空間可達(dá)域測量裝置及其測量系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種能夠精確測量人體四肢在空間某平面活動范圍的空間可達(dá)域測量裝置及其測量系統(tǒng)?？臻g可達(dá)域測量裝置底座、塑料水箱、立柱、機(jī)械后臂、機(jī)械前臂、測量桿和手柄；所述塑料水箱放置于所述底座上，在進(jìn)行測量時(shí)將所述塑料水箱裝滿水，以增加裝置的穩(wěn)固性和安全性；所述立柱的下端以可拆裝的方式固定在所述底座上，其上端借助后部轉(zhuǎn)動軸與所述機(jī)械后臂的后端相連，所述機(jī)械后臂的前端借助前部轉(zhuǎn)動軸與所述機(jī)械前臂的后端相連，所述測量桿的上端通過調(diào)節(jié)螺栓安裝于所述機(jī)械前臂的前端，所述測量桿的下端安裝有手柄。本發(fā)明具有測量精度高、測試軌跡實(shí)時(shí)顯示、測試數(shù)據(jù)能保存和打印、拆卸簡單、攜帶方便等特點(diǎn)。
【專利說明】空間可達(dá)域測量裝置及其測量系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種便攜式高精度的空間可達(dá)域測量裝置及其測量系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著我國科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，在一些領(lǐng)域里對人體四肢在三維空間的活動范圍提出較高的要求。例如在運(yùn)動醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，精確測量人體四肢在空間的活動范圍可以準(zhǔn)確地反應(yīng)出傷員尤其是運(yùn)動員的受傷后恢復(fù)情況；在國防工業(yè)中，尤其是在對駕駛空間要求比較嚴(yán)格的領(lǐng)域，對飛行員，宇航員，坦克裝甲車駕駛員四肢的活動范圍測量可以為駕駛艙的空間設(shè)計(jì)，控制儀表，操縱桿的位置分布等提供科學(xué)依據(jù)；在現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計(jì)中，四肢活動范圍的測量作為人測量數(shù)據(jù)的一部分，對完善人體測量數(shù)據(jù)庫的建立，設(shè)計(jì)高品質(zhì)、高標(biāo)準(zhǔn)的宜人化產(chǎn)品起著不可替代的重要作用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于提供一種便攜式的高精度空間可達(dá)域測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)顯示運(yùn)動軌跡、實(shí)時(shí)保存測試數(shù)據(jù)并打印、拆裝簡單和便于攜帶等特點(diǎn)。
[0004]本發(fā)明利用的基本原理是采用高精度角度傳感器測量轉(zhuǎn)軸的角度變化量，通過計(jì)算間接得到物體軌跡曲線。數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送到上位機(jī)軟件，由軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。
[0005]本發(fā)明的空間可達(dá)域測量裝置包括底座、塑料水箱、立柱、機(jī)械后臂、機(jī)械前臂、測量桿和手柄；所述塑料水箱放置于所述底座上，在進(jìn)行測量時(shí)將所述塑料水箱裝滿水，以增加裝置的穩(wěn)固性和安全性；所述立柱的下端以可拆裝的方式固定在所述底座上，其上端借助后部轉(zhuǎn)動軸與所述機(jī)械后臂的后端相連，所述機(jī)械后臂的前端借助前部轉(zhuǎn)動軸與所述機(jī)械前臂的后端相連，所述測量桿的上端通過調(diào)節(jié)螺栓安裝于所述機(jī)械前臂的前端，所述測量桿的下端安裝有手柄。
[0006]優(yōu)選所述立柱通過兩根長度為Im的鋁合金方管以可拆裝的方式連接而成。
[0007]優(yōu)選所述機(jī)械后臂和所述機(jī)械前臂均采用由防銹鋁板焊接而成的工字梁。
[0008]本發(fā)明的空間可達(dá)域測量系統(tǒng)包括權(quán)利要求1、2或3中的任一項(xiàng)所述空間可達(dá)域測量裝置、信號采集傳輸系統(tǒng)和上位機(jī)。所述信號采集傳輸系統(tǒng)包括后部角度傳感器、前部角度傳感器和信號采集器。所述信號采集器安裝在所述空間可達(dá)域測量裝置的所述立柱的靠近上端的部位，用于自動采集所述后部角度傳感器和所述前部角度傳感器的信號，并通過RS232串口將數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)。
