CN106205322A - 人体关节测量评价*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种人体关节测量评价***，包括仿真人和上位机，仿真人包括彼此连接的仿真躯干和仿真肢体，仿真肢体内设有至少一个仿真关节；仿真关节包括第一、第二仿骨骼连接件，第一、第二仿骨骼连接件分别设有惯性传感器；上位机具有关节角度测量模块、显示模块；第一仿骨骼连接件的末端固连有关节球座，第二仿骨骼连接件的末端固连有关节球，关节球座具有与关节球表面相贴合的球窝；关节球座、关节球分别由导磁材料制成，关节球座内设有磁吸组件；在磁吸组件的磁吸力作用下，关节球座与关节球形成活动连接。本发明仿真人关节仿真程度高，且能自动得出各关节角度值，适用于关节角度测量教学。

Description

人体关节测量评价***

技术领域

本发明涉及一种人体关节测量评价***，属于人体模型的仿生结构技术领域。

背景技术

仿生学是一门交叉学科，主要研究生物***的结构、功能和工作原理，从而为工程技术提供新的设计思想及工作原理，它涉及生物学、数学和工程技术学科等，是这些学科相互合作的桥梁。仿生技术的不断发展必将推动数学和工程学等学科领域的发展，从而给社会带来巨大的社会经济效益，促进社会的发展。

在以人为本的思想理念下，生命被视为世界上最宝贵的财富，人机工程学的研究显得尤为必要。在研究人－机－环境***相互关系时，若危及人的健康和生命，人是不可能也不允许成为试验品，这时，各种类型的仿真人模型(如：高速运载工具仿真人模型、辐照仿真人模型、医学训练仿真人模型等)以真人替身身份在研究过程中扮演着重要的桥梁和工具作用。

仿真人模型也称假人(Dummy)。迄今为止，仿真人模型所采用的仿生技术，大致可归纳为几何形体仿生、材料仿生、结构功能仿生、物质能量传递仿生和生物信息传感仿生等类别。如医院每天的第一个病人进行仪器的性能检验；新医疗法的第一批受试者，检验其科学性、安全性和实用性；如军事装备的第一批参战人员，检验武器的杀伤能力和防护器材的防护能力；如高速运载工具的第一批乘客，检验安全性、舒适性和生命保障***；如旅游区、新建筑的第一批游客和住户，以对其辐射水平、安全性进行客观评价。

欧美等国家从20世纪40年代就开始了对仿真人模型的研究，具有代表性的是美国第一安全技术公司(First Technology safety system)、荷兰Volvo公司和荷兰TNO公司。从世界上第一个仿真人模型Sierra Sam到目前较新型的Thor，都是仿生技术不断发展的体现。我国仿真人模型的研究起步较晚，在20世纪80年代开始，我国不断地深入对仿真人模型的研究，加强仿生技术的发展。从最初单一的几何形态模拟发展为现在的形态结构功能等的高度仿生，我国仿真人模型已经具备一定水平，但是仿生技术的具体应用发展缓慢，必须加大幅度对仿生技术这把社会发展的金钥匙进行研究。

当前市场容量和需求最大的仍以结构和功能仿生为主。结构功能仿生包括结构仿生和功能仿生两个方面，功能仿生必须以结构仿生为基础，两者是统一体。我国仿真人模型的结构功能仿生主要体现在两方面：一是从外部结构考虑，仿真人模型的15个环节，每个环节的外部结构功能和人体相似；二是从力学角度考虑，能够实现对人体运动的各种姿势和灵活性的模仿，突出体现在对各个关节自由度以及活动范围的仿生。

仿真人模型的桥梁、稳定受体、替身和工具等作用，决定了其广泛的市场需求。为了获得最佳的安全性、舒适性及各种保障人体安全的评价参数，仿真人模型必须具有高度的仿生性。仿生决不是简单的仿生，而是要在仿生中创新。因为在研制仿真人模型时，很多情况下不可能获得和人体完全一样的材料和结构，例如：为了得到高速运载工具的评价参数，在仿真人模型里必须安装传感器，而人体没有传感器，这就决定了必须在仿生中创新。这样最终完成的仿真人模型才能广泛应用于医学工程、安全工程、环境工程、军事工程和人机工程等领域，造福人类。

具体到运动健康教学领域，测量关节角度的教学难度较大，其难度主要在于以下几方面：(1)测量对象通常为真人，而真人很难使自己的某一关节保持一个动作不变，使得测量本身没有权威的标准答案供参考；(2)虽然关节测量的理论很简单，但是人体关节本身具有形状不规则的特点，很难以客观标准来评判学生的测量过程是否标准；(3)由于无法以标准的测量结果来衡量，教学过程中往往只能由老师凭借教学经验，向学生传授具体的测量方法，而无法再结合标准答案来评判学生对测量方法的掌握程度。

