人体地面反力间接测试系统以及进行人体地面反力间接测试的方法
【专利摘要】人体地面反力间接测试系统以及进行人体地面反力间接测试的方法。本发明公开了一种人体地面反力间接测试系统，包括3D惯性运动捕捉传感器和3D运动捕捉系统，3D惯性运动捕捉传感器通过辅助穿戴设备固定于人体的头部m1、躯干m2、左前臂m3、右前臂m4、左后臂m5、右后臂m6、左大腿m7、右大腿m8、左小腿m9、右小腿m10、左足m11和右足m12上。本发明还提供了采用人体地面反力间接测试系统进行人体地面反力间接测试的方法。本发明具有测试简便、灵活且准确的特点。该测试方法在测试中测试者只要穿戴捕捉服即可，无需将步伐落在固定的区域内，因而对行走或跑步步态的影响小，能真实反映测试者行走或跑步的步态力学情况，在临床医疗、人机功效、土木工程等多个领域都具有广泛的工程应用前景。
【专利说明】
人体地面反力间接测试系统以及进行人体地面反力间接测试 的方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种人体地面反力间接测试系统。本发明还涉及一种采用上述人体地 面反力间接测试系统进行人体地面反力间接测试的方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，对于人体在行走或跑步过程中对地面作用步伐反力的研究在临床医疗、 人机功效、土木工程等多个领域得到了广泛的关注。地面反力是人体步态分析的重要组成 部分，在人体动力学的研究中具有很重要的地位。在医学临床中，地面反力分析是进行运动 功能诊断和康复评定的重要手段，对人体行走或跑步时足底与地面之间的反力检测和分 析，可以获得反映人体下肢的结构、功能乃至全身的协调性等方面的信息;在人机领域中， 对人体运动步伐反力作用机理的掌握是开发机器人行走模式的基础;在土木工程中，由于 步伐力是引起结构(如楼板、大跨人行桥、看台、楼梯等)过大振动的重要因素之一，因而对 于人体运动过程中步伐力的准确预测是保证结构安全使用及舒适性设计的重要手段。
[0003] 然而，目前用于人体地面反力的测试主要集中于以测力板为基础的直接测试方 法。该方法在测试过程中，需要在地面或跑步机等测试装置上事先嵌入测力板以采集地面 反力信息，使得该方法在使用时具有很大的空间局限性，并且要求人在测试时足部要准确 地作用于测力板中心，一定程度上约束了人体自由行走或跑步的步伐姿势，从而使得获得 的步伐力与实际情况存在着一定的差异。本专利提出一种基于3D运动捕捉系统的地面反力 间接测试方法，该方法通过将运动捕捉装置固定于人体的足、手、躯干等多个部位，基于人 体运动位移的捕捉及运动力学分析获得在任何环境下的地面反力，并且由于运动捕捉系统 不影响人的行走状态，进而能得到在自由运动状态下的真实地面反力，实现真实环境下地 面反力准确、快速、简便的测试。
【发明内容】
[0004] 鉴于【背景技术】存在的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种测试简便、灵 活且准确的人体地面反力间接测试系统。本发明还提供了采用上述人体地面反力间接测试 系统进行人体地面反力间接测试的方法。
[0005] 本发明是采取如下技术方案来完成的：人体地面反力间接测试系统，包括3D惯性 运动捕捉传感器和3D运动捕捉系统，3D惯性运动捕捉传感器通过辅助穿戴设备固定于人体 的头部M、躯干?、左前臂?Β、右前臂《4、左后臂?、右后臂《6、左大腿fflz、右大腿《8、左小腿购、 右小腿册Q、左足助1和右足助2上。
[0006] 本发明还提供了采用上述人体地面反力间接测试系统进行人体地面反力间接测 试的方法，包括以下步骤： a、准备工作:称量测试者的体重，记为m;将测量者分成12个部分，分别为:头部/a、躯干 Λδ、左前臂?Β、右前臂《4、左后臂?、右后臂《6、左大腿fflz、右大腿伽、左小腿购、右小腿《10、左足 和右足/M2;根据人体各部位占人体体重比例计算测量者各个部分的质量ffi，根据人体各 部位质心处于人体相应部位顶部以下的距离占该部位总长的比例确定每个部分的质心位 置； b、 测试及数据记录:将所述3D惯性运动捕捉传感器通过所述辅助穿戴设备牢固的固定 于测量者身体每个部分的质心位置处，保证测试者在运动过程中所述3D惯性运动捕捉传感 器与身体之间不发生相对位移；让测试者在所需环境下进行行走或跑步运动，同时开启3D 运动捕捉系统记录测试者运动过程中的每个部分的位移移动时程数据； c、 数据处理及分析:对于各个部分得到的位移移动数据采用低通滤波处理，适当滤去 运动中高频成分;根据位移与加速度的关系，将位移数据进行二次时间微分得到每个部位 的加速度时程响应a;根据公式卜算得到测试者在运动过程中的地面反 力。
