專利名稱：人體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)定儀及其測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提供一種人體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量活體測(cè)定技術(shù)，尤其涉及一種人體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)定儀及其測(cè)量方法。
背景技術(shù)：
運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)是運(yùn)用力學(xué)原理和方法結(jié)合生物學(xué)、人體解剖學(xué)研究體育運(yùn)動(dòng)中人體外在機(jī)械運(yùn)動(dòng)規(guī)律的學(xué)科，具有很強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)性。作為生物力學(xué)研究基本任務(wù)——對(duì)人體慣性性質(zhì)的研究，人體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的測(cè)量無(wú)疑是重中之重。轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是對(duì)剛體在轉(zhuǎn)動(dòng)中慣性大小的量度，它與剛體的總質(zhì)量、形狀、大小和轉(zhuǎn)軸的位置有關(guān)。人體作為由神經(jīng)系統(tǒng)支配的高級(jí)生物體，受環(huán)境的物理化學(xué)變化影響較大，具有非均質(zhì)、非規(guī)則，在研究中不可損傷的特點(diǎn)，因而對(duì)其研究遠(yuǎn)不像規(guī)則、均質(zhì)的機(jī)械部件那樣簡(jiǎn)單，更加難以用現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)儀器測(cè)量。教學(xué)中采用理論講解和計(jì)算分析的方法，將人簡(jiǎn)化為由1Γ16塊剛體組成的質(zhì)點(diǎn)系，利用二維影片解析和尸體解剖獲得人體各環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量參數(shù)(北京體育學(xué)院蘇品教授于1987年測(cè)定)，計(jì)算出整體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。上述方法忽略了人體結(jié)構(gòu)的各向異性、系統(tǒng)的整體性、個(gè)體間的差異性等，一味地簡(jiǎn)化計(jì)算，使得最終結(jié)果誤差大、不精確。只注重書本知識(shí)、不重視研究方法、不重視實(shí)踐教學(xué)、以及缺乏專用的實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器等原因，使得學(xué)生學(xué)習(xí)興趣淡薄、理解不透徹。目前國(guó)內(nèi)外有關(guān)測(cè)定人體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的試驗(yàn)儀器設(shè)備不多，國(guó)際上提出并使用過(guò)的方法有復(fù)擺法、單線扭擺法、三線懸掛扭振法和落體法等，主要以彈性元件組成振蕩系統(tǒng)，通過(guò)測(cè)量系統(tǒng)振蕩頻率來(lái)推算出系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。上述方法各有缺陷，具體為復(fù)擺法原理類似單擺，常用于測(cè)量質(zhì)量小的物件，操作不便；單線扭擺法普遍適用于某些微型軸對(duì)稱剛性構(gòu)件，而對(duì)于大中型物件的測(cè)量較為困難；三線懸掛扭振法測(cè)量大質(zhì)量被測(cè)件時(shí)，被測(cè)件旋轉(zhuǎn)夾緊立置安裝困難，且存在安全隱患；落體法對(duì)于大質(zhì)量、大沖量的被測(cè)件，精確度只能達(dá)到3%。因而亟需一款能直接簡(jiǎn)易測(cè)量出人體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的實(shí)驗(yàn)儀器，以此測(cè)定普通人體的整體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，并運(yùn)用于教學(xué)，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的理解，提高教學(xué)質(zhì)量。凡涉及到轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的測(cè)量已成為重點(diǎn)。人體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的測(cè)定和二位影片解析技術(shù)的應(yīng)用對(duì)運(yùn)動(dòng)員動(dòng)作分析評(píng)定大有裨益，有著廣闊的應(yīng)用前景。