本發(fā)明涉及運動生物力學(xué)領(lǐng)域，特別涉及一種運動生物力學(xué)耦合分析系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

運動生物力學(xué)著眼于生物運動機理和運動規(guī)律的探索，是揭示生命體運動原理奧秘的基礎(chǔ)。然而，由于生物體是一個復(fù)雜、非線性、自適應(yīng)的生命系統(tǒng)，個體差異性、運動形式多樣性及活體實驗的局限性使得開展運動生物力學(xué)的研究目前仍存在很多的問題亟待解決。在理論研究方面，生物運動力學(xué)模型的建立是理論研究的關(guān)鍵，目前運動生物力學(xué)研究大多采用多剛體或骨骼肌肉模型，模擬生物運動形式，估算關(guān)節(jié)、骨骼和肌肉在運動過程中的載荷及運動規(guī)律，但由于這些力學(xué)模型都存在許多的簡化和假設(shè)，并且再加上力學(xué)方程的不封閉性、理論誤差的不可測性、模擬的困難性等原因，單用理論方法來研究生物運動目前還存在很大的缺陷。在試驗測試方面，目前采用單一或兩兩組合的測試方法居多，雖然可以獲取生物運動時的某些運動學(xué)或動力學(xué)參數(shù)，但并不能對生物運動的力學(xué)性能參數(shù)進行全面的、同步測量與分析，也無法獲取肌肉運動規(guī)律的細節(jié)信息，再加上試驗數(shù)據(jù)分析的復(fù)雜性、試驗誤差的不可避免性和不可重復(fù)性等原因，單用試驗方法同樣無法彌補研究成效的不足。

綜觀上述運動生物力學(xué)研究現(xiàn)狀，亟需一種能夠多學(xué)科、多測試方法同步測量，并可以與理論分析相結(jié)合的運動生物力學(xué)耦合分析系統(tǒng)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種能夠多學(xué)科、多測試方法同步測量，并可以與理論分析相結(jié)合的運動生物力學(xué)耦合分析系統(tǒng)。

本發(fā)明具有測試參數(shù)全面、通用性好、簡單可靠等優(yōu)點，真正意義上實現(xiàn)了對生物運動的多力學(xué)參數(shù)、運動機理和運動規(guī)律的在體、實時、精確全面的定量分析。

本發(fā)明包括有測試裝置、無線同步觸發(fā)裝置和人機交互軟件系統(tǒng)；

所述的測試裝置包括變速測力跑臺、鞋墊式足底測量裝置、光學(xué)動作捕捉裝置、高速攝像裝置、無線肌電測量裝置；其中，變速測力跑臺通過電機及升降裝置完成速度和角度的無級可調(diào)，實現(xiàn)生物上坡、下坡、快跑、慢走等多種運動模式模擬，變速測力跑臺的跑帶上安裝有柔性陣列壓力傳感器，柔性陣列壓力傳感器實現(xiàn)生物運動時六分量數(shù)據(jù)包括fx、fy、fz、mx、my、mz的獲??；鞋墊式足底測量裝置內(nèi)集成電容式傳感器，采集人在各種運動中足底動態(tài)壓力分布和壓力中心變化軌跡力學(xué)信息；光學(xué)動作捕捉裝置由兩個或兩個以上感光發(fā)射/接收器和反射標(biāo)記球組成，用來測量及計算生物三維運動位移和角度變化運動學(xué)信息；高速攝像裝置由兩個或兩個以上的高速攝像機組成，高速攝像裝置全方位實時捕捉生物運動過程；無線肌電測量裝置通過多個肌電電極采集運動時肌肉群的激勵序列、收縮狀態(tài)等動力學(xué)參數(shù)；高速攝像機和光學(xué)動作捕捉裝置的感光發(fā)射/接收器安裝在伸縮桿的兩端，且通過伸縮桿調(diào)節(jié)安裝的高度。

