基于腕关节运动学模型的转动轴线动态偏移量测量方法技术

本发明专利技术涉及一种基于腕关节运动学模型的转动轴线动态偏移量测量方法，包括如下步骤：步骤一，测量前准备：首先将人体的前臂放置于前臂托架上，再通过激光指示器引导前臂，直至激光指示器的激光束与腕关节的转动轴线对齐，此时前臂沿前臂托架的轴向放置，再用绑带将前臂固定在前臂托架上；步骤二，腕关节运动学模型的建立：将前臂和手部视为刚体，构建成一个多连杆机构，并分别在腕骨与桡骨接触面中心、头状骨中心、掌屈背伸或桡偏尺偏自由度轴线中心、第三个指骨末端中心分别建立坐标系，构建轴线偏差求解的运动学模型；步骤三，腕关节的转动轴线偏移量求解：构建基于多连杆机构的闭式运动链，通过位姿变换定量求解腕关节的转动轴线偏移量。轴线偏移量。轴线偏移量。

【技术实现步骤摘要】
基于腕关节运动学模型的转动轴线动态偏移量测量方法


[0001]本专利技术属于人体工程
，尤其涉及一种基于腕关节运动学模型的转动轴线动态偏移量测量方法。

技术介绍

[0002]手腕是人体连接手掌和前臂的部位，如图1所示，手腕的腕骨100前端与手掌的掌骨400连接，手腕的腕骨100后端与前臂的桡骨200和尺骨300连接，由于腕关节复杂的生理解剖结构，手腕在进行掌屈/背屈和桡偏/尺偏两自由度的运动时，其转动轴线并不是固定的，而是随着关节的运动而发生变化，其相对于固定轴线会产生一个动态轴线偏移量。此外，手臂表面皮肤的变形、穿戴绑具与皮肤的相对滑动等都可能导致腕关节运动时的转动轴线相对固定轴线发生偏移。轴线的动态偏移不仅给腕关节转动轴线的定位及测量工作带来干扰和困难，并且在穿戴外骨骼式机器人进行康复训练时，可能产生额外的交互力，影响舒适性和安全性。因此，腕关节转动轴线动态偏移量的准确测量一方面可以为康复训练装置、假肢、矫形器等提供设计的理论依据，另一方面也可作为腕关节功能性评估的评价指标，具有较大的现实应用价值。
[0003]目前腕关节转动轴线动态偏移量的测量方法主要有侵入式和非侵入式两种方法。侵入式通常是将标记点直接打入关节骨骼，通过X光等成像设备，实现对转动轴线运动变化的观测。该方法对人体伤害较大，故一般较少采纳。非侵入式测量方法，主要借助于运动捕捉系统、视觉传感等特定设备，配合皮肤表面放置标记点进行测量。该方法一定程度上减少了对人体的伤害，但使用的设备成本往往较高，操作复杂，影响了推广应用。
[0004]本专利技术通过构建腕关节的运动学模型，结合惯性传感器和拉线位移传感器，即可快速配置轴线动态偏移量的测量环境，成本较低，且利用闭式运动链中位姿变换方法，可实时精确求解轴线动态偏差量。

