一种测量人体运动环节重量参数方法与流程

本发明涉及通信技术领域，特别涉及一种测量人体运动环节重量参数方法。

背景技术：

人体运动环节的重量参数包括环节重量、环节重心半径及环节重量矩,是人体环节惯性参数中能够反映人体形态结构和质量分布特征的基本参量。环节重量参数作为建立人体模型、进行人体运动技术影像解析的基础数据,其准确程度直接影响着影像解析结果的精度。

对人体环节参数测量研究的发展史就是一个不断探索更好的测量方法并向人体环节参数个体化测量方向发展的过程。在相当长的一个历史时期内，人们借助于不断提高人体环节重量参数统计模型的可靠性来提高个体化测量的程度，尽可能地使所计算出来的环节重量参数逼近每一个个体的实际情况。事实上，由于大多数统计模型的建立都来源于正常人群体组成的样本，对于青少年和特殊群体的环节重量参数的计算是很难与实际情况相符合的。

近一百多年来，从尸体解剖发展到活体测量，国内外专家学者对人体环节参数的测量研究做出了不懈的努力，进行了大胆的探索，促进了人体环节测量研究的不断进步。

一般地，获取人体环节重量参数的方法最主要的有尸体解剖法、活体测量法和数学模型法：

尸体解剖法是指通过解剖尸体，对肢解的人体进行环节重量参数测定，并同时可以进行转动惯量测定的研究方法。尸体解剖法的价值在于以尸体实验为基础，建立活体环节参数的数量概念，但需要考虑到死组织与活组织之间的差异。另外，由于不同作者收集到的尸体例数均较少，切割技术又很复杂，所以尸体解剖法的样本含量很难达到大样本的要求，因而所测结果的推广必然受到限制。

由于尸体性状和活体的明显差异，事实上，人们一直在探索对活体进行直接测量以获取人体环节重量参数和转动惯量的方法，即活体测量法。一百多年来，先后曾出现了称重法、水浸法、快速释放法、机械振动法、放射性同位素法、ct法和mri法等多种方法。

从目前的研究现状来看，人体环节参数模型还多为对称型，且数据多来源于对正常成年人的测量，不适于特殊群体；精度高的人体环节参数模型均采用了带有放射性的射线法，难以应用于对少年儿童的环节参数测量。

事实上，人体的形态结构和质量分布特征的确具有鲜明的个体性，尤其是特殊群体个性特征更加明显。譬如运动员群体，不同竞技项目的运动员形体差异很大，某些项目运动员由于项目特点在长期的系统训练中还会产生人体优势侧特征显著的现象。因而，不论采用何种形式的人体环节惯性参数进行影像解析都无疑会在很大程度上抹杀受试者的个体特征。

技术实现要素：

有鉴于此，本申请提供一种确定人体运动环节重量参数方法，能够结合个体特征、考虑人体左右发展的不平衡性，以及人体环节运动过程的实际情况下，获得人体运动环节重量参数。

为解决上述技术问题，本申请的技术方案是这样实现的：

一种确定人体运动环节重量参数方法，该方法包括：

确定四肢中的第一运动环节重量参数时，分别在第一运动环节和第二运动环节上选择一点作为测量点；第一运动环节同第二运动环节在人体上呈相对对称分布；

在第一运动环节绕对应关节移动m个位置时，测出对应测量点的m个位置坐标，以及人体的m个总重心位置坐标；根据测量点的m个位置坐标确定第一运动环节对应关节的中心h1的坐标；根据人体的m个总重心位置坐标确定第一运动环节移动时人体的总重心圆的圆心q1的坐标和半径r1；其中，m为大于2的整数；

在第二运动环节绕对应关节移动m个位置时，测出对应测量点的m个位置坐标，以及人体的m个总重心位置坐标；根据测量点的m个位置坐标确定第二运动环节对应关节的中心h2的坐标；根据人体的m个总重心位置坐标确定第二运动环节移动时人体的总重心圆的圆心q2的坐标和半径r2；

