人体关节肌肉功率的计算方法、系统、介质及电子设备

本发明属于人工智能检测，涉及一种人体关节肌肉功率，特别是涉及一种人体关节肌肉功率的计算方法、系统、介质及电子设备。

背景技术：

1、人体代谢所产生的能量等于消耗于体外做功的能量和在体内直接、间接转化为热的能量的总和。体外做功的能量用于人体克服外界阻力形成人体运动表现的机械能。人类的任何一个动作都是在神经系统的支配下，由于骨骼肌收缩，并且牵引所附着的骨，绕着关节活动而完成的，关节肌肉的屈伸是动作实现的关键。

2、主动健康要求人体主动运动为前提，对慢病人群运动干预和康复人员的辅助运动也是如此。显然，运动过程中关节屈伸的运动量对主动健康的效果至关重要。目前，我们常把卡路里作为测量运动消耗能量的一个重要标准，大多数时候，人们用千卡这个单位来计算运动消耗的能量。现在大部分健身设备，如电动跑步机会有在面板上或移动端软件上显示运动消耗卡路里的功能。而关节肌肉功率可以更有效地展示主动运动的情况，可以更有效地指导和评价慢病人群运动干预和康复人员辅助运动的效果。

3、走、跑、跳、深蹲等是常用的健身和康复方式，其动作主要集中人体矢状面内，因此，有必要研究这类运动人体关节肌肉功率的测量和计算方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种人体关节肌肉功率的计算方法、系统、介质及电子设备，用于解决现有技术中人体在运动时无法准确计算出关节肌肉功率的问题。

2、为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种人体关节肌肉功率的计算方法，包括以下步骤：获取目标人群的人体惯性参数；在所述目标人群处于运动状态时，通过加速度传感器测量人体各部位参数，根据所述人体各部位参数计算相关运动学数据；其中，所述人体各部位参数至少包括各个部位的加速度、速度和角度；根据所述相关运动学数据和所述人体惯性参数计算所述目标人群的各个部位的瞬时机械功率；根据各个部位的所述瞬时机械功率计算出所述目标人群在运动时的关节肌肉实时功率。

3、于本发明的一实施例中，所述在所述目标人群处于运动状态时，通过加速度传感器测量人体各部位参数，根据所述人体各部位参数计算相关运动学数据，包括：在所述目标人群运动的时候，通过安装在所述目标人群身体各个部位的加速度传感器测量得到各个部位的加速度数据和角度数据；所述根据所述相关运动学数据和所述人体惯性参数计算所述目标人群的各个部位的瞬时机械功率，包括：根据各个部位的所述加速度数据、所述角度数据和所述人体惯性参数计算得到人体各个部位的机械能数据，并根据所述机械能数据确定人体各个部位的瞬时机械功率。

4、于本发明的一实施例中，所述瞬时机械功率pi的计算过程满足如下公式：

5、

6、

7、

8、

9、

10、

11、其中，i表示人体第i个部位，i为1至15的整数，包括头、躯干、两侧手掌、两个前臂、两个上臂、两个足、两个小腿和两个大腿；t表示运动过程中的某时刻；pi为人体第i个部位运动的瞬时机械功率；pi(t)为人体第i个部位t时刻瞬时机械功率，vi为所述加速度传感器检测得到的人体第i个部位的质心速度，vi⊥为所述速度传感器检测得出的人体第i个部位的质心垂直方向速度；ai为所述加速度传感器测出的人体第i个部位的质心加速度；hi为人体第i个部位在垂直方向移动的距离；hi0为人体第i个部位在垂直方向的初始高度；θi为所述加速度传感器测出的人体第i个部位绕质心转动的角度；ωi为所述加速度传感器检测得出的人体第i个部位环绕质心转动的角速度；βi为所述加速度传感器检测得出的人体第i个部位环绕质心转动的角加速度；mi为人体第i个部位的质量；ii为人体第i个部位的转动惯量；ei(t)为人体第i个部位的t时刻机械能；dθi表示θi的微分；dωi表示ωi的微分；dei(t)表示ei(t)的微分；dt表示时间微分；g表示重力加速度。

