人體地面反力間接測試系統(tǒng)以及進(jìn)行人體地面反力間接測試的方法
【專利摘要】人體地面反力間接測試系統(tǒng)以及進(jìn)行人體地面反力間接測試的方法。本發(fā)明公開了一種人體地面反力間接測試系統(tǒng)，包括3D慣性運動捕捉傳感器和3D運動捕捉系統(tǒng)，3D慣性運動捕捉傳感器通過輔助穿戴設(shè)備固定于人體的頭部m1、軀干m2、左前臂m3、右前臂m4、左后臂m5、右后臂m6、左大腿m7、右大腿m8、左小腿m9、右小腿m10、左足m11和右足m12上。本發(fā)明還提供了采用人體地面反力間接測試系統(tǒng)進(jìn)行人體地面反力間接測試的方法。本發(fā)明具有測試簡便、靈活且準(zhǔn)確的特點。該測試方法在測試中測試者只要穿戴捕捉服即可，無需將步伐落在固定的區(qū)域內(nèi)，因而對行走或跑步步態(tài)的影響小，能真實反映測試者行走或跑步的步態(tài)力學(xué)情況，在臨床醫(yī)療、人機(jī)功效、土木工程等多個領(lǐng)域都具有廣泛的工程應(yīng)用前景。
【專利說明】
人體地面反力間接測試系統(tǒng)以及進(jìn)行人體地面反力間接測試 的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種人體地面反力間接測試系統(tǒng)。本發(fā)明還涉及一種采用上述人體地 面反力間接測試系統(tǒng)進(jìn)行人體地面反力間接測試的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，對于人體在行走或跑步過程中對地面作用步伐反力的研究在臨床醫(yī)療、 人機(jī)功效、土木工程等多個領(lǐng)域得到了廣泛的關(guān)注。地面反力是人體步態(tài)分析的重要組成 部分，在人體動力學(xué)的研究中具有很重要的地位。在醫(yī)學(xué)臨床中，地面反力分析是進(jìn)行運動 功能診斷和康復(fù)評定的重要手段，對人體行走或跑步時足底與地面之間的反力檢測和分 析，可以獲得反映人體下肢的結(jié)構(gòu)、功能乃至全身的協(xié)調(diào)性等方面的信息;在人機(jī)領(lǐng)域中， 對人體運動步伐反力作用機(jī)理的掌握是開發(fā)機(jī)器人行走模式的基礎(chǔ);在土木工程中，由于 步伐力是引起結(jié)構(gòu)(如樓板、大跨人行橋、看臺、樓梯等)過大振動的重要因素之一，因而對 于人體運動過程中步伐力的準(zhǔn)確預(yù)測是保證結(jié)構(gòu)安全使用及舒適性設(shè)計的重要手段。
[0003] 然而，目前用于人體地面反力的測試主要集中于以測力板為基礎(chǔ)的直接測試方 法。該方法在測試過程中，需要在地面或跑步機(jī)等測試裝置上事先嵌入測力板以采集地面 反力信息，使得該方法在使用時具有很大的空間局限性，并且要求人在測試時足部要準(zhǔn)確 地作用于測力板中心，一定程度上約束了人體自由行走或跑步的步伐姿勢，從而使得獲得 的步伐力與實際情況存在著一定的差異。本專利提出一種基于3D運動捕捉系統(tǒng)的地面反力 間接測試方法，該方法通過將運動捕捉裝置固定于人體的足、手、軀干等多個部位，基于人 體運動位移的捕捉及運動力學(xué)分析獲得在任何環(huán)境下的地面反力，并且由于運動捕捉系統(tǒng) 不影響人的行走狀態(tài)，進(jìn)而能得到在自由運動狀態(tài)下的真實地面反力，實現(xiàn)真實環(huán)境下地 面反力準(zhǔn)確、快速、簡便的測試。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 鑒于【背景技術(shù)】存在的不足，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種測試簡便、靈 活且準(zhǔn)確的人體地面反力間接測試系統(tǒng)。本發(fā)明還提供了采用上述人體地面反力間接測試 系統(tǒng)進(jìn)行人體地面反力間接測試的方法。
