一种冰雪护具活动范围测量装置

1.本发明涉及护具角度测量技术领域，特别是指一种冰雪护具活动范围测量装置。


背景技术：

2.近年来，随着冰雪运动的发展，国内对护肘的需求日益旺盛。国内冰雪护肘生产厂家由于检测技术落后，生产的商品质量不及国外商家。本次发明依托科技部国家重点研发计划重点专项《穿戴式冰雪运动装备运动效能关键参数测试技术及设备研发》研制此测量设备和测试方法，旨在高效、准确地测量冰雪护肘角度，进而测得其活动范围及防护范围的测试指标。
3.在冰雪运动中肘部与膝部是运动损伤的主要部位，加强护具的性能能有效的保障运动员人身安全和活动自由。护具的保护性能体现当受到外力冲击是提供反向力使其肢体转动角度变小，避免关节脱臼；护具的活动性能体现在运动员肢体转动时，护具尽量不阻碍其转动，肢体在同等力矩主动转动角度越大越好。目前没有专门针对冰雪护具角度性能测试的方法，用在其他场合或通用场景的角度测试的现有技术主要有以下几个：
4.1.一种光学晶体用激光角度测量装置中，其本质利用激光直射刻度板的方式读出待测角度。本发明测量设备采用机器视觉的方法识别关键点后计算角度，不仅不会因被测件与激光器之间距离会出现偏差而影响角度测量精度，还可以在图像分析后自动读取角度使测量更高效。
5.2.凸轮轴角度测量仪中提出通过配置多个凸轮激光测量头提高角度检测效率，其本质是驱动装有激光测量头的凸轮进行测量，结合编码器输出角度。相比之下，本发明结构简单，无须考虑因多测量单元引入的复合误差。此外，由于冰雪护具角度测量时由于假肢需要更换不同护具，本发明测量方法结构简单、更适合穿戴护具。
6.3.水平万向角度测量装置及测量方法所提出的角度测量装置其本质是利用单轴角度传感器和重力摆实现水平任意倾向方向上的角度实时测量。相较于此，本发明用于测量的相机体积小巧，更易推广至其他需要进行角度测量的场合。
7.4.一种转角传感器的测试装置与测试方法中提出转角测试装置其本质在于在输入输出轴上通过安装角度传感器装置后进行角度测试。但是限制于角度传感器尺寸、布线等因素并不适合植入假肢模型，本发明将探测器外置可以有限解决此问题，且不必担心散热问题，也能灵活更好假肢规格。
8.5.一种用于涡轮增压器测试的角度检测装置中提出角度检测装置本质在磁化传感器上通过磁化检测探头检测磁化柱，依据极性通过次数得到磁性传感器的角度，由于其精度与磁化柱的数量有关，测量角度为有极测试。而本发明基于机器视觉的方法能测量任意角度，属于无极测量。
9.总体上，本发明与泛用的角度测量设备相比，结构设计简单，自动化和智能化程度高，测量角度的设备仅需一个感知探测器，可以是rgb相机、深度相机或者激光雷达等，且测试角度的方法更适合用于冰雪护具角度非接触测量。自动化体现在模拟冰球护具受力发生
角度变化时，通常做法是通过增减砝码来模拟不同力矩作用下假肢的旋转运动，使护具发生角度变化，而本发明设备是可控力设备，可以在手臂最长位置(手掌)发力，仅需控制电机输出的扭矩值，通过齿轮啮合将其转化为施加在假肢上的力矩，由于力臂长，因此力矩大，很小的力就可以产生很大的力矩，同时力作用点上移到手掌位置，发力设备可以做的较大，成本低，可控能力强。而传统想法如果是放在手臂肘部位置，则要求转矩电机体积很小，不能影响护具佩戴，则成本高并且力矩难以加大。智能化体现在与传统用物理尺规测量角度的方法相较，通过测量模块摄入的图像进行识别，解析出所需测量的角度值。通过本发明基于角度测试评定护具是否合格。


