关节空间中人体运动捕捉装置制造方法
【专利摘要】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。
【专利说明】关节空间中人体运动捕捉装置
【技术领域】
[0001]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。
【背景技术】
[0002]自二十世纪九十年代以来，国内外的一些研究机构相继开展机械式系统运动捕捉系统的设计，如康复训练的外骨骼系统。如日本产业技术综合研究所研制的HRP4C机器人，这款机器人相比以往的机器人，加入了腰关节自由度。因此在运动捕捉装置的设计中，加入腰自由度关节显的尤为必要。
[0003]运动捕捉工作也可以通过运动图像采集、标志点提取与运动分析相结合的技术方法来实现，由摄像机采集人体自立行走过程中的腰关节、髋关节、膝关节和踝关节的运动图像，通过对标定点的提取，以及基于不同肢体段连体坐标系之间的相对姿态关系分析得到各关节的运动信息；由于受到图像畸变、摄像头精度、参数提取以及周边环境的影响，获得的关节运动检测信息与人体正常的运动存在一定的偏差。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供了一种关节空间中人体运动捕捉装置，该装置在腰关节、髋关节、膝关节和踝关节分别安装角度编码器，并在脚底安装压力传感器，使用FPGA模块进行数据的并行传输，从而获得更加符合人体运动规律的运动规律。
[0005]为实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种关节空间中人体运动捕捉装置，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。
[0006]如图1-15所示，具体而言，所述背部子系统包括肩部横杆1、肩部轴关节A2.1、肩部曲杆3、肩部轴关节B2.2、背部连杆`4、背部调节杆5、腰部俯仰转动轴关节A6.1、连接杆
7、腰部横滚转动轴关节B6.2、腰部偏航转动轴关节C6.3、腰部轴关节8、腰部固定板A9.1、腰带10、腰带固定板B9.2、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A2.1与肩部横杆I连接,肩部曲杆3曲杆端通过肩部轴关节B2.2与背部连杆4连接；肩部轴关节A2.1与肩部轴关节B2.2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A6.1与腰部横滚转动轴关节B6.2连接，下部连接板直接一端与腰部横滚转动轴关节B6.2连接，另一端与腰部偏航转动轴关节C6.3连接；其中所述腰部俯仰转动轴关节A6.1、腰部横滚转动轴关节B6.2和腰部偏航转动轴关节C6.3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A6.1连接；腰部偏航转动轴关节C6.3与腰部轴关节8连接；腰部轴关节8与腰部固定板A9.1固定连接；腰部固定板A9.1与腰部固定板B9.2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I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B9.2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。
[0007] 所述左下肢子系统包括左腰侧连接杆12、左髋侧连接杆A13.1、左髋俯仰转动轴关节A14.1、左髋侧连接杆B13.2、左髋侧连接横杆15、左髋横滚转动轴关节B14.2、左大腿调节连杆16、左大腿连杆A17.1、左髋偏航转动轴关节C14.3、左髋调节机构18、左大腿连杆B17.2、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A22.1、左踝横滚转动轴关节B22.2、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A13.1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A13.1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A13.1与左髋侧连接杆B13.2通过左髋俯仰转动轴关节A14.1连接；左髋俯仰转动轴关节14.1安装有角度编码器，通过左髋俯仰转动轴关节A14.1的转动，可测得左髋关节俯仰角的变化值；左髋侧连接杆B13.2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B13.2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B14.2连接；左髋横滚转动轴关节B14.2安装有角度编码器，由于左髋横滚转动轴关节B14.2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A17.1