CN107806837A - 一种非侵入式腕关节轴线运动模型测量方法 - Google Patents
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Abstract
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。
Description
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***捕捉***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***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
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***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)尽量远离腕关节。
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***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***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***决定的。 如图3所示，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Pi，每个标记点的位置为(xi yi zi)，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Ox、 Oy、Oz表示，前臂局部坐标系O1(9)的原点为O1，x、y、z轴分别 用O1x、O1y、O1z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O2x、O2y、 O2z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：
2)腕关节模型的建立：
将人体的腕关节模型建为轴线倾斜不相交的两根轴线，两根轴线 之间的夹角为α，距离为d。将前臂以及手部视为刚体，建立一个两 自由度的参数化的空间连杆机构，定义(m1,l1)为屈/伸轴线(FE)相对 前臂参考坐标系O1(9)的位姿，(m2l2)为收/展轴线(RUD)相对手 部参考坐标系O2(10)的位姿。屈/伸轴线(FE)的方向用l1(1a1b1)表 示，收/展轴线(RUD)的方向用l2(a2b21)表示，两根轴线与公垂线之 间的交点记为m1(m1x m1y m1z)和m2(m2x m2ym2z)。得到屈/伸轴线相对固定 坐标系O(11)的位姿为：
收/展轴线(RUD)相对于固定坐标系O(11)的位姿为：
3)腕关节运动轴线位姿求解
通过vicon运动捕捉***采集到的数据仅仅是标志点的坐标值， 因此还需要做数据处理。在腕关节运动的过程中屈伸与收展的轴线位 姿是瞬时变化的，为获取t时刻屈伸与收展轴线之间的位姿关系，利 用构建空间封闭矢量环作为约束方程来求解轴线的位姿。
如图4所示，各个矢量存在以下关系：
所有矢量必须在固定坐标系O(11)下运算，由于存在误差e，故 根据式(7)得：
将一个周期T内屈伸以及收展的数据带入，利用matlab优化工具 箱中的遗传算法去辨识腕关节模型的相关参数，使得δ的值最小。
最后，需要辨识的参数为l1(1 a1 b1)、l2(a2 b2 1)、m1(m1x m1y m1z)、 m2(m2x m2ym2z)、d，将最终得到的结果带入式(5)、式(6)中便得 到某一时刻t下，腕关节屈/伸以及收/展轴线的位姿在固定坐标系O (11)下的数值，求得屈/伸(FE)和收/展轴线(RUD)之间的距离 和夹角。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果。
1、该方法将腕关节模型建为倾斜不相交的两根轴线，通过数据 处理得到了较为精确的腕关节运动模型；
2、现有的腕关节方法，没有充分考虑在测量过程中皮肤运动带 来的误差，本方法充分考虑皮肤运动带来的影响，利用将标记点贴放 到法兰上，再通过弹性垫将法兰固定到人体的手部以及前臂，从而有 效的解决了腕关节测量过程中皮肤带来的误差问题；
3、实践表明，该方法能够有效辨识腕关节运动模型参数，方法 较为简单，是一种有效地非侵入式腕关节轴线运动模型测量方法。
附图说明
图1是腕关节运动检测示意图。
图2是腕关节轴线运动模型示意图。
图3是坐标系建立示意图。
图4是腕关节轴线位姿计算示意图。
图1-图4中：1-前臂法兰，2-手部法兰，3-约束导轨，4-引导棒， 5-紧固螺钉，6-前臂标记点，7-手部标记点，8-滑块，9-前臂参考系， 10-手部参考系，11-固定坐标系，12-支撑架，13-升降台，FE-屈/伸轴 线，RUD-收/展轴线。
具体实施方式
实施例
本发明具体步骤如下：
1、数据测量
如图1所示，在测试者的手部及前臂贴放8个标记点，通过vicon 光学运动捕捉***采集8个标记点的位置。以屈伸运动为例，在实验 过程中，采集屈/伸运动数据时，手腕由屈向伸运动，往复三个周期。
在t时刻下，8个标记点的位置为：
P1(235.6984 219.5886 960.4167),P2(236.211 295.7337 957.716)，
P3(194.9982 258.908 957.5391),P4(273.4254 256.3104 959.5434),
P5(180.4009 409.6366 942.4073),P6(233.7286 467.6213 947.0558)，
P7(235.792 412.195 946.8046),P8(178.0265 466.1292 942.5173)。
由(1)式得前臂局部坐标系O1(9)的原点:
O1(235.0832 257.6352 958.8038)，x、y、z轴为：O1x(0.9991,-0.0331,0.0255) O1y(0.0340 0.9988 -0.0348)、O1z(-0.0244 0.0356 0.9991)。
手部局部坐标系O2(10)的原点为O2(206.9870 438.8955 944.6963)， x、y、z轴为:O2x(-0.7299 0.6815 -0.0542)、O2y(0.6789 0.7318 0.0591)、 O2z(0.0799 0.0064 -0.9968)。
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：
2、腕关节模型的建立：
如图2所示，将人体的腕关节模型建为轴线倾斜不相交的两根轴 线，两根轴线之间的夹角为α，距离为d。将前臂以及手部视为刚体， 建立一个两自由度的参数化的空间连杆机构，定义(l1 m1)为屈/伸轴线 (FE)相对前臂参考坐标系O1(9)的位姿，(l2 m2)为收/展轴线(RUD) 相对手部参考坐标系O2(10)的位姿。屈/伸轴线(9)的方向用l1(1 a1 b1) 表示，收/展轴线(RUD)的方向用l2(a2 b2 1)表示，两根轴线与公垂线 之间的交点记为m1(m1x m1ym1z)和m2(m2x m2y m2z)。通过式(5)、式(6) 可得屈/伸轴线(FE)相对固定坐标系O的位姿收/展轴线 (RUD)相对于固定坐标系O(11)的位姿
通过vicon运动捕捉***采集到的数据仅仅是标志点的坐标值， 因此还需要做数据处理。在腕关节运动的过程中屈伸与收展的轴线位 姿是瞬时变化的，为获取t时刻屈伸与收展轴线之间的位姿关系，利 用构建空间封闭矢量环作为约束方程来求解轴线的位姿。
如图4所示，图中各个矢量存在以下关系：
所有矢量必须在固定坐标系O(11)下运算，由于存在误差e，故 根据上式得：
将一个周期T内屈伸以及收展的数据带入，利用matlab工具箱中 的遗传算法去辨识腕关节模型的相关参数，使得δ的值最小。
最后，辨识的参数结果m1(-14.78115029 116.0295361 -56.52210627)、 m2(-54.16107293 -35.84456843 58.06368374)
