基于传感器的人体关节运动姿态测量仪制造技术

本实用新型专利技术涉及的人体关节运动姿态测量仪，包括至少一测量单元，该测量单元包括若干传感器、一Ａ／Ｄ转换器和一微处理器；Ａ／Ｄ转换器与传感器连接，对测量信号进行数模转换；微处理器与Ａ／Ｄ转换器连接，接收输出的数字信号，并将数字信号转换后输出到集线器；一计算机，用于根据测量单元的测量信号处理计算；连接于测量单元和计算机间的集线器，将测量单元的信号传输到计算机；集线器包括的一种或多种端口驱动芯片将测量单元输出的信号传输至计算机相应的通讯端口。该测量仪是数字化电子仪器，测量快速准确；可测量旋转、屈伸和侧屈三种运动姿态，同时测量关节两端骨骼的运动姿态，可消除关节两端骨骼的互相牵连运动对测量结果的影响。（*该技术在2014年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术属于医疗卫生领域，更具体地说，本技术涉及人体关节运动姿态和运动范围的测量仪器。
技术介绍
人体有206块骨头组成，几乎每两片骨骼之间都有关节链接。人体的主要关节有颈椎、属关节、肘关节、手关节、髋关节、膝关节、足关节等。目前，医学上对关节疾病的主要诊断方法还只限于透视、拍片和目测等少数手段，透视、拍片不能进行动态测量，目测不容易量化。通常，在没有固定的情况下，人体的运动会使关节两端连接的骨骼互相牵连。比如，测量人体的头颈部运动时，躯干有时也有牵连运动，而在颈椎病的临床检查中，所关心的是人体头颈部相对于躯干的相对运动。现有的测量仪器无法在同一时刻测量到关节两端的骨骼的运动，因此无法准确的测量到关节两端的骨骼的相对运动，例如在测量人体的头颈部运动时无法消除躯干运动对头颈部姿态测量的影响。测量关节运动姿态提供关节运动姿态和关节两侧骨骼相对姿态，为各种关节疾病提供辅助诊断数据。以颈椎关节测量为例，在颈椎病的临床检查中，经常要测量颈椎的活动度即人体躯干固定不动时人体头部的活动范围。通过对头部运动范围和运动姿态过程的测量和监控，对颈椎的一些病变进行诊断。同时，在颈椎疾病治疗的前后，也需要对头颈部的运动进行定量的测量，以评价治疗的效果。随着传感器器件以及信号处理技术的发展，传感器在众多测量领域中广泛应用。但是迄今为止，尚未有将传感器器件应用于人体关节运动姿态测量的技术被公开。本申请人在申请号为“01110135.0”的中国专利“基于微机电技术的微型导航系统”中提供了一种由三轴磁强计和三轴加速度计组成的传感器测量载体姿态的方法，该专利在本申请中引入作为参考。在该方法中，用三轴加速度计测量重力加速度g在载体坐标系上三个正交轴的分量，用三轴磁强计测量地磁感应强度h在载体坐标系上三个正交轴的分量，根据重力加速度g和地磁感应强度h在地理坐标系中的表示，利用表述地理坐标系和载体坐标系之间相互转换关系的方向余弦矩阵建立方程组，最后求得载体的姿态角。当载体的以一定姿态平稳运动时，利用该方法测量得到的姿态角精度较高。但是当载体以加速度运动时或者在运动过程中受到扰动时，例如飞行器在飞行过程中受气流影响而具有某种加速度时，则三轴加速度计测量的加速度中既包括重力加速度还包括有载体的运动加速度，此时利用该方法计算得到的姿态角就具有相当大的误差。本申请人在申请号为“200410004660.3”的中国专利申请“一种载体姿态测量方法及其系统”中提供了一种可用于飞行器的载体姿态测量方法和系统，该专利在本申请中也引入作为参考。在该申请中，采用三个加速度计、三个磁强计和三个速率陀螺共九个传感器来构成姿态测量的传感器组，并根据这些传感器测量的信号来计算飞行器的姿态角。在进行姿态解算时，采用了包括卡尔曼滤波内在的算法进行数据处理，用稳定的陀螺信号来减小运动加速度对系统的影响，而且不存在陀螺的积分漂移问题，从而得到更精确和更稳定的飞行器姿态角，且可以实现飞行器的全姿态测量。
技术实现思路
本技术的目的之一在于提供一种人体关节运动姿态测量仪，该测量仪采用传感器和数据处理装置进行人体关节部位运动姿态的测量；本技术的目的之二在于提供一种人体关节运动姿态测量仪，该测量仪可以消除人体的关节部位两端骨骼互相牵连的影响，从而测量出关节部位两端骨骼的相对运动姿态。为了实现上述目的，本技术提供一种基于传感器的人体关节运动姿态测量仪，包括至少一个测量单元，该测量单元包括若干传感器；所述测量单元的传感器选自加速度计、磁强计和陀螺中的至少一种。所述测量单元的传感器沿一坐标系的三个正交轴布置；一个计算机，用于根据所述至少一个测量单元的测量信号处理计算；一个集线器，用于将测量单元的信号传输到计算机。