一種人體機械阻抗測量裝置及其測量方法
2023-12-08 12:51:16 1
專利名稱：一種人體機械阻抗測量裝置及其測量方法
技術領域：
本發明涉及一種檢測人體機械阻抗的測量裝置，具體涉及一種新型的人體機械阻抗測量裝置，及其利用該裝置通過構建虛擬運動環境測量人體在運動中的機械阻抗測量方法。
背景技術：
人體機械阻抗是從工學角度出發用來表徵肢體生理特徵的一組參數。目前，國內對肢體生理特性的研究僅限於電阻抗、肌電等領域，尚無對人體機械阻抗方面的研究。國外對人體機械阻抗的研究多為人體處於靜止狀態下的機械阻抗研究，而對於運動中的人體機械阻抗的測量一直比較困難。
發明內容
本發明的技術目的是提供一種人體機械阻抗測量裝置。本發明實現上述技術目的所採用的技術方案為人體機械阻抗測量裝置，包括機械阻抗產生部分和數據採集處理部分，所述的機械阻抗產生部分包括直線電機和與該直線電機相連接的直線電機驅動器，該直線電機包括動子和定子，用於產生作用於人體的擾動；旋轉平臺和與該旋轉平臺相連接的步進電機驅動器，該旋轉平臺固定連接在直線電機下方，用於調整擾動方向；六軸力傳感器，固定連接在直線電機的動子上方、用於將施加到人體的擾動信號轉換為電壓信號；旋轉把手，固定連接在六軸力傳感器上，測量時人體直接接觸該旋轉把手，用於將直線電機與旋轉平臺所產生的擾動信號直接傳遞到人體； 控制器，通過串口與直線電機驅動器、步進電機驅動器相連，用於對直線電機和旋轉平臺發送控制信號，以控制旋轉把手的運動；所述的數據採集處理部分包括光柵尺，安裝在直線電機的定子上，用於記錄受擾動後人體的位置變化信號；編碼器，其輸入端與直線電機上光柵尺相連，將該光柵尺輸出的正弦信號轉換成方波信號；信號調理器，與六軸力傳感器相連，將該六軸力傳感器輸出的電壓信號放大為適合採樣的電壓信號；模數轉換器，其輸入端與信號調理器和編碼器相連，將信號調理器和編碼器輸出的電壓信號轉換成數位訊號；數據處理器，與模數轉換器相連，將模數轉換器輸出的數位訊號進行數據處理後得出人體機械阻抗參數值；
顯示器，與數據處理器相連，用於顯示數據處理後的信息。本發明人體機械阻抗測量裝置的工作過程為測試者直接接觸旋轉把手，控制器通過串口對直線電機驅動器和步進電機驅動器發送控制信號控制旋轉把手的運動，對測試者的肢體產生微小的擾動；六軸力傳感器將該擾動的力信號轉換成電壓信號送入信號調理器，該信號調理器把送入的電壓信號調節到適合採集的電壓範圍，然後經過模數轉換器將電壓信號轉換成數位訊號；光柵尺記錄受擾動後測試者的肢體位置變化信號，通過編碼器將輸出的正弦信號轉換成方波信號，然後經過模數轉換器將該電壓信號轉換成數位訊號； 最後將採集的數位訊號送入數據處理器進行數據處理後得出人體機械阻抗參數值顯示在顯不器上。本發明中，控制器、數據處理器、顯示器可以集成在一臺電腦上。其中，顯示器優選為液晶顯示器。數據處理器對採集的數據可以基於最小二乘法進行實時地擬合，並通過圖形化的表達方法，以橢圓的形式在該顯示器上顯示。為了解決運動中人體機械阻抗測量困難的問題，本發明提出了一種測量方法，該方法構建了一個虛擬的運動環境，該虛擬運動環境模擬了真實的運動環境，在顯示器上顯示。