一种测量手扶式起立时人体重心位置的装置及测量方法与流程

本发明涉及康复机器人领域，尤其涉及一种测量手扶式起立时人体重心位置的装置及测量方法。

背景技术：

随着人口老龄化的加剧，对于辅助养老机器人的需求越来越强烈。辅助起立、坐下或者行走的机器人，可以帮助老年人日常的起居，大大降低对于老年人护理人力的需求，目前已经有很广泛的市场需求。由于这类辅助养老的机器人所服务的是一些身体虚弱的老年人，它对于安全性能有着最高级别的要求，不仅需要能保证在辅助老人的工作过程中不会误伤到老人，还要确保老人在起立过程中不摔倒。

人体重心位置是表征人体平衡状况的重要参数，通过实时观察人体起立时的重心位置，可以观察人体的平衡情况，确保在起立的过程中不摔倒。此外，人体平衡功能检测可作为眩晕、前庭病变、脑部病变的辅助诊断和康复疗效评定的定量指标，对疾病的进展及疗效有监测作用。

现有的辅助老年人起立的设备虽然有安全保护措施，但缺少针对不同个体的差异性的措施，也缺少对老年人自身行动能力的观测；现有的测量人体重心的方法，有些受到测试平台的限制，不适用于辅助老年人起立的设备，有些使用的传感器过多，结构复杂，成本过高。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种能够实时测量出人体重心位置的测量手扶式起立时人体重心位置的装置及测量方法。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：一种测量手扶式起立时人体重心位置的装置，包括手扶式辅助起立装置，所述手扶式辅助起立装置上安装有第一传感器(1)、第二传感器(2)和第三传感器(3)；所述第一传感器(1)采用角度传感器，安装在所述手扶式辅助起立装置的扶手(4)上，用于测量小臂与扶手的夹角；所述第二传感器(2)和第三传感器(3)采用位置传感器，分别用于测量肩关节和髋关节连线上选取的一个固定点的位置以及踝关节位置；所述第一传感器(1)、第二传感器(2)和第三传感器(3)均连接到数据处理设备上。

作为优化的技术方案，所述手扶式辅助起立装置还包括靠背(5)和底座(6)，所述靠背(5)固定在所述底座(6)的上方，所述扶手(4)固定在所述靠背(5)的中部，所述第二传感器(2)安装在所述扶手(4)与所述靠背(5)的连接处，所述第三传感器(3)安装在所述底座(6)上。第二传感器和第三传感器的安装位置需确保这两个传感器在人体起立的过程中始终能够测量到肩关节和髋关节连线上选取的固定点的位置以及踝关节的位置，在确保能够测量到所需数据的前提下，在不同的应用场合中传感器的位置可以不同。

作为优化的技术方案，所述第二传感器(2)和第三传感器(3)均采用超声波位置传感器。

作为优化的技术方案，所述数据处理设备采用单片机。

作为优化的技术方案，使用该装置测量人体重心的步骤为：人体起立时，手扶在扶手上，腕关节的位置已知；首先根据腕关节的位置、小臂的长度和通过第一传感器(1)测得的小臂与扶手的夹角确定肘关节的位置；然后根据肘关节的位置、大臂的长度和通过第二传感器(2)测得的固定点的位置到肩关节的距离确定肩关节的位置；再根据肩关节的位置、所述固定点的位置和所述固定点到髋关节的距离确定髋关节的位置；最后根据髋关节的位置、大腿的长度、小腿的长度和通过第三传感器(3)测得的踝关节的位置确定膝关节的位置；

通过确定腕关节、肘关节、肩关节、髋关节、膝关节和踝关节这六个关节的位置，计算出脚、小腿、大腿、躯干、大臂、小臂这六个部分各自的重心位置(yi，zi)，六个部分各自的质量为mi，则人体重心位置(ycog，zcog)＝(σmiyi，σmizi)。

一种采用上述装置测量人体重心位置的方法，其特征在于，包括以下步骤：人体起立时，手扶在扶手上，腕关节的位置已知；首先根据腕关节的位置、小臂的长度和通过第一传感器(1)测得的小臂与扶手的夹角确定肘关节的位置；然后根据肘关节的位置、大臂的长度和通过第二传感器(2)测得的固定点的位置到肩关节的距离确定肩关节的位置；再根据肩关节的位置、所述固定点的位置和所述固定点到髋关节的距离确定髋关节的位置；最后根据髋关节的位置、大腿的长度、小腿的长度和通过第三传感器(3)测得的踝关节的位置确定膝关节的位置；

