本發(fā)明涉及康復(fù)機器人領(lǐng)域，尤其涉及一種測量手扶式起立時人體重心位置的裝置及測量方法。

背景技術(shù)：

隨著人口老齡化的加劇，對于輔助養(yǎng)老機器人的需求越來越強烈。輔助起立、坐下或者行走的機器人，可以幫助老年人日常的起居，大大降低對于老年人護理人力的需求，目前已經(jīng)有很廣泛的市場需求。由于這類輔助養(yǎng)老的機器人所服務(wù)的是一些身體虛弱的老年人，它對于安全性能有著最高級別的要求，不僅需要能保證在輔助老人的工作過程中不會誤傷到老人，還要確保老人在起立過程中不摔倒。

人體重心位置是表征人體平衡狀況的重要參數(shù)，通過實時觀察人體起立時的重心位置，可以觀察人體的平衡情況，確保在起立的過程中不摔倒。此外，人體平衡功能檢測可作為眩暈、前庭病變、腦部病變的輔助診斷和康復(fù)療效評定的定量指標(biāo)，對疾病的進展及療效有監(jiān)測作用。

現(xiàn)有的輔助老年人起立的設(shè)備雖然有安全保護措施，但缺少針對不同個體的差異性的措施，也缺少對老年人自身行動能力的觀測；現(xiàn)有的測量人體重心的方法，有些受到測試平臺的限制，不適用于輔助老年人起立的設(shè)備，有些使用的傳感器過多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本過高。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種能夠?qū)崟r測量出人體重心位置的測量手扶式起立時人體重心位置的裝置及測量方法。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案解決上述技術(shù)問題的：一種測量手扶式起立時人體重心位置的裝置，包括手扶式輔助起立裝置，所述手扶式輔助起立裝置上安裝有第一傳感器(1)、第二傳感器(2)和第三傳感器(3)；所述第一傳感器(1)采用角度傳感器，安裝在所述手扶式輔助起立裝置的扶手(4)上，用于測量小臂與扶手的夾角；所述第二傳感器(2)和第三傳感器(3)采用位置傳感器，分別用于測量肩關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)連線上選取的一個固定點的位置以及踝關(guān)節(jié)位置；所述第一傳感器(1)、第二傳感器(2)和第三傳感器(3)均連接到數(shù)據(jù)處理設(shè)備上。

作為優(yōu)化的技術(shù)方案，所述手扶式輔助起立裝置還包括靠背(5)和底座(6)，所述靠背(5)固定在所述底座(6)的上方，所述扶手(4)固定在所述靠背(5)的中部，所述第二傳感器(2)安裝在所述扶手(4)與所述靠背(5)的連接處，所述第三傳感器(3)安裝在所述底座(6)上。第二傳感器和第三傳感器的安裝位置需確保這兩個傳感器在人體起立的過程中始終能夠測量到肩關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)連線上選取的固定點的位置以及踝關(guān)節(jié)的位置，在確保能夠測量到所需數(shù)據(jù)的前提下，在不同的應(yīng)用場合中傳感器的位置可以不同。

作為優(yōu)化的技術(shù)方案，所述第二傳感器(2)和第三傳感器(3)均采用超聲波位置傳感器。

作為優(yōu)化的技術(shù)方案，所述數(shù)據(jù)處理設(shè)備采用單片機。

作為優(yōu)化的技術(shù)方案，使用該裝置測量人體重心的步驟為：人體起立時，手扶在扶手上，腕關(guān)節(jié)的位置已知；首先根據(jù)腕關(guān)節(jié)的位置、小臂的長度和通過第一傳感器(1)測得的小臂與扶手的夾角確定肘關(guān)節(jié)的位置；然后根據(jù)肘關(guān)節(jié)的位置、大臂的長度和通過第二傳感器(2)測得的固定點的位置到肩關(guān)節(jié)的距離確定肩關(guān)節(jié)的位置；再根據(jù)肩關(guān)節(jié)的位置、所述固定點的位置和所述固定點到髖關(guān)節(jié)的距離確定髖關(guān)節(jié)的位置；最后根據(jù)髖關(guān)節(jié)的位置、大腿的長度、小腿的長度和通過第三傳感器(3)測得的踝關(guān)節(jié)的位置確定膝關(guān)節(jié)的位置；

通過確定腕關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)這六個關(guān)節(jié)的位置，計算出腳、小腿、大腿、軀干、大臂、小臂這六個部分各自的重心位置(yi，zi)，六個部分各自的質(zhì)量為mi，則人體重心位置(ycog，zcog)＝(σmiyi，σmizi)。

一種采用上述裝置測量人體重心位置的方法，其特征在于，包括以下步驟：人體起立時，手扶在扶手上，腕關(guān)節(jié)的位置已知；首先根據(jù)腕關(guān)節(jié)的位置、小臂的長度和通過第一傳感器(1)測得的小臂與扶手的夾角確定肘關(guān)節(jié)的位置；然后根據(jù)肘關(guān)節(jié)的位置、大臂的長度和通過第二傳感器(2)測得的固定點的位置到肩關(guān)節(jié)的距離確定肩關(guān)節(jié)的位置；再根據(jù)肩關(guān)節(jié)的位置、所述固定點的位置和所述固定點到髖關(guān)節(jié)的距離確定髖關(guān)節(jié)的位置；最后根據(jù)髖關(guān)節(jié)的位置、大腿的長度、小腿的長度和通過第三傳感器(3)測得的踝關(guān)節(jié)的位置確定膝關(guān)節(jié)的位置；

