利用传感器解算正骨过程中骨骼空中姿态的方法

摘要

本发明的利用传感器解算正骨过程中骨骼空中姿态的方法，通过计算骨折模型上的关键点的空间坐标，获得其在固定坐标系中的标准坐标，从而使用标准坐标的数值变化控制虚拟仿真模型的运动，解算出正骨过程中骨骼空中姿态，容易实现中医正骨虚拟仿真系统中虚实模型同步联动。计算简便，准确度高。

权利要求

1.一种利用传感器解算正骨过程中骨骼空中姿态的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，构建人体前臂仿真模型，并在模型的肘部安装九轴陀螺仪，断裂的挠骨上安装位移传感器，靠近肘部的尺骨一端安装角度电位计Ⅰ，靠近腕部的挠骨一端安装角度电位计Ⅱ；

步骤2，九轴陀螺仪测量前臂的三个偏离角度，得到前臂的姿态；位移传感器测量断裂的挠骨两端的直线距离；角度电位计Ⅰ和角度电位计Ⅱ测量断裂的挠骨的偏离角度；

步骤3，以肘部为原点，求得角度电位计Ⅰ的空间坐标，然后根据九轴陀螺仪测量的偏离角度和位移传感器测量的断裂的挠骨两端的直线距离求得角度电位计Ⅱ的空间坐标；根据角度电位计Ⅰ和角度电位计Ⅱ测量断裂的挠骨的偏离角度以及位移传感器测量的断裂的挠骨两端的直线距离求得断裂的挠骨长度，进而求得挠骨断裂处的空间坐标；

步骤4，根据步骤3得到的角度电位计Ⅰ、角度电位计Ⅱ和挠骨断裂处的空间坐标转换成标准坐标；

所述的人体前臂仿真模型为：将人体前臂仿真模型简化成四边形，四边形的一个端点代表肘部且定义为原点O，与之连接的一个长边代表尺骨，尺骨的另一端点定义为P点，四边形的另一个断开的长边代表挠骨，断开处的端点定义为A点和B点，与原点O通过短边相连的四边形端点定义为轴点O'，与P点通过短边相连的四边形端点定义为轴点P'，O'A代表断裂的一段挠骨，P'B代表断裂的另一段挠骨；线段OO'和P'P为定长，求解P点、A点和B点在固定坐标系中的标准坐标。

说明书

利用传感器解算正骨过程中骨骼空中姿态的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种利用传感器解算正骨过程中骨骼空中姿态的方法。

背景技术

[0002] 中医正骨手法是祖国医学的重要组成部分，具有悠久的历史和丰富的内容。中医正骨治疗骨伤疾病，具有“痛苦轻、愈合快、恢复好、价格低”的特点，深受患者喜爱，在国内外产生了巨大的影响。传统的临床教学方法通常是在患者身上进行手法的操作练习，不仅增加了患者痛苦，而且还会因为不正确的操作给患者带来二次损伤，且训练内容随机的依赖于病人的出现，有很大的不可预见性。因此，这种“做一个，看一个，学一个”的方式难于进行系统的教学与练习，给中医正骨的传承和发展带来了困难。

[0003] 近年来，已有学者和研究人员尝试将姿态解算应用于生物医学领域中。如将MEMS惯性传感器用于内窥镜中，也有研究人员将人体姿态解算应用于康复训练中。但就目前来说，将航天领域广泛应用的姿态解算和医学相结合是一个交叉地带，也是一个新兴的研究方向，有很高的研究价值。我们有必要在此领域进行更深入的研究和探索，将先进技术引入正骨训练系统，形成符合正骨手法虚拟训练系统特点和要求的传感器数据融合算法和姿态数据滤波解算算法，实现手法作用过程中模型运动轨迹的精确描述，使虚拟骨折模型能更真实和准确的反映实体模型的运动情况。

发明内容

[0004] 为解决以上技术上的不足，本发明提供了一种利用传感器解算正骨过程中骨骼空中姿态的方法，实现了中医正骨虚拟仿真系统中虚实模型同步联动。

[0005] 本发明是通过以下措施实现的：

[0006] 本发明的一种利用传感器解算正骨过程中骨骼空中姿态的方法，包括以下步骤：

[0007] 步骤1，构建人体前臂仿真模型，并在模型的肘部安装九轴陀螺仪，断裂的挠骨上安装位移传感器，靠近肘部的尺骨一端安装角度电位计Ⅰ，靠近腕部的挠骨一端安装角度电位计Ⅱ；

[0008] 步骤2，九轴陀螺仪测量前臂的三个偏离角度，得到前臂的姿态；位移传感器测量断裂的挠骨两端的直线距离；角度电位计Ⅰ和角度电位计Ⅱ测量断裂的挠骨的偏离角度；

[0009] 步骤3，以肘部为原点，求得角度电位计Ⅰ的空间坐标，然后根据九轴陀螺仪测量的偏离角度和位移传感器测量的断裂的挠骨两端的直线距离求得角度电位计Ⅱ的空间坐标；根据角度电位计Ⅰ和角度电位计Ⅱ测量断裂的挠骨的偏离角度以及位移传感器测量的断裂的挠骨两端的直线距离求得断裂的挠骨长度，进而求得挠骨断裂处的空间坐标；