該測量方法具體為步驟1 創建一個虛擬運動環境，該虛擬運動環境通過顯示器顯示，該虛擬運動環境中包括虛擬物體，對該虛擬物體構建一個到達任務；步驟2 測試者直接接觸旋轉把手，通過控制旋轉把手使虛擬物體運動，使其從初始點到達目標區域，在此過程中，機械阻抗產生部分產生一擾動；步驟3 通過數據採集處理部分得到該虛擬運動中的機械阻抗值，顯示在顯示器上。上述測量方法的具體控制過程是當測試者對旋轉把手發力時，六軸力傳感器檢測出力信號，通過數據採集處理部分處理，以虛擬物體的運動形式表現出來，該虛擬物體的運動軌跡顯示在顯示器上；測試者通過控制旋轉把手使虛擬物體到達目標區域；該虛擬物體的運動軌跡信息具體包括虛擬物體的速度、加速度以及位置信息，並且這些信息可以分別顯示在顯示器上，從而模擬真實環境中測試者運動的情況。其中，虛擬運動環境可以設置多功能選擇，通過該多功能按鈕的選擇及其參數設置，能夠創建不同的虛擬運動環境。例如，對虛擬物體可以構建多個到達任務，通過選擇按鈕進行選擇；對虛擬物體的質量、摩擦力以及黏性等性能參數可以設置多個值，通過選擇按鈕進行選擇；該虛擬運動環境中還可以設置附加力場，通過選擇附加力場按扭進行選擇，用於模擬複雜的運動環境或者創建現實世界所不具有的運動環境。另外，虛擬運動環境還可以設置計時功能。本發明提供了一種人體機械阻抗測量裝置，該測量裝置結構簡單，能夠方法實時地測量出人體在靜止時的機械阻抗。同時，為了解決運動中人體機械阻抗測量困難的問題， 本發明還通過構建了虛擬的運動環境，對其中的虛擬物體構建到達任務來模擬真實的運動環境，從而測試出人體處於該虛擬運動環境時的機械阻抗，該方法簡單易行，對人體運動中的機械阻抗具有很好的參考價值，可以用於進行一定的運動學習和肢體康復行為等。
圖1是本發明人體機械阻抗測量裝置的主視圖；圖2是本發明人體機械阻抗測量裝置的俯視圖；圖3是本發明人體機械阻抗測量裝置的側視圖；圖4是本發明人體機械阻抗測量裝置的控制流程圖。
具體實施例方式以下結合附圖與實施例對本發明作進一步詳細描述。附圖中的標號為電腦1、直線電機2、旋轉平臺3、六軸六軸力傳感器4、步進電機驅動器5、直線電機底板6、移動模塊7、動子8、六軸力傳感器9、旋轉把手10、導軌11、定子 12、光柵尺13、直線電機驅動器15、電流信號17、位置信號18、機械阻抗產生部分19、力信號 20、信號調理器21、人體機械阻抗值22、顯示器23、模數轉換器24。實施例1 如圖1所示，人體機械阻抗測量裝置主要由電腦1、直線電機2、旋轉平臺3六軸六軸力傳感器4以及旋轉把手9構成。步進電機驅動器5與旋轉平臺3相連，以驅動該旋轉平臺3。直線電機驅動器15與直線電機2相連，用以驅動直線電機2。直線電機2的底板 6固定在旋轉平臺3上面，直線電機2包括動子8、定子12和導軌11。如圖2所示，導軌11 和定子12固定在直線電機底板6上面。動子8上固定安裝移動模塊7，移動模塊7上方裝有六軸力傳感器9，六軸力傳感器9上方固定裝有旋轉把手10。如圖3所示，定子12—側裝有光柵尺13，光柵尺13與編碼器相連，用於將光柵尺13輸出的正弦信號轉換成方波信號。人體機械阻抗測量裝置還包括編碼器25、信號調理器21、模數轉換器24。編碼器 25與光柵尺13相連，用於將光柵尺13輸出的正弦信號轉換成方波信號。信號調理器21與六軸六軸力傳感器4相連，用於將該六軸六軸力傳感器4輸出的電壓信號放大為適合採樣的電壓信號。