12、于本发明的一实施例中，所述根据各个部位的所述瞬时机械功率计算出所述目标人群在运动时的关节肌肉实时功率，包括：获取人体各个部位的近端关节和远端关节位置，并通过光学动作捕捉和测力台计算各个部位的近端关节和远端关节在不同方向的方向关节力；根据所述方向关节力和所述相关运动学数据计算出人体各个部位的关节肌肉整体功率；将所述关节肌肉整体功率视为全部用于实现机械功率，根据所述关节肌肉整体功率计算得到用于计算关节肌肉实时功率的回归方程，以基于所述回归方程获取所述关节肌肉实时功率。

13、于本发明的一实施例中，所述关节肌肉整体功率pt的计算过程满足如下公式：

14、fjx＝fkx-m·ax

15、fjy＝fky-m·ay-m·g

16、

17、pj＝mj·ωj

18、

19、其中，k表示矢状面内当前人体部位的远端关节；j表示矢状面内当前人体部位的近端关节；c为人体部位的质心；l为当前人体部位的长度；r为当前人体部位的半径系数，可通过查询成年人环节半径系数表得到；m为当前人体部位的质量；i为当前人体部位绕过质心且垂直于xy平面的z轴的转动惯量；β为当前人体部位质心角加速度；g为重力加速度；为当前人体部位的方向角；ax为当前人体部位质心的x方向加速度；ay为当前人体部位质心的y方向加速度；fkx、fky为矢状面内k关节的x和y方向关节力，fjx为矢状面内j关节的x方向关节力；fjy为矢状面内j关节的y方向关节力，若是当前人体部位处于末端，通常是由测力台测出的地面反作用力；若非末端，则是从末端人体部位的受力计算而得到；mk为作用在远端关节的肌肉力矩，是由末端人体部位的近侧端肌肉作用力计算得到；mj为作用在近端关节的肌肉力矩；ωj为近端关节角速度；pj表示矢状面内当前人体部位的近端关节肌肉功率；pt为通过逆向动力学计算得出的关节肌肉整体功率；h为人体运动时主要参与的14个关节，包括对称踝、对称膝、对称髋、对称腕、对称肘、对称肩关节各两个，以及腰部和颈部。

20、于本发明的一实施例中，所述回归方程满足如下公式：

21、pt＝λ1p1+λ2p2+......+λ14p14+λ15p15

22、其中，人体部位的数量为15个，所述pt为以动作捕捉系统采集并计算的数据、运用逆向动力学计算出的所述瞬时关节肌肉整体功率；所述pi为人体第i(i为1--15)个人体部位运动的瞬时机械功率；λ1、λ2、......、λ14、λ15为所述回归方程的拟合系数。

23、本发明还提供了一种人体关节肌肉功率的计算系统，包括：获取模块，用于获取目标人群的人体惯性参数；第一计算模块，用于在所述目标人群处于运动状态时，通过加速度传感器测量人体各部位参数，根据所述人体各部位参数计算相关运动学数据；其中，所述人体各部位参数至少包括各个部位的加速度、速度和角度；第二计算模块，用于根据所述相关运动学数据和所述人体惯性参数计算所述目标人群的各个部位的瞬时机械功率；肌肉功率计算模块，用于根据各个部位的所述瞬时机械功率，计算出所述目标人群在运动时的关节肌肉实时功率。

24、本发明提供一种存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述的人体关节肌肉功率的计算方法。

25、本发明提供一种电子设备，包括：处理器及存储器；所述存储器用于存储计算机程序；所述处理器用于执行所述存储器存储的计算机程序，以使所述电子设备执行上述的人体关节肌肉功率的计算方法。

26、如上所述，本发明所述的人体关节肌肉功率的计算方法、系统、介质及电子设备，具有以下有益效果：

27、与现有技术相比，本发明通过加速度传感器对人体在运动时的数据进行检测，以得到人体相关部位的加速度、速度和角度相关信息，以便于后续根据力学计算方法计算出人体各个部位的关节肌肉功率，以便于通过关节肌肉功率有效地展示人体主动运动的情况，可以更有效地指导和评价慢性病人群的运动干预和康复人员辅助运动的效果，有利于对不同人群的运动情况进行指导和评价。