可穿戴关节运动测量仪的制作方法

本发明属于医疗器械领域，提供一种可穿戴关节运动测量仪。

背景技术：

人体关节活动度又称关节活动范围，是关节运动时所通过的运动弧。康复学把人体关节活动度作为评定患者关节受伤及康复程度的一项重要指标。临床常用的测量工具是通用量角器，它由一个移动臂、一个固定臂和一个带有指针的刻度盘组成，两臂与关节两端肢体长轴平行。该方法虽然操作简单，但误差大，并且对于肩关节和髋关节那样的类球铰型关节，难以测量复杂的空间回转角度。而市场上主流的姿态检测系统都比较昂贵，测量精度不足，并且抗干扰能力弱。此套关节运动测量仪，采用机械式结构紧凑，穿戴方便，对肢体运动无阻碍，测量精度高，抗干扰能力强，能够很好的运用在需要测量的人体关节中。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种可穿戴关节运动测量仪，采用球形外壳和轨迹球的机械结构，轨迹球为万向运动轨迹球，半球形外壳为可穿戴结构。在人体髋关节和肩关节建立空间立体球坐标，对人体行走时髋关节或者肩关节各个方向转动进行定量的测量和分析。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种可穿戴关节运动测量仪，结构如图1所示，包括肩部固定绷带1、肩部角度测量装置2、上臂固定绷带3、下肢固定绷带4、腿部角度测量装置5和腿部固定绷带6。肩部固定绷带1、肩部角度测量装置2、上臂固定绷带3组成肩关节角度测量仪；下肢固定绷带4、腿部角度测量装置5和腿部固定绷带6组成髋关节角度测量仪。

所述的肩部角度测量装置2与腿部角度测量装置5均包括半球形外壳7、轨迹球8、球形外壳连接块9和轨迹球支撑杆10，装配组装如图2所示。所述的球形外壳连接块9设于半球形外壳7外侧，球形外壳连接块9与肩部固定绷带1或下肢固定绷带4连接，固定在人体肩关节上或固定在人体髋关节上方与人体上半身固定牢。所述的轨迹球8位于半球形外壳7内部，与半球形外壳7内表面和轨迹球安装平台11相接触，轨迹球安装平台11与轨迹球支撑杆10连接，轨迹球支撑杆10与上臂固定绷带3或腿部固定绷带6连接，固定在人体的手臂上或固定在人体的大腿上，且固定时轨迹球8与手臂无相对位移、轨迹球8与大腿无相对位移。所述的轨迹球支撑杆10与轨迹球安装平台11连接处为可伸缩结构，可以调节长度，在不同体型人穿戴时仍能保持测量精度。所述的肩部角度测量装置2的半球形外壳7通过球形外壳连接块9与肩部固定绷带1连接，腿部角度测量装置5的半球形外壳7通过球形外壳连接块9与下肢固定绷带4连接。

所述的轨迹球8包括轨迹球安装平台11、编码器码盘12、三个传动轴13、光电式角度传感器，整个结构采用全向结构。所述的三个传动轴13均与轨迹球8相切且与球心共面，空间上三个传动轴13形成“xyz”轴，每个传动轴13中间位置套接具有一定摩擦力的圆柱体，且要求圆柱体与轨迹球8具有稳定的相对接触。其中两个传动轴13设置在轨迹球安装平台11上，且在轨迹球安装平台11上相互垂直，每个传动轴13的端部通过连接片固定在轨迹球安装平台11上，另一端安装编码器码盘12；第三个传动轴13与轨迹球安装平台11垂直，其底端安装编码器码盘12，编码器码盘12位于轨迹球安装平台11上，传动轴13顶端与转轴固定支架14固接，转轴固定支架14固定在轨迹球安装平台11上。所述的三个编码器码盘12均与光电式角度传感器连接，光电式角度传感器用于测量轨迹球8在xyz轴方向的转动角度

所述的轨迹球8设置在轨迹球安装平台11、传动轴13及半球形外壳7内侧围成的空间内，受力后轨迹球8能够沿半球形外壳7内侧弧面移动，并能够在轨迹球安装平台11及传动轴13的空间内转动。调整半球形外壳7球心与人体髋关节或者肩关节中心重合，并且不影响人体下肢大腿的自由行走以及不影响人体正常摆臂。在此前提下，调节轨迹球8的位置和角度，使其能够在行走或者人在摆臂过程中一直与半球形外壳7相接触，且半球形外壳7不影响人体正常步行或正常摆臂。通过调整轨迹球8的位置，使得其与半球形外壳7一直贴合并且相互之间具有一定的压力，保证测量准确性。行走或者人在摆臂过程中，通过轨迹球8和圆柱体之间的摩擦带动圆柱体转动，进而带动传动轴13和编码器码盘12转动，最后由安装在轨迹球安装平台11上的光电式角度传感器采集编码器码盘12的数据，计算轨迹球8的位移l，得到人体在行走时肩关节和髋关节的运动角度。