[0010] 步骤4，根据步骤3得到的角度电位计Ⅰ、角度电位计Ⅱ和挠骨断裂处的空间坐标转换成标准坐标。

[0011] 上述将人体前臂仿真模型简化成四边形，四边形的一个端点代表肘部且定义为原点O，与之连接的一个长边代表尺骨，尺骨的另一端点定义为P点，四边形的另一个断开的长边代表挠骨，断开处的端点定义为A点和B点，与原点O通过短边相连的四边形端点定义为轴点O'，与P点通过短边相连的四边形端点定义为轴点P'，O'A代表断裂的一段挠骨，P'B代表断裂的另一段挠骨；线段OO'和P'P为定长，求解P点、A点和B点在固定坐标系中的标准坐标。

[0012] 本发明的有益效果是：通过计算骨折模型上的关键点的空间坐标，获得其在固定坐标系中的标准坐标，从而使用标准坐标的数值变化控制虚拟仿真模型的运动，容易解算出正骨过程中骨骼空中姿态，实现了中医正骨虚拟仿真系统中虚实模型同步联动。

附图说明

[0013] 图1为本发明的人体前臂仿真模型结构示意图。

[0014] 图2为本发明的人体前臂仿真模型简化后的结构示意图。

[0015] 其中：1九轴陀螺仪，2位移传感器，3角度电位计Ⅱ，4角度电位计Ⅰ。

具体实施方式

[0016] 下面结合附图对本发明做进一步详细的描述：

[0017] 本发明的利用传感器解算正骨过程中骨骼空中姿态的方法，通过计算骨折模型上的关键点的空间坐标，获得其在固定坐标系中的标准坐标，从而使用标准坐标的数值变化控制虚拟仿真模型的运动，解算出正骨过程中骨骼空中姿态，实现中医正骨虚拟仿真系统中虚实模型同步联动。

[0018] 步骤1，构建人体前臂仿真模型，并在模型的肘部安装九轴陀螺仪1，断裂的挠骨上安装位移传感器2，靠近肘部的尺骨一端安装角度电位计Ⅰ4，靠近腕部的挠骨一端安装角度电位计Ⅱ3；如图1所示。

[0019] 步骤2，九轴陀螺仪1测量前臂的三个偏离角度，得到前臂的姿态；位移传感器2测量断裂的挠骨两端的直线距离；角度电位计Ⅰ4和角度电位计Ⅱ3测量断裂的挠骨的偏离角度；

[0020] 步骤3，以肘部为原点，求得角度电位计Ⅰ4的空间坐标，然后根据九轴陀螺仪1测量的偏离角度和位移传感器2测量的断裂的挠骨两端的直线距离求得角度电位计Ⅱ3的空间坐标；根据角度电位计Ⅰ4和角度电位计Ⅱ3测量断裂的挠骨的偏离角度以及位移传感器2测量的断裂的挠骨两端的直线距离求得断裂的挠骨长度，进而求得挠骨断裂处的空间坐标；

[0021] 步骤4，根据步骤3得到的角度电位计Ⅰ4、角度电位计Ⅱ3和挠骨断裂处的空间坐标转换成标准坐标。

[0022] 如图2所示，将人体前臂仿真模型简化成四边形，四边形的一个端点代表肘部且定义为原点O，与之连接的一个长边代表尺骨，尺骨的另一端点定义为P点，四边形的另一个断开的长边代表挠骨，断开处的端点定义为A点和B点，与原点O通过短边相连的四边形端点定义为轴点O'，与P点通过短边相连的四边形端点定义为轴点P'，O'A代表断裂的一段挠骨，P'B代表断裂的另一段挠骨；线段OO'和P'P为定长，求解P点、A点和B点在固定坐标系中的标准坐标。

[0023] O为原点，O'为断骨O'A的轴点，P'为另一根断骨P'B的轴点。线段OO'为定长，P'P也为定长。P点可以沿OP轴运动，运动的距离可以由位移传感器2测得。我们已知条件为：①OP、OO'、PP'、O'A、P'B线段长度均为定长或测量值。②P点绕空间坐标系三轴旋转的欧拉角X YZ已知。需要求解的内容是P点、A点和B点的坐标P(X,Y,Z)、A(X,Y,Z)、B(X,Y,Z)。

[0024] 其中，求A、B点坐标需要先求O'和P'点坐标。O'点在固定坐标系中坐标求法：

[0025] x＝x′cos(x，x′)+y′cos(x，y′)+z′cos(x，z′)

[0026] y＝x′cos(y，x′)+y′cos(y，y′)+z′cos(y，z′)

[0027] z＝x′cos(z，x′)+y′cos(z，y′)+z′cos(z，z′)

[0028] 其中，坐标x、y、z和x'、y'、z'分别为O'点在两个坐标系——固定坐标系Oxyz和骨折模型空间坐标系OXYZ中的坐标。(O点为两个坐标系的共同原点)。P'点需要先求P点，同求O'点算法一样。断骨轴点O'，P'求出后，O'A和P'B可由传感器测得旋转角度，可解A、B坐标。

[0029] 以上所述仅是本专利的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本专利技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本专利的保护范围。