由于仿真人可以持久地保持关节动作不变，应当可以作为教学测量的对象。经检索发现，专利号为CN200510021242.X、授权公告号CN100492444C、名称为《人体模型的仿生关节结构及其用途》的中国发明专利，该仿生关节结构含有上臂、下臂和两个转动部分，上臂和下臂活动连接，上臂绕水平轴心线相对于下臂转动，转动位置被限位销钉和上臂的定位缺口限定，转动部分的摩擦力由摩擦滑动块和调节螺钉共同调控；联接螺钉将下臂的上部分和下部分连接，下臂的下部分相对于下臂的轴心线转动，联接螺钉的下面装设有摩擦垫片以调节该转动部位的摩擦力，止动螺钉固定联接螺钉以防止相对于下臂的转动。

专利号为CN200520087642.6、授权公告号为CN2841103Y、名称为《关节可活动的立体人像》的中国实用新型专利，其头部支干向下依次组接颈部支干、主肩胛机构，而主肩胛机构之中部下方及两侧下方分别组接脊椎机构及二肩胛关节机构，脊椎机构下端组接主髋骨机构、主髋骨机构两侧分别依次组接二髋骨关节机构、二大小腿关节机构与二脚踝关节机构，二肩胛关节机构下端依序组接二上臂关节机构及二下臂关节机构，上述机构与机构之间采用枢轴连接或球面连接方式进行连接。

专利号为CN201220013687.9、授权公告号为CN202436648U、名称为《一种活动人体模型》的中国实用新型专利，包括头、颈、躯干、上肢和下肢，躯干包括胸、腹、胯，上肢包括肩、大臂、肘、小臂和手，下肢包括大腿、膝盖、小腿、后脚掌和前脚掌，各个关节处采用与人体关节相仿的结构设计。

然而，在以上述专利为代表的现有技术中，仿真人主要用作展示用假人、或者实质为机器人，其关节仅需达到能运转自如的要求即可，并不需要逼真地模拟人体关节，因此，在现有技术中常常可以看到：对于活动自由度小的关节，常采用一个简单的转动副来实现；对于活动自由度大的关节，常采用两个转动副相连来实现。然而，这些结构虽然能使肢体摆出符合人体动作的造型，但却与真实的人体关节结构差距很大而不能用于关节角度测量教学。

人的肢体关节主要包括上肢的肩关节、肘关节和腕关节，以及下肢的髋关节、膝关节和踝关节。这些肢体关节的具体结构各不相同，活动度范围也大不一样(有的关节某状态活动度大至180°，有的关节某状态活动度小至不到20°)，以现有技术很难通过某一特定的结构来对这些肢体关节进行仿真。同时，这些肢体关节在活动时，关节两边所连骨骼的轴线交点固定，不会随关节活动而发生改变，这是关节角度测量的基础，也是关节仿真的难点。若要研制人体关节测量评价***，则需要克服以上技术问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术存在的问题，提供一种人体关节测量评价***，仿真人关节仿真程度高，且能自动得出各关节角度值。

本发明申请人在多年的实践研究中发现了现有技术存在的技术问题(见背景技术)，之后即致力于解决这些技术问题。申请人在深入实践研究中发现，对人体关节测量评价***，最主要的是要解决关节的高度仿真问题；然而，若采用普通机械结构的关节，则肯定难以实现高度仿真；若采用真空结构的关节，虽然有可能实现高度仿真，但对结构密封性要求过高，不易实现。申请人还尝试了多种其他结构的关节，但总是难以兼顾高度仿真和轴线交点固定不变。申请人进一步经过深入地反复实践研究，终于得出了能解决前述技术问题的技术方案。具体如下：

一种人体关节测量评价***，包括仿真人和上位机，所述仿真人包括彼此连接的仿真躯干和仿真肢体，所述仿真肢体包括仿真上肢和仿真下肢；所述仿真肢体内设有至少一个仿真关节；其特征是，所述仿真关节包括第一、第二仿骨骼连接件，所述第一、第二仿骨骼连接件分别设有惯性传感器；所述上位机具有关节角度测量模块，用以根据各惯性传感器的测量数据计算出相应仿真关节的当前角度；所述上位机还具有显示模块；所述惯性传感器的信号输出端与关节角度测量模块的信号输入端连接，所述关节角度测量模块的结果输出端与显示模块连接；

所述第一仿骨骼连接件的末端固连有关节球座，所述第二仿骨骼连接件的末端固连有关节球，所述关节球座与关节球相配合，所述关节球座具有与关节球表面相贴合的球窝，所述球窝覆盖关节球表面的面积小于关节球表面总面积的一半；所述关节球座、关节球分别由导磁材料制成，所述关节球座内设有磁吸组件；在磁吸组件的磁吸力作用下，所述关节球座与关节球形成活动连接；所述关节球座的中心轴与关节球的球心重合；所述第一仿骨骼连接件的中心轴与关节球座的中心轴重合，所述第二仿骨骼连接件的中心轴与关节球的球心重合；

