本發(fā)明涉及一種高精度頭盔質(zhì)量特性測量系統(tǒng)及其測量方法，其是專門為頭盔的質(zhì)量特性測量設(shè)計的，能夠精確測量頭盔的質(zhì)心及轉(zhuǎn)動慣量，屬于高精度的測量儀器，屬于不規(guī)則物體質(zhì)量特性的試驗和測量領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
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頭盔的質(zhì)量分布嚴重影響其佩戴的舒適性和安全性，對于飛行員和航天員這種影響甚至?xí){到生命安全，因此需要對其進行質(zhì)量特性的測量。由于頭盔形狀極其復(fù)雜不規(guī)則，坐標定位不便，對其質(zhì)量特性的測量帶來非常不利的影響。

對于高精度質(zhì)心測量儀器，其關(guān)鍵技術(shù)在于測量基準即測量坐標系的建立、測量設(shè)備中機構(gòu)和傳感器的靈敏度等因素。目前，高精度質(zhì)心測量方法可采用不平衡力矩與多支點稱重等方法，測量轉(zhuǎn)動慣量的方法有扭擺法、落體法、三線擺法、復(fù)擺法等。因頭盔形狀特殊，可視為半球殼狀物體，其中心軸固定不便，大多數(shù)測量裝置都無法對其進行正確安裝以達到精準測量的目的。如文獻1(盧志輝,孫志揚,李祥云,等.高精度質(zhì)心測量方法研究[J].兵工學(xué)報,2009,30(12):1748-1752)，文獻2(鄭勇,劉建華,常曉東,等.質(zhì)量、質(zhì)心測試儀適應(yīng)多種戰(zhàn)斗部測試研究[J].航天制造技術(shù),2013,(1):51-55)，文獻3(王超,唐文彥,張曉琳,等.大尺寸非回轉(zhuǎn)體質(zhì)量特性一體化測量系統(tǒng)的設(shè)計[J].儀器儀表學(xué)報,2012,33(7):1634-1640)所介紹的質(zhì)心測量儀器，以及文獻4(鄒瑩,夏陽.一種通用的設(shè)備轉(zhuǎn)動慣量測量方法[J].航天控制,2008,26(5):74-76)和文獻5(劉巍,張洋,馬鑫,等.基于雙目視覺的轉(zhuǎn)動慣量測量方法[J].儀器儀表學(xué)報,2014,35(9):1972-1978)所介紹的轉(zhuǎn)動慣量測量儀器，都面臨著因安裝困難無法使用的問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
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本發(fā)明的目的是提供一種高精度頭盔質(zhì)量特性測量系統(tǒng)及其測量方法，能夠方便精確地測量頭盔的質(zhì)心以及轉(zhuǎn)動慣量，要求測量精度高，量程大，操作簡便。

本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：一種高精度頭盔質(zhì)量特性測量系統(tǒng)，由頭?？蚣?、質(zhì)心測量平臺、磁懸浮轉(zhuǎn)動慣量測量平臺、磁懸浮控制器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、計算機、數(shù)據(jù)處理計算軟件以及轉(zhuǎn)動慣量標準試件組成，所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與質(zhì)心測量平臺和磁懸浮轉(zhuǎn)動慣量測量平臺相連，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與計算機相連，磁懸浮控制器與磁懸浮轉(zhuǎn)動慣量測量平臺相連；

所述頭?？蚣馨蚣?、固定于框架上的頭模以及設(shè)置于框架上的三個錐形接觸點，三個錐形接觸點分別為第一錐形接觸點、第二錐形接觸點以及第三錐形接觸點，所述框架包括相互垂直的第一框架面和第二框架面，所述頭模和三個錐形接觸點均設(shè)置于第二框架面上朝向第一框架面的表面上，在第二框架面上背向第一框架面的表面上設(shè)有Z向圓環(huán)卡槽，在第一框架面上背向第二框架面的表面上設(shè)有Y向圓環(huán)卡槽；

