[发明专利]关节空间中人体运动捕捉装置

摘要

本发明涉及一种关节空间中人体运动捕捉装置，属于机械设计及自动化控制领域；通过将运动捕捉装置穿戴在人体身上，在人体正常行走过程中，腰关节、髋关节、膝关节和踝关节各关节姿态角度发生改变，使用本装置能达到对角度变化数据进行实时性捕捉，实现装置对人体行走过程中数据的不间断采集。本发明的角度编码器采用霍尔检测原理的编码器，使各关节角度数据的精确性得到改善，增加腰关节数据的采集，且采样数据不受周边环境以及实验场所的影响。本发明所采集的数据能完整表现人运动中腰腿部各关节运动状态，实用性能好。

主权项

一种关节空间中人体运动捕捉装置，其特征在于：该装置包括背部子系统、左下肢子系统、右下肢子系统，其中左右下肢子系统为对称结构；具体而言，所述背部子系统包括肩部横杆（1）、肩部轴关节A（2.1）、肩部曲杆（3）、肩部轴关节B（2.2）、背部连杆（4）、背部调节杆（5）、腰部俯仰转动轴关节A（6.1）、连接杆（7）、腰部横滚转动轴关节B（6.2）、腰部偏航转动轴关节C（6.3）、腰部轴关节（8）、腰部固定板A（9.1）、腰带（10）、腰带固定板B（9.2）、腰部固定块（11）；肩部曲杆（3）为一曲杆结构，一端为直杆，另一端为曲杆；肩部曲杆（3）直杆端通过肩部轴关节A（2.1）与肩部横杆（1）连接，肩部曲杆（3）曲杆端通过肩部轴关节B（2.2）与背部连杆（4）连接；肩部轴关节A（2.1）与肩部轴关节B（2.2）可以绕俯仰方向转动；背部连杆（4）与背部调节杆（5）通过螺栓连接固定，所述背部连杆4设有长形孔，背部调节杆5上安装的螺栓与背部连杆（4）上的长形孔可自由调节，从而实现调节背部连杆（4）与背部调节杆（5）之间的配合长度；连接板（7）为一组合机构，该机构分为上部连接板、侧部连接板、下部连接板三部分；上部连接板与侧部连接板组成“L”形结构，连接处通过螺钉连接；上部连接板与侧部连接板分别于腰部俯仰转动轴关节A（6.1）与腰部横滚转动轴关节B（6.2）连接，下部连接板直接一端与腰部横滚转动轴关节B（6.2）连接，另一端与腰部偏航转动轴关节C（6.3）连接；其中所述腰部俯仰转动轴关节A（6.1）、腰部横滚转动轴关节B（6.2）和腰部偏航转动轴关节C（6.3）之间呈“品”字结构；所述腰部各转动轴关节都安装有角度编码器，以实现测量腰关节俯仰、横滚、偏航三个方向的角度变化值；背部调节杆（5）与连接板（7）的上部连接板通过腰俯仰转动轴关节A（6.1）连接；腰部偏航转动轴关节C（6.3）与腰部轴关节（8）连接；腰部轴关节（8）与腰部固定板A（9.1）固定连接；腰部固定板A（9.1）与腰部固定板B（9.2）中间固定有腰带（10），腰带（10）可实现与人体腰部绑定，肩部横杆（1）与人体肩部绑定，二者可实现固定背部子系统的目的；腰部固定板B（9.2）与腰部固定块（11）固定连接；左下肢子系统的左腰部连接杆（12）、右下肢子系统的右腰部连接杆（29）通过背部子系统的腰部固定块（11）螺栓连接固定；所述左腰部连接杆（12）与右腰部连接杆（29）连接处设有螺栓孔，用以调节以适应不同实验者腰部长度；所述左下肢子系统包括左腰侧连接杆（12）、左髋侧连接杆A（13.1）、左髋俯仰转动轴关节A（14.1）、左髋侧连接杆B（13.2）、左髋侧连接横杆（15）、左髋横滚转动轴关节B（14.2）、左大腿调节连杆（16）、左大腿连杆A（17.1）、左髋偏航转动轴关节C（14.3）、左髋调节机构（18）、左大腿连杆B（17.2）、左膝俯仰转动轴关节（19）、左小腿连杆（20）、左小腿调节连杆（21）、左踝俯仰转动轴关节A（22.1）、左踝横滚转动轴关节B（22.2）、左踝调节杆（23）、左脚底固定杆（24）、左髋部轴关节（25）、左髋部连接杆（26）、左髋部调节杆（27）、左髋部固定块（28）；腰部固定块（11）与左腰侧连接杆（12）固定连接；左腰侧连接杆（12）与左髋侧连接杆A（13.1）通过螺栓固定连接；所述与左腰侧连接杆（12）连接的左髋侧连接杆A（13.1）连接处设有螺栓孔，用以调节以适应不同实验者腰部宽度；左髋侧连接杆A（13.1）与左髋侧连接杆B（13