所述仿真关节具有调低磁吸组件磁吸力后通过摆动第一、第二仿骨骼连接件使仿真关节摆出预设姿态的第一状态，以及调高磁吸组件磁吸力使第一、第二仿骨骼连接件保持位置不变进而使仿真关节保持姿态不变的第二状态。

该***利用惯性传感器和上位机，经计算得出各关节角度，这样即能在教学过程中提供测量结果的标准答案，利于评判学生的测量准确性。

该***的仿真人关节结构中：首先，球窝尺寸小于关节球的一半，可确保适用于活动度较大的关节，从而解决现有技术无法以一种特定结构仿真六个主要的人肢体关节的技术难题；其次，以磁吸组件的磁吸力来连接关节球座和关节球，不仅可避免缩小球窝导致关节球脱落的情况，还能通过控制磁吸力的强弱来调节关节球座和关节球的摩擦阻尼，使得仿真关节既能按要求摆出动作、又能保持动作不变；最后，整个仿真关节以单一关节结构来最大程度地仿真人体关节，并通过对仿真关节各部件位置关系的严格限定，确保关节两边所连骨骼的轴线交点固定，进而确保适用于关节角度测量教学。

本发明进一步完善的技术方案如下：

优选地，所述仿真上肢与仿真躯干连接处设有的仿真关节为仿真肩关节；在所述仿真肩关节中，所述第一仿骨骼连接件为仿肩胛骨连接件，所述第二仿骨骼连接件为仿肱骨连接件，所述关节球座的球窝为仿肩胛骨关节盂，所述关节球为仿肱骨头；所述仿肩胛骨关节盂的边缘设有仿肩关节限位件，在该仿肩关节限位件的限位作用下，所述仿真肩关节的活动度范围为：以仿肱骨连接件下垂为中立位，关节上举活动度为160°～180°，关节后伸活动度为40°～60°。该优选方案可进一步使仿真人具备高度仿真的肩关节。

优选地，所述仿真上肢的肘关节部位设有仿真肘关节；在所述仿真肘关节中，所述第一仿骨骼连接件为仿肱骨连接件，所述第二仿骨骼连接件为仿前臂骨骼连接件，所述关节球座的球窝为仿肱骨窝，所述关节球为仿前臂骨骼接头；所述仿肱骨窝的边缘设有仿肘关节限位件，在该仿肘关节限位件的限位作用下，所述仿真肘关节的活动度范围为：以仿前臂骨骼连接件下垂为中立位，关节屈曲活动度为135°～160°，关节过度伸直活动度为0°～20°。该优选方案可进一步使仿真人具备高度仿真的肘关节。

优选地，所述仿真上肢的腕关节部位设有仿真腕关节；在所述仿真腕关节中，所述第一仿骨骼连接件为仿前臂骨骼连接件，所述第二仿骨骼连接件为仿手骨连接件，所述关节球座的球窝为仿腕关节盘，所述关节球为仿腕关节头；所述仿腕关节盘的边缘设有仿腕关节限位件，在该仿腕关节限位件的限位作用下，所述仿真腕关节的活动度范围为：以仿手骨连接件和仿前臂骨骼连接件呈直线为中立位，关节背伸活动度为30°～60°，关节掌屈活动度为50°～90°，关节挠侧倾斜活动度为25°～40°，关节尺侧倾斜活动度为30°～50°。该优选方案可进一步使仿真人具备高度仿真的腕关节。

优选地，所述仿真下肢与仿真躯干连接处设有的仿真关节为仿真髋关节；在所述仿真髋关节中，所述第一仿骨骼连接件为仿髋骨连接件，所述第二仿骨骼连接件为仿股骨连接件，所述关节球座的球窝为仿髋臼窝，所述关节球为仿股骨头；所述仿髋臼窝的边缘设有仿髋关节限位件，在该仿髋关节限位件的限位作用下，所述仿真髋关节的活动度范围为：以仿真髋关节伸直为中立位，关节屈曲活动度为130°～150°，关节后伸活动度为10°～25°，关节外展活动度为30°～55°，关节内收活动度为20°～40°。该优选方案可进一步使仿真人具备高度仿真的髋关节。

优选地，所述仿真下肢的膝关节部位设有仿真膝关节；在所述仿真膝关节中，所述第一仿骨骼连接件为仿股骨连接件，所述第二仿骨骼连接件为仿胫骨连接件，所述关节球座的球窝为仿股骨髁，所述关节球为仿胫骨髁；所述仿股骨髁的边缘设有仿膝关节限位件，在该仿膝关节限位件的限位作用下，所述仿真膝关节的活动度范围为：以仿真膝关节伸直为中立位，关节屈曲活动度为120°～160°，关节过伸活动度为5°～20°。该优选方案可进一步使仿真人具备高度仿真的膝关节。

