人体重心检测方法研究及系统实现

摘要

平衡功能是人体的一项基本生理机能，日常生活中的基本行为活动都以良好的平衡作保障，因此人体重心运动信息的研究在学术、医学等领域有着广泛的应用价值。国内外研究中主要通过分析人体在各种姿势下的重心摇摆情况来推断平衡能力。然而，目前常用的人体重心测量设备尚存在不足之处，评测结果受主观影响较大，有些则体积大、价格昂贵，不方便携带等。基于以上问题，本研究主要围绕平衡能力评测，以及人体重心检测方法做了如下工作：
　　第一，为了实时检测人体重心位置，评价人体在各方向上的平衡能力，本研究以单级倒立摆为模型结构，构建二维重心检测及平衡评测系统。该系统采用 PC/104为核心控制器，并以 QNX为实时操作系统，利用力平台采集人体压力中心 COP(center of pressure)波动信息，同时提取调节时间作为评价指标。通过设计视觉刺激评测软件，为被测者提供多方位视觉激励源，避免了被测者在运动方向上的预动作而带来的误差。
　　第二，通过对73名健康大学生的实验研究，证实该系统可对人体多方向上的平衡能力进行定量客观评定，并统计出正常人平衡调节时间的参考范围为4-13 s；另外，其实验数据在一定程度上反映出人体性别、身高与平衡能力存在相关性，而体重与平衡能力之间的关系则不太明显。
　　第三，针对二维重心检测系统在实验中遇到的问题和不足，本研究提出人体三维重心检测方法。人体平衡过程通过各关节的转动实现，利用安装于各关节的倾角传感器网络，可检测平衡过程。利用重心合成及坐标变换法推导得到直立状态下的三维重心坐标公式，并根据此原理得到以倾角传感器网络为检测装置的便携的三维重心测量系统。
　　第四，本研究选用专用运动捕捉系统作为实验参照组，采用对比实验法来验证所提出三维重心测量系统的可行性。通过以20名大学生为对象的实验研究，综合两组重心在三维方向上的分布轨迹、最大值和最小值以及均方根误差三方面的分析结果，得到由两套系统采集得到的重心数据具有一致性，从而验证了倾角网络系统的可行性。
　　本研究在构建二维重心检测系统的基础上，提出三维重心检测方法，并完成了系统实现。该系统的特点在于引入倾角传感器网络，可实时测量人体各合成环节的倾斜角度，将其代入本研究得到的公式中，便可求出人体的三维重心坐标，处理方便，计算量小。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 选题背景及依据

1.2 国内外重心检测技术发展及研究现状

1.3 研究的意义及目的

1.4 论文结构安排

第2章 二维重心检测及平衡评测系统

2.1 人体动力学模型

2.2 检测系统的整体结构

2.3 评测软件

2.4 本章小结

第3章 二维重心检测系统实验研究

3.1 被试对象

3.2 实验过程

3.3 结果与分析

3.4 本章小结

第4章 人体三维重心动态测量系统

4.1 人体三维重心坐标推导过程

4.2 三维重心动态测量系统的整体结构

4.3 本章小结

第5章 三维重心动态测量实验研究

5.1 运动捕捉系统介绍

5.2 实验准备工作

5.3 数据采集与处理

5.4 结果与分析

5.5 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

附录

致谢

攻读硕士学位期间发表论文情况