從基本的利用回歸方程統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)到運(yùn)用實(shí)驗(yàn)儀器直接活體測(cè)量，是解決人體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的活體測(cè)量難、誤差大、計(jì)算煩的大勢(shì)所在。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種人體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)定儀及其測(cè)量方法，實(shí)現(xiàn)人體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的活體測(cè)定。技術(shù)方案為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的人體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)定儀，包括支架、承載圓盤、卷線轉(zhuǎn)軸、低位滑輪、高位滑輪、測(cè)量線和砝碼托盤及砝碼組件，所述承載圓盤與卷線轉(zhuǎn)軸同軸線固定、并與卷線轉(zhuǎn)軸共同轉(zhuǎn)動(dòng)，所述卷線轉(zhuǎn)軸、低位滑輪和高位滑輪的中軸線均與支架保持固定，所述測(cè)量線的始端卷繞在卷線轉(zhuǎn)軸上、尾端與砝碼托盤及砝碼組件固定，且測(cè)量線的尾端依次經(jīng)低位滑輪和高位滑輪后，在砝碼托盤及砝碼組件的重力作用下豎直朝下拉直。優(yōu)選的，所述卷線轉(zhuǎn)軸、低位滑輪和高位滑輪位于同一豎直平面內(nèi)。優(yōu)選的，所述卷線轉(zhuǎn)軸、低位滑輪和高位滑輪均采用軸承滑輪，降低實(shí)際操作中的摩擦阻力，提高測(cè)量精度；同時(shí)卷線轉(zhuǎn)軸需要設(shè)計(jì)專用卡槽，選取金屬絲線作為測(cè)量線，還可以在測(cè)量線與軸承滑輪之間加入潤(rùn)滑油，以求盡量減小誤差。所述卷線轉(zhuǎn)軸、低位滑輪、高位滑輪和測(cè)量線之間的摩擦力會(huì)消耗砝碼的部分重力勢(shì)能，使后續(xù)的計(jì)算不準(zhǔn)確。優(yōu)選的，還包括計(jì)時(shí)器，所述計(jì)時(shí)器對(duì)砝碼托盤及砝碼組件的自由落體時(shí)間進(jìn)行計(jì)時(shí)，提高計(jì)時(shí)精度。優(yōu)選的，還包括開關(guān)組件，所述開關(guān)組件在砝碼托盤及砝碼組件下落初始時(shí)啟動(dòng)計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)，在砝碼托盤及砝碼組件下落結(jié)束時(shí)停止計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)，提高計(jì)時(shí)精度。一種使用人體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)定儀測(cè)定人體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的方法，包括如下步驟(I)承載圓盤空載，通過(guò)卷線轉(zhuǎn)軸卷繞測(cè)量線使砝碼托盤及砝碼組件位于初始位置；(2)釋放卷線轉(zhuǎn)軸或砝碼托盤及砝碼組件，讓砝碼托盤及砝碼組件做自由落體運(yùn)動(dòng)至下落結(jié)束位置，對(duì)砝碼托盤及砝碼組件下落時(shí)間進(jìn)行計(jì)時(shí)，獲取空載下落時(shí)間；(3)人體以需求姿勢(shì)位于承載圓盤上，通過(guò)卷線轉(zhuǎn)軸卷繞測(cè)量線使砝碼托盤及砝碼組件位于初始位置；(4)調(diào)節(jié)砝碼質(zhì)量后，釋放卷線轉(zhuǎn)軸或砝碼托盤及砝碼組件，讓砝碼托盤及砝碼組件做自由落體運(yùn)動(dòng)至下落結(jié)束位置，對(duì)砝碼托盤及砝碼組件下落時(shí)間進(jìn)行計(jì)時(shí)，獲取實(shí)載下落時(shí)間，使實(shí)載下落時(shí)間等于空載下落時(shí)間，獲取此時(shí)的砝碼托盤及砝碼組件總質(zhì)量；