优选地，所述仿真下肢的踝关节部位设有仿真踝关节；在所述仿真踝关节中，所述第一仿骨骼连接件为仿小腿骨骼连接件，所述第二仿骨骼连接件为仿距骨连接件，所述关节球座的球窝为仿小腿骨关节面，所述关节球为仿距骨滑车；所述仿小腿骨关节面的边缘设有仿踝关节限位件，在该仿踝关节限位件的限位作用下，所述仿真踝关节的活动度范围为：以仿距骨连接件与仿小腿骨骼连接件呈90°为中立位，关节背屈活动度为20°～40°，关节跖屈活动度为40°～60°，关节内翻活动度为20°～40°，关节外翻活动度为30°～45°。该优选方案可进一步使仿真人具备高度仿真的踝关节。

优选地，所述上位机还具有用以输入学生测量答案的输入设备、以及用以根据学生测量答案和仿真关节当前角度评判学生得分的评分模块；所述输入设备的数据输出端与评分模块的第一数据输入端连接，所述评分模块的第二数据输入端与关节角度测量模块的结果输出端连接，所述评分模块的结果输出端与显示模块连接。该优选方案可使***能自动对学生测量结果打分。

优选地，所述磁吸组件包括电磁线圈、或者永磁铁和电磁线圈，所述永磁铁或电磁线圈的中心轴与关节球座的中心轴重合；所述永磁铁或电磁线圈具有预设数值范围的磁吸力。该优选方案可通过调节线圈电流大小来调节磁吸力，以满足实际要求。

优选地，所述关节球座的球窝设有具有预设摩擦系数的球窝耐磨层，所述关节球表面设有具有预设摩擦系数的球面耐磨层，所述球窝耐磨层与球面耐磨层相接。该优选方案能使关节更好地保持动作不变。

优选地，所述第一、第二仿骨骼连接件分别为杆状构件。

与现有技术相比，本发明仿真人***中，仿真人具备了对人肢体关节高度仿真的仿真关节，能通过一种特定结构实现对六个主要的人肢体关节的仿真，同时能确保关节两边所连骨骼的轴线交点固定，进而确保仿真人适用于关节角度测量教学；该***能自动得出各关节角度，这样即能在教学过程中提供测量结果的标准答案，利于评判学生的测量准确性。

附图说明

图1为本发明仿真人***的示意图。

图2为本发明仿真关节的结构示意图。

图3为本发明具体实施方式中仿真肩关节的结构示意图。

图4为图3的A区域放大示意图。

图5为本发明具体实施方式中仿真肘关节的结构示意图。

图6为本发明具体实施方式中仿真腕关节的结构示意图。

图7为本发明具体实施方式中仿真髋关节的结构示意图。

图8为本发明具体实施方式中仿真膝关节的结构示意图。

图9为图8的B区域放大示意图。

图10为本发明具体实施方式中仿真踝关节的结构示意图。

图11为本发明具体实施时可采用的一种形式。

具体实施方式

下面参照附图并结合实施例对本发明作进一步详细描述。但是本发明不限于所给出的例子。

实施例

如图1至图10所示，本实施例人体关节测量评价***，包括仿真人20和上位机，仿真人20包括彼此连接的仿真躯干21和仿真肢体，仿真肢体包括仿真上肢22和仿真下肢23；仿真肢体内设有至少一个仿真关节；仿真关节包括第一、第二仿骨骼连接件14、15，第一、第二仿骨骼连接件14、15分别设有惯性传感器17；(本实施例采用的惯性传感器为市售品：例如，在惯性传感器中，含有HMC5883L传感器，L3G4200DH传感器以及DXL345传感器，主控芯片为MSP430F4152，蓝牙模块为Cypress EZ－BLE)

上位机具有关节角度测量模块，用以根据各惯性传感器17的测量数据计算出相应仿真关节的当前角度；上位机还具有显示模块；惯性传感器17的信号输出端与关节角度测量模块的信号输入端连接(可以是有线连接，也可以是无线连接)，关节角度测量模块的结果输出端与显示模块连接；

上位机还具有用以输入学生测量答案的输入设备、以及用以根据学生测量答案和仿真关节当前角度评判学生得分的评分模块；输入设备的数据输出端与评分模块的第一数据输入端连接，评分模块的第二数据输入端与关节角度测量模块的结果输出端连接，评分模块的结果输出端与显示模块连接；(例如，在具体评分时，先计算再根据结果偏差率给出评分：0≤结果偏差率≤10％，评分为A；10％＜结果偏差率≤30％，评分为B；30％＜结果偏差率≤60％，评分为C；结果偏差率﹥60％，评分为D)

