专利名称：下肢关节作用力和力矩的穿戴式传感器测量装置及方法
下肢关节作用力和力矩的穿戴式传感器测量装置及方法本发明涉及医疗动力学测量分析技术领域，具体地说是一种人体或者仿真机器人的下肢关节作用力和力矩的测量装置及方法。人类、动物的行走运动乃至仿人机器人的运动控制，都必须通过关节的链接，人体下肢关节主要包括足关节、踝关节、膝关节和髋关节，承担着身体运动的较大负载。定量化的关节作用力信息对关节疾病的诊断有极其重要的参考意义，在中风或者运动伤病康复治疗的前后，也需要对关节的运动和力进行定量的测量，以评价治疗的效果，对开发出高效行走的仿人机器人，关节作用力信息的反馈对智能控制系统开发也很有帮助。目前，传统的关节动力学分析系统基于多个高速照相机的图像运动分析系统和固定于地面的多块测力板构成。在每次测量之前，首先标定照相机对静态和动态标准目标的三维位置坐标的测量，建立标定模板；然后在模板数据的基础上，通过高速相机捕捉测量对象的不同部位上固定的多个标识点的位置三位坐标，计算被测部分的三维姿态角。在高速相机的拍摄范围内该系统可以实现较高的检测精度，但由于采用高速高精度的照相机以及图像分析系统，该系统价格偏高，只局限于实验研究和有限的临床实验研究。而且这种传统方法测量的运动区域有限，大量的标识点也会影响到测量对象的正常运动，例如在狭小楼梯、多障碍工作区等特殊环境下，该运动分析系统将无法进行测量。用于测量地面反作用力的一块测力板则只能测量约0. 5平方米的平面范围内的作用力，如果要大范围地测量人体运动，就需要铺设多块测力板，系统的采集数据的复杂程度和成本就会大幅增加，因此这种传统的分析方法很难实现广泛的临床应用和研究。在解析关节的作用力和力矩的时候，公开发表的关节动力学分析方法都是针对传统的测量系统的测量结果，随着传感器和通讯技术的发展，小型或者微型的运动传感器和力传感器正开始在人体运动分析和机器人领域中大量使用。各式各样的轻便小型的穿戴式传感器正被应用于人体姿态的分析中，但迄今为止，尚未有基于穿戴式传感器的下肢各关节作用力和力矩的计算方法的公开。本发明的目的在于改进现有测量装置及计算方法，提供一种精确度高、使用不受空间限制、成本低廉、可实现对人体或动物或机器人的关节动力学进行实时数据图像分析的下肢关节作用力和力矩的测量装置和计算方法。为实现上述目的，设计一种有关人体下肢关节作用力和力矩的穿戴式传感器测量 装置，包括利用计算机存储器和软件的数据采集器、蓝牙无线通讯模块及绑带装置，其特征在于盆骨设有第一传感器，左右大腿部设有第二传感器和第三传感器，左右小腿部设有第四传感器和第五传感器，左右脚后跟侧部设有第六传感器和第七传感器，右前脚掌侧部设有第八传感器和第九传感器，左右足底的上下位置设有第十至第十三传感器，用于测量行走过程中下肢的三维姿态和行走过程中底面的反作用力和力矩，所述的传感器的数据测试信号输入到具有蓝牙无线通讯模块和采集设备的计算机信号输入端或者移动设备连接的数据采集机的信号输入端进行采集和实时运算，所述的第一传感器至第九传感器为三维姿态传感器，该三维姿态传感器的传感单元由三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴磁强计构成一个九轴运动传感模块，所述的第十至第十三传感器为六轴力传感器，该六轴力传感器的传感单元由三轴力传感器和三轴力矩传感器构成，用以测量地面的三轴反作用力和三轴反作用力矩。所述的计算机程序控制的信号和采集模块包括模数转换模块、微处理器、直流电源模块和蓝牙无线通讯模块。一种有关人体下肢关节作用力和力矩的穿戴式传感器测量方法，包括九个固定在下肢各运动部分的三维姿态传感器，用于测量行走过程中下肢的三维姿态，四个分布在两足足底的六轴力传感器，用于测量行走过程中地面的反作用力和力矩，以及一台连接有蓝牙无线通讯模块的计算机，通过蓝牙无线通讯模块的计算机程序对每条腿单独顺次求解足关节、踝关节、膝关节和髋关节的力和力矩，其特征在于该方法包括以下步骤a.