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A17.1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A17.1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C14.3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C14.3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C14.3上装有角度编码器，根据平面四连杆机构原理，当左髋偏航转动轴关节C14.3的转动时，可测得左髋关节偏航角的变化值；左大腿连杆A17.1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B17.2固定连接；左膝俯仰转动轴关节19通过左大腿连杆B17.2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A22.1连接；所述左踝俯仰转动轴关节A22.1上安装有角度编码器，当左踝俯仰转动轴关节A22.1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A22.1、左踝调节杆23通过左踝横滚转动轴关节B22.2连接；所述左踝横滚转动轴关节B22.2上安装有角度编码器，当左踝横滚转动轴关节B22.2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B22.2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。
[0008]所述右下肢子系统包括右腰侧连接杆29、右髋侧连接杆A30.1、右髋俯仰转动轴关节A31.1、右髋侧连接杆B30.2、右髋侧连接横杆32、右髋横滚转动轴关节B31.2、右大腿调节连杆33、右大腿连杆A34.1、右髋偏航转动轴关节C31.3、右髋调节机构35、右大腿连杆B34.2、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A39.1、右踝横滚转动轴关节B39.2、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A30.1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A30.1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A30.1与右髋侧连接杆B30.2通过右髋俯仰转动轴关节A31.1连接；右髋俯仰转动轴关节31.1安装有角度编码器，通过右髋俯仰转动轴关节A31.1的转动，可测得右髋关节俯仰角的变化值；右髋侧连接杆B30.2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B30.2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B31.2连接；右髋横滚转动轴关节B31.2安装有角度编码器，由于右髋横滚转动轴关节B31.2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A34.1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A34.1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A34.1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C31.3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C31.3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C31.3上装有角度编码器，根据平面四连杆机构原理，当右髋偏航转动轴关节C31.3的转动时，可测得右髋关节偏航角的变化值。右大腿连杆A34.1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B34.2固定连接；右膝俯仰转动轴关节36通过右大腿连杆B34.2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A39.1连接；所述右踝俯仰转动轴关节A39.1上安装有角度编码器，当右踝俯仰转动轴关节A39.1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A39.1、右踝调节杆40通过右踝横滚转动轴关节B39.2连接；所述右踝横滚转动轴关节B39.2上安装有角度编码器，当右踝横滚转动轴关节B39.2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B39.2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。