[0009]優(yōu)選所述后部角度傳感器是無觸點(diǎn)角度傳感器，安裝在后部轉(zhuǎn)動軸的頂端。
[0010]優(yōu)選所述前部角度傳感器是無觸點(diǎn)角度傳感器，安裝在所述前部轉(zhuǎn)動軸的頂端。
[0011]優(yōu)選所述信號采集器采用單片機(jī)來采集所述后部角度傳感器和所述前部角度傳感器的信號。
[0012] 優(yōu)選所述上位機(jī)與所述信號采集器相連，用于實(shí)時(shí)顯示測試軌跡和保存測試數(shù)據(jù)，并能夠進(jìn)行打印。
[0013]發(fā)明效果
[0014](I)本發(fā)明采用高精度360°角度傳感器作為核心測試元件，安裝在懸臂的兩個(gè)轉(zhuǎn)動軸上，監(jiān)測兩節(jié)臂的轉(zhuǎn)動狀態(tài)。具有精度高，響應(yīng)快的優(yōu)點(diǎn)。
[0015](2)本發(fā)明機(jī)械結(jié)構(gòu)拆裝簡單，變形小、穩(wěn)固、和輕便的特點(diǎn)。配重物采用兩個(gè)塑料水箱，用時(shí)灌滿水壓住底座，不用時(shí)將水倒掉，方便攜帶，便于外出測試。
[0016](3)采用單片機(jī)采集和傳輸數(shù)據(jù)，上位機(jī)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理功能強(qiáng)大，實(shí)時(shí)顯示運(yùn)動軌跡直觀形象，實(shí)時(shí)保存數(shù)據(jù)便于隨時(shí)調(diào)取使用。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為空間可達(dá)域測量裝置示意圖。
[0018]圖2為上位機(jī)軟件的操作界面。
[0019]圖3為操作流程圖。
[0020]符號說明 [0021]I 底座
[0022]2調(diào)節(jié)螺栓
[0023]3塑料水箱
[0024]4 立柱
[0025]5信號采集器
[0026]6后部角度傳感器
[0027]7后部轉(zhuǎn)動軸
[0028]8機(jī)械后臂
[0029]9前部角度傳感器
[0030]10前部轉(zhuǎn)動軸
[0031]11機(jī)械前臂
[0032]12測量桿調(diào)節(jié)螺栓
[0033]13測量桿
[0034]14 手柄
【具體實(shí)施方式】
[0035]以下，參照附圖，對本發(fā)明實(shí)施方式進(jìn)行說明。在下面的敘述中，附圖中X方向?yàn)榍?，Y方向?yàn)樯稀?br> [0036]如圖1所示，空間可達(dá)域測量裝置包括:底座1、調(diào)節(jié)螺栓2、塑料水箱3、立柱4、信號采集器5、后部角度傳感器6、后部轉(zhuǎn)動軸7、機(jī)械后臂8、前部角度傳感器9、前部轉(zhuǎn)動軸
10、機(jī)械前臂U、測量桿調(diào)節(jié)螺栓12、測量桿13和手柄14。
[0037]在進(jìn)行測量時(shí)將空間可達(dá)域測量裝置組裝起來，并將塑料水箱3裝滿水，放在底座I上，增加裝置的穩(wěn)固性和安全性。不測量時(shí)將裝置拆卸，并將水倒出，便于搬運(yùn)。采用塑料水箱主要是考慮其輕便的特性以滿足整個(gè)裝置的便攜性要求，因此塑料水箱也可用其他重物替代。整個(gè)裝置固定好后，調(diào)整調(diào)節(jié)螺栓2，確保立柱4與測量平面完全垂直。否則會影響測量精度。
[0038]立柱4由兩根方管加工而成。采用方管的目的是減輕重量和減小變形，能滿足使用要求其他結(jié)構(gòu)亦可。立柱4的下端通過螺栓固定安裝于底座I上，由于在X方向所受力矩較大，容易產(chǎn)生較大的撓度變形，所以上述兩根方管均采用Im長的鋁合金方管，并用螺栓將它們牢固地連接在一起。本實(shí)施例中為了拆裝方便而采用螺紋連接，但其連接方式并不限于此，也可以采用其他方式，只要能夠?qū)⒈舜死喂痰剡B接在一起即可。
[0039]后部轉(zhuǎn)動軸7固定安裝于立柱4的頂端。在后部轉(zhuǎn)動軸7的頂端安裝有后部角度傳感器6。
[0040]機(jī)械后臂8的后端以可拆裝的方式連接在后部轉(zhuǎn)動軸7上。機(jī)械后臂8能夠圍繞后部轉(zhuǎn)動軸7進(jìn)行340°旋轉(zhuǎn)。機(jī)械后臂8的前端固定安裝有前部轉(zhuǎn)動軸10，在前部轉(zhuǎn)動軸10的頂端安裝有前部角度傳感器9。
[0041]機(jī)械前臂11的后端以可拆裝的方式連接在前部轉(zhuǎn)動軸10上。機(jī)械前臂11能夠圍繞前部轉(zhuǎn)動軸10進(jìn)行340°旋轉(zhuǎn)。