所述的無線同步觸發(fā)裝置通過發(fā)射同步脈沖控制測試裝置，實現(xiàn)生物運動學(xué)及動力學(xué)參數(shù)的信號同步采集及存儲；

所述的人機交互軟件系統(tǒng)包括測試生物力學(xué)模型模塊、參數(shù)設(shè)置模塊、數(shù)據(jù)批處理模塊、光學(xué)捕捉試驗數(shù)據(jù)的預(yù)處理模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、數(shù)據(jù)庫存儲及人工回放分析模塊；其中，生物力學(xué)模型模塊內(nèi)嵌常規(guī)彈簧-質(zhì)量-阻尼模型、多剛體模型、神經(jīng)-肌肉-骨骼系統(tǒng)模型供用戶自由選擇，同時也提供智能導(dǎo)入和重構(gòu)模型功能，用戶可導(dǎo)入ct、mri、超聲圖像重構(gòu)數(shù)字化生物圖像模型，也可導(dǎo)入運動學(xué)或動力學(xué)批量運動數(shù)據(jù)重構(gòu)基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模型；參數(shù)設(shè)置模塊提供變速測力跑臺速度及角度、鞋墊式足底測量裝置信號采樣頻率、光學(xué)動作捕捉裝置捕捉頻率等測試裝置參數(shù)設(shè)定；數(shù)據(jù)批處理模塊包括批量數(shù)據(jù)空隙填補、數(shù)字濾波；光學(xué)捕捉試驗數(shù)據(jù)的預(yù)處理包括環(huán)節(jié)和關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心解剖學(xué)局部坐標(biāo)系確定、運動過程中環(huán)節(jié)技術(shù)局部坐標(biāo)系確定、局部坐標(biāo)系到全局坐標(biāo)系映射；數(shù)據(jù)分析模塊包括三維運動學(xué)分析、動力學(xué)分析、力學(xué)耦合分析；數(shù)據(jù)庫存儲模塊可以將測試預(yù)設(shè)參數(shù)信息、測試原始數(shù)據(jù)及分析結(jié)果進行自動存儲，為生物力學(xué)分析及后續(xù)數(shù)據(jù)瀏覽與查詢提供信息化資源；人工回放分析模塊可以方便用戶對整個生物力學(xué)測試測試過程進行逐點回放，同時支持對各種運動學(xué)和動力學(xué)參數(shù)進行回顧性深入分析。

所述的變速測力跑臺、鞋墊式足底測量裝置、光學(xué)動作捕捉裝置、高速攝像裝置和無線肌電測量裝置可單獨進行生物運動測試，也可幾個組合或同時一起進行生物運動測試。

本發(fā)明的有益效果：

1、簡單緊湊，僅需較小的范圍，即可實現(xiàn)對生物多種運動模式下的運動力學(xué)測試。

2、能實現(xiàn)多個生物運動測試裝置的同步、自動化測量，不但能夠獲取全面的生物運動學(xué)和動力學(xué)參數(shù)，而且可以獲得肌肉運動規(guī)律的細節(jié)信息。

3、生物力學(xué)模型模塊不但提供理論研究常用的生物運動力學(xué)模型，還提供多種運動力學(xué)模型建模方式，可滿足生物不同運動特性分析需求。

4、人機交互軟件系統(tǒng)集成多個智能數(shù)據(jù)處理模塊，實現(xiàn)了從信號同步采集、數(shù)據(jù)批處理、多運動參數(shù)耦合分析到后續(xù)測試結(jié)果的信息化管理等整個過程的自動化、智能化，軟件交互界面良好，使用方便，效率高，實用性強，具有較好的應(yīng)用及推廣價值。

附圖說明

圖1是本發(fā)明變速測力跑臺、光學(xué)動作捕捉裝置及高速攝像裝置示意圖。

圖2是本發(fā)明鞋墊式足底測量裝置示意圖。

圖3是本發(fā)明無線肌電電極示意圖。

圖4是本發(fā)明光學(xué)動作捕捉裝置部分反射標(biāo)記球示意圖。

圖5是本發(fā)明的人機交互軟件系統(tǒng)示意圖。

圖6是本發(fā)明的參數(shù)設(shè)置模塊示意圖。

其中：1-高速攝像機；2-伸縮桿；3-感光發(fā)射/接收器；4-變速測力跑臺；5-鞋墊式足底測量裝置；6-電容式傳感器；7-無線肌電電極；8-柔性陣列壓力傳感器；9-反射標(biāo)記球；10-人機交互軟件系統(tǒng)；11-參數(shù)設(shè)置模塊；