若确定r1大于r2，则确定h1与q1所在直线，同h2与第一运动环节对应的总重心圆的切线的交点a1的坐标；

确定第一运动环节的重量为：其中，w为人体总重量，d1为圆心q1到交点a1的距离，d2为中心h1到交点a1的距离。

由上面的技术方案可知，本申请中在引入人体运动环节链、增补重量矩参数的基础上，通过测量环节在绕关节运动时测得的某一点的位置坐标、重心坐标和总重量，将环节链重量矩测量与环节链重心半径测量相结合，获得人体运动环节重量参数。该方案能够结合个体特征、考虑人体左右发展的不平衡性，以及人体环节运动过程的实际情况下，获得人体运动环节重量参数。

附图说明

图1为现有技术中平衡板示意图；

图2为本申请提供现有技术中的一种测量仪示意图；

图3为本申请实施例一中确定第一运动环节重量参数流程示意图；

图4为本申请实施例一中确定第二运动环节重量参数流程示意图；

图5为根据测量仪输出的参数描绘出的各中心和重心的示意图；

图6为左右下肢绕关节移动时确定的合重心位置示意图；

图7为本申请实施例中骨盆重量参数确定示意图；

图8为本申请实施例中头的重量参数确定示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图并举实施例，对本发明的技术方案进行详细说明。

当前人体运动环节重量参数的测量中忽视了特殊人群的群体特征；即便是活体测量目前所提供的人体环节参数也仅限于正常人群体，不足以体现特殊人群的特殊性。

忽视了人体左右侧发展的不平衡性；现有人体模型绝大部分是对称性人体模型，尤其对于运动员群体，某些项目的运动员优势侧特征明显，有些情况不应把人体视为左右对称。

忽视了人体环节运动过程的实际情况；仅以一个几何概念—关节中心为界来划分人体环节而进行的参数测试；不足以描述运动中的环节总体。

忽视了人体环节、环节链二者的相对性。相对性概念的引入可减少误差源，以更精确的参数来满足实际需要。

基于上述测量问题，本申请提供一种测量人体运动环节重量参数方法，在引入人体运动环节链、增补重量矩参数的基础上，通过测量环节在绕关节运动时测得的某一点的位置坐标、重心坐标和总重量，将环节链重量矩测量与环节链重心半径测量相结合，获得人体运动环节重量参数。该方案能够结合个体特征、考虑人体左右发展的不平衡性，以及人体环节运动过程的实际情况下，获得人体运动环节重量参数。

人体是由多环节组成的，每个环节(二个关节中心之间的肢体)都有重量和重心。按照人体运动分析需要，人体主要有髋关节、膝关节、肩关节、肘关节、颈椎关节和腰椎关节，共10个关节，需要测量的环节重量和重心参数有大腿、小腿加足、整个下肢、上臂、前臂加手、整个上肢、头、上躯干和骨盆，共15个环节的重量与重心。

本申请具体实现时，可以使用测量仪或平衡板，以测量仪为例，该测量仪能够供人体以各种姿态将整个身体处于测量仪上，此时，能够测量出人体的总重心的坐标和总重量。

该测量仪上，或者测量仪外部，存在能够测出某指定点的位置坐标，如红外线测量等，且测出的坐标同测量仪测出的总重心坐标投射在同一水平面上。

参见图1，图1为现有技术中平衡板示意图。可以使用该平衡板测量出人体总重量和总重心位置。可以在平衡板上方安装红外线测量装置，以测量标记点的坐标位置。

参见图2，图2为本申请提供现有技术中的一种测量仪示意图。图2中的测量仪包括底座1，平衡板2，红外线装置支架3，红外线装置支架和底座之间的连接部分4。

底座用于使该测量仪在测量重量和坐标时稳固，平衡板用于支持人体，人体可以在平衡板上让各环节绕对应关节移动，在平衡板的下方安装有测力传感器，用于测量人体的重力和重心，红外线装置支架用于安装激光发射器，通过支架在整个平衡板上方移动，以使光束定位到测量点，确定测量点的坐标。

