非侵入式人體手臂關節的測量方法

2023-11-11 21:57:02 2

專利名稱：非侵入式人體手臂關節的測量方法
技術領域：
本發明涉及的是一種測量技術領域的方法，具體地說，是一種非侵入式人體手臂關節的測量方法。
背景技術：
在人機工程和生物力學分析中，手臂運動的量化是非常重要的。關節和骨骼的平移和旋轉量的測量數據，一方面可以直接用於工位上工人的操作姿勢的評估，另一方面在運動學和動力學分析可以作為輸入數據分析手工舉重中的關節力和矩的評估。它也是對各種工業任務相關身體應力和受傷安全性進行更加精確的生物力學分析的基礎。這些應用的關鍵就是精確的定位關節的中心位置，手臂關節中心位置的確定是手臂運動學和動力學分析的基礎，確定關節旋轉中心的技術是評估與身體殘疾相關的運動失常或者損傷的有用工具。目前，關於人體關節的測量方法比較多，歸納起來有兩種一種是侵入式方法，即將標記點直接作用於皮膚和肌肉下面的骨骼表面上，這種方法一般用於屍體解剖實驗中，由於對人體造成很大的傷害，一般是不可取的。另外一種方法是非侵入式的，目前確定關節中心位置的主要方法是平移關節表面標記點的位置或者在與關節相連的兩部分骨骼上放置多個測量點(數量不少於3個)。
經對現有技術的文獻檢索發現，Xudong Zhang，Sang-Wook Lee，Peter Braido在「基於表面測量人體骨骼系統的一個高逼真度聯接表達」(《工業人機工程學國際期刊》，33(2004)215-227)一文中提到使用基於視頻的非侵入式運動捕捉系統獲得高細節的表面測量，並計算內部的關節中心，這個方法在利用人體測量資料庫的基礎上強調使用最少的測量點確定關節的中心。Maury A.Nussbaum，XudongZhong在「應用簡化的表面標記點求解上肢關節中心位置的啟發式方法」(《人體運動科學》，19(2000)797-816)一文中提出使用五個表面標記來確定上臂關節中心的三維空間位置，這個方法依賴於幾何推理法直接將表面測量點平移到內部的關節中心，這個啟發式方法的基礎是建立在現有文獻中的根據試驗推導確定的瞬時螺旋軸的解剖學數據和結果，可解決數據收集和簡化以及多標記點引起的非自然運動等問題。A.Cereatti，V.Camomilla，A.Cappozzo在「旋轉中心的評估一個方法學貢獻」一文中(《生物力學期刊》，37(2004)413-416)提到將肩關節作為一個球形鉸鏈，它的旋轉中心的瞬時位置使用兩個相鄰骨骼運動信息來評估，即一個骨骼相對於另外一個的移動，提出了基於球形最優法和reuleaux構造法求解關節的旋轉中心。上述的方法存在以下問題需要的標記點多，一般是7個，最少5個標記點，標記點的定位要求嚴格；手臂上放置更多的標記點可能影響手臂的自然運動；利用皮膚標記的肌肉骨骼系統空間重構以及運動學和動力學的計算應沒有考慮皮膚肌肉和骨骼的相對運動。

發明內容
本發明的目的在於克服現有技術的不足，提供一種非侵入式人體手臂關節的測量方法，使其通過磁性位姿跟蹤設備的測量數據確定手臂各個關節中心在運動過程中的瞬時位置，該方法容易實現，測量點可以固定在關節附近的任意位置，計算簡單並且需要最少數目的測量點。
本發明是通過以下技術方案實現的，本發明包括以下三個步驟(1)手臂運動數據的採集首先將四個位姿跟蹤器分別固定在操作者手、小臂、大臂和肩膀表面靠近關節的任意位置，利用位姿跟蹤器在四個測量點固定四個坐標系，其中每一個位姿跟蹤器獲得測量點的數據就是測量點的坐標系坐標原點的位置和三個軸的旋轉；(2)手臂運動模型的建立為了求解關節手臂運動時的關節中心位置，將人體手臂連接關節之間的骨骼作為一個剛體，建立一個7自由度的參數化空間連杆機構，手臂被作為一個由軀幹、大臂、小臂和手組成的空間四連杆機構，分別由肩關節中心(具有三個旋轉自由度)、肘關節中心(具有兩個旋轉自由度)和腕關節中心(具有兩個旋轉自由度)連接，這些連接點從屬於相鄰的兩個剛體；(3)關節中心和旋轉軸的求解根據剛體上任意點在剛體坐標系下運動的不變性，獲得任意時刻關節中心通過所屬兩個剛體在全局下的位置描述的等式關係，通過任意兩個狀態的運動，獲得各個關節中心在運動過程中的瞬時位置。