模數轉換器M的輸入端與信號調理器21和編碼器25相連，將信號調理器21 和編碼器25輸出的電壓信號轉換成數位訊號。電腦1包括控制器、數據處理器與顯示器23。控制器通過串口與直線電機驅動器 15和步進電機驅動器5相連，用於對直線電機2和旋轉平臺3發送控制信號。數據處理器與模數轉換器M相連，將模數轉換器M輸出的數位訊號進行數據處理後得出人體機械阻抗參數值。顯示器23，與數據處理器相連，用於顯示數據處理後得出人體機械阻抗參數值， 以及顯示虛擬運動場景、操作面板和相關參數。圖4所示為人體機械阻抗測量裝置的控制流程圖。該圖中，機械阻抗產生部分19 包括直線電機2、直線電機驅動器15、旋轉平臺3、步進電機驅動器5、六軸力傳感器9。該機械阻抗產生部分19由直線電機驅動器15和步進電機驅動器5共同驅動，直線電機2的電流信號17和通過編碼器25獲得的位置信號18送入直線電機驅動器15，構成閉環控制。 步進電機驅動器5和直線電機驅動器15與電腦1通過串口連接。六軸力傳感器9產生的力信號20通過信號調理器21經過模數轉換器M採樣後送入電腦1，位置信號18和力信號 20送入電腦1後，經過數據處理得出人體機械阻抗值22，顯示在顯示器23上。顯示器23的顯示界面主要有以下四種功能，由電腦1內部的軟體設定而執行功能1、機械阻抗顯示通過測量的位置信號18，進行微分計算後，得出速度信號以及加速度信號，該信號和六軸力傳感器9測得的力信號20通過最小二乘法擬合出機械阻抗值，並在顯示器23上顯示。功能2、虛擬運動中的機械阻抗顯示設置虛擬運動環境，在顯示器23上顯示。該虛擬運動環境包括虛擬物體，虛擬物體的位置每隔0. 05秒刷新一次，該位置根據送入電腦 1的力信號20解二階非線性方程組得出。對該虛擬物體構建了一個到達任務，測試者通過改變對旋轉把手10施加的力使虛擬物體運動從初始位置到達所設定的目標區域，能否進入該目標區域作為運動成功與否的標準；在此過程中，機械阻抗產生部分19產生一擾動， 通過圖4所示的控制流程，經過數據採集處理得到該虛擬運動中的機械阻抗值，顯示在顯不器23上。功能3、功能選擇該顯示器23上顯示有控制面板，利用滑鼠和鍵盤操作可以選擇上面的功能按鍵，並對該功能設定參數值，以設置不同的虛擬運動環境。其中，功能按鍵中包括附加力場，通過選擇附加力場按鍵，可以模擬複雜的運動環境或者創建現實世界所不具有的運動環境。功能4、計時功能虛擬運動環境中具有計時功能，從虛擬物體運動開始到運動結束，會自動計時，並在顯示器23上顯示。
權利要求
1.一種人體機械阻抗測量裝置，包括機械阻抗產生機構和數據採集處理部分，其特徵是所述的機械阻抗產生部分包括直線電機和與該直線電機相連接的直線電機驅動器，該直線電機包括動子和定子，用於產生作用於人體的擾動；旋轉平臺和與該旋轉平臺相連接的步進電機驅動器，該旋轉平臺固定連接在直線電機下方，用於調整擾動方向；六軸力傳感器，固定連接在直線電機的動子上方、用於將施加到人體的擾動信號轉換為電壓信號；旋轉把手，固定連接在六軸力傳感器上，測量時人體直接接觸該旋轉把手，用於將直線電機與旋轉平臺所產生的擾動信號直接傳遞到人體；控制器，通過串口與直線電機驅動器、步進電機驅動器相連，用於對直線電機和旋轉平臺發送控制信號，以控制旋轉把手的運動； 