由于该测量仪已公开过，因此，在本申请中仅用来进行重心坐标和重量的测量，不再详细介绍该测量仪的结构。

本申请实施例针对四肢的运动环节参数的测量与其他环节参数测量可以通过两个实施例分别说明：

在确定相关参数之前，本申请实施例中给出本申请使用的一个联动规则，即分重心与总重心的联动关系，即当组成总重心的一个重心运动时，总重心也随之联动，产生一个与分重心运动轨迹相似的轨迹，图形大小比例等于该分重量与总重量之比，具体为：人体体重与总重心园半径的乘积等于所测环节重量与环节重心半径的乘积。

本申请实施例中用于确定重量参数的设备称为处理设备，用于测量位置坐标和重量的测量仪和平衡板称为测量设备。

实施例一

针对四肢的运动环节参数：大腿、小腿加足、整个下肢、上臂、前臂加手和整个上肢的重量参数。

下面先给出测量确定小腿加足、整个下肢、前臂加手和整个上肢的重量参数的过程。

确定四肢中的第一运动环节重量参数时，分别在第一运动环节和第二运动环节上选择一点作为测量点；第一运动环节同第二运动环节在人体上呈相对对称分布；

当第一运动环节为左小腿加左足时，第二运动环节为右小腿加右足；

当第一运动环节为整个左下肢时，第二运动环节为整个右下肢；

当第一运动环节为左前臂加左手时，第二运动环节为右前臂加右手；

当第一运动环节为整个左上肢时，第二运动环节为整个右上肢。

在第一运动环节绕对应关节移动m个位置时，测量设备测出对应测量点的m个位置坐标，以及人体的m个总重心位置坐标。

其中，m为大于2的整数；即至少移动三次，测出3个或3个以上的测量值。

在第二运动环节绕对应关节移动m个位置时，测量设备测出对应测量点的m个位置坐标，以及人体的m个总重心位置坐标。

需要测量任一运动环节重量参数时，假定人体由两个环节组成，一个所测环节，如左下肢，一个不动环节，除左下肢外的人体的其他环节。

保持人体其它环节在平衡板或测量仪上不动，让所测环节(左下肢)绕关节(左髋)移动三个位置，这样通过平衡板可测得三个总重心位置。

让所测环节绕关节中心做圆周运动，在所测环节上任意确定一个固定点，这样，根据这个点的三个位置可以求出关节瞬时转动中心。

参见图3，图3为本申请实施例一中确定第一运动环节重量参数流程示意图。具体步骤为：

步骤301，处理设备在第一运动环节绕对应关节移动m个位置时，根据测量点的m个位置坐标确定第一运动环节对应关节的中心h1的坐标；根据人体的m个总重心位置坐标确定第一运动环节移动时人体的总重心圆的圆心q1的坐标和半径r1。

其中，m为大于2的整数；即至少移动三次，测出3个或3个以上的测量值。

步骤302，该处理设备在第二运动环节绕对应关节移动m个位置时，根据测量点的m个位置坐标确定第二运动环节对应关节的中心h2的坐标；根据人体的m个总重心位置坐标确定第二运动环节移动时人体的总重心圆的圆心q2的坐标和半径r2。

步骤303，该处理设备若确定r1大于r2，则确定h1与q1所在直线，同h2与第一运动环节对应的总重心圆的切线的交点a1的坐标。

步骤304，该处理设备确定第一运动环节的重量为w1。

其中，w为人体总重量，d1为圆心q1到交点a1的距离，d2为中心h1到交点a1的距离。

参见图4，图4为本申请实施例一中确定第二运动环节重量参数流程示意图。具体步骤为：

步骤401，处理设备在中心h2与交点a1连线的延长线上按照预设步长选择重心s，并确定不动环节的重心s的坐标；所述不动环节为第一运动环节和第二运动环节之外的所有运动环节。