所述質(zhì)心測量平臺包括稱重傳感器、傳感器安裝平臺、測量平臺、第一支架及第一底座，所述第一支架固定安裝于第一底座上，測量平臺水平固定在第一支架上且位于第一底座的上方，所述傳感器安裝平臺共包括有三個，且以三角形排布的形式設(shè)置于測量平臺上，所述傳感器安裝平臺的上表面處于水平位置，所述稱重傳感器共包括有三個，且其分別設(shè)置在三個傳感器安裝平臺上；

所述磁懸浮轉(zhuǎn)動慣量測量平臺包括轉(zhuǎn)子、扭簧、彈簧加緊塊、螺釘、扭擺平臺、徑向磁懸浮軸承、徑向傳感器、軸向磁懸浮軸承、軸向傳感器、推力盤、高線位編碼器、圓環(huán)卡槽以及第二底座、第二支架，所述軸向磁懸浮軸承在通電后產(chǎn)生磁力將推力盤抬起，從而帶動轉(zhuǎn)子、扭擺平臺、圓環(huán)卡槽以及安裝在扭擺平臺上的待測頭?？蚣芤黄饝腋∑饋?，所述軸向磁懸浮軸承安裝于徑向磁懸浮軸承兩端起固定轉(zhuǎn)子的作用，扭簧與高線位編碼器安裝在轉(zhuǎn)子的兩端隨轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動且不上下移動，所述彈簧加緊塊和螺釘用于固定扭簧，所述第二支架固定安裝于第二底座上，所述軸向傳感器和徑向傳感器與磁懸浮控制器相連接并相其傳輸數(shù)據(jù)；

在測量質(zhì)心時，頭模框架放置于質(zhì)心測量平臺的稱重傳感器上稱重，框架上的三個錐形接觸點與對應(yīng)的三個稱重傳感器上表面接觸；在測量轉(zhuǎn)動慣量時，頭?？蚣馨惭b在磁懸浮轉(zhuǎn)動慣量測量平臺上，框架上的Z向圓環(huán)卡槽或者Y向圓環(huán)卡槽的外表面與扭擺平臺上的圓環(huán)卡槽內(nèi)表面對接。

進一步地，所述頭模用于安裝頭盔和面罩，采用樹脂材料3D打印而成，與框架固定在一起。

進一步地，每個傳感器安裝平臺和設(shè)置在其上的稱重傳感器形成了一組組合，在三組組合中有兩組是固定在測量平臺上的，另外一組能夠上下移動以控制頭?？蚣艿膬A斜角度。

進一步地，所述轉(zhuǎn)動慣量標準試件為形狀規(guī)則、密度均勻的金屬圓盤。

本發(fā)明還采用如下技術(shù)方案：一種高精度頭盔質(zhì)量特性測量系統(tǒng)的測量方法，包括如下步驟：

1.開機預(yù)熱，將系統(tǒng)預(yù)熱30分鐘左右，打開數(shù)據(jù)計算處理軟件；

2.對數(shù)據(jù)計算處理軟件系統(tǒng)測量值進行清0，將安裝好頭盔的頭?？蚣芩椒胖迷谫|(zhì)心測量平臺上，待框架靜止后，操作數(shù)據(jù)計算處理軟件，在計算機上讀取三個稱重傳感器傳來的數(shù)據(jù)；

3.將能夠上下移動的一組稱重傳感器抬高，使框架傾斜一個角度，等框架靜止后，再次測量得到三個稱重傳感器傳來的數(shù)據(jù)；

4.根據(jù)兩次所測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)計算處理軟件可自動計算出頭盔的質(zhì)量與質(zhì)心位置；

5.將頭?？蚣苋∠虏惭b到磁懸浮轉(zhuǎn)動慣量測量平臺上，待靜止后，對測量值進行清0，之后將頭盔扭轉(zhuǎn)至最大位置松開，并在同一時刻開始計時，數(shù)據(jù)計算處理軟件系統(tǒng)將自動記錄擺動的時間和幅度，當扭擺時間超過1min后，系統(tǒng)自動停止計時，根據(jù)測量數(shù)據(jù)，便可計算出頭盔繞Y軸或者Z軸的轉(zhuǎn)動慣量；

