利用傳感器解算正骨過程中骨骼空中姿態的方法
【專利摘要】本發明的利用傳感器解算正骨過程中骨骼空中姿態的方法，通過計算骨折模型上的關鍵點的空間坐標，獲得其在固定坐標系中的標準坐標，從而使用標準坐標的數值變化控制虛擬仿真模型的運動，解算出正骨過程中骨骼空中姿態，容易實現中醫正骨虛擬仿真系統中虛實模型同步聯動。計算簡便，準確度高。
【專利說明】
利用傳感器解算正骨過程中骨骼空中姿態的方法
技術領域
[0001]本發明涉及一種利用傳感器解算正骨過程中骨骼空中姿態的方法。
【背景技術】
[0002]中醫正骨手法是祖國醫學的重要組成部分，具有悠久的歷史和豐富的內容。中醫正骨治療骨傷疾病，具有“痛苦輕、愈合快、恢復好、價格低”的特點，深受患者喜愛，在國內外產生了巨大的影響。傳統的臨床教學方法通常是在患者身上進行手法的操作練習，不僅增加了患者痛苦，而且還會因為不正確的操作給患者帶來二次損傷，且訓練內容隨機的依賴于病人的出現，有很大的不可預見性。因此，這種“做一個，看一個，學一個”的方式難于進行系統的教學與練習，給中醫正骨的傳承和發展帶來了困難。
[0003]近年來，已有學者和研究人員嘗試將姿態解算應用于生物醫學領域中。如將MEMS慣性傳感器用于內窺鏡中，也有研究人員將人體姿態解算應用于康復訓練中。但就目前來說，將航天領域廣泛應用的姿態解算和醫學相結合是一個交叉地帶，也是一個新興的研究方向，有很高的研究價值。我們有必要在此領域進行更深入的研究和探索，將先進技術引入正骨訓練系統，形成符合正骨手法虛擬訓練系統特點和要求的傳感器數據融合算法和姿態數據濾波解算算法，實現手法作用過程中模型運動軌跡的精確描述，使虛擬骨折模型能更真實和準確的反映實體模型的運動情況。
【發明內容】
[0004]為解決以上技術上的不足，本發明提供了一種利用傳感器解算正骨過程中骨骼空中姿態的方法，實現了中醫正骨虛擬仿真系統中虛實模型同步聯動。
[0005]本發明是通過以下措施實現的:
[0006]本發明的一種利用傳感器解算正骨過程中骨骼空中姿態的方法，包括以下步驟:
[0007]步驟I，構建人體前臂仿真模型，并在模型的肘部安裝九軸陀螺儀，斷裂的撓骨上安裝位移傳感器，靠近肘部的尺骨一端安裝角度電位計I，靠近腕部的撓骨一端安裝角度電位計Π ；
[0008]步驟2，九軸陀螺儀測量前臂的三個偏離角度，得到前臂的姿態;位移傳感器測量斷裂的撓骨兩端的直線距離;角度電位計I和角度電位計Π測量斷裂的撓骨的偏離角度；
[0009]步驟3，以肘部為原點，求得角度電位計I的空間坐標，然后根據九軸陀螺儀測量的偏離角度和位移傳感器測量的斷裂的撓骨兩端的直線距離求得角度電位計Π的空間坐標；根據角度電位計I和角度電位計Π測量斷裂的撓骨的偏離角度以及位移傳感器測量的斷裂的撓骨兩端的直線距離求得斷裂的撓骨長度，進而求得撓骨斷裂處的空間坐標；
[0010]步驟4，根據步驟3得到的角度電位計1、角度電位計Π和撓骨斷裂處的空間坐標轉換成標準坐標。
[0011]上述將人體前臂仿真模型簡化成四邊形，四邊形的一個端點代表肘部且定義為原點0，與之連接的一個長邊代表尺骨，尺骨的另一端點定義為P點，四邊形的另一個斷開的長邊代表撓骨，斷開處的端點定義為A點和B點，與原點O通過短邊相連的四邊形端點定義為軸點O’，與P點通過短邊相連的四邊形端點定義為軸點P’，0’A代表斷裂的一段撓骨，P’B代表斷裂的另一段撓骨;線段00’和P’P為定長，求解P點、A點和B點在固定坐標系中的標準坐標。
[0012]本發明的有益效果是:通過計算骨折模型上的關鍵點的空間坐標，獲得其在固定坐標系中的標準坐標，從而使用標準坐標的數值變化控制虛擬仿真模型的運動，容易解算出正骨過程中骨骼空中姿態，實現了中醫正骨虛擬仿真系統中虛實模型同步聯動。
【附圖說明】
[0013]圖1為本發明的人體前臂仿真模型結構示意圖。
[0014]圖2為本發明的人體前臂仿真模型簡化后的結構示意圖。
[0015]其中:1九軸陀螺儀，2位移傳感器，3角度電位計Π，4角度電位計I。
【具體實施方式】
[0016]下面結合附圖對本發明做進一步詳細的描述:
[0017]本發明的利用傳感器解算正骨過程中骨骼空中姿態的方法，通過計算骨折模型上的關鍵點的空間坐標，獲得其在固定坐標系中的標準坐標，從而使用標準坐標的數值變化控制虛擬仿真模型的運動，解算出正骨過程中骨骼空中姿態，實現中醫正骨虛擬仿真系統中虛實模型同步聯動。
[0018]步驟I，構建人體前臂仿真模型，并在模型的肘部安裝九軸陀螺儀I，斷裂的撓骨上安裝位移傳感器2，靠近肘部的尺骨一端安裝角度電位計14，靠近腕部的撓骨一端安裝角度電位計Π 3;如圖1所示。