通过确定腕关节、肘关节、肩关节、髋关节、膝关节和踝关节这六个关节的位置，计算出脚、小腿、大腿、躯干、大臂、小臂这六个部分各自的重心位置(yi，zi)，六个部分各自的质量为mi，则人体重心位置(ycog，zcog)＝(σmiyi，σmizi)。

本发明的优点在于：本发明在使用少量常用传感器的情况下，通过采集传感器的数据和测量人体各部分的长度，经数据处理设备处理数据后可以实时得到人体重心位置；结构移植和拓展性强，适用于康复机器人、外骨骼机器人、类人机器人领域等机械肢体调节领域。

附图说明

图1是本发明测量手扶式起立时人体重心位置的装置的结构示意图。

图2是将人体简化为平面的六个部分的模型图。

图3是本发明测量人体重心位置的方法中确定肩关节位置步骤的示意图。

图4是本发明测量人体重心位置的方法中确定髋关节和膝关节位置步骤的示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种测量手扶式起立时人体重心位置的装置，包括手扶式辅助起立机器人和第一传感器1、第二传感器2、第三传感器3。

手扶式辅助起立机器人包括扶手4、靠背5和底座6，靠背5固定在底座6的上方，扶手4固定在靠背5的中部。

第一传感器1采用角度传感器，安装在扶手4上，用于测量人体起立过程中小臂与扶手的夹角。

第二传感器2采用超声波位置传感器，安装在扶手4与靠背5的连接处，用于测量人体肩关节和髋关节连线上选取的一个固定点的位置。

第三传感器3采用超声波位置传感器，安装在底座6上，用于测量人体踝关节的位置。

第一传感器1、第二传感器2和第三传感器3均连接到单片机上，通过单片机进行数据处理。

如图2所示，按照人体的链式模型可以将人体简化为平面的六个部分，

link1表示脚，link2表示小腿，link3表示大腿，link4表示躯干(包括头部)，link5表示大臂，link6表示小臂，对于每一个实际个体，每个部分的长度固定并且可以通过测量得出。

人体六个部分常规需要六个传感器来测量各部分位置，但是通过合理安装传感器的位置，可以使用较少的传感器来测量计算出各部分位置。

如图3-4所示，一种采用上述装置测量人体重心位置的方法，包括以下步骤：人体起立时，手扶在扶手上，腕关节的位置已知，即位置a。

首先根据腕关节的位置、小臂的长度和通过第一传感器(1)测得的小臂与扶手的夹角确定肘关节的位置，即位置b。

然后根据肘关节的位置、大臂的长度和通过第二传感器(2)测得的固定点的位置到肩关节的距离确定肩关节的位置。

所述固定点的位置为位置c，以位置b为圆心、大臂长度为半径的圆与以位置c为圆心、位置c到肩关节的距离为半径的圆相交于位置d或位置e，再根据人体起立过程中，大臂小臂的弯曲角度，设定一个大臂小臂的夹角范围，即可确定肩关节的位置位于位置d。

再根据肩关节的位置、所述固定点的位置和所述固定点到髋关节的距离确定髋关节的位置。

髋关节的位置位于肩关节与所述固定点的延长线上，因此连接位置d和位置c，在位置c处的延长线上取所述固定点到髋关节的距离，即可确定髋关节的位置位于位置f。

最后根据髋关节的位置、大腿的长度、小腿的长度和通过第三传感器(3)测得的踝关节的位置确定膝关节的位置。

踝关节的位置为位置g，以位置f为圆心、大腿长度为半径的圆与以位置g为圆心、小腿长度为半径的圆相交于位置h或位置i，再根据人体起立过程中，大腿小腿的弯曲角度，设定一个大腿小腿的夹角范围，即可确定膝关节的位置位于位置h。

综上所述，通过采集三个传感器的数据和测量人体各部分的长度，可以唯一的确定出各关节的位置。

人体六个部分的重心位置各个个体会有所差异，但是重心位置与关节的相对位置是固定的，因此确定了各关节的位置就可以确定各部分的重心位置。

通过确定腕关节、肘关节、肩关节、髋关节、膝关节和踝关节这六个关节的位置，计算出脚、小腿、大腿、躯干、大臂、小臂这六个部分各自的重心位置(yi，zi)，测出六个部分各自的质量mi，则人体重心位置(ycog，zcog)＝(σmiyi，σmizi)。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。