技术实现要素：

10.本发明为解决上述泛用的角度测量不适合在冰球护具角度测试的问题，提供一种方便的冰雪护具活动范围测量装置。
11.该装置包括测量模块、控制模块、机架模块和运动模块，运动模块安装在机架模块上，运动模块通过控制模块控制，测量模块设置在运动模块上方。
12.其中，运动模块包括假肢、连杆、电机、齿轮和万向轮，机架模块包括底板、齿圈、固定机架和大臂底座，固定机架固定在底板上，齿轮齿圈通过沉头螺栓固定在底板上，假肢一端通过大臂底座固定在固定机架上，另一端通过连杆连接电机，电机安装座底部安装万向轮，齿轮与电机轴通过键过盈配合连接，电机驱动其下部的齿轮，齿轮与齿圈外啮合。
13.测量模块为基于机器视觉的rgb相机、rgb-d相机、雷达中的一种。
14.假肢为手臂模型或腿部模型，当为手臂模型时，连杆连接小臂和电机。
15.大臂底座能够拆卸。
16.该装置用于护具性能测试，假肢长度大于护具覆盖长度，假肢最小收缩角度为30
°
，最大伸展角度为200
°
。
17.假肢为中空铝合金制成，假肢旋转中心设置轴承。
18.在测量冰雪护具角度时，在使假肢小臂或小腿端顺时针旋转至极限位置记录最小角α、逆时针为最大角β，从而确定护具角度范围。
19.本发明的上述技术方案的有益效果如下：
20.上述方案中，测量模块通过视觉来定位电机的位置，结合图像处理技术实时跟踪电机位置，并解析出大臂与小臂在水平面上的夹角。该装置结构简单，通过机器视觉的方法检测目标对象、解析角度，在使用上灵活，较传统的物理尺规和机械测量相比，提高了测量设备的智能化水平。
21.本发明结构设计精巧可更换的假肢、外置驱动的电机、简约的机架设计，利于生产制造；智能的图像识别技术检测与假肢相连的电机实时位置，结合假肢固定的部分位置(大臂、肘部或大腿、膝部)计算角度，如图2所示；通过控制模块的扭矩控制使假肢在外置电机驱动下能仿人肢体的转动。本方案较传统通用角度测量方法，更适合用于冰雪护具的角度测量、并能利用此装备评估护具的角度性能。
附图说明
22.图1为本发明的冰雪护具活动范围测量装置结构示意图；
23.图2为本发明的手臂模型可转动的角度范围图；
24.图3为本发明的测量模块选用rgb-d相机或雷达时电机与相机距离图；
25.图4为本发明装置在电机不同输出扭矩下测得的活动范围与防护范围；
26.图5为本发明的护肘关键性能测试方法流程图；
27.图6为佩戴护具的假肢在不同力矩驱动下所能达到的角度范围；
28.图7为本发明的冰雪护具活动范围测量装置三维视图；
29.图8为本发明实施例中不带护具下假肢受到的力矩示意图；
30.图9为本发明实施例中计算假肢所受力矩流程图；
31.图10为本发明实施例中rgb相机角度测量流程图。
32.其中：1-测量模块；2-控制模块；3-机架模块；4-运动模块；5-假肢；6-连杆；7-电机；8-齿圈；9-万向轮；10-固定机架；11-大臂底座。
具体实施方式
33.为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
34.本发明提供一种冰雪护具活动范围测量装置。
35.如图1和图7所示，该装置包括测量模块1、控制模块2、机架模块3和运动模块4，运动模块4安装在机架模块3上，运动模块4通过控制模块2控制，测量模块1设置在运动模块4上方。
36.运动模块4包括假肢5、连杆6、电机7、齿轮和万向轮9，机架模块包括底板、齿圈8、固定机架10和大臂底座11，固定机架10固定在底板上，齿轮齿圈8通过沉头螺栓固定在底板上，假肢5一端通过大臂底座11固定在固定机架10上，另一端通过连杆6连接电机7，电机7安装座底部安装万向轮9，电机7驱动其下部的齿轮，齿轮与齿圈外啮合。
37.测量模块为基于机器视觉的rgb相机、rgb-d相机、雷达中的一种，通过视觉来定位电机7的位置，结合图像处理技术实时跟踪电机7位置，并解析出假肢中大臂与小臂在水平面上的夹角(如假肢为腿部模型，则为大腿和小腿的夹角)。
38.假肢5为手臂模型或腿部模型，当为手臂模型时，连杆6连接小臂和电机7，通过电机7输出轴上齿轮与固定齿圈啮合将电机7旋转运动转化为与齿圈同心的圆周运动、将电机7输出扭矩转化为始终作用在小臂上的力矩。
39.电机7在控制模块2控制下可输出给定的扭矩、测量实时力矩，通过不同大小的扭矩输出来模拟手臂主动伸缩运动和外界不同大小、方向的力矩作用在小臂上的被动运动。