.2）通过左髋俯仰转动轴关节A（14.1）连接；左髋俯仰转动轴关节A（14.1）安装有角度编码器，通过左髋俯仰转动轴关节A（14.1）的转动，可测得左髋关节俯仰角的变化值；左髋侧连接杆B（13.2）和左腰侧连接横杆（15）通过螺栓固定连接；所述与左腰侧连接横杆（15）连接的左髋侧连接杆B（13.2）连接处设有螺栓孔，用以调节以适应不同实验者髋部宽度；左腰侧连接横杆（15）和左大腿调节连杆（16）通过左髋横滚转动轴关节B（14.2）连接；左髋横滚转动轴关节B（14.2）安装有角度编码器，由于左髋横滚转动轴关节B（14.2）的转动，可测得左髋关节横滚角的变化值；左大腿调节连杆（16）与左大腿连杆A（17.1）通过螺栓固定连接；所述左大腿调节连杆（16）上设有螺栓孔组，左大腿连杆A（17.1）上固定有螺栓，通过调节螺栓与螺栓孔组的位置，以实现调节左大腿调节连杆（16）与左大腿连杆A（17.1）配合长度，以适应不同实验者大腿长度；左髋调节机构（18）包括左髋部轴关节（25）、左髋部连接杆（26）、左髋部调节杆（27）、左髋部固定块（28）；左髋部轴关节（25）与左髋部调节杆（27）通过左髋部连接杆（26）连接；左髋部调节杆（27）与左髋部固定块（28）通过左髋偏航转动轴关节C（14.3）连接；左髋部调节杆（27）上设有螺钉孔组，通过调节左髋部连接杆（26）、左髋偏航转动轴关节C（14.3）与左髋部调节杆（27）上的螺钉孔组的间距，以满足不同实验者大腿粗细的要求；左髋偏航转动轴关节C（14.3）上装有角度编码器，当左髋偏航转动轴关节C（14.3）的转动时，可测得左髋关节偏航角的变化值；左大腿连杆A（17.1）与左髋部轴关节（25）固定连接；左髋部固定块（28）与左大腿连杆B（17.2）固定连接；左膝俯仰转动轴关节（19）通过左大腿连杆B（17.2）和左小腿连杆（20）连接；左膝俯仰转动轴关节（19）上安装有角度编码器，当左膝俯仰转动轴关节（19）转动时，可测得左膝关节俯仰角的变化值；左小腿连杆（20）与左小腿调节连杆（21）连接，所述左小腿调节连杆（21）上设有螺栓孔组，左小腿连杆（20）上固定有螺栓，通过调节螺栓与螺栓孔组的位置，以实现左小腿连杆（20）与左小腿调节连杆（21）配合长度，以适应不同实验者小腿长度；左小腿调节连杆（21）与左踝俯仰转动轴关节A（22.1）连接；所述左踝俯仰转动轴关节A（22.1）上安装有角度编码器，当左踝俯仰转动轴关节A（22.1）转动时，可测得左踝关节俯仰角的变化值；左踝俯仰转动轴关节A（22.1）、左踝调节杆（23）通过左踝横滚转动轴关节B（22.2）连接；所述左踝横滚转动轴关节B（22.2）上安装有角度编码器，当左踝横滚转动轴关节B（22.2）转动时，可测得左踝关节横滚角的变化值；所述与左踝调节杆（23）连接的左踝横滚转动轴关节B（22.2）连接处设有螺栓孔组，用以调节以适应不同实验者脚部的宽度；左踝调节杆（23）与左脚底固定杆（24）连接，所述与左踝调节杆（23）连接的左脚底固定杆（24）连接处设有螺栓孔组，用以调节以适应不同实验者脚部的高度；所述右下肢子系统包括右腰侧连接杆（29）、右髋侧连接杆A（30.1）、右髋俯仰转动轴关节A（31.1）、右髋侧连接杆B（30.2）、右髋侧连接横杆（32）、右髋横滚转动轴关节B（31.2）、右大腿调节连杆（33）、右大腿连杆A（34.1）、右髋偏航转动轴关节C（31.3）、右髋调节机构（35）、右大腿连杆B（34.2）、右膝俯仰转动轴关节（36）、右小腿连杆（37）、右小腿调节连杆（38）、右踝俯仰转动轴关节A（39.1）、右踝横滚转动轴关节B（39.2）、右踝调节杆（40）、右脚底固定杆（41）、右髋部轴关节（42）、右髋部连接杆（43）、右髋部调节杆（44）、右髋部固定块（45）；腰部固定块（11）与右腰侧连接杆（29）固定连接；右腰侧连接杆（29）与右髋侧连接杆A（30.1）通过螺栓固定连接；所述与右腰侧连接杆（29）连接的右髋侧连接杆A（30.1）连接处设有螺栓孔，用以调节以适应不同实验者腰部宽度；右髋侧连接杆A（30.1）与右髋侧连接杆B（30.2）通过右髋俯仰转动