所述的數據採集處理部分包括光柵尺，安裝在直線電機的定子上，用於記錄受擾動後人體的位置變化信號； 編碼器，其輸入端與直線電機上光柵尺相連，將該光柵尺輸出的正弦信號轉換成方波信號；信號調理器，與六軸六軸力傳感器相連，將該六軸六軸力傳感器輸出的電壓信號放大為適合採樣的電壓信號；模數轉換器，其輸入端與信號調理器和編碼器相連，將信號調理器和編碼器輸出的電壓信號轉換成數位訊號；數據處理器，與模數轉換器相連，將模數轉換器輸出的數位訊號進行數據處理後得出人體機械阻抗參數值；顯示器，與數據處理器相連，用於顯示數據處理後的信息。
2.根據權利要求1所述的人體機械阻抗測量裝置，其特徵是所述的控制器、數據處理器、顯示器集成在一臺電腦上。
3.根據權利要求1或2所示的人體機械阻抗測量裝置，其特徵是所述的動子上固定連接移動模塊，所述的六軸六軸力傳感器固定連接在移動模塊上。
4.根據權利要求1或2所述的人體機械阻抗測量裝置，其特徵是所述的數據處理器對採集的數據基於最小二乘法進行實時地擬合，並通過圖形化的表達方法顯示在顯示器上。
5.利用權利要求1或2所述的人體機械阻抗測量裝置測量人體機械阻抗的方法，其特徵是包括如下步驟步驟1 創建一個虛擬運動環境，該虛擬運動環境通過顯示器顯示，該虛擬運動環境中包括虛擬物體，對該虛擬物體構建一個到達任務；步驟2 測試者直接接觸旋轉把手，通過控制旋轉把手使虛擬物體運動，使其從初始位置到達目標區域，在此過程中，機械阻抗產生部分產生一擾動；步驟3 通過數據採集處理部分得到該虛擬運動中的機械阻抗值，顯示在顯示器上。
6.根據權利要求5所述的測量人體機械阻抗的方法，其特徵是所述的虛擬運動環境中設置多功能按鈕，通過該多功能按鈕的選擇及其參數設置，能夠創建不同的虛擬運動環鏡。
7.根據權利要求5所述的測量人體機械阻抗的方法，其特徵是所述的虛擬物體的到達任務為多個，通過選擇按鈕進行選擇。
8.根據權利要求6所述的測量人體機械阻抗的方法，其特徵是所述的虛擬物體的性能參數設置為多個值，通過選擇按鈕進行選擇。
9.根據權利要求6所述的測量人體機械阻抗的方法，其特徵是所述的虛擬運動環境中設置附加力場，通過選擇附加力場按扭進行選擇。
10.根據權利要求6所述的測量人體機械阻抗的方法，其特徵是所述的虛擬運動環境中設置計時功能。
全文摘要
本發明公開了一種人體機械阻抗測量裝置及其測量方法，該測量裝置包括機械阻抗產生機構和數據採集處理部分，主要由直線電機、旋轉平臺、六軸六軸力傳感器、旋轉把手、光柵尺、編碼器、信號調理器、模數轉換器，控制器、數據處理器以及顯示器組成，通過機械阻抗產生機構對人體產生一擾動，然後利用數據採集處理部分計算出機械阻抗。除了可以測量人體靜止時的機械阻抗，本發明還提出一種測量方法，該方法通過構建虛擬運動環境，對其中的虛擬物體構建到達任務來模擬真實的運動環境，從而測試出人體處於該虛擬運動環境時的機械阻抗，該方法簡單易行，對人體運動中的機械阻抗具有很好的參考價值，可以用於進行一定的運動學習和肢體康復行為等。
文檔編號A61B5/00GK102204815SQ20111014676
公開日2011年10月5日 申請日期2011年6月2日 優先權日2011年6月2日
發明者左國坤, 徐佳琳, 王帥傑, 鄭華文, 陳建華, 陳盛票 申請人:中國科學院寧波材料技術與工程研究所