6.重復(fù)測量多次取平均值；

7.關(guān)閉系統(tǒng)。

本發(fā)明具有如下有益效果：本發(fā)明高精度頭盔質(zhì)量特性測量系統(tǒng)采用了多支點稱重方法，采用了三個高精度的稱重傳感器，利于水平放置和傾斜時各支點受力不同計算得到頭盔質(zhì)心；轉(zhuǎn)動慣量測量采用扭擺法，利于磁懸浮裝置測量扭擺的周期和振幅，計算相鄰振幅的衰減率，從而進一步計算可得繞轉(zhuǎn)動軸的轉(zhuǎn)動慣量。整個核心技術(shù)在于設(shè)計了一套頭?？蚣?，便于頭盔的安裝及固定；合理構(gòu)建頭盔的坐標體系，編寫了計算軟件，從而方便快捷地對頭盔質(zhì)心及轉(zhuǎn)動慣量進行計算和測量。

附圖說明：

圖1為本發(fā)明系統(tǒng)原理圖。

圖2為頭?？蚣堋?/p>

圖3為質(zhì)心測量平臺。

圖4為磁懸浮轉(zhuǎn)動慣量測量平臺。

圖5為頭盔質(zhì)量特性測量的四個坐標系。

具體實施方式：

本發(fā)明高精度頭盔質(zhì)量特性測量系統(tǒng)由頭?？蚣?、質(zhì)心測量平臺1、磁懸浮轉(zhuǎn)動慣量測量平臺2、磁懸浮控制器3、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)4、計算機5、數(shù)據(jù)處理計算軟件6以及轉(zhuǎn)動慣量標準試件組成。

頭?？蚣苁穷^盔質(zhì)量特性測量的輔助安裝設(shè)備，如圖2所示。頭?？蚣馨蚣?、固定于框架7上的頭模8以及設(shè)置于框架7上的三個錐形接觸點，三個錐形接觸點分別為第一錐形接觸點91、第二錐形接觸點92以及第三錐形接觸點93，框架7為兩面垂直的開放式框架，框架包括相互垂直的第一框架面10和第二框架面11，框架7采用輕質(zhì)金屬材料制成，牢固又輕量的結(jié)構(gòu)，其質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量與被測頭盔相比較小，盡可能降低測量系統(tǒng)的噪聲，其中頭模8和三個錐形接觸點均設(shè)置于第二框架面11上朝向第一框架面10的表面上，在第二框架面11上背向第一框架面10的表面上設(shè)有Z向圓環(huán)卡槽12，在第一框架面10上背向第二框架面11的表面上設(shè)有Y向圓環(huán)卡槽13。頭模8用于安裝頭盔和面罩，采用樹脂材料3D打印而成，與框架7固定在一起。頭模8分為大、中、小三個號型，分別對應(yīng)中國男性飛行員頭型測量數(shù)據(jù)的第95百分位、第50百分位和第5百分位。在測量質(zhì)心時，頭?？蚣芊胖糜谫|(zhì)心測量平臺1的稱重傳感器14上稱重，框架7上的三個錐形接觸點與對應(yīng)的三個稱重傳感器14上表面接觸；在測量轉(zhuǎn)動慣量時，頭?？蚣馨惭b在磁懸浮轉(zhuǎn)動慣量測量平臺2上，框架7上的Z向圓環(huán)卡槽或者Y向圓環(huán)卡槽的外表面與扭擺平19上的圓環(huán)卡槽27內(nèi)表面對接。改變頭?？蚣艿姆轿?，實現(xiàn)重心和轉(zhuǎn)動慣量測量坐標軸的改變。