第一仿骨骼连接件14的末端固连有关节球座11，第二仿骨骼连接件15的末端固连有关节球12，关节球座11与关节球12相配合，关节球座11具有与关节球12表面相贴合的球窝，球窝覆盖关节球12表面的面积小于关节球12表面总面积的一半；关节球座11、关节球12分别由导磁材料制成，关节球座11内设有磁吸组件；在磁吸组件的磁吸力作用下，关节球座11与关节球12形成活动连接；关节球座11的中心轴与关节球12的球心重合；第一、第二仿骨骼连接件14、15分别为杆状构件；第一仿骨骼连接件14的中心轴与关节球座11的中心轴重合，第二仿骨骼连接件15的中心轴与关节球12的球心重合；第一、第二仿骨骼连接件可选择刚度大的轻质材料，如钛合金或铝合金材料等。

仿真关节具有调低磁吸组件磁吸力后通过摆动第一、第二仿骨骼连接件14、15使仿真关节摆出预设姿态的第一状态，以及调高磁吸组件磁吸力使第一、第二仿骨骼连接件14、15保持位置不变进而使仿真关节保持姿态不变的第二状态。这一过程可以通过手动控制实现，也可以通过单片机自动控制实现。

磁吸组件包括电磁线圈、或者永磁铁和电磁线圈，永磁铁或电磁线圈的中心轴与关节球座11的中心轴重合；永磁铁或电磁线圈具有预设数值范围的磁吸力。电磁线圈可根据不同关节选用不同功率。

关节球座11的球窝设有具有预设摩擦系数的球窝耐磨层，关节球12表面设有具有预设摩擦系数的球面耐磨层，球窝耐磨层与球面耐磨层相接。

具体而言：

如图3、图4所示，仿真上肢22与仿真躯干21连接处设有的仿真关节为仿真肩关节；在仿真肩关节中，第一仿骨骼连接件14为仿肩胛骨连接件，第二仿骨骼连接件15为仿肱骨连接件，关节球座11的球窝为仿肩胛骨关节盂，关节球12为仿肱骨头；仿肩胛骨关节盂的边缘设有仿肩关节限位件16，在该仿肩关节限位件16的限位作用下，仿真肩关节的活动度范围为：以仿肱骨连接件下垂为中立位，关节上举活动度为160°～180°，关节后伸活动度为40°～60°。

如图5所示，仿真上肢22的肘关节部位设有仿真肘关节；在仿真肘关节中，第一仿骨骼连接件14为仿肱骨连接件，第二仿骨骼连接件15为仿前臂骨骼连接件，关节球座11的球窝为仿肱骨窝，关节球12为仿前臂骨骼接头；仿肱骨窝的边缘设有仿肘关节限位件16，在该仿肘关节限位件16的限位作用下，仿真肘关节的活动度范围为：以仿前臂骨骼连接件下垂为中立位，关节屈曲活动度为135°～160°，关节过度伸直活动度为0°～20°。

如图6所示，仿真上肢22的腕关节部位设有仿真腕关节；在仿真腕关节中，第一仿骨骼连接件14为仿前臂骨骼连接件，第二仿骨骼连接件15为仿手骨连接件，关节球座11的球窝为仿腕关节盘，关节球12为仿腕关节头；仿腕关节盘的边缘设有仿腕关节限位件16，在该仿腕关节限位件16的限位作用下，仿真腕关节的活动度范围为：以仿手骨连接件和仿前臂骨骼连接件呈直线为中立位，关节背伸活动度为30°～60°，关节掌屈活动度为50°～90°，关节挠侧倾斜活动度为25°～40°，关节尺侧倾斜活动度为30°～50°。

如图7所示，仿真下肢23与仿真躯干21连接处设有的仿真关节为仿真髋关节；在仿真髋关节中，第一仿骨骼连接件14为仿髋骨连接件，第二仿骨骼连接件15为仿股骨连接件，关节球座11的球窝为仿髋臼窝，关节球12为仿股骨头；仿髋臼窝的边缘设有仿髋关节限位件16，在该仿髋关节限位件16的限位作用下，仿真髋关节的活动度范围为：以仿真髋关节伸直为中立位，关节屈曲活动度为130°～150°，关节后伸活动度为10°～25°，关节外展活动度为30°～55°，关节内收活动度为20°～40°。

如图8、图9所示，仿真下肢23的膝关节部位设有仿真膝关节；在仿真膝关节中，第一仿骨骼连接件14为仿股骨连接件，第二仿骨骼连接件15为仿胫骨连接件，关节球座11的球窝为仿股骨髁，关节球12为仿胫骨髁；仿股骨髁的边缘设有仿膝关节限位件16，在该仿膝关节限位件16的限位作用下，仿真膝关节的活动度范围为：以仿真膝关节伸直为中立位，关节屈曲活动度为120°～160°，关节过伸活动度为5°～20°。