所述的位姿跟蹤器是六自由度磁性位姿跟蹤器。
以下對上述的每一個步驟作進一步描述(1)手臂運動數據的採集首先將四個位姿跟蹤器分別固定在測量者手臂的肩膀、大臂、小臂和手背的皮膚表面。為了減少測量誤差，肩膀上的位姿跟蹤器儘可能靠近肩關節，大臂上的位姿跟蹤器儘可能靠近肘關節，而小臂和手背上的跟蹤器儘可能靠近腕關節，四個位姿跟蹤器與計算機相連，有關位置和方向的數據會實時更新，並從位姿跟蹤器發送給計算機；這種測量方法是利用位姿跟蹤器固定與測量者手臂的附近，這種測量方法的主要特點其一是只用四個測量標記點(現有的測量方法最少是5個)確定手臂三個關節的中心位置，其二是標記點可以選取為關節附近的任意位置。
利用六自由度位姿跟蹤器相當於在四個測量點固定了四個坐標系，其中每一個位姿跟蹤器獲得測量點的數據就是測量點的坐標系坐標原點的位置和三個軸的旋轉，這些數據是在基準坐標系下描述的，基準坐標系是由電磁單元的放置位置和姿態決定的。
設四個位姿跟蹤器獲得的位置和姿態分別為(xi，yi，zi)和(αi，βi，γi)，其中i＝1，2，3，4，表示四個測量點。傳感器的位姿以矩陣的形式表達Mi=cicisici+cisisisisi-cisici0-sicicici-sisisicisi+sisici0sini-cisicici0xiyizi1]]>式中c表示餘弦符號cos，s表示正弦符號sin。那麼Mi表示四個測量點的位姿矩陣。
(2)手臂運動模型的建立將人體手臂連接關節之間的骨骼作為一個剛體，建立一個7自由度的參數化空間連杆機構，手臂被作為一個由軀幹、大臂、小臂和手組成的空間四連杆機構。軀幹是以全局坐標原點到肩關節中心的連線為第一連杆、大臂是以肩關節中心到肘關節中心的連線作為第二連杆、小臂是肘關節中心與腕關節中心的連線為第三連杆、手是腕關節中心與手上一個抓取點連線作為第四連杆。
骨骼即各個連杆的長度通過關節中心的距離獲得。假設肩關節、肘關節、腕關節以及手上的一點在全局坐標系(坐標原點為O)下的位置分別是S(sxsysz)、E(exeyez)、W(wxwywz)和H(hxhyhz)，那麼四個連杆的長度分別是OS、SE、EW和WH的長度。
手臂的建模只是為了求解關節中心位置，而沒有分析運動學和動力學分析，因此在這一步只要用參數表達各個連杆的長度即可，等下一步獲得各關節中心位置後即可獲得各個連杆長度的精確值，以便於進行手臂的運動學和動力學分析。
(3)關節中心和旋轉軸的求解即肩關節、肘關節和腕關節中心位置的計算，並對計算的數據進行處理。由於上述的設計測量方法獲得的數據是手臂皮膚表面的運動數據，為了得到關節的中心位置，通過測量的表面數據以及手臂模型運動規律進行計算得到關節的瞬時中心位置。本發明所建立的手臂運動機構是虛擬的，在計算機進行數據處理時後臺計算用到了。
在手臂運動過程中，關節中心位置是實時變化。為了量化關節中心在任意時刻t的位置，以計算機的刷新幀率為周期對其進行更新，利用給出的簡單的矩陣方程計算得到任意時刻手臂上任意關節中心的計算，方程中的所有參數都是通過前面測量得到的手臂表面數據。
設初值t＝0，每一幀之間的時間間隔為Δt。對於任意時刻t，如果(j-1)Δt＜t≤jΔt，其中j＝1，2，3，…，n，是計算的幀數，即t ∈[((j-1)Δ1 jΔt]，那麼t時刻對應的關節中心位置應該是第j幀計算獲得的。第j幀四個跟蹤器測量和計算得到的位姿矩陣為Mij(i＝1，2，3，4，j＝1，2，3，…，n)。
