專利名稱：一種人體機械阻抗測量裝置及其測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)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(gòu)建虛擬運動環(huán)境測量人體在運動中的機械阻抗測量方法。
背景技術(shù)：
人體機械阻抗是從工學角度出發(fā)用來表征肢體生理特征的一組參數(shù)。目前，國內(nèi)對肢體生理特性的研究僅限于電阻抗、肌電等領(lǐng)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于靜止狀態(tài)下的機械阻抗研究，而對于運動中的人體機械阻抗的測量一直比較困難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)目的是提供一種人體機械阻抗測量裝置。本發(fā)明實現(xiàn)上述技術(shù)目的所采用的技術(shù)方案為人體機械阻抗測量裝置，包括機械阻抗產(chǎn)生部分和數(shù)據(jù)采集處理部分，所述的機械阻抗產(chǎn)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(qū)動器，該直線電機包括動子和定子，用于產(chǎn)生作用于人體的擾動；旋轉(zhuǎn)平臺和與該旋轉(zhuǎn)平臺相連接的步進電機驅(qū)動器，該旋轉(zhuǎn)平臺固定連接在直線電機下方，用于調(diào)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、用于將施加到人體的擾動信號轉(zhuǎn)換為電壓信號；旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)把手，用于將直線電機與旋轉(zhuǎn)平臺所產(chǎn)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(qū)動器、步進電機驅(qū)動器相連，用于對直線電機和旋轉(zhuǎn)平臺發(fā)送控制信號，以控制旋轉(zhuǎn)把手的運動；所述的數(shù)據(jù)采集處理部分包括光柵尺，安裝在直線電機的定子上，用于記錄受擾動后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(zhuǎn)換成方波信號；信號調(diào)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采樣的電壓信號；模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其輸入端與信號調(diào)理器和編碼器相連，將信號調(diào)理器和編碼器輸出的電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號；數(shù)據(jù)處理器，與模數(shù)轉(zhuǎn)換器相連，將模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號進行數(shù)據(jù)處理后得出人體機械阻抗參數(shù)值；
顯示器，與數(shù)據(jù)處理器相連，用于顯示數(shù)據(jù)處理后的信息。本發(fā)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(zhuǎn)把手，控制器通過串口對直線電機驅(qū)動器和步進電機驅(qū)動器發(fā)送控制信號控制旋轉(zhuǎn)把手的運動，對測試者的肢體產(chǎn)生微小的擾動；六軸力傳感器將該擾動的力信號轉(zhuǎn)換成電壓信號送入信號調(diào)理器，該信號調(diào)理器把送入的電壓信號調(diào)節(jié)到適合采集的電壓范圍，然后經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器將電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號；光柵尺記錄受擾動后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(zhuǎn)換成方波信號，然后經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器將該電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號； 最后將采集的數(shù)字信號送入數(shù)據(jù)處理器進行數(shù)據(jù)處理后得出人體機械阻抗參數(shù)值顯示在顯不器上。本發(fā)明中，控制器、數(shù)據(jù)處理器、顯示器可以集成在一臺電腦上。其中，顯示器優(yōu)選為液晶顯示器。數(shù)據(jù)處理器對采集的數(shù)據(jù)可以基于最小二乘法進行實時地擬合，并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(fā)明提出了一種測量方法，該方法構(gòu)建了一個虛擬的運動環(huán)境，該虛擬運動環(huán)境模擬了真實的運動環(huán)境，在顯示器上顯示。該測量方法具體為步驟1 創(chuàng)建一個虛擬運動環(huán)境，該虛擬運動環(huán)境通過顯示器顯示，該虛擬運動環(huán)境中包括虛擬物體，對該虛擬物體構(gòu)建一個到達任務；步驟2 測試者直接接觸旋轉(zhuǎn)把手，通過控制旋轉(zhuǎn)把手使虛擬物體運動，使其從初始點到達目標區(qū)域，在此過程中，機械阻抗產(chǎn)生部分產(chǎn)生一擾動；步驟3 通過數(shù)據(jù)采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(zhuǎn)把手發(fā)力時，六軸力傳感器檢測出力信號，通過數(shù)據(jù)采集處理部分處理，以虛擬物體的運動形式表現(xiàn)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(zhuǎn)把手使虛擬物體到達目標區(qū)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，并且這些信息可以分別顯示在顯示器上，從而模擬真實環(huán)境中測試者運動的情況。其中，虛擬運動環(huán)境可以設(shè)置多功能選擇，通過該多功能按鈕的選擇及其參數(shù)設(shè)置，能夠創(chuàng)建不同的虛擬運動環(huán)境。