專利名稱：一種人體環(huán)節(jié)重量的測量方法及設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及測定人體參數(shù)測試領(lǐng)域，更具體地說，涉及一種人體環(huán)節(jié)重量的測量方法及設(shè)備。
背景技術(shù)：
一般來講，人體的基本物理參數(shù)包括兩類一類是把人體整體及環(huán)節(jié)的質(zhì)量、質(zhì)心位置、轉(zhuǎn)動慣量及轉(zhuǎn)動半徑等稱為人體慣性參數(shù)；另一類是把人體整體及環(huán)節(jié)的長度、寬度和圍度等稱為人體形態(tài)參數(shù)。由于其在運動生物力學(xué)、工效學(xué)及相關(guān)學(xué)科的基礎(chǔ)性地位，長期以來對人體基本物理參數(shù)的測量研究一直倍受人們的關(guān)注。
近一百多年來，從尸體解剖發(fā)展到活體測量，國內(nèi)外專家學(xué)者對人體環(huán)節(jié)參數(shù)的測量研究做出了不懈地努力，進行了大膽地探索，先后曾出現(xiàn)過浸水法、攝影測量法、變換姿勢稱重法、突然釋放法、機械振動法、γ射線掃描法、CT法等多種活體測量方法，促進了人體環(huán)節(jié)測量研究的不斷進步。可以說，對人體環(huán)節(jié)參數(shù)測量研究的發(fā)展史就是一個不斷探索更好的測量方法并向人體環(huán)節(jié)參數(shù)個體化測量方向發(fā)展的過程。然而，從目前的研究現(xiàn)狀來看，人體環(huán)節(jié)參數(shù)模型還多為對稱型，且數(shù)據(jù)多來源于對正常成年人的測量，不適于特殊群體；精度高的人體環(huán)節(jié)參數(shù)模型均采用了帶有放射性的射線法(ZatsiorskY等采用γ射線掃描法，鄭秀瑗等采用CT法)，難以應(yīng)用于對少年兒童的環(huán)節(jié)參數(shù)研究。
事實上，人體的形態(tài)結(jié)構(gòu)和質(zhì)量分布特征的確具有鮮明的個體性，尤其是特殊群體個性特征更加明顯，譬如運動員群體，不同競技項目的運動員形體差異很大，某些項目運動員由于項目特點在長期的系統(tǒng)訓(xùn)練中還會產(chǎn)生人體優(yōu)勢側(cè)特征顯著的現(xiàn)象。因而，不論采用何種形式的人體環(huán)節(jié)慣性參數(shù)進行影像解析都無疑會在很大程度上抹殺受試者的個體特征。由此看來，提供對于受試者來說更加個性化的人體環(huán)節(jié)慣性參數(shù)是人體運動分析精化與細化的首要條件。
人體環(huán)節(jié)是指人體相鄰兩個關(guān)節(jié)中心之間的部分。人們根據(jù)這一概念把人體劃分為多個環(huán)節(jié)，并進行人體環(huán)節(jié)參數(shù)的測量。事實上，這一人為劃分人體環(huán)節(jié)的概念忽略了參與運動的人體環(huán)節(jié)的實際情況，不利于提供符合運動實際的參與運動的人體環(huán)節(jié)參數(shù)。因此，我們提出人體運動環(huán)節(jié)的概念。
多個人體運動環(huán)節(jié)通過關(guān)節(jié)的串聯(lián)式連結(jié)就構(gòu)成了人體運動環(huán)節(jié)鏈。環(huán)節(jié)和環(huán)節(jié)鏈這兩個概念是相對的，它們?nèi)Q于根據(jù)研究問題的需要而建立起來的人體模型。不同的人體模型環(huán)節(jié)劃分的方法是不同的，因而，一個人體模型的一個環(huán)節(jié)可以是另一個人體模型的一個環(huán)節(jié)鏈?；谌梭w運動環(huán)節(jié)與環(huán)節(jié)鏈概念的相對性的討論，我們提出在人體運動環(huán)節(jié)參數(shù)的測量研究中，應(yīng)盡可能多地提供一些環(huán)節(jié)鏈的慣性參數(shù)，使之成為人體運動環(huán)節(jié)參數(shù)體系中不可或缺的一部分。
鑒于人體環(huán)節(jié)參數(shù)在人體運動研究中的重要基礎(chǔ)地位，人們注意到了來擴展平衡板的功用，使其不僅可以測量人體整體的重量和重心位置，還可以用來測量人體環(huán)節(jié)的這些重量參數(shù)，因為人們意識到一旦利用平衡板測量人體環(huán)節(jié)重量參數(shù)的方法取得突破性進展，由于平衡板的簡便易行，和直接測量人體環(huán)節(jié)重量參數(shù)這種還原歸真的性質(zhì)，必將推動該項研究朝著個體化測量的方向邁進一大步。
綜上所述，我們認為當(dāng)前人體運動環(huán)節(jié)參數(shù)的測量研究中還普遍存在著以下不足，有待于進一步提高，使所提供的人體運動環(huán)節(jié)參數(shù)更加符合每一個個體運動的實際情況。
1)忽視了特殊人群的群體特征。即便是活體測量目前所提供的人體環(huán)節(jié)參數(shù)也僅限于正常人群體，不足以體現(xiàn)特殊人群的特殊性。
2)忽視了人體左右側(cè)發(fā)展的不平衡性。現(xiàn)有人體模型絕大部分是對稱性人體模型，尤其對于運動員群體，某些項目的運動員優(yōu)勢側(cè)特征明顯，有些情況不應(yīng)把人體視為左右對稱。
3)忽視了人體環(huán)節(jié)運動過程的實際情況。僅以一個幾何概念—關(guān)節(jié)中心為界來劃分人體環(huán)節(jié)而進行的參數(shù)測試，不足以描述運動中的環(huán)節(jié)總體。