步骤402，该处理设备确定中心h2与总重心q1所在直线，与重心s与中心h1所在直线的交点a2的坐标。

步骤403，该处理设备确定第二运动环节的重量为w2。

其中，w为人体总重量，d3为圆心q1到交点a2的距离，d4为中心h2到交点a2的距离。

步骤404，若满足条件则确定当前确定的第二运动环节的重量为真实的重量；否则，再次按照预设步长选择重心s，直到满足所述条件，获得第二运动环节的重量。

其中，为中心h1到重心s的距离，为交点a2到重心s的距离，为中心h1与总重心q1的距离，为中心h1与交点a1的距离。

处理设备若确定r2大于r1，则通过如下步骤确定第一运动环节和第二运动环节的重量参数：

第一步，处理设备确定h2与q2所在直线，同h1与第二运动环节对应的总重心圆的切线的交点a3的坐标。

第二步，该处理设备确定第二运动环节的重量为：其中，w为人体总重量，d5为圆心q2到交点a3的距离，d6为中心h2到交点a3的距离。

第三步，该处理设备在中心h1与交点a3连线的延长线上按照预设步长选择重心s，并确定不动环节的重心s的坐标；所述不动环节为第一运动环节和第二运动环节之外的所有运动环节。

第四步，该处理设备确定中心h1与总重心q2所在直线，与重心s与中心h2所在直线的交点a4的坐标。

第五步，该处理设备确定第一运动环节的重量为：其中，w为人体总重量，d7为圆心q2到交点a4的距离，d8为中心h1到交点a4的距离。

第六步，若满足条件该处理设备确定当前确定的第一运动环节的重量为真实的重量；否则，再次按照预设步长选择重心s，直到满足所述条件，获得第一运动环节的重量，其中，为中心h2到重心s的距离，为交点a4到重心s的距离，为中心h2与总重心q2的距离，为中心h2与交点a3的距离。

通过上述方法，可以确定小腿加足、整个下肢、前臂加手和整个上肢的重量参数，则可以使用测量出的整个左下肢的重量减去左小腿加左足的重量的差值作为左大腿的重量；

使用测量出的整个右下肢的重量减去右小腿加右足的重量的差值作为右大腿的重量；

使用测量出的整个左上肢的重量减去左前臂加左手的重量的差值作为左上臂的重量；

使用测量出的整个右上肢的重量减去右前臂加右手的重量的差值作为右上臂的重量。

下面给出具体实例，详细说明第一运动环节和第二运动环节的质量参数的确定过程。

本申请实施例中，第一运动环节为左下肢，第二运动环节为右下肢，在左下肢和右下肢上分别标记测量点，并分别绕左髋关节和右髋关节移动m次，在平衡板上测出的左髋(hl)、右髋(hr)关节中心及左总重心园(ql)、右总重心园(qr)，以及总重量w，总重量w可以使用额外称重设备称出。

参见图5，图5为根据测量仪输出的参数描绘出的各中心和重心的示意图。图5中，示意给出了左髋(hl)、右髋(hr)关节中心及左总重心园(ql)、右总重心园(qr)的示意图。

参见图6，图6为左右下肢绕关节移动时确定的合重心位置示意图。图6中，过hr点作圆心为ql的圆的切线，切点为tr，直线与直线交点ar。由于圆心为ql的圆的半径，以及ql的坐标，中心hl和hr的坐标已测出，因此，可以通过数学知识求得的长度和的长度，从而根据力臂和力矩的关系求出所测环节重量whl：

其中，为交点ar到点ql的距离，为交点ar到重心hl的距离。

下面为了求出whr的值，按预设步长搜索不动环节重心s，找出真实的金三角△hlshr。最终确定whr、ws和s位置。

除二下肢外的不动环节重心s必定位于上，因此，在直线的延长线上按预设步长依次取s’点，这个假想点与二个所测环节的关节中心hl和hr组成了一个金三角，叫金三角△hls’hr。

