人行走过程中骨盆三维运动轨迹的实验研究

人行走过程中骨盆三维运动轨迹的实验研究 哈尔滨工程大学硕士学位论文人行走过程中骨盆三维运动轨迹的实验研究姓名赵凌燕申请学位级别硕士专业机械电子工程指导教师张立勋20051201哈尔滨工程大学硕士学位论文摘要人行走时骨盆运动轨迹的研究在诊断患者病情、评定康复效果、识别特殊步态等医疗、体育、康复、人类学、宇航、人机工程等诸多领域均有重要的科学意义及应用价值。以获取人行走时骨盆的运动轨迹为目的该课题从国内外发展现状及发展前景入手主要研究内容如下提出了一种用于测量人在跑步机上行走时骨盆运动轨迹的新方法并对测量原理和数学模型进行了详细论述。设计了测力鞋垫步态检测系统提出了一种用于步态分析的新方法即相位累加法。先后设计了基于旋转光电编码器的数据获取方法和基于操作系统的数据获取方法论述了各个运动参数的处理过程和计算方法以及步态参数与骨盆运动参数的融合过程。在大量实验的基础上分析了骨盆运动轨迹和步态参数的变化规律以骨盆在左右方向和上下方向的运动轨迹为重点研究内容论述了其数学模型的推导过程其中包括对运动幅值、周期和初始相位的数学模型的推导。以理论分析为基础、实验数据为依据论文最终得出了人行走过程中骨盆运动轨迹的数学模型以及部分步态参数的数学模型进而验证了该测量系统的准确性和可行性。关键词骨盆运动轨迹步态测力鞋垫哈尔滨工程大学硕士学位论文?鹤谢哈尔滨工程大学学位论文原创性声明本人郑重声明本论文的所有工作是在导师的指导下由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。作者签邀壅兹日期孔卵多年月哆日哈尔滨工程大学硕士学位论文第章绪论课题来源课题来源之一国家自然科学基金课题来源之二国家教委留学回国人员科研启动基金课题来源之三黑龙江省国际科技合作基金。课题研究意义和目的神奇的人体生命系统对于人类来说一直具有很大的吸引力。几个世纪以来人们一直尝试用各种方法来描述和解释人体生命系统中的各种现象而其中探索人体自身的运动机理一直是人类关注的热点“。有关人体步态运动学的研究起源于十七世纪欧洲延续至今已经有近四百年的历程“。从研究范围上讲主要包括步长、步宽、步态频率、行走速度、加速度肩、髋、膝、踝等关节的旋转转角以及各个肢体如四肢、躯干、骨盆的运动轨迹等。人们对人体步态运动学分析的兴趣来源于不同的研究目的除医学研究外对许多工程研究领域都具有重要的应用价值缶床诊断临床医学上对于病症特别是运动功能障碍病症的正确诊断是基于对人体正常与非正常运动充分了解的基础上的治疗手段的采用也是基于对人体运动机理和生命现象的认识和理解基础上的因此对于人体运动的分析和对人体运动机理的研究能帮助医学工作者正确诊断病症和采取有效 措施 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 。康复工程肢体残疾是所有残疾中发生率最高的一种肢体残疾直接导致的?腔颊叩脑硕 苷习,宀屑舱呤褂玫募僦徒眯纹魇强蹈垂こ塘煊蛑辛较詈芫叽硇缘闹饕际跻彩墙颂逶硕矸治龅某晒杏τ醚芯康牡湫头独,嘶こ萄嘶こ萄е饕芯咳擞牖怠?擞牖肪骋约盎涤牖肪持涞南嗷プ饔谩,魑嘶低持械牧酱笞槌刹糠种蝗说纳砗托墓豕こ檀笱妒垦宦畚睦硖匦砸约叭颂宓母髦止δ馨ㄔ硕芎拖薅仁侨牖こ萄У闹匾芯慷韵笠彩侨嘶こ萄а芯康幕弧,逵蒲逵蒲ㄔ硕窖А?