由光电式角度传感器测量编码器编盘12得到轨迹球8的方向和速度，进而得到转动角度x,y,z轴的回转运动分别与三个光电式角度传感器测量的角度成正比，以x轴为例，根据下述公示得到lx:

lx＝θx×r1

式中，lx为轨迹球8在x轴方向上的路程，r1为轨迹球8的半径。

通过计算得到轨迹球8在半球形外壳7上最终的位移l，此路程等于轨迹球转动的路程l＝lx。根据下述公式得到人体关节运动角度θ:

得

式中，l为轨迹球8沿半球形外壳7内侧弧面移动的位移、r0为轨迹球8运动的轨迹上圆的半径(即半球形外壳7的内径)。

所述的半球形外壳7用轻质材料制作，尺寸可根据人体大腿实际维度进行缩放。

本发明的有益效果为：本发明能有效的获取身体多部位在行走过程中的运动轨迹角度，从而定量的测量下肢关节在人行走中的角度或者人体手臂运动的角度，与现在已有的测量工具相比，此装置在测量手段上基本采用机械式，结构简单紧凑，抗干扰能力强，方便穿戴，能客观有效的为人体关节测量提供数据。

附图说明

图1是关节运动测量仪在人身体上的穿戴图。

图2是关节运动测量仪的基本结构图。

图3是轨迹球内部结构图。

图4是人体关节转动时计算角度的示意图。

图中：1肩部固定绷带；2肩部角度测量装置；3上臂固定绷带；4下肢固定绷带；5腿部角度测量装置；6腿部固定绷带；7半球形外壳；8轨迹球；9球形外壳连接块；10轨迹球支撑杆；11轨迹球安装平台；12编码器码盘；13传动轴；14转轴固定支架。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案进一步说明本发明的具体实施方式。

一种可穿戴关节运动测量仪，结构如图1所示，包括肩部固定绷带1、肩部角度测量装置2、上臂固定绷带3、下肢固定绷带4、腿部角度测量装置5和腿部固定魔术带6。

所述的肩部角度测量装置2与腿部角度测量装置5均包括半球形外壳7、轨迹球8、球形外壳连接块9和轨迹球支撑杆10，装配组装如图2所示。所述的球形外壳连接块9设于半球形外壳7外侧，球形外壳连接块9与肩部固定绷带1或下肢固定绷带4连接，固定在人体肩关节上或固定在人体髋关节上方与人体上半身固定牢。所述的轨迹球8位于半球形外壳7内部，与半球形外壳7内表面和轨迹球安装平台11相接触，轨迹球安装平台11与轨迹球支撑杆10连接，轨迹球支撑杆10与上臂固定绷带3或腿部固定绷带6连接，固定在人体的手臂上或固定在人体的大腿上，且固定时轨迹球8与手臂无相对位移、轨迹球8与大腿无相对位移。所述的轨迹球支撑杆10与轨迹球安装平台11连接处为可伸缩结构，可以调节长度。所述的肩部角度测量装置2、腿部角度测量装置5的半球形外壳7通过球形外壳连接块9与肩部固定绷带1、下肢固定绷带4连接。

所述的轨迹球8包括轨迹球安装平台11、编码器码盘12、三个传动轴13、光电式角度传感器，整个结构采用全向结构。所述的三个传动轴13均与轨迹球8相切且与球心共面，空间上三个传动轴13形成“xyz”轴，每个传动轴13中间位置套接具有一定摩擦力的圆柱体，且要求圆柱体与轨迹球8具有稳定的相对接触。其中两个传动轴13设置在轨迹球安装平台11上，且在轨迹球安装平台11上相互垂直，每个传动轴13的端部通过连接片固定在轨迹球安装平台11上，另一端安装编码器码盘12；第三个传动轴13与轨迹球安装平台11垂直，其底端安装编码器码盘12，编码器码盘12位于轨迹球安装平台11上，传动轴13顶端与转轴固定支架14固接，转轴固定支架14固定在轨迹球安装平台11上。所述的三个编码器码盘12均与光电式角度传感器连接，光电式角度传感器用于测量轨迹球8在xyz轴方向的转动角度

本发明的装置，不限于一定要用全硬质的球形外壳，可以其他柔性的摩擦大的半球形外壳7；不限于一定要用球轨迹球8，可以用其他能够进行平面或曲面定位的任何测距装置；不局限于一定要用固定绷带把装置固定在人体，也可以使用其他方法固定。

如图1所示，用类似方式固定半球形外壳7和轨迹球8，调整轨迹球8和半球形外壳7见的间隙，使其刚好接触，即可测量人体在行走时肩关节和髋关节的运动角度。

测量人体髋关节自转角度(即x轴的回转角度)，其测量公式为：其中r1＝r＝半球形外壳7的半径。

测量人体髋关节的侧摆运动角度(即y轴的回转角度)，其中r1＝r＝半球形外壳7的半径。

测量人体髋关节的前摆运动(即z轴的回转角度)，此转角θ＝z向转角。

以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。