所述测量单元还包括一个A/D转换器，对所述传感器的测量信号进行数模转换；一个微处理器，接收A/D转换器输出的数字信号，并将所述数字信号转换后输出到所述集线器。所述测量单元还包括与所述传感器连接的滤波电路和/或放大电路。所述测量单元中的传感器为微传感器。所述至少一个的测量单元包括第一和第二测量单元；所述第一测量单元在工作时固定于人体关节两端中的一端，所述第二测量单元在工作时固定于人体关节两端中的另一端。所述集线器包括一种或多种端口驱动芯片，所述端口驱动芯片将测量单元输出的信号传输至所述计算机相应的通讯端口。所述集线器还包括微处理器，将各测量单元输出的信号转换为端口驱动芯片可以识别的信号；稳压电路，用于向集线器中的部件提供所需要的电压信号。所述集线器包括一与所述磁强计连接的复位电路，用于向磁强计提供复位信号。本技术具有如下优点1)本技术的人体关节运动姿态测量仪可同时测量人体关节的旋转、屈伸和侧屈运动三种运动姿态。2)本技术的人体关节运动姿态测量仪可同时测量人体关节一端骨骼和关节另一端骨骼的运动姿态，可得到关节两边的相对运动姿态，从而消除了关节两端相互牵连的影响。3)本技术采用全固态的微传感器作为检测人体关节部位运动的敏感器件，具有固态结构、体积小、重量轻、精度高和功耗低的特点。4)本技术完全是数字化电子仪器，测量快速且准确。附图说明图1是本技术的基于传感器的人体关节运动姿态测量仪中测量单元的一个 具体实施方式以下结合附图和具体实施方式对本技术作进一步详细描述。图1示出了本技术的人体关节运动姿态测量仪中测量单元的一个实施例，包括三轴加速度计传感器和三轴磁强计传感器、传感器外围的滤波和放大电路，以及具有A/D转换器的微处理器。三轴加速度计包括X轴加速度计11、Y轴加速度计12和Z轴加速度计13，三轴磁强计包括X轴磁强计21、Y轴磁强计22和Z轴磁强计23。测量单元坐标系X-Y-Z是建立在测量单元上的三轴正交坐标系，加速度计和磁强计在测量单元坐标系的分布如图2所示，X轴加速度计11、Y轴加速度计12和Z轴加速度计13分别沿测量单元坐标系的三个正交轴X-Y-Z平行配置，用于分别测量重力加速度G在测量单元坐标系三个正交轴X-Y-Z上的分量。X轴磁强计21、Y轴磁强计22和Z轴磁强计23分别沿测量单元坐标系的三个正交轴X-Y-Z平行配置，用于分别测量地磁感应强度H在测量单元坐标系三个正交轴X-Y-Z上的分量。返回图1，三轴加速度计11、12和13以及三轴磁强计21、22和23的输出为模拟的电压信号，分别经过第一放大电路31和第二放大电路32放大，再经第一滤波电路41和第二滤波电路42对信号进行滤波，用于滤去传感器输出信号中的高频噪声，获取有效信号。A/D转换器50将模拟的电压信号转化为数字信号送入微处理器60。微处理器60将数字信号转换为一定格式的数据形式输出，例如在一个实施例中，微处理器60将信号转换为串行数据输出。图4示出了测量单元的另一个实施例，与图1相比，测量单元中的传感器增加了三轴速率陀螺，包括X轴速率陀螺101、Y轴速率陀螺102和Z轴速率陀螺103。三轴速率陀螺101、102和103的输出也是模拟的电压信号，经第三滤波电路43对信号进行滤波。由于速率陀螺101、102和103的电压输出范围一般已满足A/D转换器50的输入要求，因此第三滤波电路43输出的信号直接进入A/D转换器50转化为数字信号。如图5所示，与三轴加速度计1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于传感器的人体关节运动姿态测量仪，其特征在于，包括：　　　　至少一个测量单元，该测量单元包括若干传感器、一个Ａ／Ｄ转换器和一个微处理器；所述Ａ／Ｄ转换器与传感器连接，对所述传感器的测量信号进行数模转换；所述微处理器与Ａ／Ｄ转换器连接，接收Ａ／Ｄ转换器输出的数字信号，并将所述数字信号转换后输出到所述集线器；　　　　一个计算机，用于根据所述至少一个测量单元的测量信号处理计算；　　　　连接于测量单元和计算机之间的集线器，用于将测量单元的信号传输到计算机，所述集线器包括一种或多种端口驱动芯片，所述端口驱动芯片将测量单元输出的信号传输至所述计算机相应的通讯端口。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：周兆英，张毓笠，朱俊华，朱荣，于婷，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：实用新型
国别省市：11[中国|北京]