[0005] 本發(fā)明是采取如下技術(shù)方案來完成的：人體地面反力間接測試系統(tǒng)，包括3D慣性 運動捕捉傳感器和3D運動捕捉系統(tǒng)，3D慣性運動捕捉傳感器通過輔助穿戴設(shè)備固定于人體 的頭部M、軀干?、左前臂?Β、右前臂《4、左后臂?、右后臂《6、左大腿fflz、右大腿《8、左小腿購、 右小腿冊Q、左足助1和右足助2上。
[0006] 本發(fā)明還提供了采用上述人體地面反力間接測試系統(tǒng)進(jìn)行人體地面反力間接測 試的方法，包括以下步驟： a、準(zhǔn)備工作:稱量測試者的體重，記為m;將測量者分成12個部分，分別為:頭部/a、軀干 Λδ、左前臂?Β、右前臂《4、左后臂?、右后臂《6、左大腿fflz、右大腿伽、左小腿購、右小腿《10、左足 和右足/M2;根據(jù)人體各部位占人體體重比例計算測量者各個部分的質(zhì)量ffi，根據(jù)人體各 部位質(zhì)心處于人體相應(yīng)部位頂部以下的距離占該部位總長的比例確定每個部分的質(zhì)心位 置； b、 測試及數(shù)據(jù)記錄:將所述3D慣性運動捕捉傳感器通過所述輔助穿戴設(shè)備牢固的固定 于測量者身體每個部分的質(zhì)心位置處，保證測試者在運動過程中所述3D慣性運動捕捉傳感 器與身體之間不發(fā)生相對位移；讓測試者在所需環(huán)境下進(jìn)行行走或跑步運動，同時開啟3D 運動捕捉系統(tǒng)記錄測試者運動過程中的每個部分的位移移動時程數(shù)據(jù)； c、 數(shù)據(jù)處理及分析:對于各個部分得到的位移移動數(shù)據(jù)采用低通濾波處理，適當(dāng)濾去 運動中高頻成分;根據(jù)位移與加速度的關(guān)系，將位移數(shù)據(jù)進(jìn)行二次時間微分得到每個部位 的加速度時程響應(yīng)a;根據(jù)公式卜算得到測試者在運動過程中的地面反 力。
[0007] 本發(fā)明與一般測力板測試法相比具有測試簡便、靈活且更加準(zhǔn)確的特點。其中，3D 運動捕捉系統(tǒng)采用慣性三維運動采集分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)為無攝像頭便攜式全身三維人體運 動測量系統(tǒng)，可在任何場所、光線下使用，皮膚運動偽影小，并能在百米以上距離進(jìn)行無線 PC連接、測量，測試中沒有遮擋或視線的限制，且所采用的慣性傳感器敏感度高、可捕捉細(xì) 微動作，傳感器通過捕捉服固定帶牢固地固定在測試者身上，穿戴方便，因而能實現(xiàn)現(xiàn)場及 復(fù)雜條件下的地面反力測試。另外，該測試方法在測試中測試者只要穿戴捕捉服即可，無需 將步伐落在固定的區(qū)域內(nèi)，因而對行走或跑步步態(tài)的影響小，能真實反映測試者行走或跑 步的步態(tài)力學(xué)情況，在臨床醫(yī)療、人機(jī)功效、土木工程等多個領(lǐng)域都具有廣泛的工程應(yīng)用前 景。 附圖如下： 圖1為本發(fā)明提供的人體頭部質(zhì)心示意圖。 圖2為本發(fā)明提供的人體軀干質(zhì)心示意圖。 圖3為本發(fā)明提供的人體后臂質(zhì)心示意圖。 圖4為本發(fā)明提供的人體前臂質(zhì)心示意圖。 圖5為本發(fā)明提供的人體大腿質(zhì)心示意圖。 圖6為本發(fā)明提供的人體小腿質(zhì)心示意圖。
【具體實施方式】
[0008] 下面進(jìn)一步描述其實施例的各有關(guān)細(xì)節(jié)及其工作原理： 本發(fā)明提供的人體地面反力間接測試系統(tǒng)，包括3D慣性運動捕捉傳感器和3D運動捕捉 系統(tǒng)，3D慣性運動捕捉傳感器通過輔助穿戴設(shè)備固定于人體的頭部M、軀干左前臂右 前臂艦、左后臂/ffi、右后臂?、左大腿ffl/、右大腿、左小腿、右小腿MQ、左足Ml和右足《12上。 所述輔助穿戴設(shè)備包括綁帶，綁帶配置粘貼帶扣進(jìn)行連接固定，所述3D慣性運動捕捉傳感 器設(shè)置在綁帶上。