4)忽視了人體環(huán)節(jié)、環(huán)節(jié)鏈二者的相對性。相對性概念的引入可減少誤差源，以更精確的參數(shù)來滿足實際需要。
為實現(xiàn)以上人體環(huán)節(jié)參數(shù)的測量，需要擴展平衡板的測量功用，即從測量人體整體重心位置轉(zhuǎn)變成測量人體環(huán)節(jié)的重量和重心位置，必然需要變換人體在平衡板上的姿勢進行稱重，如此以來我們可以發(fā)現(xiàn)以下的問題1)由于測量要求被測環(huán)節(jié)豎直向上舉起，被測環(huán)節(jié)的末端停留在空中，因此難以控制被測環(huán)節(jié)在測量過程中保持靜止不動，尤其對于整個下肢的測量就更難控制；2)在測量過程中要求被測環(huán)節(jié)應(yīng)當(dāng)完全伸直，而且要與板面成90°直角，在測量整個下肢環(huán)節(jié)時受試者很難完成這樣的動作。
3)在確定人體環(huán)節(jié)的瞬時轉(zhuǎn)動中心時，只能根據(jù)各關(guān)節(jié)的幾何中心予以確定，難以精確定位。
上述問題，目前還很難通過改進現(xiàn)有的一維平衡板予以解決，這主要是因為上述弊病是由一維平衡板自身的測量原理所致。目前平衡板測量理論的研究現(xiàn)狀是一方面，各國專家學(xué)者對人體環(huán)節(jié)重量參數(shù)的平衡板測量法進行了大量有益的嘗試，取得了重要的研究成果；另一方面，目前的研究還沒有能夠提供一個較為完備的測量方案，以滿足人體運動及其它社會實踐的需要。
針對現(xiàn)有技術(shù)存在以上相對的不足，提出本發(fā)明。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種能夠測量更加符合每一個個體運動的實際情況的人體運動環(huán)節(jié)重量的測量方法及測量設(shè)備。
本發(fā)明的中心理論為總重心圓理論，圖1為總重心圓理論圖釋，清楚的表達了運動環(huán)節(jié)(鏈)與人體總重心的聯(lián)動關(guān)系，其中A為人體所有不動環(huán)節(jié)合重心；B為人體運動環(huán)節(jié)(鏈)重心；C為人體總重心；Q為人體總重心圓圓心；O為人體運動環(huán)節(jié)(鏈)與不動環(huán)節(jié)相接關(guān)節(jié)的瞬時轉(zhuǎn)動中心。
在圖1中，B(xb，yb)為人體的運動環(huán)節(jié)(鏈)重心，繞與不動環(huán)節(jié)相接關(guān)節(jié)的瞬時轉(zhuǎn)動中心O(xo，yo)轉(zhuǎn)動，OB＝rb為人體運動環(huán)節(jié)(鏈)重心圓的半徑。A(xa，ya)為人體所有不動環(huán)節(jié)的合重心，是一個定點。由于人體總重量等于運動環(huán)節(jié)和不動環(huán)節(jié)的重量之和，根據(jù)質(zhì)點系的質(zhì)心合成定理，則有人體總重心C(xc，yc)必定位于直線AB上，即xc=waxa+wbxbwc---(1)]]>yc=waya+wbybwc---(2)]]>式中wa、wb、wc分別為運動環(huán)節(jié)(鏈)重量、所有不動環(huán)節(jié)重量和人體總重量；xa、xb、xc分別為運動環(huán)節(jié)(鏈)重心、所有不動環(huán)節(jié)的重心及人體總重心的x軸坐標，ya、yb、yc則為三者的y軸坐標，因為wc＝wa+wb………………………(3)把式(3)及A(xa，ya)代入式(1)、式(2)，并設(shè)wb/wa＝k，k為一定值，則有xc=xa+k·xb1+k---(4)]]>yc=ya+k·yb1+k---(5)]]>當(dāng)運動環(huán)節(jié)重心B點繞關(guān)節(jié)瞬時轉(zhuǎn)動中心O點做圓周運動時，此圓稱為人體運動環(huán)節(jié)(鏈)重心圓，B點運動軌跡方程為(xb-xo)2+(yb-yo)2=rb2---(6)]]>由式(4)、(5)變換得xb=(1+k)xc-xak,yb=(1+k)yc-yak]]>代入式(6)得((1+k)xc-xak-xo)2+((1+k)yc-yak-yo)2=rb2---(7)]]>將式(7)整理得(xc-xa+kxo1+k)2+(yc-ya-kyo1+k)2=(krb1+k)2---(8)]]>式(8)是一個圓方程式，這說明C(xc，yc)點的運動軌跡也是一個圓周。由于C點是人體總重心，故稱該圓為總重心圓，總重心圓圓心Q點的坐標是(xa+kxo1+k,ya+kyo1+k),]]>總重心圓的半徑為
QC=rc=k1+krb---(9)]]>式(9)說明人體總重心圓的半徑rc與運動環(huán)節(jié)(鏈)重心圓的半徑rb之比為k/(1+k)，僅與定比例系數(shù)k有關(guān)，故rc/rb＝k/(l+k)也為一定值。
本發(fā)明是基于任意平面直角坐標系提出總重心圓原理，即當(dāng)運動環(huán)節(jié)(鏈)重心繞與所有不動環(huán)節(jié)相接關(guān)節(jié)的瞬時轉(zhuǎn)動中心運動的軌跡為圓時，則總重心的運動軌跡也是一個圓，前者稱為運動環(huán)節(jié)(鏈)重心圓，后者稱為總重心圓，且總重心圓的半徑與運動環(huán)節(jié)(鏈)重心圓的半徑之比為一定值，該比值與運動環(huán)節(jié)(鏈)的重量和總重量的比值相同。