[0009]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、键48、轴47，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 —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。 [0010]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A55、压力传感器B56、右脚后端压力传感器60、右脚前端压力传感器A58、压力传感器B59,布置于左脚与右脚上。
[0011 ] 角度编码器的数据和压力传感器的数据并行输入FPGA模块中，FPGA模块通过USB总线将数据传送至PC机进行存储。
[0012]与现有技术相比，本发明具有如下有益效果。
[0013]1、本装置通过在背部子系统安装的三个角度编码器，实现了人体关节空间的腰部角度变化测量。
[0014]2、通过在脚前后端安装压力传感器，用以测量脚面压力，通过所受压力数据进行ZMP点的求值。
[0015]3、通过本发明的机械式运动捕捉装置设计，可测量出人体腰关节、髋关节、膝关节和踝关节运动时的姿态，可以获得更加符合人体运动的信息。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1为系统总框图。
[0017]图2为背部子系统。
[0018]图3为腰关节示意图。
[0019]图4为腰带结构示意图。
[0020]图5为左下肢子系统的结构示意图。
[0021]图6为左髋上部分示意图。
[0022]图7为左髋调节机构的结构示意图。
[0023]图8为右下肢子系统的结构示意图。
[0024]图9为右髋上部分示意图。
[0025]图10为右髋调节结构的结构示意图。
[0026]图11为轴关节示意图。
[0027]图12为转动轴关节结构示意图。
[0028]图13为左脚底压力传感器分布示意图。
[0029]图14为右脚底压力传感器分布示意图。
[0030]图15为电气系统示意图。[0031]图中:1、肩部横杆,2.1、肩部轴关节,3、肩部曲杆,2.2、肩部关节,4、背部连杆,5、背部调节杆、6.1、腰部俯仰转动轴关节A，7、连接杆，6.2、腰部横滚转动轴关节B，6.3、腰部偏航转动轴关节C，8、腰部轴关节、9.1、腰部固定板A，10、腰带，9.2、腰带固定板B，11、腰部固定块，12、左腰侧连接杆，13.1、左髋侧连接杆A，14.1、左髋俯仰转动轴关节A，13.2、左髋侧连接杆B，15、左髋侧连接横杆，14.2、左髋横滚转动轴关节B，16、左大腿调节连杆，17.1、左大腿连杆A，14.3、左髋偏航转动轴关节C，18、左髋调节机构，17.2、左大腿连杆B，19、左膝俯仰转动轴关节，20、左小腿连杆，21、左小腿调节连杆，22.1、左踝俯仰转动轴关节A，22.2、左踝横滚转动轴关节B，23、左踝调节杆，24、左脚底固定杆，25、髋部轴关节，26、髋部连接杆，27、髋部调节杆，28、髋部固定块，29、右腰侧连接杆，30.1、右髋侧连接杆A，31.1、右髋俯仰转动轴关节A，30.2、右髋侧连接杆B，32、右髋侧连接横杆，31.2、右髋横滚转动轴关节B，33、右大腿调节连杆，34.1、右大腿连杆A，31.3、右髋偏航转动轴关节C，35、右髋调节机构，34.2、右大腿连杆B，36、右膝俯仰转动轴关节，37、右小腿连杆，38、右小腿调节连杆，39.1、右踝俯仰转动轴关节A，39.2、右踝横滚转动轴关节B，40、右踝调节杆，41、右脚底固定杆，42、髋部轴关节，43、髋部连接杆，44、髋部调节杆，45、髋部固定块，46、滚动轴承，47、轴，48、键，49、绝对式编码器，50、通端盖，51、轴组件，52、轴关节，53、盲端盖，54、连接叉，
55、左脚前端压力传感器A，56、左脚前端压力传感器B，57、左脚底后端压力传感器，58、右脚前端压力传感器A，59、右脚前端压力传感器B，60、右脚后端压力传感器。
【具体实施方式】
[0032]以下结合附图对本发明作进一步分析。
[0033]当实验者做直立行走时，空间关节中人体运动捕捉装置做随动运动；由于装置的肩部横杆I与实验者肩部绑定，腰带10与实验者腰部绑定，左脚底固定杆24与实验者左脚绑定，右脚底固定杆41与实验者右脚绑定，所以当实验者做直立行走时，实验者的腰部带动装置腰部俯仰转动轴关节A6.1发生转动、腰部横滚转动轴关节B6.2发生转动、腰部偏航转动轴关节C6.3发生转动，所述腰各部转动轴关节安装有角度编码器，可以实现测量腰关节俯仰、横滚、偏航三个方向的角度数据；`实验者的左髋关节带动装置的左髋俯仰转动轴关节A14.1发生转动、左髋横滚转动轴关节B14.2发生转动、左髋偏航转动轴关节C14.3发生转动，所述左髋各转动轴关节安装有角度编码器，可以实现测量左髋关节俯仰、横滚、偏航三个方向的角度数据；实验者的右髋关节带动装置的右髋俯仰转动轴关节A31.1发生转动、右髋横滚转动轴关节B31.2发生转动、右髋偏航转动轴关节C31.3发生转动，所述右髋各转动轴关节安装有角度编码器，可以实现测量右髋关节俯仰、横滚、偏航三个方向的角度