[0007] 本发明与一般测力板测试法相比具有测试简便、灵活且更加准确的特点。其中，3D 运动捕捉系统采用惯性三维运动采集分析系统，该系统为无摄像头便携式全身三维人体运 动测量系统，可在任何场所、光线下使用，皮肤运动伪影小，并能在百米以上距离进行无线 PC连接、测量，测试中没有遮挡或视线的限制，且所采用的惯性传感器敏感度高、可捕捉细 微动作，传感器通过捕捉服固定带牢固地固定在测试者身上，穿戴方便，因而能实现现场及 复杂条件下的地面反力测试。另外，该测试方法在测试中测试者只要穿戴捕捉服即可，无需 将步伐落在固定的区域内，因而对行走或跑步步态的影响小，能真实反映测试者行走或跑 步的步态力学情况，在临床医疗、人机功效、土木工程等多个领域都具有广泛的工程应用前 景。 附图如下： 图1为本发明提供的人体头部质心示意图。 图2为本发明提供的人体躯干质心示意图。 图3为本发明提供的人体后臂质心示意图。 图4为本发明提供的人体前臂质心示意图。 图5为本发明提供的人体大腿质心示意图。 图6为本发明提供的人体小腿质心示意图。
【具体实施方式】
[0008] 下面进一步描述其实施例的各有关细节及其工作原理： 本发明提供的人体地面反力间接测试系统，包括3D惯性运动捕捉传感器和3D运动捕捉 系统，3D惯性运动捕捉传感器通过辅助穿戴设备固定于人体的头部M、躯干左前臂右 前臂舰、左后臂/ffi、右后臂?、左大腿ffl/、右大腿、左小腿、右小腿MQ、左足Ml和右足《12上。 所述辅助穿戴设备包括绑带，绑带配置粘贴带扣进行连接固定，所述3D惯性运动捕捉传感 器设置在绑带上。
[0009] 本发明还提供了采用所述人体地面反力间接测试系统进行人体地面反力间接测 试的方法，方法结合了人体环节测量学与人体环节运动学来间接获得地面步伐反力。包括 以下步骤： a、准备工作:称量测试者的体重，记为m;将测量者分成12个部分，分别为:头部/a、躯干 左前臂ΛΒ、右前臂《4、左后臂Λδ、右后臂伽、左大腿ffl/、右大腿施、左小腿烟、右小腿MO、左足 和右足/M2;根据人体各部位占人体体重比例计算测量者各个部分的质量ffi，根据人体各 部位质心处于人体相应部位顶部以下的距离占该部位总长的比例确定每个部分的质心位 置； b、 测试及数据记录:将所述3D惯性运动捕捉传感器通过所述辅助穿戴设备牢固的固定 于测量者身体每个部分的质心位置处，保证测试者在运动过程中所述3D惯性运动捕捉传感 器与身体之间不发生相对位移；让测试者在所需环境下进行行走或跑步运动，同时开启3D 运动捕捉系统记录测试者运动过程中的每个部分的位移移动时程数据； c、 数据处理及分析:对于各个部分得到的位移移动数据采用低通滤波处理，适当滤去 运动中高频成分;根据位移与加速度的关系，将位移数据进行二次时间微分得到每个部位 的加速度时程响应a1;根据公式
h算得到测试者在运动过程中的地 面反力。根据牛顿第二定律，基于各个部位的质心加速度及质量求得该地面反力公式：
上述：其中女性头部所占人体体重比例为6.68%、质心位置为头顶以下头部总长的 58.94%的距离，女性躯干所占人体体重比例为42.57%、质心位置为躯干顶部以下躯干总长 的41.51%的距离，女性后臂所占人体体重比例为2.55%、质心位置为后臂顶部以下后臂总长 的57.54%的距离，女性前臂所占人体体重比例为1.94%、质心位置为前臂顶部以下前臂总长 的45.59%的距离，女性大腿所占人体体重比例为14.78%、质心位置为大腿顶部以下大腿总 长的36.12%的距离，女性小腿所占人体体重比例为4.81%、质心位置为小腿顶部以下小腿总 长的44.16%的距离，女性足所占人体体重比例为1.29%、质心位置为足顶部以下足总长的 40.14%的距离;其中男性头部所占人体体重比例为6.94%、质心位置为头顶以下头部总长的 59.76%的距离，男性躯干所占人体体重比例为43.46%、质心位置为躯干顶部以下躯干总长 的44.86%的距离，男性后臂所占人体体重比例为2.71%、质心位置为后臂顶部以下后臂总长 的57.72%的距离，男性前臂所占人体体重比例为2.23%、质心位置为前臂顶部以下前臂总长 的45.74%的距离，男性大腿所占人体体重比例为14.16%、质心位置为大腿顶部以下大腿总 长的40.95%的距离，男性小腿所占人体体重比例为4.33%、质心位置为小腿顶部以下小腿总 长的44.59%的距离，男性足所占人体体重比例为1.37%、质心位置为足顶部以下足总长的 44.15%的距离。 