一种人体坐站转移能力测量装置、测量方法及电子设备

技术领域

本发明涉及人体功能性评估技术领域，具体地说涉及一种坐站转移能力测量装置、测量方法及电子设备。

背景技术

坐站转移运动是人类最基本的功能性活动，是人类独立进行日常生活活动的基本前提，从生物力学的角度来看，坐站转移运动需要不同肌肉之间的相互协调，以及需要足够的肌肉力量来提升身体重心运动；对于脑卒中偏瘫患者而言，坐站转移能力是决定其能否独立生活的重要功能基础；因此，对于坐站转移能力的评估就显得尤为重要。在临床上，关节力矩是评估坐站转移能力的常用指标，在康复训练器材的设计上，关节力矩对于驱动器的选择具有重要意义，近年来一些学者也开始了坐站转移运动辅助训练器材的研究，然而，建立一个有效的人类日常活动的动力学模型是设计残疾人辅助装置的关键步骤，因此，分析人体坐站转移运动对于康复评估和康复训练器材的设计就显得至关重要。

目前，在人体坐站转移运动分析中，大都采用运动捕捉系统采集人体的关节角度信息，然而基于摄像机的运动捕捉系统虽然测量精度高，但是价格昂贵，测量环境要求高，反射标记的安装耗时长，对于安装位置要求较高，而且容易被遮挡，同时需要专用的实验室空间，后处理(包括反射标记的识别、跟踪、空间坐标的计算)时间长，不利于作为一种临床的技术手段。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种人体坐站转移能力测量装置、测量方法及电子设备，用于解决现有技术中装置价格昂贵、测量环境要求高、反射标记的安装耗时长、对于安装位置要求较高、容易被遮挡、需要专用的实验室空间，后处理时间长的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种人体坐站转移能力测量装置，包括：

测力踏板，所述测力踏板设置于人体足底；

至少三个姿态测量装置，分别设置于人体的小腿、大腿及躯干位置；

上位机，分别与所述姿态测量装置及所述测力踏板连接，所述上位机用于根据接收的人体坐站转移运动过程中所述测力踏板测得的足底力数据和各所述姿态测量装置测量的人体的小腿、大腿及躯干位置的运动姿态数据，来获取踝关节、膝关节及髋关节处的关节角度数据和关节力矩。

在一可选实施例中，所述测力踏板包括二维力测量装置或多维力测量装置。

在一可选实施例中，所述姿态测量装置包括两轴加速度传感器和单轴陀螺仪的组合、或由3轴陀螺仪与3轴加速度传感器组成的六轴惯性传感器，或由3轴加速度计、3轴陀螺仪和3轴电子罗盘组成的九轴姿态传感器。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明还提供了人体坐站转移能力测量方法，其特征在于，包括步骤：

