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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201711253617.4 (22)申请日 2017.12.02 (71)申请人 北京工业大学 地址 100124 北京市朝阳区平乐园100号 (72)发明人 李剑锋 张春召 周帅锋 高亚楠 张凯 曹强 (74)专利代理机构 北京思海天达知识产权代理 有限公司 11203 代理人 沈波 (51)Int.Cl. A61B 5/11(2006.01) (54)发明名称 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 (57)摘要 本发明公开了一种人体肘关节前屈后伸及 前臂。
2、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。 权利要求书2页 说明书5页 附图3页 CN。
3、 107802268 A 2018.03.16 CN 107802268 A 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。
4、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， 获得关节前臂相对与上臂在运动 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。
5、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。
6、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Pi， 每个标志点的位置为(xi yi zi)， 其中i1,2,8， 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Pii， 此时i5,6,7,8， 其中： PiiPi-O1 (2)。 5.根据权利要求1所述的一种人体肘关。
7、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， 获得关节前臂相对与上臂在运动过 程中的瞬时旋转轴； 提取关节螺旋轴运动相关参数， 获得关节前臂相对与上臂在运动过程 权 利 要 求 书 。
8、1/2 页 2 CN 107802268 A 2 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： (kjx,kjy,kjz,1)TD1j(k1x,k1y,k1z,1)T (qjx,qjy,qjz,1)TD1j(q1x,q1y,q1z,1)T (rjx,rjy,rjz,1)TD1j(r1x,r1y,r1z,1)T (3) (jjx,jjy,jjz,1)TD1j(j1x,j1y,j1z,1)T 公式3中的D1j的含义为前臂j时刻相对于1时。
9、刻的相对位移矩阵， (k1x,k1y,k1z)为k标志 点在1时刻相对于上臂固定坐标系的位置， (kjx,kjy,kjz)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： 为螺旋轴转角， u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， 获得关节前臂相对与上臂在运动过程中的瞬时旋转轴。 权 利 要 求 书 2/2 页 3 CN 107802268 A 3 一种人体肘关节前屈后伸及前。
10、臂旋内旋外瞬时螺转轴测量 方法 技术领域 0001 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 0002 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。 0003 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。
11、 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。 0004 根据人体解剖学可知， 人体肘部关节图1所示错综复杂， 。
12、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 0005 本发明要解决的技术问题是， 提供一种人体肘关节前。
13、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。 0006 本发明解决技术问题所采用的方案是： 说 明 书 1/5 页 4 CN 1。
14、07802268 A 4 0007 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。 0008 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。 0009 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。
15、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， 获得关节前臂相对与上臂在运 动过程中的瞬时旋转轴， 获得关节前臂旋内旋外运动过程中的瞬时旋转轴， 为了量化关节 中心在任意时刻t的位置， 以VICON的检测频率对其进行更新， 利用给出的矩阵方程计算得 到任意时刻肘部关节瞬时旋转轴， 矩阵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。 0010 本发明与现有技术相比， 具有以下优点及突出性效果： 0011 本发明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。
16、方法， 能够根 据人体肘部骨骼及关节的解剖结构， 建立一个广义一自由度肘部关节及前臂运动学模型。 根据 VICON系统检测标志块上标志点的运动学数据， 减少测量过程由于变形带来的影响， 并通过构建空间位移矩阵方程， 提取关节螺旋运动参数， 获取准确的人体肘部关节瞬时旋 转轴。 具体验算得知： 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。 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 快固定在运动法兰上， 运动法兰固定在靠近上臂上部、 前。
17、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， 获得关节前臂相对与上臂在运动 过程中的瞬时旋转轴。 0012 以下对以上的每一步骤做。
18、进一步说明： 0013 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。 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 说 明 书 2/5 页 5 CN 107802268 A 5 适当位置， 使VIC。
