一種人體環節重量的測量方法及設備的製作方法
2023-05-26 14:01:36
專利名稱：一種人體環節重量的測量方法及設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及測定人體參數測試領域，更具體地說，涉及一種人體環節重量的測量方法及設備。
背景技術：
一般來講，人體的基本物理參數包括兩類一類是把人體整體及環節的質量、質心位置、轉動慣量及轉動半徑等稱為人體慣性參數；另一類是把人體整體及環節的長度、寬度和圍度等稱為人體形態參數。由於其在運動生物力學、工效學及相關學科的基礎性地位，長期以來對人體基本物理參數的測量研究一直倍受人們的關注。
近一百多年來，從屍體解剖發展到活體測量，國內外專家學者對人體環節參數的測量研究做出了不懈地努力，進行了大膽地探索，先後曾出現過浸水法、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，促進了人體環節測量研究的不斷進步。可以說，對人體環節參數測量研究的發展史就是一個不斷探索更好的測量方法並向人體環節參數個體化測量方向發展的過程。然而，從目前的研究現狀來看，人體環節參數模型還多為對稱型，且數據多來源於對正常成年人的測量，不適於特殊群體；精度高的人體環節參數模型均採用了帶有放射性的射線法(ZatsiorskY等採用γ射線掃描法，鄭秀瑗等採用CT法)，難以應用於對少年兒童的環節參數研究。
事實上，人體的形態結構和質量分布特徵的確具有鮮明的個體性，尤其是特殊群體個性特徵更加明顯，譬如運動員群體，不同競技項目的運動員形體差異很大，某些項目運動員由於項目特點在長期的系統訓練中還會產生人體優勢側特徵顯著的現象。因而，不論採用何種形式的人體環節慣性參數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徵。由此看來，提供對於受試者來說更加個性化的人體環節慣性參數是人體運動分析精化與細化的首要條件。
人體環節是指人體相鄰兩個關節中心之間的部分。人們根據這一概念把人體劃分為多個環節，並進行人體環節參數的測量。事實上，這一人為劃分人體環節的概念忽略了參與運動的人體環節的實際情況，不利於提供符合運動實際的參與運動的人體環節參數。因此，我們提出人體運動環節的概念。
多個人體運動環節通過關節的串聯式連結就構成了人體運動環節鏈。環節和環節鏈這兩個概念是相對的，它們取決於根據研究問題的需要而建立起來的人體模型。不同的人體模型環節劃分的方法是不同的，因而，一個人體模型的一個環節可以是另一個人體模型的一個環節鏈。基於人體運動環節與環節鏈概念的相對性的討論，我們提出在人體運動環節參數的測量研究中，應儘可能多地提供一些環節鏈的慣性參數，使之成為人體運動環節參數體系中不可或缺的一部分。
鑑於人體環節參數在人體運動研究中的重要基礎地位，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節的這些重量參數，因為人們意識到一旦利用平衡板測量人體環節重量參數的方法取得突破性進展，由於平衡板的簡便易行，和直接測量人體環節重量參數這種還原歸真的性質，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，我們認為當前人體運動環節參數的測量研究中還普遍存在著以下不足，有待於進一步提高，使所提供的人體運動環節參數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徵。即便是活體測量目前所提供的人體環節參數也僅限於正常人群體，不足以體現特殊人群的特殊性。
2)忽視了人體左右側發展的不平衡性。現有人體模型絕大部分是對稱性人體模型，尤其對於運動員群體，某些項目的運動員優勢側特徵明顯，有些情況不應把人體視為左右對稱。
3)忽視了人體環節運動過程的實際情況。僅以一個幾何概念—關節中心為界來劃分人體環節而進行的參數測試，不足以描述運動中的環節總體。
4)忽視了人體環節、環節鏈二者的相對性。相對性概念的引入可減少誤差源，以更精確的參數來滿足實際需要。
為實現以上人體環節參數的測量，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變成測量人體環節的重量和重心位置，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現以下的問題1)由於測量要求被測環節豎直向上舉起，被測環節的末端停留在空中，因此難以控制被測環節在測量過程中保持靜止不動，尤其對於整個下肢的測量就更難控制；2)在測量過程中要求被測環節應當完全伸直，而且要與板面成90°直角，在測量整個下肢環節時受試者很難完成這樣的動作。