利用测力踏板测量人体坐站转移运动过程中的足底力数据，利用姿态测量装置测量的人体坐站转移运动过程中人体的小腿、大腿及躯干位置的运动姿态数据；

利用所述足底力数据及所述运动姿态数据获取人体坐站转移过程中的踝关节、膝关节及髋关节处的关节角度数据和关节力矩。

在一可选实施例中，在利用测力踏板测量人体坐站转移运动过程中的足底力数据的步骤中，所述足底力数据包括人体足底水平力和法向力以及力的作用位置。

在一可选实施例中，利用所述人体的小腿、大腿及躯干位置的运动姿态数据中的欧拉角计算人体的踝关节、膝关节和髋关节处的关节角度数据。

在一可选实施例中，在人体坐站转移过程中，利用所述足底力数据及所述运动姿态数据获取人体坐站转移过程中的踝关节、膝关节及髋关节处的关节角度数据和关节力矩的步骤包括：

根据所述足底力数据获取踝关节力矩；

根据所述足底力数据和小腿处的所述姿态测量装置测得的运动姿态数据来获取膝关节力矩；

根据所述足底力数据和躯干处的所述姿态测量装置测得的运动姿态数据来获取髋关节力矩。

在一可选实施例中，当人体臀部离开座位前，利用所述足底力数据及所述运动姿态数据获取人体坐站转移过程中的踝关节、膝关节及髋关节处的关节角度数据和关节力矩的步骤包括：

根据所述足底力数据获取踝关节力矩；

根据所述足底力数据和小腿处的所述姿态测量装置测得的运动姿态数据来获取膝关节力矩；

根据躯干处的所述姿态测量装置测得的运动姿态数据来获取髋关节力矩；

根据所述足底力数据和小腿处、大腿处及躯干处的所述姿态测量装置测得的运动姿态数据来获取座位支持力，并根据所述座位支持力判断人体臀部是否离开座位；

当人体臀部离开座位后，所述运动姿态数据获取人体坐站转移过程中的踝关节、膝关节及髋关节处的关节角度数据和关节力矩的步骤包括：

根据所述运动姿态数据、人体小腿、大腿和躯干的质心坐标、人体小腿、大腿和躯干的长度获取人体坐站转移过程中的总势能和动能；

根据所述人体坐站转移过程中的总势能和动能来获取人体坐站转移过程中踝关节、膝关节和髋关节处的关节力矩。

在一可选实施例中，所述人体坐站转移能力测量方法还包括，根据获取的人体坐站转移过程中的踝关节、膝关节及髋关节处的关节角度数据和关节力矩来判断坐站转移过程中人体下肢运动能力、肌力以及平衡能力的步骤。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明还提供一种电子设备，包括相互耦合的处理器和存储器，所述存储器存储有程序指令，当所述存储器存储的程序指令被所述处理器执行时实现所述的人体坐站转移能力测量方法。

本发明的人体坐站转移能力测量装置、测量方法及电子设备，测量时，在使用者小腿、大腿以及躯干上安装姿态测量装置，双脚站在测力踏板上，记录从坐到站过程中姿态测量装置所传输出的人体的小腿、大腿及躯干位置的运动姿态数据以及测力踏板所传输的足底力数据计算各关节处的力矩，并根据各关节处的力矩来判断坐站转移过程中人体下肢运动能力、肌力以及平衡能力。

本发明提供一种基于姿态测量装置和测力踏板的一种坐站转移测量装置，具有实用简单、安装方便、安装位置不受限制、布线合理以及便于临床上推广的特点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图

图1显示为本发明的人体坐站转移能力测量装置佩戴在人体上的示意图；

图2显示为本发明的人体坐站转移能力测量方法的流程示意图；

图3显示为本发明根据简化的人体刚体模型所建立的数学模型示意图；

图4显示为本发明的电子设备的结构框图。

元件标号说明

1、测力踏板；2、第一姿态测量装置；3、第二姿态测量装置；4、第三姿态测量装置；5、电子设备；51、处理器；52、通信器；53、存储器。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

请参阅图1-4。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

图1示出了本发明的人体坐站转移能力测量装置佩戴在人体上的示意图。请参阅图1，该人体坐站转移测量装置可以包括：一个测力踏板1、至少三个姿态测量装置和上位机(未图示)。

请参阅图1，在本实施例中，测力踏板1位于所测人体脚下，用于测量人体坐站转移运动过程中的地面反力，所述测力踏板1例如可以二维力测量装置，可用于测量人体足底水平力和法向力以及力的作用位置，足底水平力也即人和地面之间的摩擦力。可以理解的是，在其他实施例中，所述测力踏板1也可以采用多维力测量装置，多维力测量装置时可以测量当人体臀部离开座位前，踝关节、膝关节及髋关节处的关节力矩和人体臀部离开座位后，踝关节、膝关节及髋关节处的关节力矩。

请参阅图1，在本实施例中，姿态测量装置例如包括三个，分别位于人体小腿、大腿和躯干三个体段上，用来测量人体坐站转移过程中人体的小腿、大腿及躯干位置的运动姿态数据。作为示例，姿态测量装置可位于人体小腿、大腿和躯干处的任意位置，不需限制放置于人体小腿、大腿和躯干处的质心位置。可以理解的是，在其他实施例中，姿态测量装置例如两轴加速度传感器和单轴陀螺仪的组合，或由3轴陀螺仪与3轴加速度传感器组成的六轴惯性传感器，或由3轴加速度计、3轴陀螺仪和3轴电子罗盘组成的九轴姿态传感器。作为示例，所述运动姿态数据包括加速度、角速度和欧拉角等运动姿态数据。作为示例，三个姿态测量装置包括设置于人体小腿上的第一姿态测量装置2，设置于人体大腿上的第二姿态测量装置3及设置于人体躯干上的第三姿态测量装置4。