為實現(xiàn)以上發(fā)明目的，本發(fā)明根據(jù)上述原理所提供的發(fā)明方法為以重量矩和環(huán)節(jié)重心半徑為參數(shù)測定人體的環(huán)節(jié)重量，包括以下步驟1、人體至少以三種環(huán)節(jié)姿勢測量；2、標定被測環(huán)節(jié)瞬時轉(zhuǎn)動中心；3、計算人體總重心半徑；4、計算被測環(huán)節(jié)的重量矩；5、測量所測環(huán)節(jié)的環(huán)節(jié)重心半徑；6、得出環(huán)節(jié)重量并顯示數(shù)值。
根據(jù)上述發(fā)明方法，本發(fā)明提供了一種平衡板測量設(shè)備用于測量人體的環(huán)節(jié)參數(shù)，包括環(huán)節(jié)重量和環(huán)節(jié)重心位置的測定，所述測量設(shè)備包括通過放大器和信號采集卡共同連接在數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)主機上的二維平衡板和一維平衡板。
所述二維平衡板包括相互協(xié)作完成環(huán)節(jié)重量矩的測定及環(huán)節(jié)瞬時轉(zhuǎn)動中心的標定的稱重測量系統(tǒng)和坐標測量系統(tǒng)；所述稱重測量系統(tǒng)包括平衡板和底座以及設(shè)置在底座內(nèi)的偏心輪機構(gòu)，平衡板上設(shè)有力傳感器；所述坐標測量系統(tǒng)包括設(shè)置在平衡板上方的定位箱，定位箱與用來記錄位移的編碼器相連，定位箱內(nèi)設(shè)有標示裝置；所述力傳感器和編碼器的電信號通過放大器傳輸?shù)接嬎銠C上的采集卡上。
所述偏心輪機構(gòu)包括偏心凸輪和手搖把，所述偏心凸輪通過絲杠與手搖把連接。
所述定位箱設(shè)置在位于平衡板上方的導(dǎo)軌上，并通過滾輪可在導(dǎo)軌作X軸向運動，導(dǎo)軌通過滾輪可在支架上的導(dǎo)軌上作Y軸向運動。
所述編碼器包括設(shè)置在導(dǎo)軌上通過齒輪皮帶與定位箱連接的編碼器，設(shè)置在導(dǎo)軌上通過齒輪皮帶與定位箱連接的編碼器。
所述標示裝置為激光發(fā)射器，所述編碼器為旋轉(zhuǎn)式編碼器，所述平衡板和傳感器之間設(shè)置有光滑的鋼球，該平衡板上鋪有光滑的平面層。
所述一維平衡板包括相互協(xié)作完成環(huán)節(jié)重心半徑的測定的稱重測量系統(tǒng)和坐標測量系統(tǒng)；所述稱重測量系統(tǒng)包括設(shè)置在定支點和動支點上的平衡板；所述動支點設(shè)置在底座內(nèi)的絲杠上，絲杠的一端連接有手搖輪；所述坐標測量系統(tǒng)包括設(shè)置在定支點上的力傳感器和設(shè)置在動支點上的力傳感器，通過齒輪皮帶與傳感器相連的編碼器；所述力傳感器和編碼器的電信號通過放大器傳輸?shù)接嬎銠C上的采集卡上。
在所述平衡板的定支點端設(shè)有限位板。
所述定支點設(shè)置在可在導(dǎo)軌上移動的滾輪支架上，所述編碼器為旋轉(zhuǎn)式編碼器。
一般來說，人體環(huán)節(jié)重量參數(shù)包括環(huán)節(jié)重量、環(huán)節(jié)重心位置(重心半徑)，而在建立了人體運動環(huán)節(jié)(鏈)的概念以后，本發(fā)明提出了上述環(huán)節(jié)參數(shù)中應(yīng)當(dāng)增補重量矩這一參數(shù)，即人體運動環(huán)節(jié)(鏈)的重量與重心半徑的乘積。本發(fā)明提出重量矩這一概念，主要是出于以下三方面的考慮1)從概念上講，重量矩反映了人體運動環(huán)節(jié)(鏈)的質(zhì)量分布；2)從應(yīng)用上講，凡是在有以人體運動環(huán)節(jié)(鏈)的重量與重心半徑乘積的形式出現(xiàn)的計算中均可直接代入重量矩進行計算，例如計算人體運動環(huán)節(jié)(鏈)重心點的動量、計算人體運動環(huán)節(jié)(鏈)轉(zhuǎn)動過程中所受到的向心力等；3)從測量上講，我們采用的平衡板測量法在第一步測量工作中直接測得的就是人體運動環(huán)節(jié)(鏈)的重量矩，無需合成。
增補了重量矩這一參數(shù)以后，在一些研究中就可以最大程度地避免重量和重心半徑的乘積所帶來的合成誤差。
本發(fā)明的優(yōu)點為提供了更為個體化的人體環(huán)節(jié)重量的測量方法及相應(yīng)的設(shè)備，即更加符合每一個個體運動的實際情況的人體運動環(huán)節(jié)參數(shù)，對人體運動規(guī)律的深入探索起到極大的推動作用。另外本發(fā)明設(shè)備測試過程簡單，更加容易的確定人體環(huán)節(jié)的瞬時轉(zhuǎn)動中心且能夠保證一定的精度。
術(shù)語人體環(huán)節(jié)是指人體相鄰兩個關(guān)節(jié)中心之間的部分。
術(shù)語人體環(huán)節(jié)參數(shù)是指人體的環(huán)節(jié)重量和環(huán)節(jié)重心位置參數(shù)。
術(shù)語運動環(huán)節(jié)是指人體中可以轉(zhuǎn)動的相鄰的關(guān)節(jié)。
術(shù)語瞬時轉(zhuǎn)動中心是指人體運動環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)動的中心點。
術(shù)語環(huán)節(jié)姿勢是指人體的運動環(huán)節(jié)繞與不動環(huán)節(jié)相接關(guān)節(jié)的瞬時轉(zhuǎn)動中心轉(zhuǎn)動而做出的姿勢。