技术实现思路

[0005]为解决现有技术存在的腕关节的转动轴线动态偏移量难以测量，以及测量精度低的问题，本专利技术提供一种基于腕关节运动学模型的转动轴线动态偏移量测量方法。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案如下，一种基于腕关节运动学模型的转动轴线动态偏移量测量方法，该腕关节运动学模型包括激光指示器、底板和设置在底板上的前臂托架，第三个指骨的末端安装有第一惯性传感器，所述底板上设置有第二惯性传感器和拉线位移传感器，所述第二惯性传感器和拉线位移传感器均位于前臂托架的前方，所述拉线位移传感器与前臂托架在竖直面内对齐，所述第二惯性传感器位于拉线位移传感器的侧方，所述激光指示器用于指示腕关节的位置；
[0007]该测量方法包括如下步骤：
[0008]步骤一，测量前准备：首先将人体的前臂放置于所述前臂托架上，再通过激光指示器引导前臂，直至激光指示器的激光束与腕关节的转动轴线对齐，此时前臂沿前臂托架的
轴向放置，再用绑带将前臂固定在前臂托架上；
[0009]步骤二，腕关节运动学模型的建立：将前臂和手部视为刚体，构建成一个多连杆机构，并分别在腕骨与桡骨接触面中心、头状骨中心、掌屈背伸或桡偏尺偏自由度轴线中心、第三个指骨末端中心分别建立坐标系，构建轴线偏差求解的运动学模型；
[0010]步骤三，腕关节的转动轴线偏移量求解：构建基于多连杆机构的闭式运动链，通过位姿变换定量求解腕关节的转动轴线偏移量。
[0011]作为优选，所述步骤二中，建立坐标系：其中基坐标系{O0，X0，Y0，Z0}为固接于腕骨与桡骨接触面中心位置；第一坐标系{O1，X1，Y1，Z1}的原点与基座标系的原点重合；第二坐标系{O2，X2，Y2，Z2}的原点位于头状骨中心；第三坐标系{O3，X3，Y3，Z3}与第二坐标系的原点重合，第三坐标系表示腕关节掌屈背伸或桡偏尺偏自由度运动的转动轴线变化；第四坐标系{O4，X4，Y4，Z4}固接于第三个指骨末端位置；所述步骤三中，使用改进型D
‑
H位姿变换方法建立相邻两坐标系之间的位姿变换关系。
[0012]进一步地，所述步骤三中，D
‑
H位姿变换的参数包括：连杆序号i，绕着X
i
‑1轴从Z
i
‑1轴旋转到Z
i
轴的角度α
i
‑1；沿着X
i
‑1轴从Z
i
‑1轴移动到Z
i
轴的距离a
i
‑1；沿着Z
i
轴从X
i
‑1轴移动到X
i
轴的距离d
i
；绕着Z
i
轴从X
i
‑1轴旋转到X
i
轴的角度θ
i
；θ3＝θ
m
‑
90
°
，其中θ
m
为腕关节的掌屈背伸自由度转动角度，并规定掌屈方向为正，θ
m
∈[
‑
90
°
,90
°
]；l为头状骨中心到第三个指骨末端的距离；e为相对于腕骨与桡骨接触面的腕关节的转动轴线偏移量；
[0013]所述第四坐标系相对于基坐标系的位姿变换运动学方程可以表示为：
[0014][0015]其中，c3＝cosθ3，s3＝sinθ3；
[0016]所述第一惯性传感器与第四坐标系重合，所述拉线位移传感器的拉线与第三个指骨的末端连接，分别解算第一惯性传感器和第二惯性传感器姿态的四元数，再将所得到的四元数转换成姿态角，通过姿态角计算所述第一惯性传感器相对于第二惯性传感器的转动角度θ
m
，即腕关节的掌屈背伸自由度转动角度θ
m
；
[0017]同时，在拉线位移传感器的出线口处建立第五坐标系{O5，X5，Y5，Z5}，根据位姿变换有：
[0018]其中，
[0019]为第五坐标系相对于基坐标系的姿态描述，为3X3矩阵形式；为第五坐标系原点在基坐标系的位置描述，为3X3矩阵形式，其坐标(p
1x
,p
1y
,p
1z
)中的参数m为第五坐标系的原点与基坐标系的原点在X轴方向的距离，参数n为第五坐标系的原点与基坐标系的原点在Z轴方向的距离。由此，矩阵可表示为4X4矩阵形式，且各元素均为已知常数；
[0020]同理，有：
[0021]通过第二惯性传感器(p0，p1，p2，p3)可以确定所述第四坐标系相对于第五坐标系的姿态旋转变换矩阵为：