例如，對虛擬物體可以構(gòu)建多個到達任務，通過選擇按鈕進行選擇；對虛擬物體的質(zhì)量、摩擦力以及黏性等性能參數(shù)可以設(shè)置多個值，通過選擇按鈕進行選擇；該虛擬運動環(huán)境中還可以設(shè)置附加力場，通過選擇附加力場按扭進行選擇，用于模擬復雜的運動環(huán)境或者創(chuàng)建現(xiàn)實世界所不具有的運動環(huán)境。另外，虛擬運動環(huán)境還可以設(shè)置計時功能。本發(fā)明提供了一種人體機械阻抗測量裝置，該測量裝置結(jié)構(gòu)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(fā)明還通過構(gòu)建了虛擬的運動環(huán)境，對其中的虛擬物體構(gòu)建到達任務來模擬真實的運動環(huán)境，從而測試出人體處于該虛擬運動環(huán)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，可以用于進行一定的運動學習和肢體康復行為等。


圖1是本發(fā)明人體機械阻抗測量裝置的主視圖；圖2是本發(fā)明人體機械阻抗測量裝置的俯視圖；圖3是本發(fā)明人體機械阻抗測量裝置的側(cè)視圖；圖4是本發(fā)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(jié)合附圖與實施例對本發(fā)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(zhuǎn)平臺3、六軸六軸力傳感器4、步進電機驅(qū)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(zhuǎn)把手10、導軌11、定子 12、光柵尺13、直線電機驅(qū)動器15、電流信號17、位置信號18、機械阻抗產(chǎn)生部分19、力信號 20、信號調(diào)理器21、人體機械阻抗值22、顯示器23、模數(shù)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)平臺3六軸六軸力傳感器4以及旋轉(zhuǎn)把手9構(gòu)成。步進電機驅(qū)動器5與旋轉(zhuǎn)平臺3相連，以驅(qū)動該旋轉(zhuǎn)平臺3。直線電機驅(qū)動器15與直線電機2相連，用以驅(qū)動直線電機2。直線電機2的底板 6固定在旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)把手10。如圖3所示，定子12—側(cè)裝有光柵尺13，光柵尺13與編碼器相連，用于將光柵尺13輸出的正弦信號轉(zhuǎn)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(diào)理器21、模數(shù)轉(zhuǎn)換器24。編碼器 25與光柵尺13相連，用于將光柵尺13輸出的正弦信號轉(zhuǎn)換成方波信號。信號調(diào)理器21與六軸六軸力傳感器4相連，用于將該六軸六軸力傳感器4輸出的電壓信號放大為適合采樣的電壓信號。模數(shù)轉(zhuǎn)換器M的輸入端與信號調(diào)理器21和編碼器25相連，將信號調(diào)理器21 和編碼器25輸出的電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。電腦1包括控制器、數(shù)據(jù)處理器與顯示器23?？刂破魍ㄟ^串口與直線電機驅(qū)動器 15和步進電機驅(qū)動器5相連，用于對直線電機2和旋轉(zhuǎn)平臺3發(fā)送控制信號。數(shù)據(jù)處理器與模數(shù)轉(zhuǎn)換器M相連，將模數(shù)轉(zhuǎn)換器M輸出的數(shù)字信號進行數(shù)據(jù)處理后得出人體機械阻抗參數(shù)值。顯示器23，與數(shù)據(jù)處理器相連，用于顯示數(shù)據(jù)處理后得出人體機械阻抗參數(shù)值， 以及顯示虛擬運動場景、操作面板和相關(guān)參數(shù)。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(chǎn)生部分19 包括直線電機2、直線電機驅(qū)動器15、旋轉(zhuǎn)平臺3、步進電機驅(qū)動器5、六軸力傳感器9。該機械阻抗產(chǎn)生部分19由直線電機驅(qū)動器15和步進電機驅(qū)動器5共同驅(qū)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(qū)動器15，構(gòu)成閉環(huán)控制。 步進電機驅(qū)動器5和直線電機驅(qū)動器15與電腦1通過串口連接。六軸力傳感器9產(chǎn)生的力信號20通過信號調(diào)理器21經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器M采樣后送入電腦1，位置信號18和力信號 20送入電腦1后，經(jīng)過數(shù)據(jù)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(nèi)部的軟件設(shè)定而執(zhí)行功能1、機械阻抗顯示通過測量的位置信號18，進行微分計算后，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，并在顯示器23上顯示。功能2、虛擬運動中的機械阻抗顯示設(shè)置虛擬運動環(huán)境，在顯示器23上顯示。該虛擬運動環(huán)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(jù)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(gòu)建了一個到達任務，測試者通過改變對旋轉(zhuǎn)把手10施加的力使虛擬物體運動從初始位置到達所設(shè)定的目標區(qū)域，能否進入該目標區(qū)域作為運動成功與否的標準；在此過程中，機械阻抗產(chǎn)生部分19產(chǎn)生一擾動， 通過圖4所示的控制流程，經(jīng)過數(shù)據(jù)采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，利用鼠標和鍵盤操作可以選擇上面的功能按鍵，并對該功能設(shè)定參數(shù)值，以設(shè)置不同的虛擬運動環(huán)境。其中，功能按鍵中包括附加力場，通過選擇附加力場按鍵，可以模擬復雜的運動環(huán)境或者創(chuàng)建現(xiàn)實世界所不具有的運動環(huán)境。功能4、計時功能虛擬運動環(huán)境中具有計時功能，從虛擬物體運動開始到運動結(jié)束，會自動計時，并在顯示器23上顯示。