硕硌У扔胩逵硕喙氐难Э扑蔷且蕴逵硕魑芯慷韵笸匀颂逶硕难芯坷刺岣咛逵硕乃郊 跎俸捅苊庠硕械囊馔馍撕χ瘟圃硕鹕说取,诙院芏嗵逵硕缣宀佟?鹊难芯恐性硕男骱蜕硖宓钠胶馐侵匾墓刈?较颉薄,律褂敕律圃熳匀唤绲纳锞寺さ慕乖炝讼嗟蓖昝赖纳低衬,律低忱锤慕钟猩杓啤?圃旆椒ê椭圃煜低尘哂兄匾氖导室庖迳镅в牖倒こ探岷喜松锘倒こ萄И岐阋窖в牍こ炭蒲Ы岷闲纬闪松镆窖Чこ萄И岐恪,疚乃锏降哪康氖墙?惶淄暾墓桥柙硕旒,饬肯低惩笛榈贸稣,诵走过程中骨盆运动轨迹的数学模型此模型可以被用于对患有行走功能障碍或其他疾病的非正常步态的受试者进行步态分析能够帮助医生诊断病情、观察病人的康复状况、指导病人行走训练等。研究方法发展概况国外发展概况早在十九世纪末和就提出人体运动信息测量的基本参数包括各个关节角度的测量以及肢体运动参数的畏量并发明了一种基于盖斯勒管、音叉和摄像机测量肢体三维运动参数的方法?。为了保证受试者不受电击测量过程中必须穿橡胶制成的衣服。整个测量过程需要至个小时数据的简化及参数的计算需要花费几个月的时间。这种方法虽然在定程度上可以得到某些步态参数但由于需要大量的时间和工作显然不能够被现在乃至当时的步态研究学者采纳。二十世纪四十年代和又提出了一种新方法“?“。在受试者的髋、膝、躁关节和脚上分别固定一个发光灯泡一个带有细长孔的圆哈尔滨工程大学硕士学位论文盘在摄像机前匀速旋转受试者行走过程中发光点在胶片上产生一系列的点将这些点连接起来并手动测量各个关节的角度。为了得到各关节在矢状面上的旋转角度将一些针状物扎入到骨盆、大腿骨和胫骨上通过固定在受试者上方的摄像机 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 各个针的旋转参数。这给受试者带来的痛苦是不可想象的因此该种方法仍然不其有实际应用价值。步态运动学研究方法发展到二十世纪中后期出现了多种步态参数测量方法其中具有代表性的研究成果方法有利用频闪光和反光片手动测量关节转角直到二十世纪六十年代美国威斯康星州的博士发明了一种简单、有效、低成本的步态参数测量方法在受试者各关节点位置贴上反光片并在频闪光前行走通过测量胶片上记录下来的反光片的位置可以得到单个肢体的运动参数。的测量方法不仅可以得到受试者上肢、躯干、骨盆以及下肢的运动参数而且还可以得到矢状面内的旋转角度。她的研究结论在很大程度上已经非常相似于现在的研究结论缺点是仍然需要手动测量不仅延长了工作时闻而且还会带来较大的测量误差。利用电子量角器直接测量关节角度使用量角器测量关节转角的方法被许多研究人士认同并采纳。最先将量角器用于测量步态关节转角的是兄弟”与先前的方法比较这种方法的优点在于可以快速的测量多个步态周期的各关节转角并绘制相关的图表曲线而且不需要对数据进行大量的手动计算。随后在年等人发表的文章中阐述了一种在线测量方法用六个高精度电位计对髋、膝、踝关节在矢状面内的旋转角度进行适时测量这种方法可以在测量的同时对采集到的数据进行在线处理并且操作简单、可靠、成本较低。运用这种方法进行人体步态运动学分析的还有 和和等等。较具代表性的研究有 博士在年基于陀螺仪的基本原理发明的三维量角器如图所示并将欧拉方程运用到了测量数据的计算当中“…。哈尔滨工程大学硕士学位论文图使用三维测角仅测量髋关节和膝关节的转角使用测角仪测量关节角度表面上看是一种行之有效的方法但是仍然不能够在临床上应用原因如下其一由于被测对象的身高和体重变化范围较大即使有多种大小规格的测量仪器也不可能适用于任何人其二大量的硬件设备给小孩 子的测量带来了困难其三尽管可以将所有设备牢固的固定在身体表面但是由于皮肤与骨骼的相对运动以及软组织的滑动必定给测量结果带来无法消除的误差。