[0042]測量桿13的上端通過測量桿調(diào)節(jié)螺栓12鎖定在機(jī)械前臂11的前端，測量桿13上具有刻度，通過測量桿調(diào)節(jié)螺栓12擰松擰緊來上下調(diào)節(jié)手柄的位置，從而測量受試者在不同高度平面上的活動范圍。在測量桿13的下端安裝有手柄14，該手柄也可以采用腳踏或其它握具。
[0043]同樣考慮到機(jī)械后臂8和機(jī)械前臂11在Y方向的撓度變形，并基于便攜式的需要，盡量減輕重量， 所以機(jī)械后臂8和機(jī)械前臂11均采用由防銹鋁板焊接而成的工字梁，機(jī)械后臂8和機(jī)械前臂11通過前部轉(zhuǎn)動軸10連接，后部轉(zhuǎn)動軸7的軸線與前部轉(zhuǎn)動軸10的軸線之間的距離，以及前部轉(zhuǎn)動軸10的軸線與測量桿13軸線之間的距離都準(zhǔn)確地等于lm，
[0044]所述結(jié)構(gòu)的空間可達(dá)域測量裝置能夠?qū)崿F(xiàn)由后部轉(zhuǎn)動軸7、機(jī)械后臂8、轉(zhuǎn)動軸10和機(jī)械前臂11共同組成的活動臂在指定高度的平面內(nèi)340°范圍內(nèi)自由轉(zhuǎn)動。后部角度傳感器6的轉(zhuǎn)軸與后部轉(zhuǎn)動軸7相連，后部角度傳感器6的外殼固定在機(jī)械后臂8上，當(dāng)機(jī)械后臂8轉(zhuǎn)動時(shí),后部角度傳感器6的外殼會隨之轉(zhuǎn)動,后部角度傳感器6的輸出信號與其外殼轉(zhuǎn)動的角度值成比例關(guān)系變化。前部角度傳感器9的轉(zhuǎn)軸與前部轉(zhuǎn)動軸10相連，前部角度傳感器9的外殼固定在機(jī)械前臂11上，當(dāng)機(jī)械前臂11轉(zhuǎn)動時(shí)，前部角度傳感器9的外殼會隨之轉(zhuǎn)動，前部角度傳感器9的輸出信號與其外殼轉(zhuǎn)動的角度值成比例關(guān)系變化。建立極坐標(biāo)系，通過以下公式獲得測試曲線的坐標(biāo)值。
[0045]P = 2 X 100 X sin (α /2) (I)
[0046]X = PXcos(3+ α/2-90) (2)
[0047]Y = PXsin(3+ α/2-90) (3)
[0048]P——極軸長度。
[0049]α——后部角度傳感器6的轉(zhuǎn)動角度。
[0050]β——前部角度傳感器9的轉(zhuǎn)動角度。
[0051 ] X——測試點(diǎn)的X坐標(biāo)。
[0052]Y——測試點(diǎn)的Y坐標(biāo)。
[0053]信號采集器5安裝在空間可達(dá)域測量裝置的立柱4靠近頂部的位置。采用STC單片機(jī)來采集后部角度傳感器6和前部角度傳感器9的輸出信號，經(jīng)過處理后，通過RS232串口將數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)。上位機(jī)安裝了具有數(shù)據(jù)處理功能的軟件，能夠采集RS232串口傳送來的數(shù)據(jù)，經(jīng)軟件處理后能在上位機(jī)屏幕實(shí)時(shí)顯示運(yùn)動軌跡，直觀形象并能實(shí)時(shí)保存數(shù)據(jù)便于隨時(shí)調(diào)取使用。
[0054]軟件處理部分
[0055]如圖2的操作界面所示，空間可達(dá)域測量系統(tǒng)還具備數(shù)據(jù)采集功能；圖形保存、打印功能；數(shù)據(jù)保存功能；零點(diǎn)設(shè)置功能；清除曲線功能和實(shí)時(shí)繪制水平可達(dá)域軌跡功能等。
[0056]圖3所示的是用戶操作流程。
[0057]第一步:在機(jī)械結(jié)構(gòu)安裝和調(diào)整完成后，調(diào)整坐標(biāo)系。將后部角度傳感器6和前部角度傳感器9的當(dāng)前輸出值分別填寫在操作界面的1#和2#位置的文本框中，點(diǎn)擊完成設(shè)置，將參數(shù)寫入程序，完成坐標(biāo)系調(diào)整。每次開啟軟件時(shí)要進(jìn)行此項(xiàng)操作。如果設(shè)備沒有拆卸的情況下每次補(bǔ)償?shù)臄?shù)據(jù)都應(yīng)是相同的，只要直接將數(shù)據(jù)填進(jìn)去即可。
[0058]第二步:填寫受試者基本信息，包括姓名、性別、測試高度等。
[0059]第三步:完成填寫后，點(diǎn)擊完成設(shè)置，將信息寫入程序。
[0060]第四步:設(shè)置坐標(biāo)軸:默認(rèn)坐標(biāo)軸長度為100cm，測試中可能會遇到運(yùn)動軌跡超出該量程而導(dǎo)致軌跡不完整的情況，若要圖形完整就要增加坐標(biāo)軸的長度。遇到上述情形，只需從下拉列表框中選擇合適的長度即可，整個(gè)曲線即可完整顯示。該操作必須在畫完軌跡，點(diǎn)擊“結(jié)束”按鈕以后才能實(shí)現(xiàn)。
