一种人体运动角度测量方法

1.本发明涉及人体运动学技术领域，具体而言，涉及一种人体运动角度测量方法。


背景技术：

2.人体的动作描述、检测、识别方法以及相应装置在康复、健身、医学、娱乐等领域有重要的作用。
3.人体的上肢(肩部复合体、肱骨、前臂以及手)是人体重要组成部分，人体的灵活性极大的体现在上肢的灵活性上，所以上肢运动角度是近些年来广大学者所关注的研究内容，而人体上肢的复杂性为上肢运动角度的测量带来了极大的挑战。目前上肢运动角度的测量方法从大类上主要分为三种：机械装置测量、软传感器(例如介电弹性体传感器)测量、可穿戴装置测量、电磁式测量、信号和机器视觉的估算。
4.然而，通过机械式方法测量最大的弊端就是数据是由人来读取，存在客观误差，并且一些复杂的测量设备不易搬运和操作，极大的限制了测量装置的使用，通常机械式测量设备的成本较高。对于基于信号和机器视觉的估算方法，运动角度是“估算”得来，准确性方面存在较大误差，同时需要在研发前进行大量的实验来建立数据库，可见测量过程很繁琐。对于采用软传感器测量，将软传感器粘贴到人体关节位置操作很繁琐，软传感器的成本较高，经过长时间测量后，软传感器的位置容易发生偏移，影响稳定性和准确度。


技术实现要素：

5.本发明就是为了解决现有人体上肢运动角度测量方法成本高、测量操作不方便，测量过程繁琐，准确度低，稳定性差的技术问题，提供了一种成本低、操作方便，测量过程简易，稳定性好，准确度高的人体运动角度测量方法。
6.本发明提供一种人体运动角度测量方法，包括以下步骤：
7.第一步，胸锁关节作为点3，肩锁关节作为点4；
8.第二步，获取点3、点4的空间坐标值，点3的空间坐标值是p3(x3,y3,z3)，点4的空间坐标值是p4(x4,y4,z4)；
9.第三步，点3和点4之间形成线段l
3,4
，由空间点坐标值p3和p4计算得出线段l
3,4
的线段长度l
3,4
，定义虚拟点1，虚拟点1和点3形成线段l
1,3
，线段l
1,3
的长度是l
1,3
，并且l
1,3
＝l
3,4
，并且l
1,3
⊥
l
3,4
，并且线段l
1,3
在y-z平面内，由此计算得到虚拟点1的空间坐标值；
10.第四步，通过点1、点3、点4构成一个空间三角形
△
1,3,4
，计算线段l
1,3
与线段l
3,4
之间的夹角∠1,3,4就得出锁骨绕x轴旋转的转角θ1。
11.本发明还提供人体运动角度测量方法，包括以下步骤：
12.第一步，胸锁关节作为点3，肩锁关节作为点4；
13.第二步，获取点3、点4的空间坐标值，点3的空间坐标值是p3(x3,y3,z3)，点4的空间坐标值是p4(x4,y4,z4)；
14.第三步，点3和点4之间形成线段l
3,4
，由空间点坐标值p3和p4计算得出线段l
3,4
的线
段长度l
3,4
，定义虚拟点2，虚拟点2和点3形成线段l
2,3
，线段l
2,3
的长度是l
2,3
，并且l
2,3
＝l
3,4
，并且l
2,3
⊥
l
3,4
，并且线段l
2,3
在x-y平面内，由此计算得出虚拟点2的空间坐标值；
15.第四步，通过点2、点3、点4构成一个空间三角形
△
2,3,4
，计算线段l
2,3
与线段l
3,4
之间的夹角∠2,3,4就得出锁骨绕z轴旋转的转角θ2。
16.本发明还提供一种人体运动角度测量方法，包括以下步骤：
17.第一步，盂肱关节作为点8，肘关节作为点9；
18.第二步，获取点8、点9的空间坐标值，点8的空间坐标值是p8(x8,y8,z8)，点9的空间坐标值是p9(x9,y9,z9)；
19.第三步，点8和点9之间形成线段l
8,9
，由空间点坐标值p8和p9计算得出线段l