如图10所示，仿真下肢23的踝关节部位设有仿真踝关节；在仿真踝关节中，第一仿骨骼连接件14为仿小腿骨骼连接件，第二仿骨骼连接件15为仿距骨连接件，关节球座11的球窝为仿小腿骨关节面，关节球12为仿距骨滑车；仿小腿骨关节面的边缘设有仿踝关节限位件16，在该仿踝关节限位件16的限位作用下，仿真踝关节的活动度范围为：以仿距骨连接件与仿小腿骨骼连接件呈90°为中立位，关节背屈活动度为20°～40°，关节跖屈活动度为40°～60°，关节内翻活动度为20°～40°，关节外翻活动度为30°～45°。

以上各关节在使用时，可先适度调低电磁线圈的磁吸力，再通过摆动第一、第二仿骨骼连接件14、15来摆出预设的关节姿态(这一过程即仿真关节的第一状态)，然后调高电磁线圈的磁吸力使关节球座11与关节球12牢固贴合在一起，从而保持关节姿势(此即仿真关节的第二状态)，之后即可用于测量关节角度。

需要说明的是，以上各关节活动度范围的限定中，中立位以及每种活动度下的具体关节状态按照国家技术监督局发布的《事故伤害损失工作日标准GB/T 15499－1995》中“A12关节运动活动度的鉴定”的相应文字和图进行定义。此外，以上各仿真关节中的相应限位件16，其结构为能使相应仿真关节活动度范围满足相应限定的任何结构，附图中所示限位件仅供示意，并非对限位件结构的限定。

下面对本发明做进一步的详述：

一、本发明的基本原理如下：

1、基于电磁的仿真关节

电流磁效应作为物理学一个基本应用，与生活联系紧密，如电磁继电器、电磁起重机、磁悬浮列车、电子门锁、智能通道匝、电磁流量计等。电磁铁有许多优点：电磁铁的磁性有无可以用通、断电流控制；磁性的大小可以用电流的强弱或线圈的匝数多少来控制；也可通过改变电阻控制电流大小来控制磁性大小等等。即：磁性的强弱可以改变、磁性的有无可以控制、磁性可因电流的消失而消失。

上述仿真关节中，连接结构采用球窝形式，含有关节球和关节球座，可实现关节球在关节球座的转动以及自身绕仿骨骼连接件轴线的转动；关节球和关节球座活动连接通过电磁吸力完成。仿真关节的转动活动度通过对关节球座尺寸和结构的设计来限制，因此上述仿真关节具有与人体关节相类似的自由度，能进行活动范围的三维模拟。

上述仿真关节采用可调的电磁设计，关节球和关节球座均采用导磁材料，电磁线圈可根据不同关节选用功率不同，通过调整直流电压调整电磁场强度进而实际滑动摩擦阻尼无级调整；关节球和关节球座相互接触面具有耐磨和一定摩擦系数，加之关节球座模拟人体关节的限位可实现人体关节活动度的仿真。

同时，仿真关节的仿骨骼连接件可加装惯性传感器，可实时测试关节球相对于关节球座的转动三维角度。这对于仿真人模型的设计具有重要的意义。

2、仿真人模型

仿真人模型是研究人－机－环境***相互关系的重要桥梁和工具。仿真人模型的发展是仿生技术不断发展的体现。首先提出了仿真人模型所扮演的角色和应用领域主要包括高速运载工具仿真人模型、辐照仿真人模型和医学训练仿真人模型，其应用包括几何形体仿生、材料仿生、结构功能仿生、物质能量传递仿生和生物信息传感仿生五个方面。

本发明采用多关节仿真人模型，主要实现结构功能仿生：

1)其内部设有仿人体骨架结构的内部骨架，内部骨架包括若干块模仿人体骨骼的、在关节部位设置有活动连接机构的内部骨骼，包括颈骨、上臂骨、下臂骨、手掌骨、胸骨、腰骨、髋骨、大腿骨、小腿骨及脚掌骨等，所述关节部位均为基于电磁的仿真关节。

2)本仿真人模型关节在外力的作用下可以随意旋转变形，使得仿真人模型能够做出丰富的仿真人体的动作造型。

3、人体关节测量评价***

有了实现结构功能仿生的仿真人模型，便可以打造以仿真人模型为核心的各种人体运动测量评价应用***。以康复评定教学所需的关节活动度测评***为例。该***在具体实施时，可由仿真人模型、无线关节活动测量尺和上位机三部分组成，如图11所示。

无线关节活动测量尺：使用微型旋转角度传感器的进行角度的测量；通过起始角和结束角的测量，实时反馈关节活动度的信息，同时无线上传结果数据给上位机。该测量尺的具体结构可参考与本发明同时申报的实用新型专利。