上位机，分别与所述姿态测量装置及所述测力踏板1连接，所述上位机用于根据接收的人体坐站转移运动过程中所述测力踏板1测得的足底力数据和各所述姿态测量装置测量的人体的小腿、大腿及躯干位置的运动姿态数据，获取踝关节、膝关节及髋关节处的关节角度数据和关节力矩，并且可以向所述测力踏板1和所述姿态测量装置发出操作指令进行测量。

图2示出了利用上述的人体坐站转移能力测量装置进行人体坐站转移能力测量方法的流程示意图。请参阅图2，所述人体坐站转移能力测量方法包括：

步骤S1：利用测力踏板1测量人体坐站转移运动过程中的足底力数据，利用姿态测量装置测量的人体坐站转移运动过程中人体的小腿、大腿及躯干位置的运动姿态数据；

步骤S2：利用所述足底力数据及所述运动姿态数据获取人体坐站转移过程中的踝关节、膝关节及髋关节处的关节角度数据和关节力矩；

步骤S3：根据获取的人体坐站转移过程中的踝关节、膝关节及髋关节处的关节角度数据和关节力矩来判断人体坐站转移过程中人体下肢运动能力、肌力以及平衡能力。

图3示出了本发明根据简化的人体刚体模型所建立的数学模型示意图。下面将结合图2和3来对本实施例的人体坐站转移能力测量方法的各步骤S1-S3作具体说明。

请参阅图2与图3，在步骤S1中，利用测力踏板1测量人体坐站转移运动过程中的足底力数据，所述足底力数据包括人体足底水平力F

请参阅图2与图3，在步骤S1中，分别通过设置于人体小腿、大腿及躯干位置的所述姿态测量装置获取人体坐站转移运动过程中(包括人体臀部离开座位前和离开座位后两个状态)人体的小腿、大腿及躯干位置的运动姿态数据，其中，所述运动姿态数据包括加速度、角速度。作为示例，姿态测量装置例如两轴加速度传感器和单轴陀螺仪的组合，或由3轴陀螺仪与3轴加速度传感器组成的六轴惯性传感器，或由3轴加速度计、3轴陀螺仪和3轴电子罗盘组成的九轴姿态传感器。

请参阅图2与图3，步骤S2进一步包括，步骤S21、利用所述人体的小腿、大腿及躯干位置的运动姿态数据中的欧拉角计算人体的踝关节、膝关节和髋关节处的关节角度数据；步骤S22、利用所述足底力数据及所述关节角度数据获取人体坐站转移过程中的踝关节、膝关节及髋关节处的关节力矩。

在步骤S21，利用所述人体的小腿、大腿及躯干位置的运动姿态数据中的欧拉角计算人体坐站转移运动过程中(包括人体臀部离开座位前和离开座位后两个状态)踝关节、膝关节和髋关节处的关节角度数据θ

请参阅图2与图3，具体地，步骤S21可进一步包括：

步骤S211：将三个姿态测量装置通过绑带分别固定于小腿、大腿、躯干位置，定义姿态测量装置的惯性坐标系W，在足部建立全局坐标系{OXYZ}，坐标原点O位于踝关节处，在小腿、大腿和躯干分别建立局部坐标系{o

步骤S212：设小腿、大腿和躯干的长度分别为l

步骤S213：设坐标系{o

将姿态测量装置测得的欧拉角γ

则坐标系{o

步骤S214：则膝关节中心B在坐标系{OXYZ}下的位置矢量为：

步骤S215：A点到B点的方向向量记为a，故a为：

a＝[o

因此，向量a与X轴正方向的夹角即踝关节角度为：

步骤S216：旋转矩阵是正交矩阵，所以

因此：

θ

步骤S217：同理，θ

请参阅图2与图3，在步骤S22中，利用所述足底力数据及所述关节角度数据获取人体坐站转移过程中的踝关节、膝关节及髋关节处的关节力矩，其中，人体坐站转移过程中的踝关节力矩、膝关节力矩和髋关节力矩获取包括人体臀部离开座位前的踝关节力矩、膝关节力矩和髋关节力矩获取步骤S221和人体臀部离开座位后的踝关节力矩、膝关节力矩和髋关节力矩获取步骤S222。

