一种三维人体全身各部位的质量惯性特征计算方法技术

本发明专利技术公开了一种三维人体全身各部位的质量惯性特征计算方法，包括：获取各部位节段质量；确定各部位节段的质心距近端端点与节段长度的比例；设置部位节段标定点，基于光学动态动作捕捉，获取各部位节段端点位置；基于各部位节段端点位置和各部位节段的质心距近端端点与节段长度的比例，获取各部位节段质心在全局坐标系内的空间位置；确定各部位节段惯性半径与部位节段长度比例；基于各部位节段端点位置，获取各部位节段长度；基于各部位节段质量

【技术实现步骤摘要】
一种三维人体全身各部位的质量惯性特征计算方法


[0001]本专利技术属于生物力学算法
，尤其涉及一种三维人体全身各部位的质量惯性特征计算方法
。

技术介绍

[0002]目前在建立三维人体多刚体运动模型时，常采用惯性测量单元采集人体动作数据，对人体运动姿态进行追踪
。
但在实际应用中，常存在惯性测量单元传感器坐标系与人体节段坐标系不一致的情况，从而导致各节段质量惯性特征参数不准确
。
因此为了避免在动作捕捉过程中导致的各坐标系不一致的情况，从而提升质量惯性特征参数的精确性，需要一种三维人体全身各部位的质量惯性特征计算方法
。