数据；实验者的左膝关节带动装置的左膝俯仰转动轴关节19发生转动，所述左膝俯仰转动轴关节安装有角度编码器，可以实现测量左膝关节俯仰方向的角度数据；实验者的右膝关节带动装置的右膝俯仰转动轴关节36发生转动，所述右膝俯仰转动轴关节安装有角度编码器，可以实现测量右膝关节俯仰方向的角度数据；实验者的左踝关节带动装置的左踝俯仰转动轴关节A22.1发生转动、左踝横滚转动轴关节B22.2发生转动，所述左踝各转动轴关节安装有角度编码器，可以实现测量左髋关节俯仰、横滚2个方向的角度数据；实验者的右踝关节带动装置的右踝俯仰转动轴关节A39.1发生转动、右踝横滚转动轴关节B39.2发生转动，所述右踝各转动轴关节安装有角度编码器，可以实现测量右髋关节俯仰、横滚两个方向的角度数据；所述的角度编码器总共有十五个，可以得到十五通道的角度数据；实验者的脚底直接与压力传感器直接接触，通过压力传感器测得的数据实现ZMP点的求值，所述的压力传感器数据为左脚后端压力传感器57的数据、左脚前端压力传感器A55的数据和压力传感器B56的数据、右脚后端压力传感器60的数据，右脚前端压力传感器A58的数据和压力传感器B59的数据；所述压力传感器总共有六个，可以得到六通道的压力数据；将十五通道的角度数据和六通道的压力数据并行传入FPGA模块中，FPGA模块通过USB总线最后将数据传输至PC机中进行存储，完成人体运动数据的捕捉。
【权利要求】
1.一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(I)、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(I)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(I)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)—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。
2.根据权利要求1所述的一种关节空间中人体运动捕捉装置，其特征在于:当实验者做直立行走时，空间关节中人体运动捕捉装置做随动运动；由于装置的肩部横杆(I)与实验者肩部绑定，腰带(10)与实验者腰部绑定，左脚底固定杆(24)与实验者左脚绑定，右脚底固定杆(41)与实验者右脚绑定，所以当实验者做直立行走时，实验者的腰部带动装置腰部俯仰转动轴关节A (6.1)发生转动、腰部横滚转动轴关节B (6.2)发生转动、腰部偏航转动轴关节C (6.3)发生转动，所述腰各部转动轴关节安装有角度编码器，可以实现测量腰关节俯仰、横滚、偏航三个方向的角度数据；实验者的左髋关节带动装置的左髋俯仰转动轴关节A (14.1)发生转动、左髋横滚转动轴关节B (14.2)发生转动、左髋偏航转动轴关节C (14.3)发生转动，所述左髋各转动轴关节安装有角度编码器，可以实现测量左髋关节俯仰、横滚、偏航三个方向的角度数据；实验者的右髋关节带动装置的右髋俯仰转动轴关节A(31.1)发生转动、右髋横滚转动轴关节B (31.2)发生转动、右髋偏航转动轴关节C (31.3)发生转动，所述右髋各转动轴关节安装有角度编码器，可以实现测量右髋关节俯仰、横滚、偏航三个方向的角度数据；实验者的左膝关节带动装置的左膝俯仰转动轴关节(19)发生转动，所述左膝俯仰转动轴关节安装有角度编码器，可以实现测量左膝关节俯仰方向的角度数据；实验者的右膝关节带动装置的右膝俯仰转动轴关节(36)发生转动，所述右膝俯仰转动轴关节安装有角度编码器，可以实现测量右膝关节俯仰方向的角度数据；实验者的左踝关节带动装置的左踝俯仰转动轴关节A (22.1)发生转动、左踝横滚转动轴关节B (22.2)发生转动，所述左踝各转动轴关节安装有角度编码器，可以实现测量左髋关节俯仰、横滚2个方向的角度数据；实验者的右踝关节带动装置的右踝俯仰转动轴关节A (39.1)发生转动、右踝横滚转动轴关节B (39.2)发生转动，所述右踝各转动轴关节安装有角度编码器，可以实现测量右髋关节俯仰、横滚两个方向的角度数据；所述的角度编码器总共有十五个，可以得到十五通道的角度数据；实验者的脚底直接与压力传感器直接接触，通过压力传感器测得的数据实现ZMP点的求值，所述的压力传感器数据为左脚后端压力传感器(57)的数据、左脚前端压力传感器A (55)的数据和压力传感器B (56)的数据、右脚后端压力传感器(60)的数据，右脚前端压力传感器A (58)的数据和压力传感器B (59)的数据。
3.根据权利要求1所述的一种关节空间中人体运动捕捉装置，其特征在于:所述压力传感器总共有六个，可以得到六通道的压力数据；将十五通道的角度数据和六通道的压力数据并行传入FPGA模块中，FPGA模块通过USB总线最后将数据传输至PC机中进行存储，完成人体运动数据的捕捉 。
【文档编号】A61B5/11GK103750843SQ201410012189
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2014年1月10日 优先权日:2014年1月10日
【发明者】龚道雄, 谢训鹏, 高居炎, 王宝平, 孙晓英, 陈焕朝 申请人:北京工业大学