3)在確定人體環節的瞬時轉動中心時，只能根據各關節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狀是一方面，各國專家學者對人體環節重量參數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。
針對現有技術存在以上相對的不足，提出本發明。
發明內容
本發明的目的在於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節重量的測量方法及測量設備。
本發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節(鏈)與人體總重心的聯動關係，其中A為人體所有不動環節合重心；B為人體運動環節(鏈)重心；C為人體總重心；Q為人體總重心圓圓心；O為人體運動環節(鏈)與不動環節相接關節的瞬時轉動中心。
在圖1中，B(xb，yb)為人體的運動環節(鏈)重心，繞與不動環節相接關節的瞬時轉動中心O(xo，yo)轉動，OB＝rb為人體運動環節(鏈)重心圓的半徑。A(xa，ya)為人體所有不動環節的合重心，是一個定點。由於人體總重量等於運動環節和不動環節的重量之和，根據質點系的質心合成定理，則有人體總重心C(xc，yc)必定位於直線AB上，即xc=waxa+wbxbwc---(1)]]>yc=waya+wbybwc---(2)]]>式中wa、wb、wc分別為運動環節(鏈)重量、所有不動環節重量和人體總重量；xa、xb、xc分別為運動環節(鏈)重心、所有不動環節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)，並設wb/wa＝k，k為一定值，則有xc=xa+kxb1+k---(4)]]>yc=ya+kyb1+k---(5)]]>當運動環節重心B點繞關節瞬時轉動中心O點做圓周運動時，此圓稱為人體運動環節(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。由於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與運動環節(鏈)重心圓的半徑rb之比為k/(1+k)，僅與定比例係數k有關，故rc/rb＝k/(l+k)也為一定值。
本發明是基於任意平面直角坐標系提出總重心圓原理，即當運動環節(鏈)重心繞與所有不動環節相接關節的瞬時轉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，前者稱為運動環節(鏈)重心圓，後者稱為總重心圓，且總重心圓的半徑與運動環節(鏈)重心圓的半徑之比為一定值，該比值與運動環節(鏈)的重量和總重量的比值相同。
為實現以上發明目的，本發明根據上述原理所提供的發明方法為以重量矩和環節重心半徑為參數測定人體的環節重量，包括以下步驟1、人體至少以三種環節姿勢測量；2、標定被測環節瞬時轉動中心；3、計算人體總重心半徑；4、計算被測環節的重量矩；5、測量所測環節的環節重心半徑；6、得出環節重量並顯示數值。
根據上述發明方法，本發明提供了一種平衡板測量設備用於測量人體的環節參數，包括環節重量和環節重心位置的測定，所述測量設備包括通過放大器和信號採集卡共同連接在數據處理系統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作完成環節重量矩的測定及環節瞬時轉動中心的標定的稱重測量系統和坐標測量系統；所述稱重測量系統包括平衡板和底座以及設置在底座內的偏心輪機構，平衡板上設有力傳感器；所述坐標測量系統包括設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，定位箱內設有標示裝置；所述力傳感器和編碼器的電信號通過放大器傳輸到計算機上的採集卡上。
所述偏心輪機構包括偏心凸輪和手搖把，所述偏心凸輪通過絲槓與手搖把連接。
所述定位箱設置在位於平衡板上方的導軌上，並通過滾輪可在導軌作X軸向運動，導軌通過滾輪可在支架上的導軌上作Y軸向運動。
所述編碼器包括設置在導軌上通過齒輪皮帶與定位箱連接的編碼器，設置在導軌上通過齒輪皮帶與定位箱連接的編碼器。