轴关节A（31.1）连接；右髋俯仰转动轴关节A（31.1）安装有角度编码器，通过右髋俯仰转动轴关节A（31.1）的转动，可测得右髋关节俯仰角的变化值；右髋侧连接杆B（30.2）和右腰侧连接横杆（32）通过螺栓固定连接；所述与右腰侧连接横杆（32）连接的右髋侧连接杆B（30.2）连接处设有螺栓孔，用以调节以适应不同实验者髋部宽度；右腰侧连接横杆（32）和右大腿调节连杆（33）通过右髋横滚转动轴关节B（31.2）连接；右髋横滚转动轴关节B（31.2）安装有角度编码器，由于右髋横滚转动轴关节B（31.2）的转动，可测得右髋关节横滚角的变化值；右大腿调节连杆（33）与右大腿连杆A（34.1）通过螺栓固定连接；所述右大腿调节连杆（33）上设有螺栓孔组，右大腿连杆A（34.1）上固定有螺栓，通过调节螺栓与螺栓孔组的位置，以实现调节右大腿调节连杆（33）与右大腿连杆A（34.1）配合长度，以适应不同实验者大腿长度；右髋调节机构（35）包括右髋部轴关节（42）、右髋部连接杆（43）、右髋部调节杆（44）、右髋部固定块（45）；右髋部轴关节（42）与右髋部调节杆（44）通过右髋部连接杆（43）连接；右髋部调节杆（44）与右髋部固定块（45）通过右髋偏航转动轴关节C（31.3）连接；右髋部调节杆（44）上设有螺钉孔组，通过调节右髋部连接杆（43）、右髋偏航转动轴关节C（31.3）与右髋部调节杆（44）上的螺钉孔组的间距，以满足不同实验者大腿粗细的要求；右髋偏航转动轴关节C（31.3）上装有角度编码器，当右髋偏航转动轴关节C（31.3）的转动时，可测得右髋关节偏航角的变化值；右大腿连杆A(34.1)与右髋部轴关节（42）固定连接；右髋部固定块（45）与右大腿连杆B（34.2）固定连接；右膝俯仰转动轴关节（36）通过右大腿连杆B（34.2）和右小腿连杆（37）连接；右膝俯仰转动轴关节（36）上安装有角度编码器，当右膝俯仰转动轴关节（36）转动时，可测得右膝关节俯仰角的变化值；右小腿连杆（37）与右小腿调节连杆（38）连接，所述右小腿调节连杆（38）上设有螺栓孔组，右小腿连杆(37)上固定有螺栓，通过调节螺栓与螺栓孔组的位置，以实现右小腿连杆（37）与右小腿调节连杆（38）配合长度，以适应不同实验者小腿长度；右小腿调节连杆（38）与右踝俯仰转动轴关节A（39.1）连接；所述右踝俯仰转动轴关节A（39.1）上安装有角度编码器，当右踝俯仰转动轴关节A(39.1)转动时，可测得右踝关节俯仰角的变化值；右踝俯仰转动轴关节A（39.1）、右踝调节杆（40）通过右踝横滚转动轴关节B（39.2）连接；所述右踝横滚转动轴关节B（39.2）上安装有角度编码器，当右踝横滚转动轴关节B（39.2）转动时，可测得右踝关节横滚角的变化值；所述与右踝调节杆（40）连接的右踝横滚转动轴关节B（39.2）连接处设有螺栓孔组，用以调节以适应不同实验者脚部的宽度；右踝调节杆（40）与右脚底固定杆（41）连接，所述与右踝调节杆（40）连接的右脚底固定杆（41）连接处设有螺栓孔组，用以调节以适应不同实验者脚部的高度；所述背部子系统、左下肢子系统、右下肢子系统中的转动轴关节，包括滚动轴承（46）、轴（47）、键（48）、绝对式编码器（49）、通端盖（50）、轴组件（51）、轴关节（52）、盲端盖（53）、连接叉（54）；所述轴关节（52）包括滚动轴承（46）、轴（47）、键（48），轴（47）两端装有滚动轴承（46），轴（47）通过键（48）固定在连接叉（54）上；连接叉（54）一端为半圆形，一端为矩形，半圆形端开有通孔以装配轴（47），矩形端开有一对通孔用以连接构件；所述轴组件（51）中间开有凹槽并通过轴（47）将连接叉（54）连接在一起；轴关节（52）与轴组件（51）连接后且其两端通过通端盖（50）和盲端盖（53）固定在轴组件（51）上，所述通端盖（50）连接有绝对式编码器（49）；所述脚底直接与压力传感器连接，所述的压力传感器为左脚后端压力传感器（57）、左脚前端压力传感器A（55）、压力传感器B（56）、右脚后端压力传感器（60）、右脚前端压力传感器A（58）、压力传感器B（59），布置于左脚与右脚上。