技术实现思路

[0003]为解决上述技术问题，本专利技术提出了一种三维人体全身各部位的质量惯性特征计算方法，基于人体解剖学和光学动作捕捉技术，计算各个节段的质量惯性特征参数，大幅提升质量惯性特征参数的精确度
。
[0004]为实现上述目的，本专利技术提供了一种三维人体全身各部位的质量惯性特征计算方法，包括：
[0005]获取各部位节段质量；
[0006]确定各部位节段的质心距近端端点与节段长度的比例；
[0007]设置部位节段标定点，基于光学动态动作捕捉，获取各部位节段端点位置；
[0008]基于所述各部位节段端点位置和各部位节段的质心距近端端点与节段长度的比例，获取各部位节段质心在全局坐标系内的空间位置；
[0009]确定各部位节段惯性半径与部位节段长度比例；
[0010]基于所述各部位节段端点位置，获取各部位节段长度；
[0011]基于所述各部位节段质量
、
所述各部位节段惯性半径与部位节段长度比例及所述各部位节段长度，获取各部位节段的三维惯性矩；
[0012]根据所述各部位节段质心在全局坐标系内的空间位置和所述各部位节段的三维惯性矩，获得三维人体全身各部位的质量惯性特征
。
[0013]可选的，获取各部位节段质量包括：获取所述各部位节段的质量比例，基于所述质量比例，确定所述各部位节段质量
。
[0014]可选的，设置标定点包括：基于人体解剖学的骨骼系统标定技术，设置目标部位节段的静态标定点；通过将具有动态标定点的标定板设置在所述目标部位节段的目标位置，设置所述动态标定点
。
[0015]可选的，设置目标部位节段的静态标定点包括：基于躯干
、
四肢节段的解剖学位置，在所述躯干
、
四肢节段设置所述静态标定点；基于人体解剖学的盆骨节段骨骼系统标定技术，通过设置标定杆确定所述盆骨节段的所述静态标定点的位置
。
[0034][0035]1.2
基于各节段质量比例计算各节段质量
。
人体全身质量为
m
，第
i
节段的质量为：
m
i
＝
m
·
r
mi
。
[0036]2.
计算各节段质心位置
[0037]2.1
根据过去研究确定质心距节段近端端点与节段长度的比例
[0038]根据阅读比较过去的文献，确定第
i
节段的质心距节段近端端点与节段长度的比例为
r
cmi
。
表2为过去文献中各节段的质心距节段近端端点与节段长度的比例
。
[0039]表2[0040][0041]2.2
进行光学动作捕捉实验
[0042]2.2.1
为部分节段设置静态标定点
[0043]根据基于人体解剖学的躯干
、
盆骨及四肢节段骨骼系统标定技术，在躯干
、
大臂
、
盆骨
、
大腿，大臂
、
小腿的解剖学位置设置静态标定点，并同时在该节段设置动态标定点组
。
具体为：
[0044]基于躯干
、
四肢节段的解剖学位置确定各节段静态标定点的位置；
[0045]设置标定杆以确定盆骨节段的模拟静态标定点的位置；
[0046]制作多个标定板并设置于躯干
、
盆骨
、
四肢节段的要求位置，标定板上设有多个动态标定点；具体为动态标定板置于躯干节段皮肤与骨骼系统相对位移最小处；四肢各节段
(
大腿
、
小腿
、
足部
)
距近端端点
2/3
节段长度处；盆骨节段皮肤与骨骼系统相对位移最小处
。
[0047]2.2.2
进行光学动作捕捉实验
[0060][0061]3.2
计算各节段的三维惯性矩
[0062]3.2.1
初始化人体测量数据
[0063]在不同时刻
t
时，测量得到节段的近端
、
远端端点在全局坐标系内的空间位置分别为
o
pt
＝
{x
pt
,y
pt
,z
pt
}
，
o
dt
＝
{x
dt
,y
dt
,z
dt
}。
在
t
时刻，测量得到该节段长度
l
t
＝
||o
dt
‑
o
pt
||。
计算得到从时刻1到时刻
t
时该节段长度的平均值节段长度为其中，
T
为时刻1到时刻
t
的时间段
。
[0064]3.2.2
计算各节段三维惯性矩
[0065]第
i
节段的三维惯性矩为
[0066]I
mi
＝
m
i
·
(l
si
·
r
ri
)2[0067]其中，
l
si
为第
i
个节段长度
。
[0068]4.
通过质心位置与三维惯性矩获得三维人体全身各部位的质量惯性特征
。
[0069]以上，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本
的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内
。
因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准
。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种三维人体全身各部位的质量惯性特征计算方法，其特征在于，包括：获取各部位节段质量；确定各部位节段的质心距近端端点与节段长度的比例；设置部位节段标定点，基于光学动态动作捕捉，获取各部位节段端点位置；基于所述各部位节段端点位置和各部位节段的质心距近端端点与节段长度的比例，获取各部位节段质心在全局坐标系内的空间位置；确定各部位节段惯性半径与部位节段长度比例；基于所述各部位节段端点位置，获取各部位节段长度；基于所述各部位节段质量
、
所述各部位节段惯性半径与部位节段长度比例及所述各部位节段长度，获取各部位节段的三维惯性矩；根据所述各部位节段质心在全局坐标系内的空间位置和所述各部位节段的三维惯性矩，获得三维人体全身各部位的质量惯性特征
。2.
如权利要求1所述的三维人体全身各部位的质量惯性特征计算方法，其特征在于，获取各部位节段质量包括：获取所述各部位节段的质量比例，基于所述质量比例，确定所述各部位节段质量
。3.
如权利要求1所述的三维人体全身各部位的质量惯性特征计算方法，其特征在于，设置标定点包括：基于人体解剖学的骨骼系统标定技术，设置目标部位节段的静态标定点；通过将具有动态标定点的标定板设置在所述目标部位节段的目标位置，设置所述动态标定点
。4.
如权利要求3所述的三维人体全身各部位的质量惯性特征计算方法，其特征在于，设置目标部位节段的静态标定点包括：基于躯干
、
四肢节段的解剖学位置，在所述躯干
、
四肢节段设置所述静态标定点；基于人体解剖学的盆骨节段骨骼系统标定技术，通过设置标定杆确定所述盆骨节段的所述静态标定点的位置
。5.
如权利要求1所述的三维人体全身各部位的质量惯性特征计算方法，其特征在于，基于光学动态动作捕捉，获取各部位节段端点位置包括：基于设置有所述标定点且处于目标状态的目标对象，采用所述光学动态动作捕捉，获取所述标定点在数据记录时间段内在全局坐标系内的空间位置；基于所述标定点在数据记录时间段内在全局坐标系内的空间位置，获取各部位节段端点位置
。6.
如权利要求5所述的三维人体全身各部位的质量惯性特征计...

【专利技术属性】
技术研发人员：王坤阳，任雷，胡喆祺，卢雪薇，钱志辉，陈魏，赵迪，汤靖皓，任露泉，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：