具體實施方式

請參閱圖1、圖2、圖3、圖4、圖5和圖6所示，本實施例包括有測試裝置、無線同步觸發(fā)裝置和人機交互軟件系統(tǒng)10；

所述的測試裝置包括變速測力跑臺4、鞋墊式足底測量裝置5、光學(xué)動作捕捉裝置、高速攝像裝置1、無線肌電測量裝置；其中，變速測力跑臺4通過電機及升降裝置完成速度和角度的無級可調(diào)，實現(xiàn)生物上坡、下坡、快跑、慢走等多種運動模式模擬，變速測力跑臺4的跑帶上安裝有柔性陣列壓力傳感器8，柔性陣列壓力傳感器8實現(xiàn)生物運動時六分量數(shù)據(jù)包括fx、fy、fz、mx、my、mz的獲取；鞋墊式足底測量裝置5內(nèi)集成電容式傳感器6，采集人在各種運動中足底動態(tài)壓力分布和壓力中心變化軌跡力學(xué)信息；光學(xué)動作捕捉裝置由兩個或兩個以上感光發(fā)射/接收器3和反射標(biāo)記球9組成，用來測量及計算生物三維運動位移和角度變化運動學(xué)信息；高速攝像裝置1由兩個或兩個以上的高速攝像機組成，高速攝像裝置1全方位實時捕捉生物運動過程；無線肌電測量裝置通過多個肌電電極7采集運動時肌肉群的激勵序列、收縮狀態(tài)等動力學(xué)參數(shù)；高速攝像機1和光學(xué)動作捕捉裝置的感光發(fā)射/接收器3安裝在伸縮桿2的兩端，且通過伸縮桿2調(diào)節(jié)安裝的高度。

所述的無線同步觸發(fā)裝置通過發(fā)射同步脈沖控制測試裝置，實現(xiàn)生物運動學(xué)及動力學(xué)參數(shù)的信號同步采集及存儲；

所述的人機交互軟件系統(tǒng)10包括測試生物力學(xué)模型模塊、參數(shù)設(shè)置模塊11、數(shù)據(jù)批處理模塊、光學(xué)捕捉試驗數(shù)據(jù)的預(yù)處理模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、數(shù)據(jù)庫存儲及人工回放分析模塊；其中，生物力學(xué)模型模塊內(nèi)嵌常規(guī)彈簧-質(zhì)量-阻尼模型、多剛體模型、神經(jīng)-肌肉-骨骼系統(tǒng)模型供用戶自由選擇，同時也提供智能導(dǎo)入和重構(gòu)模型功能，用戶可導(dǎo)入ct、mri、超聲圖像重構(gòu)數(shù)字化生物圖像模型，也可導(dǎo)入運動學(xué)或動力學(xué)批量運動數(shù)據(jù)重構(gòu)基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模型；參數(shù)設(shè)置模塊11提供變速測力跑臺速度及角度、鞋墊式足底測量裝置信號采樣頻率、光學(xué)動作捕捉裝置捕捉頻率等測試裝置參數(shù)設(shè)定；數(shù)據(jù)批處理模塊包括批量數(shù)據(jù)空隙填補、數(shù)字濾波；光學(xué)捕捉試驗數(shù)據(jù)的預(yù)處理包括環(huán)節(jié)和關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心解剖學(xué)局部坐標(biāo)系確定、運動過程中環(huán)節(jié)技術(shù)局部坐標(biāo)系確定、局部坐標(biāo)系到全局坐標(biāo)系映射；數(shù)據(jù)分析模塊包括三維運動學(xué)分析、動力學(xué)分析、力學(xué)耦合分析；數(shù)據(jù)庫存儲模塊可以將測試預(yù)設(shè)參數(shù)信息、測試原始數(shù)據(jù)及分析結(jié)果進行自動存儲，為生物力學(xué)分析及后續(xù)數(shù)據(jù)瀏覽與查詢提供信息化資源；人工回放分析模塊可以方便用戶對整個生物力學(xué)測試測試過程進行逐點回放，同時支持對各種運動學(xué)和動力學(xué)參數(shù)進行回顧性深入分析。

所述的變速測力跑臺4、鞋墊式足底測量裝置、光學(xué)動作捕捉裝置、高速攝像裝置和無線肌電測量裝置可單獨進行生物運動測試，也可幾個組合或同時一起進行生物運動測試。