以腕關節為例，C1和C2分別是固定在小臂和手上兩個測量點跟蹤器的坐標系，坐標原點是C和D點。S是連接小臂和手的腕關節中心點，同時從屬於手和小臂兩個剛體。S在C1和C2坐標系下的描述分別記做齊次坐標W1(x1，y1，z1，1)和W2(x2，y2，z2，1)，那麼存在M3×W1T＝M4×W2T，其中M3和M4分別是C和D點的跟蹤器坐標系位姿矩陣。那麼任意兩組(第i和j)數據滿足M3i×W1T＝M4i×W2TM3j×W1T＝M4j×W2T展開矩陣方程得到6個方程，聯立求解獲得一條旋轉軸Lij，它的方向向量和直線上的一點分別是Dij(dx，dy，dz)和Pij(Px，py，pz)的值；同理利用另外兩組數據可以得到一條旋轉軸Lmn，它的方向向量和直線上的一點分別是Dmn(dx，dy，dz)和Pmn(px，py，pz)的值。由於誤差原因這兩條直線是具有很小距離的異面直線，以中垂線的中點為兩條直線的交點。那麼腕關節中心在C1和C2坐標系下的位置分別是Dmn(dx，dy，dz)和Pmn(px，py，pz)。同理可以獲得肘關節和肩關節的中心位置Et(xt，yt，zt，1)和St(xt，yt，zt，1)。對於肘關節因為只有一個旋轉自由度，因此上述兩個方程實際上是線性相關的，可以得到的是肘關節旋轉軸。
本發明首先減少了測量點的數目，為了同時確定手臂的三個關節(肩、肘和腕關節)中心位置只需要四個測量點即可，這樣就大大減少了數據量，能夠滿足在線測量和實時的計算仿真；其次就是對測量點的位置沒有嚴格的要求。現有的方法中，測量一個關節至少需要三個測量點，那麼對於手臂，減去共享測量點，至少需要七個測量點才能確定上肢三個關節的中心位置。


圖1是位置跟蹤器在人體手臂表面的固定位置以及關節中心位置示意圖。
圖2是手臂模型示意圖。
圖3是肩關節中心位置計算示意圖。
圖4是腕關節中心點計算結果曲線圖。
圖5是肩關節中心點計算結果曲線圖。
圖6是肘關節中心點計算結果曲線圖。
具體實施例方式
實施例本發明具體步驟如下1、數據測量如圖1所示，在測量者手臂的3個關節附近固定4個(圖中的A、B、C和D四個點)6自由度的位姿跟蹤器，它通過電磁感應可以精確獲得它相對於基準的位置和方向，即相當於在四個測量點固定了四個坐標系，其中每一個跟蹤器獲得測量點的數據就是測量點的坐標系坐標原點的位置和三個軸的旋轉，這些數據是在基準坐標系下描述的，基準坐標系是由電磁發射單元的放置位置和姿態決定的，一個電磁發射單元可以獲得多個跟蹤器的位姿數據。通過串口將跟蹤設備與計算機相聯，實時的將獲得的數據發送給計算機。
以腕關節為例跟蹤器獲得測量點C和D的位置和姿態的第i組數據分別為(110.51，-255.84，-5.3579)和(130.57，4.59，2.09)以及(78.135，-328.61，-9.3762)和(-165.42，12.96，1.26)；取第j組的數據分別是(315.22，-395.14，51.79)和(165.42，-24.09，177.76)以及(315.22，-395.59，53.132)和(165.49，-22.49，177.96)。
那麼C和D兩個傳感器第i和j幀的位姿以矩陣的形式表達分別為M3i=-0.65220.7572-0.03640-0.7572-0.64830.0800.0370.07980.99610110.51-255.84-5.35791M3j=-0.9658-0.2585-0.02150-0.2473-0.9426-0.22430-0.07820.21130.9743078.135-328.61-9.37621]]>M4i=0.9711-0.236-0.03570-0.2298-0.8835-0.408100.06490.4045-0.91220315.22-395.1451.791M4j=0.971-0.2373-0.0330-0.232-0.894-0.38200.06130.379-0.9230315.22-395.5953.1321]]>2、手臂建模如圖1所示，A、B、C和D分別是手臂表面關節附近的四個測量點；S、E和W分別是人體手臂上連接肩膀和大臂的肩關節中心、連接大臂和小臂的肘關節中心以及連接小臂和手的腕關節中心，這三個點位於手臂的內部和骨骼相連。