[0009] 本發(fā)明還提供了采用所述人體地面反力間接測試系統(tǒng)進(jìn)行人體地面反力間接測 試的方法，方法結(jié)合了人體環(huán)節(jié)測量學(xué)與人體環(huán)節(jié)運動學(xué)來間接獲得地面步伐反力。包括 以下步驟： a、準(zhǔn)備工作:稱量測試者的體重，記為m;將測量者分成12個部分，分別為:頭部/a、軀干 左前臂ΛΒ、右前臂《4、左后臂Λδ、右后臂伽、左大腿ffl/、右大腿施、左小腿煙、右小腿MO、左足 和右足/M2;根據(jù)人體各部位占人體體重比例計算測量者各個部分的質(zhì)量ffi，根據(jù)人體各 部位質(zhì)心處于人體相應(yīng)部位頂部以下的距離占該部位總長的比例確定每個部分的質(zhì)心位 置； b、 測試及數(shù)據(jù)記錄:將所述3D慣性運動捕捉傳感器通過所述輔助穿戴設(shè)備牢固的固定 于測量者身體每個部分的質(zhì)心位置處，保證測試者在運動過程中所述3D慣性運動捕捉傳感 器與身體之間不發(fā)生相對位移；讓測試者在所需環(huán)境下進(jìn)行行走或跑步運動，同時開啟3D 運動捕捉系統(tǒng)記錄測試者運動過程中的每個部分的位移移動時程數(shù)據(jù)； c、 數(shù)據(jù)處理及分析:對于各個部分得到的位移移動數(shù)據(jù)采用低通濾波處理，適當(dāng)濾去 運動中高頻成分;根據(jù)位移與加速度的關(guān)系，將位移數(shù)據(jù)進(jìn)行二次時間微分得到每個部位 的加速度時程響應(yīng)a1;根據(jù)公式
h算得到測試者在運動過程中的地 面反力。根據(jù)牛頓第二定律，基于各個部位的質(zhì)心加速度及質(zhì)量求得該地面反力公式：
上述：其中女性頭部所占人體體重比例為6.68%、質(zhì)心位置為頭頂以下頭部總長的 58.94%的距離，女性軀干所占人體體重比例為42.57%、質(zhì)心位置為軀干頂部以下軀干總長 的41.51%的距離，女性后臂所占人體體重比例為2.55%、質(zhì)心位置為后臂頂部以下后臂總長 的57.54%的距離，女性前臂所占人體體重比例為1.94%、質(zhì)心位置為前臂頂部以下前臂總長 的45.59%的距離，女性大腿所占人體體重比例為14.78%、質(zhì)心位置為大腿頂部以下大腿總 長的36.12%的距離，女性小腿所占人體體重比例為4.81%、質(zhì)心位置為小腿頂部以下小腿總 長的44.16%的距離，女性足所占人體體重比例為1.29%、質(zhì)心位置為足頂部以下足總長的 40.14%的距離;其中男性頭部所占人體體重比例為6.94%、質(zhì)心位置為頭頂以下頭部總長的 59.76%的距離，男性軀干所占人體體重比例為43.46%、質(zhì)心位置為軀干頂部以下軀干總長 的44.86%的距離，男性后臂所占人體體重比例為2.71%、質(zhì)心位置為后臂頂部以下后臂總長 的57.72%的距離，男性前臂所占人體體重比例為2.23%、質(zhì)心位置為前臂頂部以下前臂總長 的45.74%的距離，男性大腿所占人體體重比例為14.16%、質(zhì)心位置為大腿頂部以下大腿總 長的40.95%的距離，男性小腿所占人體體重比例為4.33%、質(zhì)心位置為小腿頂部以下小腿總 長的44.59%的距離，男性足所占人體體重比例為1.37%、質(zhì)心位置為足頂部以下足總長的 44.15%的距離。 下面以表1形式更加形象的對人體各部位重量和質(zhì)心所在位置進(jìn)行表達(dá)：
【主權(quán)項】