質(zhì)心測量平臺1包括稱重傳感器14、傳感器安裝平臺15、測量平臺16、第一支架17及第一底座18，如圖3所示。第一支架17固定安裝于第一底座18上，測量平臺16水平固定在第一支架17上且位于第一底座18的上方。傳感器安裝平臺15共包括有三個，且以三角形排布的形式設(shè)置于測量平臺16上，傳感器安裝平臺15的上表面必須保證處于水平位置。稱重傳感器14共包括有三個，且其分別設(shè)置在三個傳感器安裝平臺15，稱重傳感器14用于支撐和感應(yīng)框架7的重量，三點支撐使框架7形成一個穩(wěn)定的靜力平衡力系，用于測量包括框架、頭模、頭盔、面罩的重力(重量)。其中，每個傳感器安裝平臺15和設(shè)置在其上的稱重傳感器14形成了一組組合，在三組組合中有兩組是固定在測量平臺16上的，另外一組是可以上下移動，以此來控制頭?？蚣艿膬A斜角度。

磁懸浮轉(zhuǎn)動慣量測量平臺2包括轉(zhuǎn)子19、扭簧20、彈簧加緊塊21、螺釘22、扭擺平臺23、徑向磁懸浮軸承24、徑向傳感器25、軸向磁懸浮軸承26、軸向傳感器27、推力盤28、高線位編碼器29、圓環(huán)卡槽30以及第二底座31、第二支架32，軸向磁懸浮軸承26在通電后產(chǎn)生磁力將推力盤28抬起，從而帶動轉(zhuǎn)子19、扭擺平臺23、圓環(huán)卡槽30以及安裝在扭擺平臺23上的待測頭?？蚣芤黄饝腋∑饋?，軸向磁懸浮軸承26安裝于徑向磁懸浮軸承24兩端起固定轉(zhuǎn)子19的作用，扭簧20與高線位編碼器29安裝在轉(zhuǎn)子19的兩端隨轉(zhuǎn)子19轉(zhuǎn)動且不上下移動，彈簧加緊塊21和螺釘22用于固定扭簧20，第二支架32固定安裝于第二底座31上，所述軸向傳感器27和徑向傳感器25與磁懸浮控制器3相連接并相其傳輸數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)4用于采集數(shù)據(jù)，包括稱重傳感器14所測量的重力以及磁懸浮轉(zhuǎn)動慣量測量平臺所測量的時間和振幅，并將采集的數(shù)據(jù)傳送給計算機5。

數(shù)據(jù)計算處理軟件6用于記錄并處理測量所得到的數(shù)據(jù)，能夠計算頭盔的重量、質(zhì)心位置和轉(zhuǎn)動慣量等參數(shù)。該軟件包含有框架和頭模的質(zhì)量、質(zhì)心坐標、轉(zhuǎn)動慣量以及各坐標系原點坐標的數(shù)據(jù)庫，并存儲在計算機中，便于隨時調(diào)用。

轉(zhuǎn)動慣量標準試件為形狀規(guī)則、密度均勻的金屬圓盤，理論上計算得到的轉(zhuǎn)動慣量即認為是標準值，用于標定扭擺的彈性系數(shù)和阻尼比。

本發(fā)明高精度頭盔質(zhì)量特性測量系統(tǒng)的測量方法，包括如下步驟：

1.開機預(yù)熱，將系統(tǒng)預(yù)熱30分鐘左右，打開數(shù)據(jù)計算處理軟件。

2.對數(shù)據(jù)計算處理軟件系統(tǒng)測量值進行清0，將安裝好頭盔的頭?？蚣茌p輕地水平放置在質(zhì)心測量平臺1上，待框架靜止后，操作數(shù)據(jù)計算處理軟件，在計算機上讀取三個稱重傳感器傳來的數(shù)據(jù)。

3.將可上下移動的一組稱重傳感器抬高，并用固定塊固定，使框架傾斜一個角度，等框架靜止后，再次測量得到三個稱重傳感器傳來的數(shù)據(jù)。

4.根據(jù)兩次所測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)計算處理軟件可自動計算出頭盔的質(zhì)量與質(zhì)心位置。