術(shù)語重心圓是指當(dāng)運動環(huán)節(jié)重心繞關(guān)節(jié)瞬時轉(zhuǎn)動中心點做圓周運動時，此圓稱為人體運動環(huán)節(jié)(鏈)重心圓。


1.圖1為總重心圓理論圖釋2.圖2為本發(fā)明方法流程框圖3.圖3為本發(fā)明平衡板設(shè)備總體示意圖4.圖4為二維平衡板總體原理圖5.圖5為二維平衡板設(shè)備的立體圖6.圖6為二維平衡板設(shè)備的主視圖7.圖7為二維平衡板設(shè)備的俯視圖8.圖8為二維平衡板信號采集框圖9.圖9為二維平衡板數(shù)據(jù)采集軟件框圖10.圖10為環(huán)節(jié)重心半徑的測量原理圖釋11.圖11為一維平衡板總體原理圖
12.圖12為一維平衡板設(shè)備的立體圖13.圖13為一維平衡板設(shè)備的主視圖14.圖14為一維平衡板設(shè)備的俯視圖15.圖15為一維平衡板數(shù)據(jù)采集軟件框圖16.圖16為平衡板測量過程示意圖具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進行詳細的描述圖2為本發(fā)明測量方法流程框圖，下面結(jié)合本發(fā)明平衡板測量設(shè)備對本發(fā)明進行詳細的描述。
圖3為本發(fā)明平衡板設(shè)備總體示意圖，二維平衡板和一維平衡板測得信號共同通過放大器和信號采集卡輸送到數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)主機上，利用主機里面已有的數(shù)據(jù)處理軟件處理信號，得出所測人體環(huán)節(jié)的環(huán)節(jié)重量并顯示。
圖4為二維平衡板工作原理框圖，本發(fā)明二維平衡板包括三個部分機械部分、電子部分和計算機軟件部分；三部分相配合組成兩個系統(tǒng)稱重測量系統(tǒng)和坐標測量系統(tǒng)；兩個系統(tǒng)相互協(xié)作完成兩個功能環(huán)節(jié)重量矩的測定及環(huán)節(jié)瞬時轉(zhuǎn)動中心的標定。
二維平衡板測量設(shè)備機械部分由稱重測量系統(tǒng)和坐標測量系統(tǒng)兩個部分組成，其機械圖為圖5、圖6和圖7。
1)稱重測量系統(tǒng)的機械部分圖6中，本發(fā)明設(shè)備稱重測量系統(tǒng)的機械部分包括平衡板板面1和底座2。平衡板板面1由鋼制框架的木板做成，其上鋪有光滑的面層17，以方便玻璃吸盤的吸附；底座2也為鋼制框架結(jié)構(gòu)，具有較大的重量，以保證儀器擺放穩(wěn)定。在底座2中設(shè)計了一個偏心輪機構(gòu)，這是該類儀器的首創(chuàng)設(shè)計。該機構(gòu)由手搖輪13帶動絲杠14，再由絲杠14帶動偏心輪12的轉(zhuǎn)動。偏心輪的設(shè)計主旨是要解決受試者在非測量過程中上下平衡板1時對力傳感器3的沖擊問題，保護力傳感器3以避免損壞。
偏心輪機構(gòu)設(shè)置有兩個狀態(tài)稱重測量狀態(tài)和受試者上或下平衡板狀態(tài)。(1)當(dāng)處于稱重測量狀態(tài)時，絲杠14帶動偏心輪12轉(zhuǎn)動到不與平衡板相接觸的位置，這樣就可以讓平衡板板面1充分與在其下面的3個力傳感器31′、32′、33′相接觸而不與其它任何物體接觸，以完成稱重測量。每個力傳感器與平衡板板面1之間安放一個表面光滑的鋼球16，使二者之間呈點接觸。(2)當(dāng)處于受試者上或下平衡板狀態(tài)時，用手搖把13帶動絲杠14、絲杠14帶動偏心輪12、偏心輪12把平衡板板面1舉起一定的高度，使板面1與3個力傳感器31′、32′、33′脫離，這樣人在上下平衡板時就不會產(chǎn)生對力傳感器的沖擊作用，保護了力傳感器。當(dāng)受試者躺在平衡板已做好測量的準備時，再轉(zhuǎn)而用絲杠14帶動偏心輪12與板面1脫離，重新讓板面1回落到3個傳感器上，使儀器回到稱重測量狀態(tài)。需要說明的是為了最大程度地提高儀器的測量精度，一般要盡量降低力傳感器的量程，偏心輪機構(gòu)的設(shè)置可以使力傳感器的量程設(shè)計為最低限，能夠滿足稱重測量的要求即可，而不必考慮外力沖擊對力傳感器所造成的危險。
2)坐標測量系統(tǒng)的機械部分該系統(tǒng)由支架9、導(dǎo)軌和定位箱4組成。支架9把導(dǎo)軌架到空中，保證導(dǎo)軌在空中穩(wěn)定不產(chǎn)生晃動；導(dǎo)軌分為兩個軸向X軸向?qū)к?和Y軸向?qū)к?0，X軸向?qū)к?與平衡板1的長邊同向，Y軸向?qū)к?0與平衡板1的寬邊同向，但要寬于平衡板1的寬邊。坐標測量系統(tǒng)的工作原理是依靠滾輪8的滾動可以在Y軸向?qū)к?0上移動，該移動可定位Y軸坐標；定位箱4在伴隨X軸向?qū)к?移動的同時，還可依靠其自身滾輪7的滾動在X軸向?qū)к壣?移動，該移動可定位X軸坐標；定位箱上的激光發(fā)射器15指向平衡板板面1可以發(fā)射光束，該光束點的位置由上述所定位的X、Y坐標給出。
需要說明的是上述偏心輪操作系統(tǒng)和坐標定位系統(tǒng)目前還要依靠手動操作，計劃在實驗方法成熟后研制下一代平衡板時把這兩個系統(tǒng)改造成電子計算機控制自動操作，使操作過程實現(xiàn)自動化，進一步增加該儀器的科技含量，以減少人力、節(jié)省時間和提高精度。