下面以表1形式更加形象的对人体各部位重量和质心所在位置进行表达：
【主权项】
1. 一种人体地面反力间接测试系统，其特征是：包括3D惯性运动捕捉传感器和3D运动 捕捉系统，3D惯性运动捕捉传感器通过辅助穿戴设备固定于人体的头部Μ、躯干?、左前臂 做、右前臂皿、左后臂化、右后臂施、左大腿?7、右大腿施、左小腿施、右小腿Μ0、左足Ml和右足 M2上。2. 根据权利要求1所述的基于3D运动捕捉系统的人体地面反力间接测试系统，其特征 是:所述辅助穿戴设备包括绑带，绑带配置粘贴带扣进行连接固定，所述3D惯性运动捕捉传 感器设置在绑带上。3. -种采用权利要求1所述人体地面反力间接测试系统进行人体地面反力间接测试的 方法，其特征是:包括W下步骤： 曰、准备工作:称量测试者的体重，记为m;将测量者分成12个部分，分别为:头部M、躯干 您、左前臂做、右前臂皿、左后臂化、右后臂施、左大腿ffl/、右大腿施、左小腿施、右小腿M0、左足 Ml和右足M2;根据人体各部位占人体体重比例计算测量者各个部分的质量扭1，根据人体各 部位质屯、处于人体相应部位顶部W下的距离占该部位总长的比例确定每个部分的质屯、位 置； b、测试及数据记录:将所述3D惯性运动捕捉传感器通过所述辅助穿戴设备牢固的固定 于测量者身体每个部分的质屯、位置处，保证测试者在运动过程中所述3D惯性运动捕捉传感 器与身体之间不发生相对位移；让测试者在所需环境下进行行走或跑步运动，同时开启3D 运动捕捉系统记录测试者运动过程中的每个部分的位移移动时程数据； C、数据处理及分析:对于各个部分得到的位移移动数据采用低通滤波处理，适当滤去 运动中高频成分;根据位移与加速度的关系，将位移数据进行二次时间微分得到每个部位 的加速度时程响应31;根据公??十算得到测试者在运动过程中的地 面反力。4. 根据权利要求3所述的采用人体地面反力间接测试系统进行人体地面反力间接测试 的方法，其特征是:其中女性头部所占人体体重比例为6.68%、质屯、位置为头顶W下头部总 长的58.94%的距离，女性躯干所占人体体重比例为42.57%、质屯、位置为躯干顶部W下躯干 总长的41.51%的距离，女性后臂所占人体体重比例为2.55%、质屯、位置为后臂顶部W下后臂 总长的57.54%的距离，女性前臂所占人体体重比例为1.94%、质屯、位置为前臂顶部W下前臂 总长的45.59%的距离，女性大腿所占人体体重比例为14.78%、质屯、位置为大腿顶部W下大 腿总长的36.12%的距离，女性小腿所占人体体重比例为4.81%、质屯、位置为小腿顶部W下小 腿总长的44.16%的距离，女性足所占人体体重比例为1.29%、质屯、位置为足顶部W下足总长 的40.14%的距离;其中男性头部所占人体体重比例为6.94%、质屯、位置为头顶W下头部总长 的59.76%的距离，男性躯干所占人体体重比例为43.46%、质屯、位置为躯干顶部W下躯干总 长的44.86%的距离，男性后臂所占人体体重比例为2.71%、质屯、位置为后臂顶部W下后臂总 长的57.72%的距离，男性前臂所占人体体重比例为2.23%、质屯、位置为前臂顶部W下前臂总 长的45.74%的距离，男性大腿所占人体体重比例为14.16%、质屯、位置为大腿顶部W下大腿 总长的40.95%的距离，男性小腿所占人体体重比例为4.33%、质屯、位置为小腿顶部W下小腿 总长的44.59%的距离，男性足所占人体体重比例为1.37%、质屯、位置为足顶部W下足总长的 44.15%的距离。
【文档编号】A61B5/11GK105938032SQ201610156020
【公开日】2016年9月14日
【申请日】2016年3月18日
【发明人】吴冬雁, 赵俊亮, 孙林柱, 李桅
【申请人】温州大学