方法。

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骨骼系统导引运动、设计仿生肘关节机构、及肘部运动功能的基础性数据，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：大多是通过紫外光拍摄系统、多维摄像系统、外骨骼穿戴系统、电磁跟踪系统、柔性传感器系统等进行检测获得肘部关节的相关运动数据，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，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/后伸及前臂的旋内/旋外的运动过程中，转动轴是瞬时变化的，并且瞬时旋转轴不是绕肘部肱骨一定点运动，而是绕动点旋转运动，并且瞬时旋转轴运动规律虽为广义一自由度运动副，但极其复杂，目前还不清楚，这使研究肘部关节的运动更加复杂，为了获得肘部关节运动信息，本发明提出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，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及前臂旋内旋外瞬时螺转轴，且结构简单、使用方便，算法简洁明了的一种测量方法。其发明理念是：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2、3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，前臂相对于上臂做前屈后伸及旋内旋外的运动过程的旋转矩阵，即可确定此时的瞬时旋转轴。

本发明解决技术问题所采用的方案是：

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，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。

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运动学模型，同理，建立一个广义一自由度前臂旋内旋外运动学模型。