[0061]第五步:開始測試。
[0062]第六步:結(jié)束本次測試。
[0063]第七步:判讀測試曲線是否滿意。如果不滿意清除當(dāng)前曲線，回到開始重新測試。如果滿意進(jìn)行下一步操作。
[0064]第八步:保存圖片。保存圖片的路徑和文件名由用戶自己填寫，默認(rèn)格式為bmp ο
[0065]第九步:保存數(shù)據(jù)。保存數(shù)據(jù)時(shí)文件路徑和文件名由用戶自己填寫，默認(rèn)格式為
氺.xlso
[0066]第十步:打印功能。軟件設(shè)置了與打印機(jī)連接的通訊接口，可與打印機(jī)連接，直接打印測試曲線和數(shù)據(jù)。
[0067] 以上，對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行了說明，但本發(fā)明并不限定于上述實(shí)施例。對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，在權(quán)利要求書所記載的范疇內(nèi)，顯而易見地能夠想到各種變更例或者修正例，當(dāng)然也屬于本發(fā)明的技術(shù)范疇。
【權(quán)利要求】
1.一種空間可達(dá)域測量裝置，其特征在于:包括底座、塑料水箱、立柱、機(jī)械后臂、機(jī)械前臂、測量桿和手柄；所述塑料水箱放置于所述底座上，在進(jìn)行測量時(shí)將所述塑料水箱裝滿水，以增加裝置的穩(wěn)固性和安全性；所述立柱的下端以可拆裝的方式固定在所述底座上，其上端借助后部轉(zhuǎn)動軸與所述機(jī)械后臂的后端相連，所述機(jī)械后臂的前端借助前部轉(zhuǎn)動軸與所述機(jī)械前臂的后端相連，所述測量桿的上端通過調(diào)節(jié)螺栓安裝于所述機(jī)械前臂的前端，所述測量桿的下端安裝有手柄。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空間可達(dá)域測量裝置，其特征在于:所述立柱通過兩根長度為Im的鋁合金方管以可拆裝的方式連接而成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的空間可達(dá)域測量裝置，其特征在于:所述機(jī)械后臂和所述機(jī)械前臂均采用由防銹鋁板焊接而成的工字梁。
4.一種空間可達(dá)域測量系統(tǒng)，其特征在于:包括權(quán)利要求1、2或3中的任一項(xiàng)所述空間可達(dá)域測量裝置、信號采集傳輸系統(tǒng)和上位機(jī)。所述信號采集傳輸系統(tǒng)包括后部角度傳感器、前部角度傳感器和信號采集器。所述信號采集器安裝在所述空間可達(dá)域測量裝置的所述立柱的靠近上端的部位，用于自動采集所述后部角度傳感器和所述前部角度傳感器的信號，并通過RS232串口將數(shù)據(jù)傳送到所述上位機(jī)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的空間可達(dá)域測量系統(tǒng)，其特征在于:所述后部角度傳感器是無觸點(diǎn)角度傳感器，安裝在后部轉(zhuǎn)動軸的頂端。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的空間可達(dá)域測量系統(tǒng)，其特征在于:所述前部角度傳感器是無觸點(diǎn)角度傳感器，安裝在所述前部轉(zhuǎn)動軸的頂端。
7.根據(jù)權(quán)利要求4、5和6中任一項(xiàng)所述的空間可達(dá)域測量系統(tǒng)，其特征在于:所述信號采集器采用單片機(jī)來采集所述后部角度傳感器和所述前部角度傳感器的信號。
8.根據(jù)權(quán)利要求4、5和6中任一項(xiàng)所述的空間可達(dá)域測量系統(tǒng)，其特征在于:所述上位機(jī)與所述信號采集器相連，用于實(shí)時(shí)顯示測試軌跡和保存測試數(shù)據(jù)，并能夠進(jìn)行打印。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的空間可達(dá)域測量系統(tǒng)，其特征在于:所述上位機(jī)與所述信號采集器相連，用于實(shí)時(shí)顯示測試軌跡和保存測試數(shù)據(jù)，并能夠進(jìn)行打印。
【文檔編號】A61B5/11GK103989479SQ201410194327
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年5月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月9日
【發(fā)明者】辛美娟, 吳衡毅 申請人:中國航天空氣動力技術(shù)研究院