在计算踝关节力矩、膝关节力矩和髋关节力矩之前，设l

在步骤S221中，当人体臀部离开座位前，踝关节、膝关节及髋关节处的关节力矩通过步骤S2211-S2215测量。

步骤S2211：根据人体小腿、大腿和躯干的关节角度数据和《中国成年人人体惯性参数国家标准的制定》计算得到人体小腿、大腿和躯干的质心坐标，根据《中国成年人人体惯性参数国家标准的制定》估计得到质心位置：

小腿：

x

y

大腿：

x

y

躯干：

x

x

其中，可通过人体小腿、大腿和躯干的质心坐标求导数据以及小腿、大腿及躯干位置的运动姿态数据中的加速度数据合成定理计算得到质心加速度。

步骤S2212：根据所述足底力数据计算踝关节力矩M

通过测力踏板1测力板测得的足底力分别为F

F

F

踝关节的作用力矩：

M

步骤S2213：根据所述足底力数据和小腿处的所述姿态测量装置测得的运动姿态数据计算膝关节力矩M

根据力的平衡原理，则膝关节的作用力：

F

F

膝关节的作用力矩：

步骤S2214：根据躯干处的所述姿态测量装置测得的运动姿态数据计算髋关节力矩M

对于躯干，髋关节作用力：

F

F

F

髋关节作用力距：

步骤S2215：根据所述足底力数据和小腿处、大腿处及躯干处的所述姿态测量装置测得的运动姿态数据来获取座位支持力F

F

其中，F′

在步骤S222中，当人体臀部离开座位后，利用所述运动姿态数据获取人体坐站转移过程中的踝关节、膝关节及髋关节处的关节角度数据和关节力矩。当人体臀部离开座位后，座位支持力为0，即步骤S2215中F

步骤S2221：根据所述运动姿态数据、人体小腿、大腿和躯干的质心坐标、人体小腿、大腿和躯干的长度获取人体坐站转移过程中人体的总势能E

E

步骤S2222：根据所述人体坐站转移过程中的总势能和动能来获取人体坐站转移过程中踝关节、膝关节和髋关节处的关节力矩τ

L＝E

其中，i＝1，2，3，分别对应人体踝关节、膝关节及髋关节。

需要说明的是，在人体臀部离开座位前和人体臀部离开座位后采用两种不同的方式，也即步骤S221和步骤S222所限定的计算方式计算人体踝关节、膝关节及髋关节处的关节力矩，是为了减少计算量，这是因为步骤S222所限定的计算方式需要的已知量相对更少，可以减少计算量。但是可以理解的是，在一些实施例中，在整个人体坐站转移过程中(包括人体臀部离开座位前和人体臀部离开座位后两个子过程)，也可均采用步骤S221中的步骤。

请参阅图2，在步骤S3中，根据获取的人体坐站转移过程中的踝关节、膝关节及髋关节处的关节角度数据和关节力矩来判断人体坐站转移过程中人体下肢运动能力、肌力以及平衡能力。例如通过上位机的预设程序分析获得踝关节、膝关节及髋关节处的关节角度数据、关节力矩和人体下肢健康数据，通过上位机云端数据库，进行人体坐站转移能力评估，划分测量者下肢运动能力、肌力以及平衡能力健康水平。

需要说明的是，如图4所示，本发明的人体坐站转移能力测量方法可以通过一种电子设备4实现，该电子设备4例如可以是上文中的上位机或者设置于上位机中。所述电子设备4包括相互连接的存储器43和处理器41，所述存储器43存储有程序指令，该程序指令被所述处理器41执行时实现上述的人体坐站转移能力测量方法。需要说明的是，当需要和外部进行通信时，所述电子设备4还包括通信器42，所述通信器42与所述处理器41连接。

上述的处理器41可以是通用处理器，包括中央处理器(Central ProcessingUnit，简称CPU)、网络处理器(Network Processor，简称NP)等；还可以是数字信号处理器(DigitalSignal Processing，简称DSP)、专用集成电路(Application SpecificIntegrated Circuit，简称ASIC)、现场可编程门阵列(Field－Programmable Gate Array，简称FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件；上述的存储器43可能包含随机存取存储器(Random Access Memory，简称RAM)，也可能还包括非易失性存储器(Non-volatileMemory)，例如至少一个磁盘存储器。