8,9
的线段长度l
8,9
，定义虚拟点5，虚拟点5和点8形成线段l
5,8
，线段l
5,8
的长度为l
5,8
，并且l
5,8
＝l
8,9
，并且线段l
5,8
始终与x-y平面平行，并且线段l
5,8
始终与x-z平面平行，由此计算得到虚拟点5的空间坐标值；
20.第四步，通过点5、点8、点9构成一个空间三角形
△
5,8,9
，计算空间三角形
△
5,8,9
所在平面与x-z平面的夹角就得出肱骨绕x轴的转角θ3。
21.本发明还提供一种人体运动角度测量方法，包括以下步骤：
22.第一步，盂肱关节作为点8，肘关节作为点9；
23.第二步，获取点8、点9的空间坐标值，点8的空间坐标值是p8(x8,y8,z8)，点9的空间坐标值是p9(x9,y9,z9)；
24.第三步，点8和点9之间形成线段l
8,9
，由空间点坐标值p8和p9计算得出线段l
8,9
的线段长度l
8,9
，定义虚拟点6，虚拟点6和点8形成线段l
6,8
，线段l
6,8
的长度为l
6,8
，并且l
6,8
＝l
8,9
，并且线段l
6,8
始终与x-y平面平行，并且线段l
6,8
始终与y-z平面平行，由此计算得到虚拟点6的空间坐标值；
25.第四步，通过点6、点8、点9构成一个空间三角形
△
6,8
,9，计算空间三角形
△
6,8,9
所在平面与x-y平面的夹角就得出肱骨绕y轴的转角θ4。
26.本发明还提供一种人体运动角度测量方法，包括以下步骤：
27.第一步，盂肱关节作为点8，肘关节作为点9；
28.第二步，获取点8、点9的空间坐标值，点8的空间坐标值是p8(x8,y8,z8)，点9的空间坐标值是p9(x9,y9,z9)；
29.第三步，点8和点9之间形成线段l
8,9
，由空间点坐标值p8和p9计算得出线段l
8,9
的线段长度l
8,9
，定义虚拟点7，虚拟点7与点8形成线段l
7,8
，线段l
7,8
的长度为l
7,8
，并且l
7,8
＝l
8,9
，并且线段l
7,8
始终与x-z平面平行，并且线段l
7,8
始终与y-z平面平行，由此计算得到虚拟点7的空间坐标值；
30.第四步，通过点7、点8、点9构成一个空间三角形
△
7,8,9
，计算空间三角形
△
7,8,9
所在平面与y-z平面的夹角就得出肱骨绕z轴的转角θ5。
31.本发明还提供一种人体运动角度测量方法，包括以下步骤：
32.第一步，盂肱关节作为点8，肘关节作为点9，腕关节作为点10；
33.第二步，获取点8、点9、点10的空间坐标值，点8的空间坐标值是p8(x8,y8,z8)，点9的空间坐标值是p9(x9,y9,z9)，点10的空间坐标值是p
10
(x
10
,y
10
,z
10
)；
34.第三步，通过点8、点9、点10构成一个空间三角形
△
8,9,10
，计算线段l
8,9
与线段l
9,10
之间的夹角∠8,9,10就得出肘关节的转角θ6。
35.本发明还提供一种人体运动角度测量方法，包括以下步骤：
36.第一步，腕关节作为点10，手掌的第三根掌骨关节作为点12；
37.第二步，获取点10、点12的空间坐标值，点10的空间坐标值是p
10
(x
10
,y
10
,z
10
)，点12的空间坐标值是p
12
(x
12
,y
12
,z
12
)；
38.第三步，点10和点12之间形成线段l
10,12
，由空间点坐标值p
10
和p
12
计算得出线段l
10,12
的线段长度l
10,12
，定义虚拟点11，虚拟点11与点10形成线段l
10,11
，线段l
10,11
的长度是l
10,11
，l
10,11
＝l
10,12