在人體手臂建模時，將手臂上連接各個關節之間的骨骼看作剛體，並假定表面測量點與骨骼之間的相對運動可以忽略不計(目前基於表面標記點的測量方法對於這個誤差是不可避免的)。如圖2所示，C0是全局坐標系；CA是A測量點處表達傳感器得到的位姿矩陣的坐標系，是在全局坐標系C0下描述的，其中A點就是坐標系的原點，CA可以作為其它三個測量點坐標系的基準坐標系；S、E和W分別表示肩關節、肘關節和腕關節的旋轉中心；SP表示測量者的手；A和S之間是固定連接，沒有相對的運動。
3、關節轉軸和中心位置的求解如圖3所示，C0是全局坐標系，C1和C2分別是A和B測量點跟蹤器的坐標系，坐標原點是A和B點。W是連接手和小臂的腕關節中心點，同時從屬於小臂和兩個剛體。W在C1和C2坐標系下的描述分別記做齊次坐標W1(x1，y1，z1，1)和W2(x2，y2，z2，1)，那麼存在M3×W1T＝M4×W2T，其中M3和M4分別是C和D點的跟蹤器坐標系位姿矩陣。將前面獲得的兩組測量值代入可得-0.65220.7572-0.03640-0.7572-0.64830.0800.0370.07980.99610110.51-255.84-5.35791S1l=0.9711-0.236-0.03570-0.2298-0.8835-0.408100.06490.4045-0.91220315.22-395.1451.791S2T]]>-0.9658-0.2585-0.02150-0.2473-0.9426-0.22430-0.07820.21130.9743078.135-328.61-9.37621S1T0.971-0.2373-0.0330-0.232-0.894-0.38200.06130.379-0.9230315.22-395.5953.1321S2T]]>聯立求解獲得一條旋轉軸Lij，它的方向向量和直線上的一點分別是Dij(-70.6872，17.3742，1.9817)和Pij(0.0613，0.1365，0.9887)的值；同理利用另外兩組數據可以得到一條旋轉軸Lmn，它的方向向量和直線上的一點分別是Dmn(-57.5632，30.083，12.626)和Pmn(-0.3025，-0.7977，0.5217)的值。由於誤差原因這兩條直線是具有很小距離的異面直線，以中垂線的中點為兩條直線的交點。那麼t時刻腕關節中心在C1坐標系下的位置分別是Dmn(-54.8687，22.9766，5.1689)。
由於測量過程中磁性位置跟蹤器與手臂連接具有微小的相對運動，另外就是計算機計算的截斷誤差引起了計算結果具有誤差。
下面給出本發明的一個實例測量和計算結果。應用的磁性位置跟蹤設備是Flockof Bird(FOB)，發送數據的頻率每秒超過100次，由於數據量比較大，下面的數據以每10幀記錄一次進行計算的結果。
如圖4所示，x軸表示點數，y軸表示坐標值，從上到下的三條曲線分別表示中心點的Py、Px和Pz三個坐標值，為了便于衡量計算結果，這三個坐標值是在C點的磁性跟蹤器測量的坐標系下描述的，理論上其值應該是固定不變的，由於測量以及計算誤差其值應該有微小的波動。如下圖所示Px基本上分布在-57到-52mm、Py分布在20-25mm和Pz分布在4-6mm之間。從這些值的分布結果來看應該在誤差範圍內。將所有中心點的三個坐標進行平均可獲得腕關節的中心點為(-54.5767 22.4895 5.1431)。
肩關節的數據測量和計算方法與腕關節相似，如圖5所示，肩關節三個坐標值的分布情況，其中從上到下的曲線分別表示Pz、Py和Px三個坐標值。最後經過平均獲得肩關節中心點的坐標值為(-197.732 -48.35 21.9678)，這些數據是以固定在操作者胸部跟蹤器獲得的坐標係為基礎描述的，因為肩關節相對於它基本不變。