權(quán)利要求
1.一種人體機械阻抗測量裝置，包括機械阻抗產(chǎn)生機構(gòu)和數(shù)據(jù)采集處理部分，其特征是所述的機械阻抗產(chǎn)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(qū)動器，該直線電機包括動子和定子，用于產(chǎn)生作用于人體的擾動；旋轉(zhuǎn)平臺和與該旋轉(zhuǎn)平臺相連接的步進電機驅(qū)動器，該旋轉(zhuǎn)平臺固定連接在直線電機下方，用于調(diào)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、用于將施加到人體的擾動信號轉(zhuǎn)換為電壓信號；旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)把手，用于將直線電機與旋轉(zhuǎn)平臺所產(chǎn)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(qū)動器、步進電機驅(qū)動器相連，用于對直線電機和旋轉(zhuǎn)平臺發(fā)送控制信號，以控制旋轉(zhuǎn)把手的運動； 所述的數(shù)據(jù)采集處理部分包括光柵尺，安裝在直線電機的定子上，用于記錄受擾動后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(zhuǎn)換成方波信號；信號調(diào)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采樣的電壓信號；模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其輸入端與信號調(diào)理器和編碼器相連，將信號調(diào)理器和編碼器輸出的電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號；數(shù)據(jù)處理器，與模數(shù)轉(zhuǎn)換器相連，將模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號進行數(shù)據(jù)處理后得出人體機械阻抗參數(shù)值；顯示器，與數(shù)據(jù)處理器相連，用于顯示數(shù)據(jù)處理后的信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的人體機械阻抗測量裝置，其特征是所述的控制器、數(shù)據(jù)處理器、顯示器集成在一臺電腦上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所示的人體機械阻抗測量裝置，其特征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(jù)權(quán)利要求1或2所述的人體機械阻抗測量裝置，其特征是所述的數(shù)據(jù)處理器對采集的數(shù)據(jù)基于最小二乘法進行實時地擬合，并通過圖形化的表達方法顯示在顯示器上。
5.利用權(quán)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，其特征是包括如下步驟步驟1 創(chuàng)建一個虛擬運動環(huán)境，該虛擬運動環(huán)境通過顯示器顯示，該虛擬運動環(huán)境中包括虛擬物體，對該虛擬物體構(gòu)建一個到達任務；步驟2 測試者直接接觸旋轉(zhuǎn)把手，通過控制旋轉(zhuǎn)把手使虛擬物體運動，使其從初始位置到達目標區(qū)域，在此過程中，機械阻抗產(chǎn)生部分產(chǎn)生一擾動；步驟3 通過數(shù)據(jù)采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(jù)權(quán)利要求5所述的測量人體機械阻抗的方法，其特征是所述的虛擬運動環(huán)境中設(shè)置多功能按鈕，通過該多功能按鈕的選擇及其參數(shù)設(shè)置，能夠創(chuàng)建不同的虛擬運動環(huán)鏡。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的測量人體機械阻抗的方法，其特征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(jù)權(quán)利要求6所述的測量人體機械阻抗的方法，其特征是所述的虛擬物體的性能參數(shù)設(shè)置為多個值，通過選擇按鈕進行選擇。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的測量人體機械阻抗的方法，其特征是所述的虛擬運動環(huán)境中設(shè)置附加力場，通過選擇附加力場按扭進行選擇。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的測量人體機械阻抗的方法，其特征是所述的虛擬運動環(huán)境中設(shè)置計時功能。
全文摘要
本發(fā)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(chǎn)生機構(gòu)和數(shù)據(jù)采集處理部分，主要由直線電機、旋轉(zhuǎn)平臺、六軸六軸力傳感器、旋轉(zhuǎn)把手、光柵尺、編碼器、信號調(diào)理器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器，控制器、數(shù)據(jù)處理器以及顯示器組成，通過機械阻抗產(chǎn)生機構(gòu)對人體產(chǎn)生一擾動，然后利用數(shù)據(jù)采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(fā)明還提出一種測量方法，該方法通過構(gòu)建虛擬運動環(huán)境，對其中的虛擬物體構(gòu)建到達任務來模擬真實的運動環(huán)境，從而測試出人體處于該虛擬運動環(huán)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，可以用于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(yōu)先權(quán)日2011年6月2日
發(fā)明者左國坤, 徐佳琳, 王帥杰, 鄭華文, 陳建華, 陳盛票 申請人:中國科學院寧波材料技術(shù)與工程研究所