，并且l
10,11
⊥
l
9,10
，并且点11和点10在同一x-y平面内，由此计算出虚拟点11的空间坐标值；
39.第四步，通过点10、点11、点12构成一个空间三角形
△
10,11,12
，计算线段l
10,11
与线段l
10,12
之间的夹角∠11,10,12就得出腕关节的转角θ7。
40.本发明还提供一种人体运动角度测量方法，包括以下步骤：
41.第一步，肘关节作为点9，腕关节作为点10，手掌的第三根掌骨关节作为点12；
42.第二步，获取点9、10、点12的空间坐标值，点9的空间坐标值是p9(x9,y9,z9)，点10的空间坐标值是p
10
(x
10
,y
10
,z
10
)，点12的空间坐标值是p
12
(x
12
,y
12
,z
12
)；
43.第三步，通过点9、10、12构成一个空间三角形
△
9,10,12
，计算线段l
9,10
与线段l
9,12
之间的夹角∠9,10,12就能得到θ7。
44.本发明还提供一种人体运动角度测量方法，包括以下步骤：
45.第一步，胸锁关节作为点3，肩锁关节作为点4；
46.第二步，获取点3、点4的空间坐标值，点3的空间坐标值是p3(x3,y3,z3)，点4的空间坐标值是p4(x4,y4,z4)；
47.第三步，点3和点4之间形成线段l
3,4
，计算线段l
3,4
的空间矢量再计算空间矢量绕x轴的转动角度就能得锁骨绕x轴旋转的转角θ1。
48.本发明还提供一种人体运动角度测量方法，包括以下步骤：
49.步骤1，以人体的两个关节作为两个实点；
50.步骤2，根据两个实点确定一个虚拟点；
51.步骤3，通过两个实点和一个虚拟点构成一个空间三角形；
52.步骤4，计算空间三角形两个线段之间的夹角从而计算出人体运动角度。
53.本发明的有益效果是：公开了一种全新的、不同于现有技术构思的人体运动测量方法，测量过程简易、操作方便，成本低，稳定性好。
54.只需要一个传感器获取点3、点4、点8、点9、点10、点12这六个实点的空间坐标值，就可以完成角度的测量，不需要复杂的机械结构和相应的设备。
55.测量精确度高。测量过程不需要事先建立数据库，也不需要通过大量的数据训练模型。
56.本发明的测量过程只涉及坐标点和三角形的解算，因此具备较高的运算速度，同时在应用时，相应的具备良好的实时性。
57.不需要通过繁杂的机械结构、不用进行估计以及解算更多上肢运动自由度的方法，以更好的重现上肢真实运动情况，为上肢临床诊断及上肢康复等领域提供人体上肢角
度信息。
58.本发明进一步的特征和方面，将在以下参考附图的具体实施方式的描述中，得以清楚地记载。
附图说明
59.图1是人体的上肢的7自由度运动角度示意图；
60.图2是从人体的上肢各关节选取检测点的示意图；
61.图3是构建出虚拟点已经形成的空间三角形示意图。
62.图中符号说明：
63.图3中，1处圆圈表示虚拟点1，2处圆圈表示虚拟点2，5处圆圈表示虚拟点5，6处圆圈表示虚拟点6，7处圆圈表示虚拟点7，11处圆圈表示虚拟点11。
具体实施方式
64.以下参照附图，以具体实施例对本发明作进一步详细说明。
65.如图1所示，人体的上肢处于初始状态，初始状态下，肩膀放松，手臂自然下垂，手掌紧贴大腿外侧。此时，锁骨绕x轴旋转的转角为θ1，旋转轴为x轴；锁骨绕z轴旋转的转角为θ2，旋转轴为z轴。肱骨绕x轴旋转的转角为θ3，旋转轴为x轴；肱骨绕y轴旋转的转角为θ4，旋转轴为y轴；肱骨绕z轴旋转的转角为θ5，旋转轴为z轴。肘关节的旋转角度为θ6，旋转轴为肘关节处的y轴。腕关节的旋转角度为θ7，旋转轴为腕关节处的x轴。