肘關節繞一條直線旋轉，通過測量數據計算可以獲得一組旋轉軸，理論上這些軸線應該是重合的，但由於誤差原因大多為異面直線。如圖6所示，計算旋轉軸的方向向量的值，從上到下分別是y、x和z的三個分量，所有的軸線基本平行而且相互之間的距離很小。對求解的數據平均獲得肘關節旋轉軸的方向向量是(0.3569 0.93 -0.07768)。
權利要求
1.一種非侵入式人體手臂關節的測量方法，其特徵在於，包括以下三個步驟(1)手臂運動數據的採集首先將四個位姿跟蹤器分別固定在操作者手、小臂、大臂和肩膀表面靠近關節的任意位置，利用位姿跟蹤器在四個測量點固定四個坐標系，其中每一個位姿跟蹤器獲得測量點的數據就是測量點的坐標系坐標原點的位置和三個軸的旋轉；(2)手臂運動模型的建立為了求解關節手臂運動時的關節中心位置，將人體手臂連接關節之間的骨骼作為一個剛體，建立一個7自由度的參數化空間連杆機構，手臂被作為一個由軀幹、大臂、小臂和手組成的空間四連杆機構，分別由肩關節中心、肘關節中心和腕關節中心連接，這些連接點從屬於相鄰的兩個剛體；(3)關節中心和旋轉軸的求解根據剛體上任意點在剛體坐標系下運動的不變性，獲得任意時刻關節中心通過所屬兩個剛體在全局下的位置描述的等式關係，通過任意兩個狀態的運動，獲得各個關節中心在運動過程中的瞬時位置。
2.根據權利要求1所述的非侵入式人體手臂關節的測量方法，其特徵是，所述的位姿跟蹤器是六自由度磁性位姿跟蹤器。
3.根據權利要求1所述的非侵入式人體手臂關節的測量方法，其特徵是，所述的步驟(1)，其方法是設四個位姿跟蹤器獲得的位置和姿態分別為(xi，yi，zi)和(αi，βi，γi)，其中i＝1，2，3，4，表示四個測量點，傳感器的位姿以矩陣的形式表達Mi=cicisici+cisisisisi-cisici0-sicicici-sisisicisi+cisici0sini-cisicici0xiyizi1]]>式中c表示餘弦符號cos，s表示正弦符號sin，那麼Mi表示四個測量點的位姿矩陣。
4.根據權利要求1所述的非侵入式人體手臂關節的測量方法，其特徵是，所述的步驟(2)，其方法是軀幹是以全局坐標原點到肩關節中心的連線為第一連杆，大臂是以肩關節中心到肘關節中心的連線作為第二連杆，小臂是肘關節中心與腕關節中心的連線為第三連杆，手是腕關節中心與手上一個抓取點連線作為第四連杆。
5.根據權利要求4所述的非侵入式人體手臂關節的測量方法，其特徵是，所述的步驟(2)，其方法是各個連杆的長度通過關節中心的距離獲得，假設肩關節、肘關節、腕關節以及手上的一點在全局坐標系下的位置分別是S(sxsysz)、E(exeyez)、W(wxwywz)和H(hxhyhz)，那麼四個連杆的長度分別是OS、SE、EW和WH的長度。
6.根據權利要求1所述的非侵入式人體手臂關節的測量方法，其特徵是，所述的步驟(3)，其方法是為了量化關節中心在任意時刻t的位置，以計算機的刷新幀率為周期對其進行更新，利用給出的簡單的矩陣方程計算得到任意時刻手臂上任意關節中心的計算，方程中的所有參數都是通過前面測量得到的手臂表面數據。
全文摘要
一種非侵入式人體手臂關節的測量方法，屬於人機工程和測量技術領域。本發明包括以下三個步驟(1)手臂運動數據的採集首先將四個位姿跟蹤器分別固定在操作者手、小臂、大臂和肩膀表面靠近關節的任意位置，利用位姿跟蹤器在四個測量點固定四個坐標系；(2)手臂運動模型的建立將人體手臂連接關節之間的骨骼作為一個剛體，建立一個7自由度的參數化空間連杆機構；(3)關節中心和旋轉軸的求解根據剛體上任意點在剛體坐標系下運動的不變性，通過任意兩個狀態的運動，獲得各個關節中心在運動過程中的瞬時位置。本發明容易實現，測量點可以固定在關節附近的任意位置，計算簡單並且需要最少數目的測量點。
文檔編號A61B5/107GK1748642SQ200510030438
公開日2006年3月22日 申請日期2005年10月13日 優先權日2005年10月13日
發明者楊潤黨, 範秀敏, 武殿梁, 嚴雋琪 申請人:上海交通大學