■>%(5)通過(guò)I= (||- _ι) · (R+r) 2*Δηι計(jì)算獲得人體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;其中I為人體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；g為重力加速度；t為空載下落時(shí)間，即實(shí)載下落時(shí)間；h為砝碼托盤及砝碼組件初始位置和下落結(jié)束位置之間的高度差，即砝碼托盤及砝碼組件實(shí)際下落的高度；R為卷線轉(zhuǎn)軸的半徑為測(cè)量線的半徑；Am為人體質(zhì)量，即承載圓盤上承載的質(zhì)量。優(yōu)選的，多次重復(fù)步驟(2)獲取多個(gè)空載下落時(shí)間，對(duì)所有空載下落時(shí)間取平均獲得步驟中計(jì)算使用的t。上述裝置在具體使用時(shí)，要求受試者以站立、俯臥、靜坐的姿勢(shì)測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，為防止其在站立狀態(tài)下由于砝碼的拉力跌倒，提高實(shí)驗(yàn)的安全性，需要在實(shí)驗(yàn)中盡量降低砝碼托盤及砝碼組件，盡量增加承載圓盤及附屬組件的質(zhì)量。有益效果本發(fā)明提供的人體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)定儀，基于能量守恒原理設(shè)計(jì)，能夠用于實(shí)踐教學(xué)，使學(xué)生掌握技能，懂得理論并會(huì)創(chuàng)新運(yùn)用，符合“直觀·興趣·動(dòng)手·創(chuàng)新”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)法理念。


圖I為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作更進(jìn)一步的說(shuō)明。如圖I所示為一種人體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)定儀，包括支架、承載圓盤I、卷線轉(zhuǎn)軸2、低位滑輪3、高位滑輪4、測(cè)量線、砝碼托盤及砝碼組件5、計(jì)時(shí)器和開關(guān)組件，所述承載圓盤I與卷線轉(zhuǎn)軸2同軸線固定、并與卷線轉(zhuǎn)軸2共同轉(zhuǎn)動(dòng)，所述卷線轉(zhuǎn)軸2、低位滑輪3和高位滑輪4的中軸線均與支架保持固定，所述測(cè)量線的始端卷繞在卷線轉(zhuǎn)軸2上、尾端與砝碼托盤及砝碼組件5固定，且測(cè)量線的尾端依次經(jīng)低位滑輪3和高位滑輪4后，在砝碼托盤及砝碼組件5的重力作用下豎直朝下拉直；所述計(jì)時(shí)器對(duì)砝碼托盤及砝碼組件5的自由落體時(shí)間進(jìn)行計(jì)時(shí)，其中開關(guān)組件在砝碼托盤及砝碼組件5下落初始時(shí)啟動(dòng)計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)，在砝碼托盤及砝碼組件5下落結(jié)束時(shí)停止計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)。所述卷線轉(zhuǎn)軸2、低位滑輪3和高位滑輪4位于同一豎直平面內(nèi)；所述卷線轉(zhuǎn)軸2、低位滑輪3和高位滑輪4均采用軸承滑輪。采用上述裝置進(jìn)行人體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)定時(shí)包括如下步驟( I)承載圓盤I空載，通過(guò)卷線轉(zhuǎn)軸2卷繞測(cè)量線使砝碼托盤及砝碼組件5位于初始位置；(2)釋放卷線轉(zhuǎn)軸2或砝碼托盤及砝碼組件5，讓砝碼托盤及砝碼組件5做自由落體運(yùn)動(dòng)至下落結(jié)束位置，對(duì)砝碼托盤及砝碼組件5下落時(shí)間進(jìn)行計(jì)時(shí)，獲取空載下落時(shí)間；(3)人體以需求姿勢(shì)位于承載圓盤I上，通過(guò)卷線轉(zhuǎn)軸2卷繞測(cè)量線使砝碼托盤及砝碼組件5位于初始位置；(4)調(diào)節(jié)砝碼質(zhì)量后，釋放卷線轉(zhuǎn)軸2或砝碼托盤及砝碼組件5，讓砝碼托盤及砝碼組件5做自由落體運(yùn)動(dòng)至下落結(jié)束位置，對(duì)砝碼托盤及砝碼組件5下落時(shí)間進(jìn)行計(jì)時(shí)，獲取實(shí)載下落時(shí)間，使實(shí)載下落時(shí)間等于空載下落時(shí)間，獲取此時(shí)的砝碼托盤及砝碼組件5總質(zhì)量；(5)通過(guò)
權(quán)利要求
1.人體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)定儀，其特征在于包括支架、承載圓盤(I)、卷線轉(zhuǎn)軸(2)、低位滑輪(3)、高位滑輪(4)、測(cè)量線和砝碼托盤及砝碼組件(5)，所述承載圓盤(I)與卷線轉(zhuǎn)軸(2)同軸線固定、并與卷線轉(zhuǎn)軸(2)共同轉(zhuǎn)動(dòng)，所述卷線轉(zhuǎn)軸(2)、低位滑輪(3)和高位滑輪(4)的中軸線均與支架保持固定，所述測(cè)量線的始端卷繞在卷線轉(zhuǎn)軸(2)上、尾端與砝碼托盤及砝碼組件(5)固定，且測(cè)量線的尾端依次經(jīng)低位滑輪(3)和高位滑輪(4)后，在砝碼托盤及砝碼組件(5)的重力作用下豎直朝下拉直。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的人體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)定儀，其特征在于所述卷線轉(zhuǎn)軸(2)、低位滑輪(3)和高位滑輪(4)位于同一豎直平面內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的人體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)定儀，其特征在于所述卷線轉(zhuǎn)軸(2)、低位滑輪(3)和高位滑輪(4)均采用軸承滑輪。