66.如图2所示，定义身体上位于特定关节处的六个空间点(这六个空间点为实点)，分别是：胸锁关节作为点3，肩锁关节作为点4，盂肱关节作为点8，肘关节作为点9，腕关节作为点10，手掌的第三根掌骨关节作为点12。
67.获取点3、点4、点8、点9、点10、点12的空间坐标值，采用深度摄像头或运动捕捉系统(基于光学和磁等)等其他技术手段获取这六个点的空间坐标，本发明以光学运动捕捉系统为例，获取这六个点的空间坐标值：在胸锁关节、肩锁关节、盂肱关节、肘关节、腕关节处分别贴上反光标记点，在光学运动捕捉系统下获取反光标记点的空间坐标的原始数据，而后进行滤波和缺失点的插补，最终得到点3、点4、点8、点9、点10、点12的空间坐标值。点3的空间坐标值是p3(x3,y3,z3)，点4的空间坐标值是p4(x4,y4,z4)，点8的空间坐标值是p8(x8,y8,z8)，点9的空间坐标值是p9(x9,y9,z9)，点10的空间坐标值是p
10
(x
10
,y
10
,z
10
)，点12的空间坐标值是p
12
(x
12
,y
12
,z
12
)。
68.如图3所示，确定位于身体以外的空间点：点1、2、5、6、7、11，点1、2、5、6、7、11为虚拟点。六个虚点的空间坐标值通过以下计算过程得到：
69.虚拟点1和2的空间坐标值在初始状态(肩膀放松，手臂自然下垂，手掌紧贴大腿外侧)下确定，在初始状态下，点3和点4之间形成线段l
3,4
，由空间点坐标值p3和p4计算得出线段l
3,4
的线段长度l
3,4
，定义虚拟点1，虚拟点1和点3形成线段l
1,3
，线段l
1,3
的长度是l
1,3
，并且长度l
1,3
与长度l
3,4
相等，即l
1,3
＝l
3,4
，并且线段l
1,3
与线段l
3,4
垂直，即垂直关系l
1,3
⊥
l
3,4
，并且线段l
1,3
在y-z平面内，由此计算得到虚拟点1的空间坐标值，确定的虚拟点1是唯一的，虚拟点1的空间坐标值永远不变。定义虚拟点2，虚拟点2和点3形成线段l
2,3
，线段l
2,3
的长度是l
2,3
，并且长度是l
2,3
和长度l
3,4
相等，即l
2,3
＝l
3,4
，并且线段l
2,3
与线段l
3,4
垂直，即
垂直关系l
2,3
⊥
l
3,4
，并且线段l
2,3
在x-y平面内，由此计算得出虚拟点2的空间坐标值，确定的虚拟点2点是唯一的，虚拟点2的空间坐标值永远不变。
70.点8和点9之间形成线段l
8,9
，由空间点坐标值p8和p9计算得出线段l
8,9
的线段长度l
8,9
，定义虚拟点5，虚拟点5和点8形成线段l
5,8
，线段l
5,8
的长度为l
5,8
，并且长度为l
5,8
与长度l
8,9
相等，即l
5,8
＝l
8,9
，并且线段l
5,8
始终与x-y平面平行，线段l
5,8
始终与x-z平面平行，由此计算得到虚拟点5的空间坐标值，虚拟点5是动点，虚拟点5的空间坐标值是随着人体上肢运动而变化。定义虚拟点6，虚拟点6和点8形成线段l
6,8
，线段l
6,8
的长度为l
6,8
，并且长度为l
6,8
与长度l
8,9
相等，即l
6,8
＝l
8,9
，并且线段l
6,8
始终与x-y平面平行，并且线段l
6,8
始终与y-z平面平行，由此计算得到虚拟点6的空间坐标值。虚拟点6是动点，虚拟点6的空间坐标值是随着人体上肢运动而变化。定义虚拟点7，虚拟点7与点8形成线段l
7,8
，线段l
7,8
的长度为l
7,8
，并且长度l
7,8
与长度l
8,9
相等，即l
7,8
＝l
8,9
，并且线段l
7,8
始终与x-z平面平行，并且线段l
7,8