19、ON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。 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Pi， 每个标志点的位置为(xi yi zi)， 其中i1,2,8， 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。
20、表示为Pii， 此时i5,6,7,8， 其中： PiiPi-O1 (2) 0014 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。 0015 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， 获得关节前臂相对与上臂在运 动过程中的瞬时旋转轴。 提取关节螺旋轴运动相关参数， 获得关节前臂相对与上臂在。
21、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D1j的含义为前臂j时刻相对于1时刻的相对位移矩阵， (k1x,k1y,k1z)为k标志 点在1时刻相对于上臂固定坐标系的位置， (kjx,kjy,kjz)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： 说 明 书 3/5 页 6 CN 107802268 A 6 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。
22、： 为螺旋轴转角， u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， 如图5所示。 S3根据求得的螺旋运动参数， 获得关节前臂相对与上臂在运动过程中的瞬时旋转轴。 附图说明 0016 图1为人体肘部骨骼结构示意图。 0017 图2为人体肘部关节运动学模型示意图。 0018 图3为人体肘部关节贴标志点运动示意图。 0019 图4为标志块、 标志块连接法兰、 标志块绑缚结构示意图。 0020 图5为刚体运动螺旋轴运动学参数。 0021 图6为前臂前屈后伸及旋内旋外某时刻螺旋轴示意图。 具体实施方式 0022 以下结合。
23、附图进一步说明本发明具体实施实例 0023 肘部运动数据的采集： 如图2、 3、 4所示， 在测试者的上臂及前臂贴放8个标志点， 通 过vicon光学运动捕捉系统采集8个标志点的位置。 以屈伸运动为例， 在实验过程中， 采集 屈/伸运动数据时， 前臂由屈向伸运动， 往复三个周期。 在1时刻下， 8个标志点的位置为： 1P1(88.45031,273.0711,837.2647),1P2(166.1756,274.8842,841.8455)， 1P3(166.1756,274.8842,841.8455),1P4(132.6032,227.2049,818.8338), 1P5(439.764。
24、3,208.5741,757.6406),1P6(513.9912,196.7798,766.3503)， 1P7(470.8855,197.1223,800.4714),1P8(479.417,202.7582,726.2701) 在t时刻下， 8个标志点的位置为： tP1(88.22546,273.0368,837.277),tP2(166.0312,274.8918,841.9113)， tP3(125.8689,324.4791,855.2818),tP4(132.4993,227.2034,818.8992), tP5(440.4059,209.7388,759.9684),tP6(。
25、515.2634,198.1683,770.8627)， tP7(471.2239,197.6752,803.7907),tP8(481.3215,204.1584,729.6448) 将上臂和前臂8个标志点记为Pi， 每个标志点的位置为(xi yi zi)， 其中i1 , 2,8， 由(1) 式得上臂固定坐标系O1坐标原点在1时刻为： 1O(477.0537,202.4352,766.0667) 说 明 书 4/5 页 7 CN 107802268 A 7 上臂固定坐标系O1坐标原点在t时刻为： tO(477.0537 202.4352 766.0667) 由(2)得， 前臂标志点在上臂坐标。
26、系中1时刻表示的数据为： 1P55(-36.6478 7.3036 -6.0982) 1P66(38.2097,-4.2669,4.7961) 1P77(-5.8298,-4.7600,37.7240) 1P88(4.2678,1.7233,-36.4218) 上臂坐标系中t时刻表示的数据为： tP55(-36.0082,8.4908,-2.6307) tP66(39.4255,-2.6591,10.7712) tP77(-5.6559,-3.7558,42.3359) tP88(5.9133,2.9865,-31.8120) 0024 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。
27、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， 获得关节前臂相对与上臂在运 动过程中的瞬时旋转轴。 具体为： 有上述1时刻和t时刻数据值， 带入上述(3)、 (4)、 (5)方程， 得空间位移矩阵为： 根据方程(6)， 通过等式两边对应量相等， 获取螺旋轴运动参数： 其x,y,z方向向量为： 0.0201， -0.0374， -0.0119， 螺旋轴上一点的坐标为： (1.37,0.24978,1.521)， 根据求得的 螺旋运动参数u 的方向向量和一点的坐标， 获得关节前臂相对与。
28、上臂在运动过程中的瞬时 旋转轴。 同理选取两个时刻点的坐标， 可画出肘关节旋内旋外瞬时螺旋轴， 具体某一时刻前 屈后伸瞬时螺旋轴和旋内旋外瞬时螺旋轴如图6所示。 0025 为了量化关节中心在任意时刻t的位置， 以VICON的检测频率对其进行更新， 利用 给出的简单的矩阵方程计算得到任意时刻肘部关节瞬时旋转轴， 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。 0026 在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， 是用于 检测人体右侧肘部关节运动信息， 同样可用于检测人体左侧肘部肱关节运动信息， 不限于 本实例。 0027 上述实施方式对本发明的实质进行了阐释与说明， 但不应视为对本发明的限制， 任何基于本发明实质所作的简单改进， 只要其运动学及测试方法基于该原理， 都应落入本 发明权利要求保护范围之内。 说 明 书 5/5 页 8 CN 107802268 A 8 图1 图2 说 明 书 附 图 1/3 页 9 CN 107802268 A 9 图3 图4 说 明 书 附 图 2/3 页 10 CN 107802268 A 10 图5 图6 说 明 书 附 图 3/3 页 11 CN 107802268 A 11 。