本發(fā)明設(shè)備平衡板的電子部分包括3個部分傳感器、放大器和采集卡。傳感器有2種一種是用來稱重的力傳感器3，型號為TEDEA-HUNTLEIGHModel No.1042(4)，最大量程75kg，共設(shè)置有三個力傳感器31′、32′、33′，其平面布置情況見圖6；另一種是用來記錄位移的編碼器5，。編碼器5為旋轉(zhuǎn)式編碼器，型號為OMRON E6B2-CWZ3E，共設(shè)置有兩個編碼器51′、52′，分別用齒輪皮帶11與X軸向?qū)к?和定位箱4相連。X軸向?qū)к?和定位箱4的移動帶動齒輪皮帶11走動，齒輪皮帶11的走動帶動編碼器51′、52′工作，記錄定位箱4在X、Y兩個方向上移動的距離，從而也就確定了激光發(fā)射器15光束在整個坐標系統(tǒng)中的位置。放大器是用來把兩類傳感器采集到的電信號進行放大的，經(jīng)過放大的電信號在傳輸?shù)接嬎銠C的采集卡上，供計算機軟件調(diào)用，如圖8二維平衡板信號采集框圖所示。
圖9為本發(fā)明設(shè)備的二維平衡板數(shù)據(jù)采集軟件框圖，該軟件實現(xiàn)了5大功能數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)回放和定位坐標顯示。
<數(shù)據(jù)采集>對3個不同的人體姿勢進行3次稱重測量，并進行4次標志點的坐標測量，其中1次是為測量配重的重心點坐標而設(shè)計的；<數(shù)據(jù)處理>主要提供的指標有兩部分一是總重心圓圓心半徑和運動環(huán)節(jié)重量矩，后者是前者與人體體重的乘積；二是兩個圓心角，即運動環(huán)節(jié)標志點圓圓心角和總重心圓圓心角。第一部分指標是我們在二維平衡板上最終要測量的指標一運動環(huán)節(jié)重量矩，第二部分指標是判定指標，判定的標準就是看相對應(yīng)的兩個圓心角是否相等，若相等就表明我們所測得的運動環(huán)節(jié)重量矩是準確的，否則就不準確。
<數(shù)據(jù)存儲>是指存儲<數(shù)據(jù)采集>與<數(shù)據(jù)處理>過程中所得到的較為重要的數(shù)據(jù)。
<數(shù)據(jù)回放>是指把<數(shù)據(jù)存儲>的數(shù)據(jù)調(diào)回以便查看。圖10為環(huán)節(jié)重心半徑的測量原理圖釋，，O點為平衡板的支點，與平衡板接觸但不與平衡板鉸接，D點處受一個支撐反作用力Nd，方向指向y軸正向。S為被測環(huán)節(jié)，置于平衡板上并與平衡板之間沒有相對滑動。S1為人體與被測環(huán)節(jié)(鏈)相關(guān)節(jié)的部分，J為二者之間的鉸點，連接著被測環(huán)節(jié)(鏈)與人體的其余部分。C0、B、C三點分別為平衡板重心、人體被測環(huán)節(jié)(鏈)重心及二者的合重心，w0、wb、w分別為三者的重量。人體的其余部分S1通過鉸點J由相應(yīng)肌群收縮產(chǎn)生對被測環(huán)節(jié)(鏈)的力矩為M，對被測環(huán)節(jié)(鏈)的作用力與支點對平衡板的作用力合成在一起用Nox、Noy來表示。rb、rc、r0、rd分別為B、C、C0、D到支點O的距離。
合成重心位置的測定在圖10中C點就是一維平衡板重心C0與被測環(huán)節(jié)(鏈)重心B的合成重心；D點可以設(shè)計為能夠沿x軸自由滑動的動支點，為便于區(qū)分起見，我們稱O點為靜支點。當(dāng)被測環(huán)節(jié)放到平衡板上后，開始把D點置于離O點較遠的位置，即滿足D點在合成重心外側(cè)的條件，然后，使D點緩慢地向C點移動，目標就是要確定C點的位置，即合成重心的位置。
測定過程可以分為三個階段。
第一階段穩(wěn)定平衡狀態(tài)。在D點到達C點之前，由于平衡板和被測環(huán)節(jié)(鏈)組成的受力系統(tǒng)繞支點O并沒有翻轉(zhuǎn)的傾向，因而，人體沒有受到由外界條件變化所帶來的影響，此時平衡板所處的狀態(tài)為穩(wěn)定平衡狀態(tài)。由人體的解剖生理學(xué)可知，肌肉收縮產(chǎn)生力和力矩，因此，我們在采取一定的方式誘導(dǎo)受試者使其身體獲得最大程度地放松后，即近似地認為體內(nèi)相關(guān)肌群不產(chǎn)生主動收縮，可以假設(shè)被測環(huán)節(jié)受到的身體其余部分所施加的力和力矩均很小，在動點D到達C點之前可以忽略不計，則平衡板和被測環(huán)節(jié)所組成的受力系統(tǒng)滿足力矩平衡，即Nd·rd＝w·rc…………………………………(a)w＝w0+wb′ …………………………………(b)式(b)中，wb為被測環(huán)節(jié)與人體其余部分有接觸時的重量，包含了wb但卻并不是圖11中所示的被測環(huán)節(jié)完全分離狀態(tài)的重量wb。有鑒于此，我們假設(shè)盡管人體其余部分對被測環(huán)節(jié)因相互接觸而對其重量有所影響，但是并不影響被測環(huán)節(jié)的重心位置。
第二階段有限穩(wěn)定平衡狀態(tài)。當(dāng)D越過C點之后，如果被測環(huán)節(jié)(鏈)所受到的力和力矩沒有任何變化，仍然可以忽略不計的話，那么，圖10中的O點將不再是支點，而D點就成為系統(tǒng)新的支點，由于D已越過C點，因而，平衡板必定產(chǎn)生繞D順時針傾翻的趨勢。這種外界的變化必然會影響人體的神經(jīng)肌肉系統(tǒng)的初始狀態(tài)并使之產(chǎn)生條件反射，引起相關(guān)肌群產(chǎn)生收縮使被測環(huán)節(jié)受到的來自體內(nèi)的力和力矩發(fā)生變化以抵制平衡板的傾翻、保持系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，此時，O點仍為整個系統(tǒng)的支點，這種平衡狀態(tài)為有限穩(wěn)定平衡狀態(tài)，當(dāng)相關(guān)肌群所產(chǎn)生的力和力矩不能抵制平衡板的傾翻時，這種有限穩(wěn)定平衡狀態(tài)將不復(fù)存在。在此，我們近似地認為被測環(huán)節(jié)受到人體其余部分的作用力的作用點在O點，則有Nd·rd+M＝w·rc……………………………(c)與式(a)相比，式(c)中由于外界條件的變化所引起的條件反射致使不能再忽略人體其余部分對被測環(huán)節(jié)的力矩M，而整個系統(tǒng)的合成重力矩w·rc為一定值，因而，Nd·rd的值必定發(fā)生變化，此時D所處的位置在合成重心C點的左側(cè)附近。