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的人體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)定儀，其特征在于還包括計(jì)時(shí)器，所述計(jì)時(shí)器對(duì)砝碼托盤及砝碼組件(5)的自由落體時(shí)間進(jìn)行計(jì)時(shí)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的人體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)定儀，其特征在于還包括開關(guān)組件，所述開關(guān)組件在砝碼托盤及砝碼組件(5)下落初始時(shí)啟動(dòng)計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)，在砝碼托盤及砝碼組件(5)下落結(jié)束時(shí)停止計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)。
6.一種使用人體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)定儀測(cè)定人體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的方法，其特征在于包括如下步驟(1)承載圓盤(I)空載，通過(guò)卷線轉(zhuǎn)軸(2)卷繞測(cè)量線使砝碼托盤及砝碼組件(5)位于初始位置；(2)釋放卷線轉(zhuǎn)軸(2)或砝碼托盤及砝碼組件(5)，讓砝碼托盤及砝碼組件(5)做自由落體運(yùn)動(dòng)至下落結(jié)束位置，對(duì)砝碼托盤及砝碼組件(5)下落時(shí)間進(jìn)行計(jì)時(shí)，獲取空載下落時(shí)間；(3)人體以需求姿勢(shì)位于承載圓盤(I)上，通過(guò)卷線轉(zhuǎn)軸(2)卷繞測(cè)量線使砝碼托盤及砝碼組件(5)位于初始位置；(4)調(diào)節(jié)砝碼質(zhì)量后，釋放卷線轉(zhuǎn)軸(2)或砝碼托盤及砝碼組件(5)，讓砝碼托盤及砝碼組件(5)做自由落體運(yùn)動(dòng)至下落結(jié)束位置，對(duì)砝碼托盤及砝碼組件(5)下落時(shí)間進(jìn)行計(jì)時(shí)，獲取實(shí)載下落時(shí)間，使實(shí)載下落時(shí)間等于空載下落時(shí)間，獲取此時(shí)的砝碼托盤及砝碼組件(5)總質(zhì)量；I(5)通過(guò)
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的使用人體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)定儀測(cè)定人體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的方法，其特征在于多次重復(fù)步驟(2)獲取多個(gè)空載下落時(shí)間，對(duì)所有空載下落時(shí)間取平均獲得步驟(5)中計(jì)算使用的t。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種人體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)定儀及其測(cè)量方法，包括支架、承載圓盤、卷線轉(zhuǎn)軸、低位滑輪、高位滑輪、測(cè)量線和砝碼托盤及砝碼組件，所述承載圓盤與卷線轉(zhuǎn)軸同軸線固定、并與卷線轉(zhuǎn)軸共同轉(zhuǎn)動(dòng)，所述卷線轉(zhuǎn)軸、低位滑輪和高位滑輪的中軸線均與支架保持固定，所述測(cè)量線的始端卷繞在卷線轉(zhuǎn)軸上、尾端與砝碼托盤及砝碼組件固定，且測(cè)量線的尾端依次經(jīng)低位滑輪和高位滑輪后，在砝碼托盤及砝碼組件的重力作用下豎直朝下拉直。本發(fā)明提供的人體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)定儀，基于能量守恒原理設(shè)計(jì)，能夠用于實(shí)踐教學(xué)，使學(xué)生掌握技能，懂得理論并會(huì)創(chuàng)新運(yùn)用，符合“直觀·興趣·動(dòng)手·創(chuàng)新”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)法理念。
文檔編號(hào)G01M1/10GK102937503SQ20121042114
公開日2013年2月20日 申請(qǐng)日期2012年10月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月29日
發(fā)明者宋雅偉, 張伊卓 申請(qǐng)人:宋雅偉