[发明专利]一种非侵入式腕关节轴线运动模型测量方法

说明书

本发明公开了一种非侵入式腕关节轴线运动模型测量方法，属于人机工程和测量技术领域。本发明包括以下三个步骤：(1)采集腕关节的运动数据：前臂及手臂各绑缚一个法兰，每个法兰上贴放四个标记点，为了防止标记点之间互相干涉，前臂与手部的法兰尽量远离腕关节，其中前臂的法兰固定在升降台上。(2)建立腕关节轴线运动模型：将前臂及手部视为刚体，建立2自由度的空间连杆机构；(3)腕关节运动轴线位姿求解：通过采集到的腕关节运动数据，构建空间矢量闭环方程，进而用matlab优化工具箱优化出腕关节的轴线运动模型的参数。利用该方法可以较为准确的得到某一时刻下腕关节运动的轴线位姿，为假肢设计及腕关节康复装置的设计提供了理论依据。

技术领域

本发明涉及人体工程和测量领域，尤其涉及一种非侵入式腕关节 轴线运动模型测量方法。

背景技术

在人体工程和测量学领域中，腕关节轴线运动的模型至关重要， 经查阅文献发现腕关节模型为倾斜不相交的两根轴线，即腕关节屈伸 与收展轴线之间存在一定的夹角和距离。腕关节模型的建立，一方面 可以为假肢以及腕关节的康复装置提供设计的理论依据，另一方面也 可以作为输入数评估人体腕关节进行功能性评估。目前腕关节的测量 方法分为侵入式和非侵入式。侵入式测量常见于将标记点直接作用于 骨骼上，由于对人体伤害较大，故一般较少采纳。非侵入式测量则采 用将标记点贴放在人体皮肤表面进行测量，因此非侵入式测量一定程 度上减少了对人体的伤害，但是非侵入式测量受皮肤运动的影响较 大。

经对比现有技术文献发现，目前针对非侵入式腕关节的测量存在 以下问题：(1)将腕关节视为轴线垂直相交的胡克副，如专利CN 1748642A中关于非侵入式测量人体手臂关节的测量方法；(2)在测 量的过程中忽略了皮肤运动给测量带来的影响；本发明不仅可以较为 精确的测量出腕关节运动轴线的模型，而且测量过程中很大程度上减 少了皮肤运动带来的干扰。

发明内容

本发明的目的在于综合现有腕关节测量的不足提供了一种非侵 入式腕关节轴线运动模型测量方法，使用该方法可以得到较为精确的 腕关节轴线运动模型，该方法容易实现，且有效的避免了皮肤运动带 来的测量误差。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种非侵入式腕关节轴线运动模型测量方法，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(FE)、收/展轴线(RUD)在空间内是不 断变化的，且屈/伸轴线(FE)、收/展轴线(RUD)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。

以下对上述每一步做具体描述。

1)数据测量