1. 一種人體地面反力間接測試系統(tǒng)，其特征是：包括3D慣性運動捕捉傳感器和3D運動 捕捉系統(tǒng)，3D慣性運動捕捉傳感器通過輔助穿戴設(shè)備固定于人體的頭部Μ、軀干?、左前臂 做、右前臂皿、左后臂化、右后臂施、左大腿?7、右大腿施、左小腿施、右小腿Μ0、左足Ml和右足 M2上。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于3D運動捕捉系統(tǒng)的人體地面反力間接測試系統(tǒng)，其特征 是:所述輔助穿戴設(shè)備包括綁帶，綁帶配置粘貼帶扣進(jìn)行連接固定，所述3D慣性運動捕捉傳 感器設(shè)置在綁帶上。3. -種采用權(quán)利要求1所述人體地面反力間接測試系統(tǒng)進(jìn)行人體地面反力間接測試的 方法，其特征是:包括W下步驟： 曰、準(zhǔn)備工作:稱量測試者的體重，記為m;將測量者分成12個部分，分別為:頭部M、軀干 您、左前臂做、右前臂皿、左后臂化、右后臂施、左大腿ffl/、右大腿施、左小腿施、右小腿M0、左足 Ml和右足M2;根據(jù)人體各部位占人體體重比例計算測量者各個部分的質(zhì)量扭1，根據(jù)人體各 部位質(zhì)屯、處于人體相應(yīng)部位頂部W下的距離占該部位總長的比例確定每個部分的質(zhì)屯、位 置； b、測試及數(shù)據(jù)記錄:將所述3D慣性運動捕捉傳感器通過所述輔助穿戴設(shè)備牢固的固定 于測量者身體每個部分的質(zhì)屯、位置處，保證測試者在運動過程中所述3D慣性運動捕捉傳感 器與身體之間不發(fā)生相對位移；讓測試者在所需環(huán)境下進(jìn)行行走或跑步運動，同時開啟3D 運動捕捉系統(tǒng)記錄測試者運動過程中的每個部分的位移移動時程數(shù)據(jù)； C、數(shù)據(jù)處理及分析:對于各個部分得到的位移移動數(shù)據(jù)采用低通濾波處理，適當(dāng)濾去 運動中高頻成分;根據(jù)位移與加速度的關(guān)系，將位移數(shù)據(jù)進(jìn)行二次時間微分得到每個部位 的加速度時程響應(yīng)31;根據(jù)公??十算得到測試者在運動過程中的地 面反力。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的采用人體地面反力間接測試系統(tǒng)進(jìn)行人體地面反力間接測試 的方法，其特征是:其中女性頭部所占人體體重比例為6.68%、質(zhì)屯、位置為頭頂W下頭部總 長的58.94%的距離，女性軀干所占人體體重比例為42.57%、質(zhì)屯、位置為軀干頂部W下軀干 總長的41.51%的距離，女性后臂所占人體體重比例為2.55%、質(zhì)屯、位置為后臂頂部W下后臂 總長的57.54%的距離，女性前臂所占人體體重比例為1.94%、質(zhì)屯、位置為前臂頂部W下前臂 總長的45.59%的距離，女性大腿所占人體體重比例為14.78%、質(zhì)屯、位置為大腿頂部W下大 腿總長的36.12%的距離，女性小腿所占人體體重比例為4.81%、質(zhì)屯、位置為小腿頂部W下小 腿總長的44.16%的距離，女性足所占人體體重比例為1.29%、質(zhì)屯、位置為足頂部W下足總長 的40.14%的距離;其中男性頭部所占人體體重比例為6.94%、質(zhì)屯、位置為頭頂W下頭部總長 的59.76%的距離，男性軀干所占人體體重比例為43.46%、質(zhì)屯、位置為軀干頂部W下軀干總 長的44.86%的距離，男性后臂所占人體體重比例為2.71%、質(zhì)屯、位置為后臂頂部W下后臂總 長的57.72%的距離，男性前臂所占人體體重比例為2.23%、質(zhì)屯、位置為前臂頂部W下前臂總 長的45.74%的距離，男性大腿所占人體體重比例為14.16%、質(zhì)屯、位置為大腿頂部W下大腿 總長的40.95%的距離，男性小腿所占人體體重比例為4.33%、質(zhì)屯、位置為小腿頂部W下小腿 總長的44.59%的距離，男性足所占人體體重比例為1.37%、質(zhì)屯、位置為足頂部W下足總長的 44.15%的距離。
【文檔編號】A61B5/11GK105938032SQ201610156020
【公開日】2016年9月14日
【申請日】2016年3月18日
【發(fā)明人】吳冬雁, 趙俊亮, 孫林柱, 李桅
【申請人】溫州大學(xué)