第三階段不穩(wěn)定平衡狀態(tài)。當(dāng)D到達C’點時，力矩M再增大也無法保持平衡板原有的平衡狀態(tài)，由于靜支點O與平衡板之間僅為相互接觸而沒有鉸鏈在一起，此時平衡板將脫離靜支點O，完全由動支點D支撐，我們稱此狀態(tài)為不穩(wěn)定平衡狀態(tài)。此時動點D所在的C’點位置已經(jīng)離開了真實的合成重心位置，與之相距Δl，如圖10所示。為了尋找合成重心的位置，我們在向后(x軸正向)移動D點的同時，采取一定的方式誘導(dǎo)使受試者不斷放松身體，這樣平衡板就會不斷地出現(xiàn)不穩(wěn)定平衡狀態(tài)。當(dāng)D點在x軸正向上越過合成重心C點后，無論受試者如何放松平衡板也不會出現(xiàn)不穩(wěn)定平衡狀態(tài)，此時D點所處的位置在合成重心C點的右側(cè)附近。
結(jié)合上述對第二階段和第三階段的討論，為了便于實際操作，取兩階段D點的中值位置即可認為是被測環(huán)節(jié)和平衡板在x軸上的合成重心的位置。
事實上，上述物理過程非常復(fù)雜，不易操作。為了簡化操作程序，我們在后續(xù)研制R-I型平衡板時設(shè)計了一個板面活動限位裝置，其活動幅度非常小，δ＜5mm，因此，板面傾翻時給人體的外界刺激很小，因而，有限穩(wěn)定平衡狀態(tài)的過程可忽略不計，即在人體還沒有感受到外界刺激而產(chǎn)生條件反射時平衡板已經(jīng)傾翻，同時，一維平衡板測量采集軟件實現(xiàn)了平衡板傾翻時刻的識別。環(huán)節(jié)重心平衡板限位裝置的設(shè)計簡化了操作程序，在測量時只需判別平衡板穩(wěn)定平衡狀態(tài)與傾翻狀態(tài)的臨界點，而不需考慮有限穩(wěn)定平衡狀態(tài)和不穩(wěn)定平衡狀態(tài)就可以方便地測出合成重心的近似位置。
根據(jù)力矩合成原理，結(jié)合圖10有wb′·rb+w0·r0＝w·rc………………………………(d)其中w0、r0分別為平衡板的重量和重心半徑，可以作為已知量；rc為平衡板與被測環(huán)節(jié)(鏈)的合成重心半徑，在前面已經(jīng)求得；wb′為被測環(huán)節(jié)(鏈)的重量，如前所述，該重量值是與人體其余部分相接觸時的重量，而不是被測環(huán)節(jié)(鏈)分離狀態(tài)的重量，但這并不影響本問題的計算，因為，式(d)中的w可以通過平衡板支點的稱重來確定，其中就包含了與人體其余部分相接觸狀態(tài)的重量wb′。
聯(lián)立式(b)、式(d)，可得rb=w·rc-w0·r0w-w0---(e)]]>由式(e)可以計算得到被測環(huán)節(jié)的重心半徑，即確定被測環(huán)節(jié)的重心位置。
在上述討論中，何時通過支點稱重來確定w是一個很重要的問題。在確定被測環(huán)節(jié)與平衡板合成重心的第一階段是一個穩(wěn)定平衡階段，此時平衡板兩支點稱重之和即為二者的合重量。
圖11為一維平衡板工作原理框圖，本發(fā)明一維平衡板包括三個部分機械部分、電子部分和計算機軟件部分；三部分相配合組成兩個系統(tǒng)稱重測量系統(tǒng)和坐標測量系統(tǒng)；兩個系統(tǒng)相互協(xié)作完成一個功能環(huán)節(jié)重心位置的確定。
一維平衡板測量設(shè)備機械部分由稱重測量系統(tǒng)和坐標測量系統(tǒng)兩個部分組成，其機械圖為圖12、圖13和圖14。
由圖13和圖14可見，一維平衡板測量設(shè)備包括相互協(xié)作完成環(huán)節(jié)重心半徑的測定的稱重測量系統(tǒng)和坐標測量系統(tǒng)；稱重測量系統(tǒng)包括設(shè)置在定支點18和動支點19上的平衡板20，平衡板板面采用進口鋁板制成，有大小兩塊板，尺寸分別為1.017m×0.3m和1.017m×0.15m，重量分別為3.245kg和1.095kg；動支點19設(shè)置在底座21內(nèi)的絲杠22上，絲杠22的一端連接有手搖輪23；所述坐標測量系統(tǒng)包括設(shè)置在定支點18上的力傳感器24和設(shè)置在動支點19上的力傳感器25，通過齒輪皮帶26與傳感器25相連的編碼器27；所述力傳感器24、25和編碼器27的電信號通過放大器傳輸?shù)接嬎銠C上的采集卡上。平衡板20的定支點18端設(shè)有限位板28用來限制平衡板板面在失去平衡時的活動幅度，該機構(gòu)限制板面的活動幅度小于5mm。定支點19設(shè)置在可在導(dǎo)軌29上移動的滾輪支架30上，所述編碼器27為旋轉(zhuǎn)式編碼器。
手搖輪23帶動絲杠22、絲杠22帶動一個可移動的力傳感器25沿著導(dǎo)軌29向一個固定的力傳感器24的方向移動，設(shè)置這一機構(gòu)的目的就是讓移動的力傳感器在運動過程中去尋找平衡板與被測環(huán)節(jié)的合重心位置所在。