l1(1 -53.30903462 14.976680811)l2(-68.5783805 40.92556321)、 d＝7.436956691，将辨识结果带入(5)、(6)式中，便可求得腕关节 屈/伸轴线(FE)以及收/展轴线(RUD)的位姿在固定坐标系O(11) 的数值，求得屈/伸轴线(FE)以及收/展轴线(RUD)的距离为 7.436956691mm和夹角为83.2312°。
Claims (4)
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***捕捉***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***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***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***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***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***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Pi，每个标记点的位置为(xi yi zi)，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Ox、Oy、Oz表示，前臂局部坐标系O1(9)的原点为O1，x、y、z轴分别用O1x、O1y、O1z表示，其中：
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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O2x、O2y、O2z表示，其中：
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<mn>2</mn>
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<mn>5</mn>
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</mrow>
</mtd>
</mtr>
<mtr>
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<mrow>
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<mn>2</mn>
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<mrow>
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<mrow>
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</mrow>
</mfrac>
</mrow>
</mtd>
</mtr>
</mtable>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>2</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
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：
3.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：将人体的腕关节模型建为轴线倾斜不相交的两根轴线，两根轴线之间的夹角为α，距离为d；将前臂以及手部视为刚体，建立一个两自由度的参数化的空间连杆机构，定义(m1,l1)为屈/伸轴线(FE)相对前臂参考坐标系O1(9)的位姿，(m2 l2)为收/展轴线(RUD)相对手部参考坐标系O2(10)的位姿；屈/伸轴线(FE)的方向用l1(1 a1 b1)表示，收/展轴线(RUD)的方向用l2(a2b2 1)表示，两根轴线与公垂线之间的交点记为m1(m1x m1y m1z)和m2(m2x m2y m2z)；得到屈/伸轴线相对固定坐标系O(11)的位姿为：
收/展轴线(RUD)相对于固定坐标系O(11)的位姿为：
4.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：腕关节运动轴线位姿求解
通过vicon运动捕捉***采集到的数据仅仅是标志点的坐标值，因此还需要做数据处理；在腕关节运动的过程中屈伸与收展的轴线位姿是瞬时变化的，为获取t时刻屈伸与收展轴线之间的位姿关系，利用构建空间封闭矢量环作为约束方程来求解轴线的位姿；
各个矢量存在以下关系：
<mrow>
<mover>
<mrow>
<msub>
<mi>OO</mi>
<mn>2</mn>
</msub>
</mrow>
<mo>&RightArrow;</mo>
</mover>
<mo>-</mo>
<mover>
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<mrow>
<msub>
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<mn>1</mn>
</msub>
</mrow>
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<mo>+</mo>
<mover>
<mrow>
<msub>
<mi>m</mi>
<mn>1</mn>
</msub>
<msub>
<mi>m</mi>
<mn>2</mn>
</msub>
</mrow>
<mo>&RightArrow;</mo>
</mover>
<mo>+</mo>
<mover>
<mrow>
<msub>
<mi>m</mi>
<mn>2</mn>
</msub>
<msub>
<mi>O</mi>
<mn>2</mn>
</msub>
</mrow>
<mo>&RightArrow;</mo>
</mover>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>7</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
所有矢量必须在固定坐标系O(11)下运算，由于存在误差e，故根据式(7)得：
将一个周期T内屈伸以及收展的数据带入，利用matlab优化工具箱中的遗传算法去辨识腕关节模型的相关参数，使得δ的值最小；
<mrow>
<mi>&delta;</mi>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mn>1</mn>
<mi>T</mi>
</mfrac>
<mi>m</mi>
<mi>i</mi>
<mi>n</mi>
<msubsup>
<mo>&Integral;</mo>
<mn>0</mn>
<mi>T</mi>
</msubsup>
<mi>e</mi>
<mi>d</mi>
<mi>t</mi>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>9</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
最后，需要辨识的参数为l1(1 a1 b1)、l2(a2 b2 1)、m1(m1x m1y m1z)、m2(m2x m2y m2z)、d，将最终得到的结果带入式(5)、式(6)中便得到某一时刻t下，腕关节屈/伸以及收/展轴线的位姿在固定坐标系O(11)下的数值，求得屈/伸(FE)和收/展轴线(RUD)之间的距离和夹角。
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