40.大臂底座能够拆卸，可以根据测试对象尺寸更换不同大小的假肢5。
41.假肢为手臂模型时，手臂模型可拆卸设计中大臂与底座采用螺纹连接，在连接处大臂与底座设计了一对孔轴配合，使受力不局限于用于连接的螺钉。大臂与小臂采用螺钉螺母连接，在螺钉上装有一对深沟球轴承用于降低旋转阻力。为减轻底座负重，大小臂皆为中空设计，且长度皆略大于护肘佩戴时所必须覆盖的长度。
42.假肢为手臂模型时，该装置用于护具性能测试，这表现在其可达人体手臂模型因外界冲击力受伤的角度范围，设计的最小可收缩到的角度为30
°
，小于人体手臂能收缩的最大角度；可伸展的最大角度为200
°
，大于人体手臂能伸展的最大角度。
43.通过以伺服驱动器为主的控制模块2控制下，电机7可以对其输出扭矩进行限幅，通过传动系统假肢5会以设定的扭矩值转动。当设定值较小时，可以仿真假肢5的自主运动；当设定值大时，可以模拟受外界力矩作用下的被动转动。
44.在力矩控制中通过伺服驱动器对电机进行输出扭矩限幅控制并通过齿轮齿圈传动进而实现作用于假肢的力矩控制。通过伺服电机的编码器使其与控制模块形成闭环控制回路。
45.其控制模式处于驱动器的速度控制模式及扭矩限幅控制，控制电机扭矩最大值n需大于确保电机旋转的空转扭矩n0，在不带护具下假肢受到的力矩如图8所示，由于传动装置的摩擦力，转动过程中假肢所受力矩略大于in0，直至假肢所能转动的极限位置处因受肢体阻力而上升至最大值in。
46.控制回路通过驱动器控制电机扭矩输出、电机将实际输出扭矩反馈至驱动器。计算机上测量软件与驱动器通讯读取实电机时扭矩信息，计算假肢所受力矩值m＝in为实际力矩测量值，如图9所示。
47.以rgb相机为例的机器视觉角度测量方法流程如图10所示。
48.实际设计中，假肢为中空铝合金制成，保证其不仅轻巧还有着不错的耐冲击性，适合护具性能测试。此外旋转中心加入轴承，减轻了转动阻力。
49.同时，假肢5可推广在非电机驱动下，在齿圈两端设置定滑轮后可通过其传动，用砝码重力驱动拉杆作圆周运动。
50.实际应用中，在使用rgb相机测量时，机器视觉上选用旋转中心与电机7的水平距离r为参考，通过像素匹配的方法识别电机7位置，此过程加大目标在距离旋转中心r上的可能性权重。
51.在用rgb-d相机(或雷达)测量时(如图3)，机器视觉上选用相机距离电机7的直线距离l为参考，其中，h为测量模块与假肢旋转中心的高度差，d为测量模块与识别目标(电机)的距离，r为识别目标与旋转中心的距离。该距离rgb-d相机通过双目视差测量(雷达由连续调频波测量)。在利用像素匹配的方法识别电机位置时加大目标在距离旋转中心l上的可能性权重。
52.在测量角度时结合像素匹配对电机7进行识别后返回其中心坐标，通过此中心坐标、肘部及大臂中心线另一端点坐标计算得到护肘的夹角。该设计与通过深度学习后的网络模型搜索图像中目标对象的方法相比，由于部分固定件(肘部、大臂)由标定完成，其计算复杂度远小于网络搜索模型，因此在实际应用上有着更低的延迟、对设备算力持更低的要求，故更容易推广应用。
53.在冰雪护具角度测量时由于佩戴冰雪护肘应使穿戴者手臂做伸缩时运动受阻程度低即主动做屈曲、伸展手臂运动时的角度活动范围应越大越好(主动运动时小力矩)；应使穿戴者受到外界致伤性的冲击力矩下保护手臂免遭内折伤和外脱臼即角度防护范围不能过大(被动运动时大力矩)。
54.在测量冰雪护具角度时，在使假肢小臂或小腿端顺时针旋转至极限位置记录最小角α、逆时针为最大角β，从而确定护具角度范围。如图4所示，可根据电机7输出的扭矩大小测量其性能指标，m0为较小的力矩，用来模拟人肢体主动意愿下的转动力矩，m1为大力矩，表征在运动中受到外力撞击下被动转动力矩，此时肢体有运动损伤的风险；其测量的性能指
标包括活动范围(α0，β0)和防护范围(α1，β1)，其中，α0和β0分别为活动的最小角度和最大角度，α1和β1分别为防护范围的最小角度和最大角度。
55.如图2，电机7主动牵引下小臂的转角范围大于人体正常转动的角度范围，能直观看到护肘保护下是否会超过正常转角范围，契合测试护肘性能场合。
56.如图5所示，将手臂模型的假肢更换为大腿、小腿模型后，亦可推广至测量护膝的性能测试方法。
57.下面结合具体实施例予以说明。
58.选定假肢5为手臂模型、测量模块1为rgb相机后，通过实例测试护肘角度和性能评价。