一維平衡板的電子部分也包括3個部分傳感器、放大器和采集卡。傳感器有2種力傳感器和編碼器，力傳感器的型號為TEDEA-HUNTLEIGHModel No.1042，最大量程30kg，共有2個，一個為安裝在動支點19上的可移動的力傳感器25，另一個為安裝在定支點18上的固定位置的力傳感器24；編碼器27為旋轉(zhuǎn)式編碼器，型號為OMRON E6B2-CWZ3E，只有1個，它通過一根齒輪皮帶26與可移動的力傳感器25相連接，通過測量動傳感器25的位移來測量一維坐標。一位平衡板的放大器與采集卡與二維平衡板共用。
圖15為本發(fā)明設(shè)備的一維平衡板數(shù)據(jù)采集軟件框圖，該軟件實現(xiàn)了4大功能數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)回放和定位坐標顯示。
(數(shù)據(jù)采集)分為靜態(tài)數(shù)據(jù)采集和動態(tài)采集2個步驟，靜態(tài)數(shù)據(jù)采集是指動傳感器不動時對兩個力傳感器進行數(shù)據(jù)采集，目的是測量初始狀態(tài)兩個力傳感器的力值和被測環(huán)節(jié)的“重量矩”，該“重量矩”并不是被測環(huán)節(jié)真實的重量矩，稱為偽重量矩，它與二維平衡板上所測得的重量矩并不相等，因為，一維平衡板此時所測得的“重量矩”是在被測環(huán)節(jié)與身體其它部位相連接的狀態(tài)下測量的，而這種測量對于一維平衡板來說是不允許的。盡管一維板測得的“重量矩”與二維平衡板測得的環(huán)節(jié)重量矩不相等，但當(dāng)人體在較為放松狀態(tài)下測量時，二者在數(shù)值上應(yīng)當(dāng)較為接近，這一關(guān)系可以用于人體實驗時對人體的放松狀態(tài)進行定量的判斷，當(dāng)然，作為判定標準的二者差值的范圍還有待于進一步研究；動態(tài)數(shù)據(jù)采集是在動傳感器移動過程中測量平衡板與被測環(huán)節(jié)合重心的位置。
(數(shù)據(jù)處理)主要進行被測環(huán)節(jié)重心半徑的計算。
(數(shù)據(jù)存儲)與(數(shù)據(jù)回放)同二維平衡板。
圖16為本發(fā)明的測量過程示意圖，在測量重量矩的過程中，人體要以不同的姿勢臥于二維平衡板上。為了滿足三點求圓公式的需要，在平衡板上還要兩次移動被測環(huán)節(jié)以獲得足夠的坐標數(shù)據(jù)；在測量重心半徑時，被測環(huán)節(jié)在一維平衡板的擺放要依據(jù)人體各關(guān)節(jié)的形狀、運動軸以及運動特點而定，以滿足環(huán)節(jié)重心板測量原理的要求。由此看來，不論是在環(huán)節(jié)重量矩平衡板上測量重量矩還是在環(huán)節(jié)重心平衡板上測量重心半徑，均需要了解基本人體模型各關(guān)節(jié)的形狀、運動軸等基本情況，以便于在二維平衡板上最佳地安排各被測環(huán)節(jié)的移動方向，在一維型平衡板上最大程度地利用被測環(huán)節(jié)的自然運動趨勢，并為制定合理的測量程序提供人體結(jié)構(gòu)功能上的解剖學(xué)依據(jù)。
我們知道所有關(guān)節(jié)都可以作屈伸運動，因此，測量基本人體模型中所有的環(huán)節(jié)(鏈)時都可以在矢狀面內(nèi)進行，而事實上由于控制條件的研究還沒有完全成熟，我們在測量姿態(tài)上作了相應(yīng)的調(diào)整，圖16中a、b、c為二維平衡板測量環(huán)節(jié)(鏈)重量矩人體姿態(tài)示意圖，圖16中d圖為一維平衡板測量環(huán)節(jié)(鏈)重心半徑人體姿態(tài)示意圖。
在重量矩的測量過程中，需要在二維平衡板上兩次移動被測環(huán)節(jié)(鏈)使其分別處于3個不同的位置上，在每一個位置上均利用坐標測量系統(tǒng)取得被測環(huán)節(jié)(鏈)標志點的坐標，并利用稱重測量系統(tǒng)取得該人體姿態(tài)下的力傳感器測量值，共計獲得3個標志點的坐標和3個力傳感器的力值，前者可計算被測環(huán)節(jié)(鏈)標志點重心圓的圓心，即該環(huán)節(jié)(鏈)的瞬時轉(zhuǎn)動中心，用標志物標記該點，后者可計算人體總重心圓的半徑，即利用該半徑可計算被測環(huán)節(jié)(鏈)的重量矩。如果加有配重，則還需要利用坐標測量系統(tǒng)測量一次配重重心點的坐標，以減去配重還原被測環(huán)節(jié)(鏈)的真實重量矩。
本發(fā)明創(chuàng)造性地采用了重量矩為參數(shù)并且以本發(fā)明設(shè)備測量這個參數(shù)進行計算運動人體環(huán)節(jié)重量，本領(lǐng)域技術(shù)人員閱讀本發(fā)明專利說明書之后可在本發(fā)明啟示下進行其它變更和修改，但這些變更和修改均在本發(fā)明待批的權(quán)力要求保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種人體環(huán)節(jié)重量的測量方法，其特征在于所述方法為以重量矩和環(huán)節(jié)重心半徑為參數(shù)測定人體的環(huán)節(jié)重量，包括以下步驟1)人體至少以三種環(huán)節(jié)姿勢測量；2)標定被測環(huán)節(jié)瞬時轉(zhuǎn)動中心；3)計算人體總重心半徑；4)計算被測環(huán)節(jié)的重量矩；5)測量所測環(huán)節(jié)的環(huán)節(jié)重心半徑；6)得出環(huán)節(jié)重量并顯示數(shù)值。