数字检影技术在步态分析中的应用早期的步态分析系统采用电影技术摄取各个实时活动环节进行分析。采用人工数字捡影技术后通过两部或多部摄像机可确定标志物的三维位置。摄影分析和人工数字检影主要的不足是使资料数字化需要很长的处理时间操作者需经多方面的训练。最先将数字检影技术用于步态参数测量的是美国的在当时计算机存储容量和计算速度还都相当初级的阶段从起初手动记录屏幕上特征点的坐标到后期利用光电编码器测量其位置坐标再到最后利用声波数字转换器采集测量数据如图所示““。从二十世纪末开始步态运动学研究方法开始进入了成熟阶段许多国家建立了步念运动学分析 实验室 17025实验室iso17025实验室认可实验室检查项目微生物实验室标识重点实验室计划 并且开始向实用化、自动化方向发展。哈尔滨工程大学硕士学位论文图基于声波数字转换器的图像处理步态分析基于图像处理的自动跟踪系统随着计算机存储能力与计算速度的不断增强在二十世纪后期许多研究机构建立起了基于图像处理技术的自动人体步态运动跟踪系统标志着步态运动学研究进入到了一个新阶段。大多数的研究机构采用在受试者的主要关节部位贴上与背景颜色反差明显的反光片或发光体用两个或多个摄像机从不同角度拍摄受试者的运动过程通过图像处理技术采集标志点的运动特征参数。年美国的等人进行了人体运动学研究如图所示““他们采用了个反光片贴在被测者的主要关节部位进行图像采集。年意大利的研究者和等人运用相同的测量原理对入行走过程中上半身的肢体运动进行了研究得出了肩膀、躯干和骨盆之问的旋转运动关系。图清楚地描述了分析原理“…。日本东京的科学与工程学院在年推出了一套用于双足类人机器人的步态参数自动跟踪系统。…。该系统的特点在于可以在线获取人体运动参数通过数据处理和计算机仿真对双足机器人进行在线示教使机器人完成和受试者相同的动作。哈尔滨工程大学硕士学位论文棼蠖图用反光片测量运动参数图测量上半身运动参数与以往的测量方法比较自动跟踪系统具有如下优点、同时采集全身各部位的运动信息可以方便的比较各个肢体之间的运动关系、此方法不受受试者的年龄、身高、体重、健康状况等各种因素的影响因此便于临床分析研究、通过完善软件系统可以使整个测量过程更加简单化、系统化、智能化、采用高性能的计算机处理系统便于系统的进一步开发例如在测量过程中添加虚拟现实技术等等。此系统仍然存在诸多缺点、由于使用多台高性能的摄像机和大量的反光片使测量系统的成本高于以往任何测量系统、摄像机放置位置、室温变动以及传感器和电子仪器移动会给系统带来误差因此必须具备正确的摄像方法和校准系统。在大多数步态分析实验室里每天都要对该系统校准次以减少系统误差。、图像处理是一门专业性技术因此自动跟踪系统的歼发与使用都要求操作人员具有专业的计算机图像处理知识这给临床应用带来了诸多不便。哈尔滨工程大学硕士学位论文加速度计在人体运动参数测量中的应用在步态运动学的整个发展过程中一直以受试者被测部位的位置参数为主要研究对象而对速度和加速度的研究相对较少。年加拿大大学的等人把加速度计应用到了人体运动学分析上。在受试者的脑部后面和第三棘突位置安装两个三维加速度计通过信号采集和数据处理得到了人在行走过程中头部和躯干在竖直、左右和前后方向的加速度值和三维运动轨迹。