运动起始时，在测量对象的右脚后跟(7)重合处定义一个全局直角坐标系(21)，该坐标系的X轴正方向指向测量对象的正右方，Y轴正方向指向测量对象的正前方，通过右手法确定该坐标系的Z轴正方向。b.通过弹性绷带或两面胶将九个三维姿态传感器分别固定在定义为刚体的九个 部位(4、5、6、7、8、9、10、11 和 12)的表面。c.由三轴陀螺仪(22 )、三轴加速度计(23 )和三轴磁强计(24 )构成的九轴运动传感模块输出信号，经过微处理器运算，得到用于计算三维姿态矩阵的三维姿态角或三维姿态的四维数，通过蓝牙无线通讯模块(26)将三维姿态的四维数按设定的采样周期发送至连有蓝牙无线通讯模块的计算机(3)，计算机(3)通过蓝牙无线通讯模块发送指令，设定三维姿态传感器的测量范围、低通滤波器参数和采样频率。d.在九个三维姿态传感器上设定局部直角坐标系，各个局部直角坐标系满足右手法则，固定在骨盆(4)的三维姿态传感器的局部直角坐标系(31)，X轴与右髋关节(13)和左髋关节(17)的连线平行，并指向右髋关节(13)，其Y轴与全局直角坐标系(21)的Y轴一致；固定在右大腿(5)的三维姿态传感器的局部直角坐标系(32)X轴与全局直角坐标系21的X轴一致，Z轴与右髋关节(13)和右膝关节(14)的连线平行对齐，Z轴正方向指向右髋关节(13);固定在右小腿(6)的三维姿态传感器的局部直角坐标系(33)的Z轴与右膝关节
(14)和右踝关节(15)的连线平行对齐，其Z轴正方向指向右膝关节(14)，三维姿态传感器的X轴与全局直角坐标系(21)的X轴一致；固定在右脚后跟(7)的三维姿态传感器的局部直角坐标系(34)的Y轴与水平面对齐，且Y轴正方向指向右足关节(16)，X轴与全局直角坐标系(21)的X轴一致；固定在右前脚掌(8)的三维姿态传感器的局部直角坐标系(35)的Y轴与水平面对齐，且Y轴负方向指向右足关节(16)，X轴与全局直角坐标系21的X轴一致；左腿(9、10、11和12)上固定的三维姿态传感器的对齐方法与所述右腿方法类似。e.地面的反作用力和力矩的实时测量，将足底的两个六轴力传感器以及脚后跟和前脚掌侧部的三维姿态传感器的测量结果转换到全局坐标系下参考分析，转换方式如下，例如前脚掌底部的六轴力传感器相对于其局部坐标系(37)的测量输出结果(三轴力
权利要求
1.下肢关节作用力和力矩的穿戴式传感器測量装置，包括利用计算机存储器和软件的数据采集器、蓝牙无线通讯模块及绑带装置，其特征在于盆骨设有第一传感器，左右大腿部设有第二传感器和第三传感器，左右小腿部设有第四传感器和第五传感器，左右脚后跟侧部设有第六传感器和第七传感器，右前脚掌侧部设有第八传感器和第九传感器，左右足底的上下位置设有第十至第十三传感器，用于测量行走过程中下肢的三维姿态和行走过程中底面的反作用力和カ矩，所述的传感器的数据测试信号输入到具有蓝牙无线通讯模块和采集设备的计算机信号输入端或者移动设备连接的数据采集机的信号输入端进行采集和实时运算，所述的第一传感器至第九传感器为三维姿态传感器，该三维姿态传感器的传感单元由三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴磁强计构成一个九轴运动传感模块，所述的第十至第十三传感器为六轴カ传感器，该六轴力传感器的传感单元由三轴カ传感器和三轴カ矩传感器构成，用以测量地面的三轴反作用力和三轴反作用カ矩。
2.如权利要求I所述的下肢关节作用力和力矩的穿戴式传感器測量装置，其特征在于所述的计算机程序控制的信号和采集模块包括模数转换模块、微处理器、直流电源模块和蓝牙无线通讯模块。
3.下肢关节作用力和力矩的穿戴式传感器測量方法，包括九个固定在下肢各运动部分的三维姿态传感器，用于测量行走过程中下肢的三维姿态，四个分布在两足足底的六轴カ传感器，用于测量行走过程中地面的反作用力和カ矩，以及一台连接有蓝牙无线通讯模块的计算机，通过蓝牙无线通讯模块的计算机程序对每条腿单独顺次求解足关节、踝关节、膝关节和髋关节的力和カ矩，其特征在于该方法包括以下步骤 a.运动起始时，在测量对象的右脚后跟(7)重合处定义ー个全局直角坐标系(21)，该坐标系的X轴正方向指向测量对象的正右方，Y轴正方向指向测量对象的正前方，通过右手法确定该坐标系的Z轴正方向。