仿真人模型：以上肢部分为例(如图3、图5、图6所示)，仿真人模型旋转至任意角度，惯性传感器测量关节三维角度信息，同时无线上传结果数据给上位机。

上位机：对上传的数据进行汇集、加工、比对后进行测量结果评定，并将结果存于数据中心，评定标准由江苏省运动与健康省重点实验室与江苏省康复医学学会专家团队进行设计，可用于专业教学和培训。

该人体运动测量***各部分既可独立供行业应用，如无线关节活动测量尺可供临床治疗师进行康复评定、仿真人模型也供运动技战术动作讲解示范等，也可整合成教学科研平台，具有广泛适用性。

二、本发明具有如下特色：

1、基于电磁的仿真关节：本发明的仿真关节结构不同于机器人关节，主要用于假人和仿真人模型。机器人关节主要从运动自由度及运动轨迹的可实现性来设计运动关节，而仿真关节的设计包括人体关节活动度的模拟，活动范围的模拟及限位，摩擦阻尼的模拟，本发明仿真关节的特色在于：

1)仿真关节具有与人体关节相类似的自由度，能进行活动范围的三维模拟；

2)球窝式关节和可调的电磁设计相结合，加之以关节球座模拟人体关节的限位可实现人体关节活动和活动度的仿真；

3)惯性传感器，能实时测试仿真关节的三维角度。这对于仿真人模型的设计具有重要的意义。

2、仿真人模型：传统的仿真人模型缺点是不能摆出多种造型，或能摆出有限的几个造型，产品动作单一且实用性低。不同于传统仿真人模型，本发明仿真人模型的特色在于：

1)采用基于电磁的仿真关节，使得仿真人模型能够做出丰富的仿真人体的动作造型；

2)实时显示任意关节三维关节角度信息。

3、人体关节测量评价***：本发明尤其适用于医用、教学等关节活动度测量评价分析的***，其特色在于：

1)测量结果全部数字化，测试过程简单化，保证了测量的准确性，确保了评价结果的可信度；

2)人体运动测量***各部分既可独立供行业应用，如无线关节活动测量尺可供临床治疗师进行康复评定、仿真人模型，也供运动技战术动作讲解示范等，也可整合成教学科研平台，具有广泛适用性。

由此可见，本发明能赋予康复和体育行业应用新内涵，创新地将传感器人体运动监测与仿真人模型进行整合，其价值体现在既降低了信息技术的复杂性，也符合实际应用的实用性需要，具有广阔应用需求。

Claims (10)

1.一种人体关节测量评价***，包括仿真人和上位机，所述仿真人包括彼此连接的仿真躯干和仿真肢体，所述仿真肢体包括仿真上肢和仿真下肢；所述仿真肢体内设有至少一个仿真关节；其特征是，所述仿真关节包括第一、第二仿骨骼连接件，所述第一、第二仿骨骼连接件分别设有惯性传感器；所述上位机具有关节角度测量模块，用以根据各惯性传感器的测量数据计算出相应仿真关节的当前角度；所述上位机还具有显示模块；所述惯性传感器的信号输出端与关节角度测量模块的信号输入端连接，所述关节角度测量模块的结果输出端与显示模块连接；

所述第一仿骨骼连接件的末端固连有关节球座，所述第二仿骨骼连接件的末端固连有关节球，所述关节球座与关节球相配合，所述关节球座具有与关节球表面相贴合的球窝，所述球窝覆盖关节球表面的面积小于关节球表面总面积的一半；所述关节球座、关节球分别由导磁材料制成，所述关节球座内设有磁吸组件；在磁吸组件的磁吸力作用下，所述关节球座与关节球形成活动连接；所述关节球座的中心轴与关节球的球心重合；所述第一仿骨骼连接件的中心轴与关节球座的中心轴重合，所述第二仿骨骼连接件的中心轴与关节球的球心重合；

所述仿真关节具有调低磁吸组件磁吸力后通过摆动第一、第二仿骨骼连接件使仿真关节摆出预设姿态的第一状态，以及调高磁吸组件磁吸力使第一、第二仿骨骼连接件保持位置不变进而使仿真关节保持姿态不变的第二状态。

2.根据权利要求1所述的人体关节测量评价***，其特征是，所述仿真上肢与仿真躯干连接处设有的仿真关节为仿真肩关节；在所述仿真肩关节中，所述第一仿骨骼连接件为仿肩胛骨连接件，所述第二仿骨骼连接件为仿肱骨连接件，所述关节球座的球窝为仿肩胛骨关节盂，所述关节球为仿肱骨头；所述仿肩胛骨关节盂的边缘设有仿肩关节限位件，在该仿肩关节限位件的限位作用下，所述仿真肩关节的活动度范围为：以仿肱骨连接件下垂为中立位，关节上举活动度为160°～180°，关节后伸活动度为40°～60°。

