[发明专利]一种非侵入式腕关节轴线运动模型测量方法

权利要求书

1.一种非侵入式腕关节轴线运动模型测量方法，其特征在于：该方法包括腕关节运动数据的采集、腕关节轴线模型的建立、腕关节轴线运动模型的求解；

第一、腕关节运动数据的采集：将贴有4个标记点的手部法兰(2)与手部绑缚，手部与手部法兰(2)之间加上弹性垫，将贴有4个标记点的前臂法兰(1)将前臂固定到升降台上，前臂与前臂法兰(1)之间加上弹性垫；通过前臂法兰(1)上的4个标记点建立前臂局部坐标系O₁(9)，通过手部法兰(2)上的4个标记点建立手部局部坐标系O₂(10)，本方法通过vicon系统捕捉系统获得8个标志点的位置坐标；每个标志点的数据就是在固定坐标系O(11)下的坐标；

第二、腕关节运动模型的建立：腕关节为一广义的两自由度关节，即腕关节运动的屈/伸轴线、收/展轴线在空间内是不断变化的，且屈/伸轴线、收/展轴线大致位于头状骨附近，为求解腕关节运动轴线位姿，将腕关节模型建为轴线倾斜不相交的两根轴线，将前臂以及手部视为刚体，最终建立一个两自由度的参数化的空间连杆机构；

第三、腕关节轴线位姿求解：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前臂以及手部的标记点运动时的坐标数据采集下来，通过构建空间矢量闭环建立约束方程，利用matlab中的遗传算法优化工具箱去辨识腕关节模型的相关参数。

2.根据权利要求1所述的一种非侵入式腕关节轴线运动模型测量方法，其特征在于：测试者的前臂通过前臂法兰(1)固定到升降台(13)上，前臂与前臂法兰(1)之间设有弹性垫，测试者手部通过手部法兰(2)固定，手部与手部法兰(2)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，前臂法兰(1)与手部法兰(2)远离腕关节；

在实验过程中，屈伸采集运动数据时，约束导轨(3)平面和引导棒(4)与人体手部的第三掌骨重合，拧紧紧固螺钉(5)后，手腕由屈向伸运动，往复三个周期；收展采集数据时，将约束导轨(3)翻转90°通过滑块插入支撑架(12)，约束导轨(3)平面与第三掌骨平齐，拧紧紧固螺钉(5)后，手腕由内收向外展运动，往复三个周期；

利用vicon光学运动捕捉系统能够精确的采集到前臂四个标记点(6)以及手部四个标记点(7)的位置；这些位置数据都是在固定坐标系O(11)下描述的，固定坐标系O(11)是由vicon系统决定的；前臂四个标记点(6)确定前臂局部坐标系O₁(9)，手部四个标记点(7)确定手部局部坐标系O₂(10)；

将8个标记点记为P_i，每个标记点的位置为(x_i y_i z_i)，i表示标记点的序号，i＝1,2,···,8，固定坐标系O(11)的x、y、z轴分别用O_x、O_y、O_z表示，前臂局部坐标系O₁(9)的原点为O₁，x、y、z轴分别用O_1x、O_1y、O_1z表示，其中：

式中P₁表示前臂第一标记点的位置坐标，P₂表示前臂第二标记点的位置坐标，P₃表示前臂第三标记点的位置坐标，P₄表示前臂第四标记点的位置坐标；

手部局部坐标系O₂(10)的原点为O₂，x、y、z轴分别用O_2x、O_2y、O_2z表示，其中：

式中P₅表示手部第一标记点的位置坐标，P₆表示手部第二标记点的位置坐标，P₇表示手部第三标记点的位置坐标，P₈表示手部第四标记点的位置坐标；

前臂局部参考系O₁(9)相对固定坐标系O(11)的旋转矩阵表示为：

手部局部参考系O₂(10)相对固定坐标系O(11)的旋转矩阵表示为：