通過確定腕關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)這六個關(guān)節(jié)的位置，計算出腳、小腿、大腿、軀干、大臂、小臂這六個部分各自的重心位置(yi，zi)，六個部分各自的質(zhì)量為mi，則人體重心位置(ycog，zcog)＝(σmiyi，σmizi)。

本發(fā)明的優(yōu)點在于：本發(fā)明在使用少量常用傳感器的情況下，通過采集傳感器的數(shù)據(jù)和測量人體各部分的長度，經(jīng)數(shù)據(jù)處理設(shè)備處理數(shù)據(jù)后可以實時得到人體重心位置；結(jié)構(gòu)移植和拓展性強，適用于康復(fù)機器人、外骨骼機器人、類人機器人領(lǐng)域等機械肢體調(diào)節(jié)領(lǐng)域。

附圖說明

圖1是本發(fā)明測量手扶式起立時人體重心位置的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是將人體簡化為平面的六個部分的模型圖。

圖3是本發(fā)明測量人體重心位置的方法中確定肩關(guān)節(jié)位置步驟的示意圖。

圖4是本發(fā)明測量人體重心位置的方法中確定髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)位置步驟的示意圖。

具體實施方式

如圖1所示，一種測量手扶式起立時人體重心位置的裝置，包括手扶式輔助起立機器人和第一傳感器1、第二傳感器2、第三傳感器3。

手扶式輔助起立機器人包括扶手4、靠背5和底座6，靠背5固定在底座6的上方，扶手4固定在靠背5的中部。

第一傳感器1采用角度傳感器，安裝在扶手4上，用于測量人體起立過程中小臂與扶手的夾角。

第二傳感器2采用超聲波位置傳感器，安裝在扶手4與靠背5的連接處，用于測量人體肩關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)連線上選取的一個固定點的位置。

第三傳感器3采用超聲波位置傳感器，安裝在底座6上，用于測量人體踝關(guān)節(jié)的位置。

第一傳感器1、第二傳感器2和第三傳感器3均連接到單片機上，通過單片機進行數(shù)據(jù)處理。

如圖2所示，按照人體的鏈?zhǔn)侥Ｐ涂梢詫⑷梭w簡化為平面的六個部分，

link1表示腳，link2表示小腿，link3表示大腿，link4表示軀干(包括頭部)，link5表示大臂，link6表示小臂，對于每一個實際個體，每個部分的長度固定并且可以通過測量得出。

人體六個部分常規(guī)需要六個傳感器來測量各部分位置，但是通過合理安裝傳感器的位置，可以使用較少的傳感器來測量計算出各部分位置。

如圖3-4所示，一種采用上述裝置測量人體重心位置的方法，包括以下步驟：人體起立時，手扶在扶手上，腕關(guān)節(jié)的位置已知，即位置a。

首先根據(jù)腕關(guān)節(jié)的位置、小臂的長度和通過第一傳感器(1)測得的小臂與扶手的夾角確定肘關(guān)節(jié)的位置，即位置b。

然后根據(jù)肘關(guān)節(jié)的位置、大臂的長度和通過第二傳感器(2)測得的固定點的位置到肩關(guān)節(jié)的距離確定肩關(guān)節(jié)的位置。

所述固定點的位置為位置c，以位置b為圓心、大臂長度為半徑的圓與以位置c為圓心、位置c到肩關(guān)節(jié)的距離為半徑的圓相交于位置d或位置e，再根據(jù)人體起立過程中，大臂小臂的彎曲角度，設(shè)定一個大臂小臂的夾角范圍，即可確定肩關(guān)節(jié)的位置位于位置d。

再根據(jù)肩關(guān)節(jié)的位置、所述固定點的位置和所述固定點到髖關(guān)節(jié)的距離確定髖關(guān)節(jié)的位置。

髖關(guān)節(jié)的位置位于肩關(guān)節(jié)與所述固定點的延長線上，因此連接位置d和位置c，在位置c處的延長線上取所述固定點到髖關(guān)節(jié)的距離，即可確定髖關(guān)節(jié)的位置位于位置f。

最后根據(jù)髖關(guān)節(jié)的位置、大腿的長度、小腿的長度和通過第三傳感器(3)測得的踝關(guān)節(jié)的位置確定膝關(guān)節(jié)的位置。

踝關(guān)節(jié)的位置為位置g，以位置f為圓心、大腿長度為半徑的圓與以位置g為圓心、小腿長度為半徑的圓相交于位置h或位置i，再根據(jù)人體起立過程中，大腿小腿的彎曲角度，設(shè)定一個大腿小腿的夾角范圍，即可確定膝關(guān)節(jié)的位置位于位置h。

綜上所述，通過采集三個傳感器的數(shù)據(jù)和測量人體各部分的長度，可以唯一的確定出各關(guān)節(jié)的位置。

人體六個部分的重心位置各個個體會有所差異，但是重心位置與關(guān)節(jié)的相對位置是固定的，因此確定了各關(guān)節(jié)的位置就可以確定各部分的重心位置。

通過確定腕關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)這六個關(guān)節(jié)的位置，計算出腳、小腿、大腿、軀干、大臂、小臂這六個部分各自的重心位置(yi，zi)，測出六個部分各自的質(zhì)量mi，則人體重心位置(ycog，zcog)＝(σmiyi，σmizi)。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。