59.在准备阶段，首先选择一种尺寸的手臂模型，将大臂固定在大臂底座11上、小臂与连杆6连接后佩戴上护肘。可通过测试软件的预览画面调节相机画面，将肘部、大臂位置校准。肘部与预览画面中的标定圆同心、大臂中心线与标定中心线重合。
60.开始测量后，对相机摄入手臂模型图片进行识别、解析角度。如此便可测量护肘的活动范围、防护范围，测量方法如下。
61.活动范围测试，即模拟使用者戴上护具后小臂在自主挥动下能转动的角度范围测试。首先，控制小臂所受力矩值，例如控制电机7扭矩输出为n＝50nmm，小臂受到的力矩m＝in＝2000nmm，此时，传动比i为40∶1、小臂长l＝400mm，相当于f0＝m/l＝5n的力作用在小臂顶部。
62.其次，在该力矩所用下逆时针转动电机7，使小臂相向大臂旋转(顺时针)，所能达到位置记录大小臂之间的角度为活动范围最小角度α0；
63.随后，暂停电机7旋转，仍在该力矩作用下顺时针旋转电机7，待小臂逆时针旋转至活动范围最大角度β0。
64.停止测量，测得的活动范围为(α0，β0)。
65.进一步，防护范围测试，即模拟使用者戴上护具后小臂在外界冲击力下被动转动的角度范围测试。在控制小臂受到的力矩时设定值较大，例如控制电机扭矩输出为1nm，小臂受到的力矩则为40nm。
66.在该力矩作用下，使用与活动范围测试相同的方法测得防护范围(α1，β1)。
67.如图6所示，在(α0，β0)内为活动范围，护具不会阻碍运动；在(α1，α0)∪(β0，β1)内为防护区，护肘起到保护作用，避免在大力矩下手臂受到伤害；在(0，α1)∪(β1，)时，由于护肘保护不足，手臂将受到损伤。
68.以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种冰雪护具活动范围测量装置，其特征在于，包括测量模块、控制模块、机架模块和运动模块，运动模块安装在机架模块上，运动模块通过控制模块控制，测量模块设置在运动模块上方。2.根据权利要求1所述的冰雪护具活动范围测量装置，其特征在于，所述运动模块包括假肢(5)、连杆(6)、电机(7)、齿轮和万向轮(9)，机架模块包括底板、齿圈(8)、固定机架(10)和大臂底座(11)，固定机架(10)固定在底板上，齿轮齿圈(8)通过沉头螺栓固定在底板上，假肢(5)一端通过大臂底座(11)固定在固定机架(10)上，另一端通过连杆(6)连接电机(7)，电机(7)安装座底部安装万向轮(9)，电机(7)驱动其下部的齿轮，齿轮与齿圈外啮合。3.根据权利要求1所述的冰雪护具活动范围测量装置，其特征在于，所述测量模块为基于机器视觉的rgb相机、rgb-d相机、雷达中的一种。4.根据权利要求2所述的冰雪护具活动范围测量装置，其特征在于，所述假肢(5)为手臂模型或腿部模型，当为手臂模型时，连杆(6)连接小臂和电机(7)。5.根据权利要求2所述的冰雪护具活动范围测量装置，其特征在于，所述大臂底座能够拆卸。6.根据权利要求4所述的冰雪护具活动范围测量装置，其特征在于，所述假肢为手臂模型时，该装置用于护具性能测试，假肢长度大于护具覆盖长度，假肢最小收缩角度为30
°
，最大伸展角度为200
°
。7.根据权利要求2所述的冰雪护具活动范围测量装置，其特征在于，所述假肢为中空铝合金制成，假肢旋转中心设置轴承。8.根据权利要求1所述的冰雪护具活动范围测量装置，其特征在于，在测量冰雪护具角度时，在使假肢小臂或小腿端顺时针旋转至极限位置记录最小角α、逆时针为最大角β，从而确定护具角度范围。

技术总结
本发明提供一种冰雪护具活动范围测量装置，属于护具角度测量技术领域。该装置包括测量模块、控制模块、机架模块和运动模块，运动模块安装在机架模块上，运动模块通过控制模块控制，测量模块设置在运动模块上方。运动模块包括假肢、连杆、电机、齿轮齿圈和万向轮，机架模块包括固定机架和可拆卸的大臂底座，测量模块通过视觉来定位电机的位置，结合图像处理技术实时跟踪电机位置，并解析出大臂与小臂在水平面上的夹角。该装置结构简单，通过机器视觉的方法检测目标对象、解析角度，在使用上灵活，较传统的物理尺规和机械测量相比，提高了测量设备的智能化水平。备的智能化水平。备的智能化水平。


技术研发人员：陈先中 王丽君 侯庆文 毛吉炀
受保护的技术使用者：北京科技大学
技术研发日：2021.11.05
技术公布日：2022/3/7