始终与y-z平面平行，由此计算得到虚拟点7的空间坐标值。虚拟点7是动点，虚拟点7的空间坐标值随着人体上肢运动而变化。
71.点10和点12之间形成线段l
10,12
，由空间点坐标值p
10
和p
12
计算得出线段l
10,12
的线段长度l
10,12
，定义虚拟点11，虚拟点11与点10形成线段l
10,11
，线段l
10,11
的长度是l
10,11
，长度l
10,11
与长度l
10,12
的相等，即l
10,11
＝l
10,12
，并且线段l
10,11
与线段l
9,10
垂直，即垂直关系l
10,11
⊥
l
9,10
，并且点11和点10在同一x-y平面内，由此计算出虚拟点11的空间坐标值。虚拟点11是动点，虚拟点11的空间坐标值随着人体上肢运动而变化。
72.至此，完成点1、2、5、6、7、11这六个虚拟点的空间坐标值的计算。
73.得到虚拟点1和虚拟点2的空间坐标值后，通过点1、点3、点4构成一个空间三角形
△
1,3,4
，计算线段l
1,3
与线段l
3,4
之间的夹角∠1,3,4就得出锁骨绕x轴旋转的转角θ1；计算θ1的过程中，虚拟点1的空间坐标值是定值。通过点2、3、4构成一个空间三角形
△
2,3,4
，计算段线段l
2,3
与线段l
3,4
之间的夹角∠2,3,4就得出锁骨绕z轴旋转的转角θ2。
74.得到虚拟点5的空间坐标值后，通过点5、点8、点9构成一个空间三角形
△
5,8,9
，计算空间三角形
△
5,8,9
所在平面与x-z平面的夹角就得出肱骨绕x轴的转角θ3。
75.得到虚拟点6的空间坐标值后，通过点6、点8、点9构成一个空间三角形
△
6,8,9
，计算空间三角形
△
6,8,9
所在平面与x-y平面的夹角就得出肱骨绕y轴的转角θ4。
76.得到虚拟点7的空间坐标值后，通过点7、点8、点9构成一个空间三角形
△
7,8,9
，计算空间三角形
△
7,8,9
所在平面与y-z平面的夹角就得出肱骨绕z轴的转角θ5。
77.得到虚拟点11的空间坐标值后，通过点10、点11、点12构成一个空间三角形
△
10,11,12
，计算线段l
10,11
与线段l
10,12
之间的夹角∠11,10,12就得出腕关节的转角θ7。
78.得到点8、9、10的空间坐标值后，通过点8、点9、点10构成一个空间三角形
△
8,9,10
，计算线段l
8,9
与线段l
9,10
之间的夹角∠8,9,10就得出肘关节的转角θ6。
79.可见，本发明将θ1、θ2、θ6、θ7引入到相应的空间三角形中解算，且在每一个空间三角形中，有且只有一条边为变量，故得到的θ1、θ2、θ6、θ7具有很高的精度，将θ3、θ4、θ5引入到平面夹角中解算，且相应的每对平面夹角有且只有一个夹角为变量，故得到的θ3、θ4、θ5具有很高的精度。因此解算出的上肢7个自由度运动角度与现有通过“估算”方法计算得到的结果相比，理论上具备更高的精度，且不需要建立数据库，也不需要通过大量的数据训练模型。
80.需要说明的是，对于锁骨绕x轴旋转的转角θ1，得到点3、4的空间坐标值后，计算线段l
3,4
的空间矢量再计算空间矢量绕x轴的转动角度就能得到θ1。对于锁骨绕z轴旋转的转角θ2，得到点3、4的空间坐标值后，计算线段l
3,4
的空间矢量再计算空间矢量绕z轴的转动角度就能得到θ2。
81.需要说明的是，对于腕关节的转角θ7，通过点9、10、12构成一个空间三角形
△
9,10,12
，计算线段l
9,10
与线段l
9,12
之间的夹角∠9,10,12就能得到θ7。
82.以上所述仅对本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。