2.一種采用權(quán)利要求1所述的測量方法的平衡板測量設(shè)備，其特征在于所述測量設(shè)備包括通過放大器和信號采集卡共同連接在數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)主機上的二維平衡板和一維平衡板。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的二維平衡板，其特征在于所述二維平衡板包括相互協(xié)作完成環(huán)節(jié)重量矩的測定及環(huán)節(jié)瞬時轉(zhuǎn)動中心的標定的稱重測量系統(tǒng)和坐標測量系統(tǒng)；所述稱重測量系統(tǒng)包括平衡板(1)和底座(2)以及設(shè)置在底座(2)內(nèi)的偏心輪機構(gòu)，平衡板(1)上設(shè)有力傳感器(3)；所述坐標測量系統(tǒng)包括設(shè)置在平衡板(1)上方的定位箱(4)，定位箱(4)與用來記錄位移的編碼器(5)相連，定位箱(4)內(nèi)設(shè)有標示裝置；所述力傳感器(3)和編碼器(5)的電信號通過放大器傳輸?shù)接嬎銠C上的采集卡上。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的二維平衡板，其特征在于所述偏心輪機構(gòu)包括偏心凸輪(6)和手搖把(7)，所述偏心凸輪(6)通過絲杠(8)與手搖把(7)連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的二維平衡板，其特征在于所述定位箱(4)設(shè)置在位于平衡板(1)上方的導(dǎo)軌(9)上，并通過滾輪(10)可在導(dǎo)軌(9)作X軸向運動，導(dǎo)軌(9)通過滾輪(11)可在支架(12)上的導(dǎo)軌(13)上作Y軸向運動。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的二維平衡板，其特征在于所述編碼器(5)包括設(shè)置在導(dǎo)軌(9)上通過齒輪皮帶(14)與定位箱(4)連接的編碼器(51′)，設(shè)置在導(dǎo)軌(13)上通過齒輪皮帶(14)與定位箱(4)連接的編碼器(52′)。
7.根據(jù)權(quán)利要求3或6所述的二維平衡板，其特征在于所述標示裝置為激光發(fā)射器(15)，所述編碼器(5)為旋轉(zhuǎn)式編碼器，所述平衡板(1)和傳感器(3)之間設(shè)置有光滑的鋼球(16)，該平衡板(1)上鋪有光滑的平面層(17)。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一維平衡板，其特征在于所述一維平衡板測量設(shè)備包括相互協(xié)作完成環(huán)節(jié)重心半徑的測定的稱重測量系統(tǒng)和坐標測量系統(tǒng)；所述稱重測量系統(tǒng)包括設(shè)置在定支點(18)和動支點(19)上的平衡板(20)；所述動支點(19)設(shè)置在底座(21)內(nèi)的絲杠(22)上，絲杠(22)的一端連接有手搖輪(23)；所述坐標測量系統(tǒng)包括設(shè)置在定支點(18)上的力傳感器(24)和設(shè)置在動支點(19)上的力傳感器(25)，通過齒輪皮帶(26)與傳感器(25)相連的編碼器(27)；所述力傳感器(24)、(25)和編碼器(27)的電信號通過放大器傳輸?shù)接嬎銠C上的采集卡上。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一維平衡板測量設(shè)備，其特征在于在所述平衡板(20)的定支點(18)端設(shè)有限位板(28)。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的一維平衡板測量設(shè)備，其特征在于所述定支點(19)設(shè)置在可在導(dǎo)軌(29)上移動的滾輪支架(30)上，所述編碼器(27)為旋轉(zhuǎn)式編碼器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種人體環(huán)節(jié)重量的測量方法及采用這種方法的測量設(shè)備，所述方法為以重量矩和環(huán)節(jié)重心半徑為參數(shù)測定人體的環(huán)節(jié)重量，包括以下步驟1.人體至少以三種環(huán)節(jié)姿勢測量；2.標定被測環(huán)節(jié)瞬時轉(zhuǎn)動中心；3.計算人體總重心半徑；4.計算被測環(huán)節(jié)的重量矩；5.測量所測環(huán)節(jié)的環(huán)節(jié)重心半徑；6.得出環(huán)節(jié)重量并顯示數(shù)值。本發(fā)明提供了更為個體化的人體環(huán)節(jié)重量的測量方法及相應(yīng)的設(shè)備，即更加符合每一個個體運動的實際情況的人體運動環(huán)節(jié)參數(shù)，對人體運動規(guī)律的深入探索起到極大的推動作用。另外本發(fā)明設(shè)備測試過程簡單，更加容易的確定人體環(huán)節(jié)的瞬時轉(zhuǎn)動中心且能夠保證一定的精度。
文檔編號A61B5/103GK1682649SQ200410033698
公開日2005年10月19日 申請日期2004年4月16日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月16日
發(fā)明者金季春, 李世明 申請人:金季春, 李世明