5.將頭?？蚣苋∠虏惭b到磁懸浮轉(zhuǎn)動慣量測量平臺上，待靜止后，對測量值進行清0。之后將頭盔扭轉(zhuǎn)至最大位置松開，并在同一時刻開始計時，數(shù)據(jù)計算處理軟件系統(tǒng)將自動記錄擺動的時間和幅度。當扭擺時間超過1min后，系統(tǒng)自動停止計時。根據(jù)測量數(shù)據(jù)，便可計算出頭盔繞Y軸或者Z軸的轉(zhuǎn)動慣量。目前，該系統(tǒng)可以對Y軸與Z軸的轉(zhuǎn)動慣量進行測量，X軸沒有設(shè)計安裝圓環(huán)卡槽，暫不能進行轉(zhuǎn)動慣量測量。

6.為進一步提高測量精度，可重復(fù)測量多次取平均值，數(shù)據(jù)計算處理軟件可自動計算。

7.關(guān)閉系統(tǒng)。

本發(fā)明高精度頭盔質(zhì)量特性測量系統(tǒng)的計算方法如下：

首先需建立坐標系，整個測量系統(tǒng)共建立了四個坐標系，分別為框架坐標系OXYZ、人體頭部坐標系O_EX_EY_EZ_E、頭盔坐標系O_HX_HY_HZ_H以及扭擺坐標系O_SX_SY_SZ_S，如圖5所示。四個坐標系原點定義不同，但坐標軸方向一致，X軸水平向前，Y軸正向水平向左，Z軸正向豎直向上。其中，框架坐標系原點由框架錐形接觸點定義，為第一錐形接觸點沿X軸和第三錐形接觸點沿Y軸的交匯處，位于框架的一角；人體頭部坐標系以人頭重心位置為原點，位于兩耳屏點連線的中點位置；頭盔坐標系以頭盔質(zhì)心為原點；扭擺坐標系以扭擺轉(zhuǎn)軸定義，為兩個扭擺軸的交點。

1.質(zhì)心計算方法

首先根據(jù)質(zhì)心測量平臺所測的數(shù)據(jù)計算質(zhì)心位置，以框架坐標系為基準進行計算。假定框架(含頭模)質(zhì)量為m，水平測量時，三個稱重傳感器所測力分別為N₁、N₂、N₃，則可根據(jù)靜力學(xué)平衡方程計算頭盔質(zhì)量和頭盔在水平方向的質(zhì)心位置：

式中：m₁為頭盔質(zhì)量；g為重力加速度；X₁、Y₁、Z₁分別為框架坐標系下的頭盔質(zhì)心坐標；分別為第一錐形接觸點到Y(jié)軸的距離以及第二錐形接觸點、第三錐形接觸點到X軸的距離。X_C、Y_C、Z_C為框架(含頭模)在框架坐標系下的質(zhì)心坐標。

再根據(jù)傾斜測量時可上下移動的稱重傳感器所測值N₃^*以及傾斜角度θ，便可計算得到頭盔在Z向上的質(zhì)心坐標Z₁：

之后再將坐標系轉(zhuǎn)換為人體頭部坐標系，即可得頭盔在人體頭部坐標系下的重心坐標。它的大小表明了頭盔重心偏離人頭重心的程度。

2.轉(zhuǎn)動慣量計算方法

轉(zhuǎn)動慣量通過磁懸浮扭擺進行測量，根據(jù)測量所得框架框架(含頭模、頭盔)轉(zhuǎn)動周期T和相鄰振幅A_i、A_i+1，可計算轉(zhuǎn)動的阻尼比ζ、角頻率ω以及轉(zhuǎn)動慣量I分別為：

式中：k為扭簧彈性系數(shù)。

將此時的轉(zhuǎn)動慣量減去扭擺平臺、框架和頭模的轉(zhuǎn)動慣量，再對其進行坐標轉(zhuǎn)換，根據(jù)需要將其轉(zhuǎn)換為其它幾個坐標系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下還可以作出若干改進，這些改進也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。