需要说明的是，上述存储器43中的程序指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，电子设备4，或者网络设备等)执行本发明各个实施例方法的全部或部分步骤。

本发明还可以提供一种存储介质，其存储有程序，该程序被处理器41执行时实现上述的自动割草机的路径规划方法；所述存储介质包括所有形式的非易失性存储器、介质和存储器设备，包括例如：半导体存储器设备，例如EPROM、EEPROM和闪存设备；磁盘，例如内部硬盘或可移动盘；磁光盘；以及CD-ROM和DVD-ROM盘。

综上所述，本发明的人体坐站转移能力测量装置、测量方法及电子设备，测量时，在使用者小腿、大腿以及躯干上安装姿态测量装置，双脚站在测力踏板上，记录从坐到站过程中姿态测量装置所传输出的人体的小腿、大腿及躯干位置的运动姿态数据以及测力踏板所传输的足底力数据计算各关节处的力矩，并根据各关节处的力矩来判断坐站转移过程中人体下肢运动能力、肌力以及平衡能力。本发明的人体坐站转移能力测量装置的姿态测量装置可以设置于对应体段的任意位置，安装位置不受限制。本发明具有实用简单、安装方便、布线合理以及便于临床上推广的特点，有效克服了现有技术中的种种缺点。

在本文的描述中，提供了许多特定细节，诸如部件和/或方法的实例，以提供对本发明实施例的完全理解。然而，本领域技术人员将认识到可以在没有一项或多项具体细节的情况下或通过其他设备、系统、组件、方法、部件、材料、零件等等来实践本发明的实施例。在其他情况下，未具体示出或详细描述公知的结构、材料或操作，以避免使本发明实施例的方面变模糊。

在整篇说明书中提到“一个实施例”、“实施例”或“具体实施例”意指与结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中，并且不一定在所有实施例中。因而，在整篇说明书中不同地方的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”或“在具体实施例中”的各个表象不一定是指相同的实施例。此外，本发明的任何具体实施例的特定特征、结构或特性可以按任何合适的方式与一个或多个其他实施例结合。应当理解本文所述和所示的发明实施例的其他变型和修改可能是根据本文教导的，并将被视作本发明精神和范围的一部分。

还应当理解还可以以更分离或更整合的方式实施附图所示元件中的一个或多个，或者甚至因为在某些情况下不能操作而被移除或因为可以根据特定应用是有用的而被提供。

另外，除非另外明确指明，附图中的任何标志箭头应当仅被视为示例性的，而并非限制。此外，除非另外指明，本文所用的术语“或”一般意在表示“和/或”。在术语因提供分离或组合能力是不清楚的而被预见的情况下，部件或步骤的组合也将视为已被指明。

本发明所示实施例的上述描述(包括在说明书摘要中所述的内容)并非意在详尽列举或将本发明限制到本文所公开的精确形式。尽管在本文仅为说明的目的而描述了本发明的具体实施例和本发明的实例，但是正如本领域技术人员将认识和理解的，各种等效修改是可以在本发明的精神和范围内的。如所指出的，可以按照本发明所述实施例的上述描述来对本发明进行这些修改，并且这些修改将在本发明的精神和范围内。

本文已经在总体上将系统和方法描述为有助于理解本发明的细节。此外，已经给出了各种具体细节以提供本发明实施例的总体理解。然而，相关领域的技术人员将会认识到，本发明的实施例可以在没有一个或多个具体细节的情况下进行实践，或者利用其它装置、系统、配件、方法、组件、材料、部分等进行实践。在其它情况下，并未特别示出或详细描述公知结构、材料和/或操作以避免对本发明实施例的各方面造成混淆。

因而，尽管本发明在本文已参照其具体实施例进行描述，但是修改自由、各种改变和替换意在上述公开内，并且应当理解，在某些情况下，在未背离所提出发明的范围和精神的前提下，在没有对应使用其他特征的情况下将采用本发明的一些特征。因此，可以进行许多修改，以使特定环境或材料适应本发明的实质范围和精神。本发明并非意在限制到在下面权利要求书中使用的特定术语和/或作为设想用以执行本发明的最佳方式公开的具体实施例，但是本发明将包括落入所附权利要求书范围内的任何和所有实施例及等同物。因而，本发明的范围将只由所附的权利要求书进行确定。