b.通过弹性绷带或两面胶将九个三维姿态传感器分别固定在定义为刚体的九个部位(4、5、6、7、8、9、10、11 和 12)的表面。
c.由三轴陀螺仪(22)、三轴加速度计(23 )和三轴磁强计(24)构成的九轴运动传感模块输出信号，经过微处理器运算，得到用于计算三维姿态矩阵的三维姿态角或三维姿态的四维数，通过蓝牙无线通讯模块(26)将三维姿态的四维数按设定的采样周期发送至连有蓝牙无线通讯模块的计算机(3)，计算机(3)通过蓝牙无线通讯模块发送指令，设定三维姿态传感器的測量范围、低通滤波器參数和采样频率。
d.在九个三维姿态传感器上设定局部直角坐标系，各个局部直角坐标系满足右手法贝U，固定在骨盆(4)的三维姿态传感器的局部直角坐标系(31)，X轴与右髋关节(13)和左髋关节(17)的连线平行，并指向右髋关节(13)，其Y轴与全局直角坐标系(21)的Y轴一致；固定在右大腿(5)的三维姿态传感器的局部直角坐标系(32)X轴与全局直角坐标系21的X轴一致，Z轴与右髋关节(13)和右膝关节(14)的连线平行对齐，Z轴正方向指向右髋关节(13);固定在右小腿(6)的三维姿态传感器的局部直角坐标系(33)的Z轴与右膝关节(14)和右踝关节(15)的连线平行对齐，其Z轴正方向指向右膝关节(14)，三维姿态传感器的X轴与全局直角坐标系(21)的X轴一致；固定在右脚后跟(7)的三维姿态传感器的局部直角坐标系(34)的Y轴与水平面对齐，且Y轴正方向指向右足关节(16)，X轴与全局直角坐标系(21)的X轴一致；固定在右前脚掌(8)的三维姿态传感器的局部直角坐标系(35)的Y轴与水平面对齐，且Y轴负方向指向右足关节(16)，X轴与全局直角坐标系21的X轴一致；左腿(9、10、11和12)上固定的三维姿态传感器的对齐方法与所述右腿方法类似。
e.地面的反作用力和カ矩的实时测量，将足底的两个六轴カ传感器以及脚后跟和前脚掌侧部的三维姿态传感器的测量结果转换到全局坐标系下參考分析，转换方式如下，例如~Fx{k)前脚掌底部的六轴カ传感器相对于其局部坐标系(37)的测量输出结果(三轴力
4.如权利要求3所述的下肢关节作用力和力矩的穿戴式传感器測量方法，其特征在于所述计算机软件计算流程具体步骤如下 a.第一歩，输入被测目标下肢各部位的长度參数，建立下肢简化骨骼模型，简化后的骨骼模型由简化直线和球形构成。b.第二步，根据各三维姿态传感器的局部坐标系和各部位长度參数，在右脚后跟(7)开始着地到左后脚跟(11)或左前脚掌(12)开始着地前这段间隔内，以右脚后跟(7)作为转动原点，用公式(b-k)计算下肢各个关节坐标(%f、(S、■、 、禮ヽ啦、私、びL、在i和鋒？)，计算顺序设定为先右侧从下到上，然后左侧从上到下。
5.如权利要求I和3所述的下肢关节作用力和力矩的穿戴式传感器测量装置及方法，其特征在于所述装置和方法应用于人体、动物及仿真机器人下肢运动测试。
全文摘要
本发明涉及医疗动力学测量分析技术领域，具体地说是下肢关节作用力和力矩的穿戴式传感器测量装置及方法，装置包括计算机存储器和软件的数据采集器、蓝牙无线通讯模块等，其特征在于盆骨设有第一传感器，左右大腿部设有第二和第三传感器，左右小腿部设有第四和第五传感器，左右脚后跟侧部设有第六和第七传感器，右前脚掌侧部设有第八和第九传感器，左右足底的上下位置设有第十至第十三传感器，传感器数据测试信号输入到计算机信号输入端进行采集和运算，本发明可最大限度减少下肢各部位质量、质心和转动惯量估算误差对关节力和力矩计算精度的影响，而且该方法可以减少计算量，有利于实现在实时测量和控制上的应用。
文档编号G01L3/00GK102670217SQ201210138889
公开日2012年9月19日 申请日期2012年5月4日 优先权日2012年5月4日
发明者刘涛 申请人:嘉兴市制衡精仪有限公司