[0022][0023]为所述第四坐标系原点在第五坐标系的位置描述，其可通过拉线位移传感器获得的长度r；第五坐标系的原点与第四坐标系的原点连线与X轴之间的夹角为α，由此第四坐标系的原点在第五坐标系的坐标可表示为(p
2x
,p
2y
,p
2z
)，其中p
2x
＝
‑
r*cosα，p
2y
＝0，p
2z
＝r*sinα；
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于腕关节运动学模型的转动轴线动态偏移量测量方法，其特征在于：该腕关节运动学模型包括激光指示器(1
‑
6)、底板(1
‑
1)和设置在底板(1
‑
1)上的前臂托架(1
‑
2)，第三个指骨(500)的末端安装有第一惯性传感器(1
‑
3)，所述底板(1
‑
1)上设置有第二惯性传感器(1
‑
4)和拉线位移传感器(1
‑
5)，所述第二惯性传感器(1
‑
4)和拉线位移传感器(1
‑
5)均位于前臂托架(1
‑
2)的前方，所述拉线位移传感器(1
‑
5)与前臂托架(1
‑
2)在竖直面内对齐，所述第二惯性传感器(1
‑
4)位于拉线位移传感器(1
‑
5)的侧方，所述激光指示器(1
‑
6)用于指示腕关节的位置；该测量方法包括如下步骤：步骤一，测量前准备：首先将人体的前臂放置于所述前臂托架(1
‑
2)上，再通过激光指示器(1
‑
6)引导前臂，直至激光指示器(1
‑
6)的激光束与腕关节的转动轴线对齐，此时前臂沿前臂托架(1
‑
2)的轴向放置，再用绑带将前臂固定在前臂托架(1
‑
2)上；步骤二，腕关节运动学模型的建立：将前臂和手部视为刚体，构建成一个多连杆机构，并分别在腕骨(100)与桡骨(200)接触面中心、头状骨(101)中心、掌屈背伸或桡偏尺偏自由度轴线中心、第三个指骨(500)末端中心分别建立坐标系，构建轴线偏差求解的运动学模型；步骤三，腕关节的转动轴线偏移量求解：构建基于多连杆机构的闭式运动链，通过位姿变换定量求解腕关节的转动轴线偏移量。2.根据权利要求1所述的基于腕关节运动学模型的转动轴线动态偏移量测量方法，其特征在于：所述步骤二中，建立坐标系：其中基坐标系{O0，X0，Y0，Z0}为固接于腕骨(100)与桡骨(200)接触面中心位置；第一坐标系{O1，X1，Y1，Z1}的原点与基座标系的原点重合；第二坐标系{O2，X2，Y2，Z2}的原点位于头状骨(101)中心；第三坐标系{O3，X3，Y3，Z3}与第二坐标系的原点重合，第三坐标系表示腕关节掌屈背伸或桡偏尺偏自由度运动的转动轴线变化；第四坐标系{O4，X4，Y4，Z4}固接于第三个指骨(500)末端位置；所述步骤三中，使用改进型D
‑
H位姿变换方法建立相邻两坐标系之间的位姿变换关系。3.根据权利要求2所述的基于腕关节运动学模型的转动轴线动态偏移量测量方法，其特征在于：所述步骤三中，D
‑
H位姿变换的参数包括：连杆序号i，绕着X
i
‑1轴从Z
i
‑1轴旋转到Z
i
轴的角度α
i
‑1；沿着X
i
‑1轴从Z
i
‑1轴移动到Z
i
轴的距离a
i
‑1；沿着Z
i
轴从X
i
‑1轴移动到X
i
轴的距离d
i
；绕着Z
i
轴从X
i
‑1轴旋转到X
i
轴的角度θ
i
；θ3＝θ
m
‑
90
°
，其中θ
m
为腕关节的掌屈背伸自由度转动角度，并规定掌屈方向为正，θ
m
∈[
‑
90
°
,90
°
]；l为头状骨(101)中心到第三个指骨(500)末端的距离；e为相对于腕骨(100)与桡骨(200)接触面的腕关节的转动轴线偏移量；所述第四坐标系相对于基坐标系的位姿变换运动学方程可以表示为：其中，c3＝cosθ3，s3＝sinθ3；所述第一惯性传感器(1
‑
3)与第四坐标系重合，所述拉线位移传感器(1
‑
5)的拉线(1
‑
51)与第三个指骨(500)的末端连接，分别解算第一惯性传感器(1
‑
3)...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐东，徐晗，张珝，李益斌，李晓龙，傅建明，顾旭东，
申请(专利权)人：同济大学浙江学院，
类型：发明
国别省市：