基于模型的自动跟踪系统年英国南安普敦大学电子与计算机科学学院提出了一种基于模型的自动跟踪系统通过建立人体运动模型对图像数据进行处理分析。这种新方法可以避免误差提高系统可靠 性。同年美国俄亥俄州大学建立了人体三维运动模型在人体运动跟踪实验中得到了很好的应用。国内发展概况我国关于人体步态运动学的研究虽然起步较晚但到目前为止已经有许多研究机构建立起了人体运动参数测量系统。基于图像处理技术的步态运动学研究„年清华大学建立了人体运动信息检测分析系统。”。实验平台示意图如图所示检测系统包括三维测力系统和运动轨迹检测系统。实验中受试者侧面布置有个黑白圆环平面标志点以方便测试系统的自动识别如图所示前方和侧面各放置一台摄像头以获得肢体位移和各关节角度等运动学参数。由于步态的运动主要集中在矢状面内因此侧面记录的是肢体的主要运动信息。从年杨年峰的博士论文中可以看出在人体运动协调规律及其参数化描述方面清华大学已经进行了较为成熟的研究。浙江大学的汪元美教授等人基于现有的视频分析方法提出了目前人体运动学研究中存在的问题并将目前的研究工作划分为基于特征和基于模型两种不同的方法通过对两类不同单目视频中的人体运动跟踪问题的研究建立了解决这些问题的思路和框架并就这两类方法作了科学的比较“”。浙江大学的研究成果使视频研究在人体步态分析中的应用得到了优化。图哈尔滨工程人学硕士学位论文是上海交通大学研制的测量系统其中包括图像输入、图像处理和图像输出三个部分…。图下肢步态实验平台图标志点的分布测同步膝冲发生器图简易步态测量系统除此以外基于图像处理技术研究步态运动学参数的机构还有中国科学院自动化研究所模式识别国家重点实验室、浙江工程学院计算机视觉与模式识别研究中心“…、清华大学机电工程与应用电子技术系生物医学工程研究所”…、浙江工程学院信息电子学院。”等等。超声技术在步态运动学研究中的应用中国科技大学近代物理系杨衍明和林方等人以超声三点定位法为基础设哈尔滨工程大学硕士学位论文计研制了一套人体下肢关节点运动轨迹仪用以测量分析人体行走过程中的步态参数。此系统采用分时循环发射的超声脉冲作为被检测关节点的定位信号已选频高增益放大器和时钟对超声信号进行精确定位并消除反射波的干扰可以使定位精度达。在对人体行走步态的实测中此系统显示了数据采集处理速度快、受试者行走自然、重建的步态直观真实、视角多变灵活等突出特点九。存在的问题及发展前景存在的问题到目前为止国内外在人体运动信息测量领域取得了可喜的成就但是仍然存在许多尚未解决的问题反光片或发光体安放位置的准确性和可靠性问题安放位置的任何误差都会直接影响到测量精度和后续计算的准确程度。利用现有的任何一种测量方法所能得到的大都是人体肢体表面的运动信息必须通过软件系统提供的数学模型才可以得到骨盆中心点和各个关节中心点的真实运动参数而这些模型全部来自于对尸体的解剖分析。对于某些病人来说由于本身生理结构上存在的缺陷使他们具有特殊的数学模型因此模型的建立和准确性是另一个尚未解决的问题由于人的足部具有结构复杂、骨骼密集的特点现有的步态运动学分析方法都不可以用来测量足部各个关节的运动参数因此足部运动参数的测量仍是尚未解决的问题基于反光片的人体步态自动跟踪系统被现代研究学者广泛认同但是系统的高成本性大大影响了其实用性。另外操作人员需要长时间的 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