[发明专利]一种人体上肢肩部盂肱关节旋转中心与上臂抬升角耦合关系测量方法

说明书

本发明公开了一种人体上肢肩部盂肱关节旋转中心与上臂抬升角耦合关系测量方法，人体肩部关节运动数据的采集：将标志点运动块固定在肩胛骨、肱骨上，将六个标志点固定在人体的第七颈椎、第八胸椎、颈静脉切迹、剑状软骨、外上髁、内上髁位置，获取相应骨骼的运动信息。肩部运动模型的建立：将肩胛骨、肱骨分别作为一个刚体，基于旋转几何知识，建立旋转中心相对相邻刚体位姿不变的运动学模型。盂肱关节旋转中心和抬升角耦合关系求解：由关节中心相对相邻刚体标志点位姿的不变性，获取回归参数，尽而获取旋转中心的瞬时位置，从而得到抬升角和旋转中心耦合关系。本发明测量点通过绑缚或法兰固定在人体上，减少变形，计算简单并且测量准确。

技术领域

本发明属于测量技术领域，具体是一种人体上肢肩部盂肱关节旋转中心与上臂抬升角耦合关系测量方法。

背景技术

人体上肢肩部盂肱关节旋转中心与上臂抬升角耦合的运动信息是规划训练外骨骼系统导引运动、设计仿生肩关节机构及肩部运动功能损伤恢复的基础性数据，对骨骼进行康复训练时，需要参照相关信息设计外骨骼系统的导引运动规律。因此，获得相对准确的上肢肩部盂肱关节旋转中心与上臂抬升角耦合关系的运动信息对于保证骨骼训练效果、设计仿生肩关节机构、肩部功能模拟及人机工程具有非常强的理论意义和实际意义。

根据人体骨骼信息可知，人体肩部关节图1、图2所示错综复杂，它由肱骨、肩胛骨、锁骨、胸骨及其间的盂肱关节、肩锁关节、胸锁关节和肩胛胸壁关节连接而成，其中胸锁关节和肩胛胸壁关节运动学尚且不清楚，根据人体骨骼模型运动学分析，肩部关节中的盂肱关节(传统意义上的肩关节)在完成外展/内收、前屈/后伸的运动过程中，转动中心在人体肩部关节相对于人体胸骨的运动过程中，是漂移的，并且漂移轨迹并不是线性的，而是有多段低曲率弧线构成，并且肩部中心的漂移也不仅限于矢状面，这使研究肩部盂肱关节的运动更加复杂。

通过查阅国内外文献可知，人体肩部关节运动信息检测从测试方法种类上说：分为紫外光拍摄系统、多维摄像系统、外骨骼穿戴系统、电磁跟踪系统、柔性传感器系统等。从本质上分，可以分为侵入式和非侵入两种测量方法，侵入式测量方法：直接透过皮肤、组织测量人体肩部骨骼的相应运动，比如紫外光拍摄、人体肩部尸体解剖实验，这种测量方法对人体危害大，实验复杂，一般不可取；另一种是非侵入式测量方法：通过在人体骨骼皮肤表面贴取标志点，通过标志点的运动获取肩部骨骼的运动信息，比较典型的有上海交通大学发明专利：非侵入人体手臂关节的测量方法(专利号2005100304385)，但他把人体肩部盂肱关节旋转中心作为定心去处理，不符合人体肩部骨骼的具体运动规律；还有浙江大学杨灿军教授发明专利：可穿戴式高精度数据采集上肢外骨骼(专利号：2011102767071)，该专利也把人体肩部盂肱关节旋转中心作为定心运动。为了获得准确的盂肱关节旋转中心和上臂抬升角耦合关系，本发明提出一种人体上肢肩部盂肱关节旋转中心与人体上臂抬升角耦合关系测量方法，该测量方法测量准确，测量方法简单。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种能检测盂肱关节旋转中心和上臂抬升角的耦合关系，且结构简单、使用方便，算法简洁明了的一种测量方法。其发明理念是：在人体肩部结构的研究中，模型化处理是一切工作的开始，根据人体解剖学知识，并在参考人体骨骼学、人体骨骼运动学的基础上得知：肩部盂肱关节等效于球副，从人体中抽出胸骨(等价于定刚体，建立人体坐标系)，肩胛骨(等价于动刚体1)，肱骨(等价于动刚体2)运动链做相应的运动学分析，如图3、4所示。有旋转几何知识得：盂肱关节旋转中心相对于相邻的肩胛骨、肱骨的位置和姿态始终保持不变，基于该运动学原理，获取人体肩部盂肱关节旋转中心的运动信息，并通过每一时刻肩部盂肱关节旋转中心，获取在该时刻上臂抬升角信息，从而得到人体上臂和肩部盂肱关节旋转中心的耦合关系。如图8、9所示。

本发明解决技术问题所采用的方案是：

肩部关节运动数据的采集：将含有四个不在一个平面上标志点的运动块固定在肩胛骨、肱骨上，将六个标志点固定在人体的第七颈椎、第八胸椎、颈静脉切迹、剑状软骨、外上髁、内上髁位置，获取相应骨骼的运动信息。