在这个三角形中，产生总重心园对侧肢体的关节中心hr与总重心园ql的联线与产生总重心园肢体的关节中心hl和假想点s’的联线的交点al，它是whl和ws的合重心，又与whr合成总重心ql。由于已知所测环节重量whl及其重心hl，现在又设定不动环节重心s’位置，则可求出wal：

知道了wal，则可以求出whr：

所求的whr是否真实，可用下式进行判断：wal-whl是否等于war-whr。若相等，所求whr和wal是真实的；若不相等，则进行下一个循环，即按一定步长取另一个假设点s’，进行计算并判别，直到找出真实的whr、wal和ws为止。

本申请实施例中，由于针对测出重心圆大的所测环节，可以通过与大圆的切线直接求得所测环节的重量参数，在实际应用中，可以在所测环节上附件一个重物，从而可以使得该重物对应的所测环节对应重心圆半径长，进而容易得到所测环节加重物的重量，这样再减去附加重物的重量，即可得到所测环节的重量。

实施例二

本实施例中测量四肢以外的环节的重量参数，首先测量骨盆的重量参数。

在人体的上体上选择一点作为测量点，通过让骨盆和二个下肢保持不动，让上躯干加头和二上肢组成一个环节绕腰椎关节运动m次，测出对应测量点的m个位置坐标，以及人体的m个总重心位置坐标；根据测量点的m个位置坐标确定腰椎关节的中心l的坐标；根据人体的m个总重心位置坐标确定人体的总重心圆的圆心q3的坐标；

参见图7，图7为本申请实施例中骨盆重量参数确定示意图。图7中wl和wp的合重心r在直线q3n上；wr为wl和wp的合重量，wl为上体、头和二个上肢的总重量，wp为骨盆重量；wn为whr和whl的合重量，whr为右下肢重量，whl为左下肢重量，n为左下肢和右下肢的合重心，wn为左下肢和右下肢的合重量；则

wr＝w-wn；

其中，为点q3到点r之间的距离，为点q3到点n之间的距离；

根据以及点n、点q3的坐标获得点r的坐标。

在点l和点r所在直线上按预设步长获取骨盆的重心p；

处理设备确定wl＝wr-wp；其中，wp为骨盆的重量，drl为点r到点l的距离，

若满足条件wp+wn+wl＝w，则确定当前获得的wp、wl为真实的重量；否则，继续按照预设步长选择骨盆的重心p，直到满足所述条件，获得wp、wl。

然后，测量头的重量参数：

在头部选择一点作为测量点，让头绕颈椎关节运动m次，测出对应测量点的m个位置坐标，以及人体的m个总重心位置坐标；根据测量点的m个位置坐标确定颈椎关节的中心c的坐标；根据人体的m个总重心位置坐标确定人体的总重心圆的圆心q4的坐标和半径

参见图8，图8为本申请实施例中头的重量参数确定示意图。图8中给出根据测量点的m个位置坐标确定颈椎关节的中心c的坐标，以及根据解剖学确定的头的重心e，以及在头绕颈椎运动时的总重心圆的圆心q4的坐标和半径头在绕颈椎运动时的总重心圆的圆心与图7中的重心圆的圆心q3是重合的，由于移动的肢体的重量不同，仅半径不相同。

处理设备确定其中，we为头的重量，dec为中心c到重心e的距离，重心e为根据人体解剖学确定的头部的重心。

最后，测量人体上躯干的重量：

wt＝w-w肢-wp-we；其中，wt为人体上躯干的重量，w肢为人体四肢的重量。

综上所述，本申请通过引入人体运动环节链、增补重量矩参数的基础上，通过测量环节在绕关节运动时测得的某一点的位置坐标、重心坐标和总重量，将环节链重量矩测量与环节链重心半径测量相结合，获得人体运动环节重量参数。该方案能够结合个体特征、考虑人体左右发展的不平衡性，以及人体环节运动过程的实际情况下，获得人体运动环节重量参数。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。