3.根据权利要求1所述的人体关节测量评价***，其特征是，所述仿真上肢的肘关节部位设有仿真肘关节；在所述仿真肘关节中，所述第一仿骨骼连接件为仿肱骨连接件，所述第二仿骨骼连接件为仿前臂骨骼连接件，所述关节球座的球窝为仿肱骨窝，所述关节球为仿前臂骨骼接头；所述仿肱骨窝的边缘设有仿肘关节限位件，在该仿肘关节限位件的限位作用下，所述仿真肘关节的活动度范围为：以仿前臂骨骼连接件下垂为中立位，关节屈曲活动度为135°～160°，关节过度伸直活动度为0°～20°。

4.根据权利要求1所述的人体关节测量评价***，其特征是，所述仿真上肢的腕关节部位设有仿真腕关节；在所述仿真腕关节中，所述第一仿骨骼连接件为仿前臂骨骼连接件，所述第二仿骨骼连接件为仿手骨连接件，所述关节球座的球窝为仿腕关节盘，所述关节球为仿腕关节头；所述仿腕关节盘的边缘设有仿腕关节限位件，在该仿腕关节限位件的限位作用下，所述仿真腕关节的活动度范围为：以仿手骨连接件和仿前臂骨骼连接件呈直线为中立位，关节背伸活动度为30°～60°，关节掌屈活动度为50°～90°，关节挠侧倾斜活动度为25°～40°，关节尺侧倾斜活动度为30°～50°。

5.根据权利要求1所述的人体关节测量评价***，其特征是，所述仿真下肢与仿真躯干连接处设有的仿真关节为仿真髋关节；在所述仿真髋关节中，所述第一仿骨骼连接件为仿髋骨连接件，所述第二仿骨骼连接件为仿股骨连接件，所述关节球座的球窝为仿髋臼窝，所述关节球为仿股骨头；所述仿髋臼窝的边缘设有仿髋关节限位件，在该仿髋关节限位件的限位作用下，所述仿真髋关节的活动度范围为：以仿真髋关节伸直为中立位，关节屈曲活动度为130°～150°，关节后伸活动度为10°～25°，关节外展活动度为30°～55°，关节内收活动度为20°～40°。

6.根据权利要求1所述的人体关节测量评价***，其特征是，所述仿真下肢的膝关节部位设有仿真膝关节；在所述仿真膝关节中，所述第一仿骨骼连接件为仿股骨连接件，所述第二仿骨骼连接件为仿胫骨连接件，所述关节球座的球窝为仿股骨髁，所述关节球为仿胫骨髁；所述仿股骨髁的边缘设有仿膝关节限位件，在该仿膝关节限位件的限位作用下，所述仿真膝关节的活动度范围为：以仿真膝关节伸直为中立位，关节屈曲活动度为120°～160°，关节过伸活动度为5°～20°。

7.根据权利要求1所述的人体关节测量评价***，其特征是，所述仿真下肢的踝关节部位设有仿真踝关节；在所述仿真踝关节中，所述第一仿骨骼连接件为仿小腿骨骼连接件，所述第二仿骨骼连接件为仿距骨连接件，所述关节球座的球窝为仿小腿骨关节面，所述关节球为仿距骨滑车；所述仿小腿骨关节面的边缘设有仿踝关节限位件，在该仿踝关节限位件的限位作用下，所述仿真踝关节的活动度范围为：以仿距骨连接件与仿小腿骨骼连接件呈90°为中立位，关节背屈活动度为20°～40°，关节跖屈活动度为40°～60°，关节内翻活动度为20°～40°，关节外翻活动度为30°～45°。

8.根据权利要求1至7任一项所述的人体关节测量评价***，其特征是，所述上位机还具有用以输入学生测量答案的输入设备、以及用以根据学生测量答案和仿真关节当前角度评判学生得分的评分模块；所述输入设备的数据输出端与评分模块的第一数据输入端连接，所述评分模块的第二数据输入端与关节角度测量模块的结果输出端连接，所述评分模块的结果输出端与显示模块连接。

9.根据权利要求1至7任一项所述的人体关节测量评价***，其特征是，所述磁吸组件包括电磁线圈、或者永磁铁和电磁线圈，所述永磁铁或电磁线圈的中心轴与关节球座的中心轴重合；所述永磁铁或电磁线圈具有预设数值范围的磁吸力。

10.根据权利要求1至7任一项所述的人体关节测量评价***，其特征是，所述关节球座的球窝设有具有预设摩擦系数的球窝耐磨层，所述关节球表面设有具有预设摩擦系数的球面耐磨层，所述球窝耐磨层与球面耐磨层相接；所述第一、第二仿骨骼连接件分别为杆状构件。