[0019]步驟2，九軸陀螺儀I測量前臂的三個偏離角度，得到前臂的姿態;位移傳感器2測量斷裂的撓骨兩端的直線距離；角度電位計14和角度電位計Π 3測量斷裂的撓骨的偏離角度；
[0020]步驟3，以肘部為原點，求得角度電位計14的空間坐標，然后根據九軸陀螺儀I測量的偏離角度和位移傳感器2測量的斷裂的撓骨兩端的直線距離求得角度電位計Π 3的空間坐標;根據角度電位計14和角度電位計Π3測量斷裂的撓骨的偏離角度以及位移傳感器2測量的斷裂的撓骨兩端的直線距離求得斷裂的撓骨長度，進而求得撓骨斷裂處的空間坐標；
[0021]步驟4，根據步驟3得到的角度電位計14、角度電位計Π3和撓骨斷裂處的空間坐標轉換成標準坐標。
[0022]如圖2所示，將人體前臂仿真模型簡化成四邊形，四邊形的一個端點代表肘部且定義為原點0，與之連接的一個長邊代表尺骨，尺骨的另一端點定義為P點，四邊形的另一個斷開的長邊代表撓骨，斷開處的端點定義為A點和B點，與原點O通過短邊相連的四邊形端點定義為軸點O’，與P點通過短邊相連的四邊形端點定義為軸點P’，0’A代表斷裂的一段撓骨，P’B代表斷裂的另一段撓骨;線段00’和P’P為定長，求解P點、A點和B點在固定坐標系中的標準坐標。
[0023]O為原點，O’為斷骨O’A的軸點，P’為另一根斷骨P’B的軸點。線段00’為定長，P’P也為定長。P點可以沿OP軸運動，運動的距離可以由位移傳感器2測得。我們已知條件為:①0P、00’、ΡΡ’、0’Α、Ρ’Β線段長度均為定長或測量值。②P點繞空間坐標系三軸旋轉的歐拉角X YZ已知。需要求解的內容是?點^點和8點的坐標?0，￥，2)^0，￥，2)、80，￥，2)。
[0024 ]其中，求A、B點坐標需要先求O ’和P ’點坐標。O ’點在固定坐標系中坐標求法:
[0025]X = X7 cos(x,x7 )+y7 cosCx^y7 )+z7 cos(x,z7 )
[0026]y = X7 cos(y ,X7 )+y7 cos(y ,y7 )+z7 cos(y ,z7 )
[0027]Z = X7 cos(z ,X7 )+y7 cos(z，y, )+z7 cos(z，z,)
[0028]其中，坐標x、y、z和x’、y’、z’分別為0’點在兩個坐標系--固定坐標系Oxyz和骨折模型空間坐標系OXYZ中的坐標。(O點為兩個坐標系的共同原點點需要先求P點，同求O’點算法一樣。斷骨軸點O’，P’求出后，O’A和P’B可由傳感器測得旋轉角度，可解A、B坐標。
[0029]以上所述僅是本專利的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本專利技術原理的前提下，還可以做出若干改進和替換，這些改進和替換也應視為本專利的保護范圍。
【主權項】
1.一種利用傳感器解算正骨過程中骨骼空中姿態的方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟I，構建人體前臂仿真模型，并在模型的肘部安裝九軸陀螺儀，斷裂的撓骨上安裝位移傳感器，靠近肘部的尺骨一端安裝角度電位計I，靠近腕部的撓骨一端安裝角度電位計Π; 步驟2，九軸陀螺儀測量前臂的三個偏離角度，得到前臂的姿態;位移傳感器測量斷裂的撓骨兩端的直線距離;角度電位計I和角度電位計Π測量斷裂的撓骨的偏離角度； 步驟3，以肘部為原點，求得角度電位計I的空間坐標，然后根據九軸陀螺儀測量的偏離角度和位移傳感器測量的斷裂的撓骨兩端的直線距離求得角度電位計Π的空間坐標;根據角度電位計I和角度電位計Π測量斷裂的撓骨的偏離角度以及位移傳感器測量的斷裂的撓骨兩端的直線距離求得斷裂的撓骨長度，進而求得撓骨斷裂處的空間坐標； 步驟4，根據步驟3得到的角度電位計1、角度電位計Π和撓骨斷裂處的空間坐標轉換成標準坐標。2.根據權利要求1所述利用傳感器解算正骨過程中骨骼空中姿態的方法，其特征在于:將人體前臂仿真模型簡化成四邊形，四邊形的一個端點代表肘部且定義為原點O，與之連接的一個長邊代表尺骨，尺骨的另一端點定義為P點，四邊形的另一個斷開的長邊代表撓骨，斷開處的端點定義為A點和B點，與原點O通過短邊相連的四邊形端點定義為軸點O’，與P點通過短邊相連的四邊形端點定義為軸點P’，0’A代表斷裂的一段撓骨，P’B代表斷裂的另一段撓骨;線段OO ’和P ’ P為定長，求解P點、A點和B點在固定坐標系中的標準坐標。
【文檔編號】G06F19/00GK105893776SQ201610272714
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年4月28日
【發明人】曹慧, 魏德健, 劉靜, 張俊忠, 馬金剛, 李振陽
【申請人】山東中醫藥大學