所述標示裝置為雷射發射器，所述編碼器為旋轉式編碼器，所述平衡板和傳感器之間設置有光滑的鋼球，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作完成環節重心半徑的測定的稱重測量系統和坐標測量系統；所述稱重測量系統包括設置在定支點和動支點上的平衡板；所述動支點設置在底座內的絲槓上，絲槓的一端連接有手搖輪；所述坐標測量系統包括設置在定支點上的力傳感器和設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到計算機上的採集卡上。
在所述平衡板的定支點端設有限位板。
所述定支點設置在可在導軌上移動的滾輪支架上，所述編碼器為旋轉式編碼器。
一般來說，人體環節重量參數包括環節重量、環節重心位置(重心半徑)，而在建立了人體運動環節(鏈)的概念以後，本發明提出了上述環節參數中應當增補重量矩這一參數，即人體運動環節(鏈)的重量與重心半徑的乘積。本發明提出重量矩這一概念，主要是出於以下三方面的考慮1)從概念上講，重量矩反映了人體運動環節(鏈)的質量分布；2)從應用上講，凡是在有以人體運動環節(鏈)的重量與重心半徑乘積的形式出現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節(鏈)重心點的動量、計算人體運動環節(鏈)轉動過程中所受到的向心力等；3)從測量上講，我們採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節(鏈)的重量矩，無需合成。
增補了重量矩這一參數以後，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。
本發明的優點為提供了更為個體化的人體環節重量的測量方法及相應的設備，即更加符合每一個個體運動的實際情況的人體運動環節參數，對人體運動規律的深入探索起到極大的推動作用。另外本發明設備測試過程簡單，更加容易的確定人體環節的瞬時轉動中心且能夠保證一定的精度。
術語人體環節是指人體相鄰兩個關節中心之間的部分。
術語人體環節參數是指人體的環節重量和環節重心位置參數。
術語運動環節是指人體中可以轉動的相鄰的關節。
術語瞬時轉動中心是指人體運動環節轉動的中心點。
術語環節姿勢是指人體的運動環節繞與不動環節相接關節的瞬時轉動中心轉動而做出的姿勢。
術語重心圓是指當運動環節重心繞關節瞬時轉動中心點做圓周運動時，此圓稱為人體運動環節(鏈)重心圓。
1.圖1為總重心圓理論圖釋2.圖2為本發明方法流程框圖3.圖3為本發明平衡板設備總體示意圖4.圖4為二維平衡板總體原理圖5.圖5為二維平衡板設備的立體圖6.圖6為二維平衡板設備的主視圖7.圖7為二維平衡板設備的俯視圖8.圖8為二維平衡板信號採集框圖9.圖9為二維平衡板數據採集軟體框圖10.圖10為環節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為一維平衡板設備的立體圖13.圖13為一維平衡板設備的主視圖14.圖14為一維平衡板設備的俯視圖15.圖15為一維平衡板數據採集軟體框圖16.圖16為平衡板測量過程示意圖具體實施方式
下面結合附圖對本發明進行詳細的描述圖2為本發明測量方法流程框圖，下面結合本發明平衡板測量設備對本發明進行詳細的描述。
圖3為本發明平衡板設備總體示意圖，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採集卡輸送到數據處理系統主機上，利用主機裡面已有的數據處理軟體處理信號，得出所測人體環節的環節重量並顯示。
圖4為二維平衡板工作原理框圖，本發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體部分；三部分相配合組成兩個系統稱重測量系統和坐標測量系統；兩個系統相互協作完成兩個功能環節重量矩的測定及環節瞬時轉動中心的標定。
二維平衡板測量設備機械部分由稱重測量系統和坐標測量系統兩個部分組成，其機械圖為圖5、圖6和圖7。
1)稱重測量系統的機械部分圖6中，本發明設備稱重測量系統的機械部分包括平衡板板面1和底座2。平衡板板面1由鋼製框架的木板做成，其上鋪有光滑的面層17，以方便玻璃吸盤的吸附；底座2也為鋼製框架結構，具有較大的重量，以保證儀器擺放穩定。在底座2中設計了一個偏心輪機構，這是該類儀器的首創設計。該機構由手搖輪13帶動絲槓14，再由絲槓14帶動偏心輪12的轉動。偏心輪的設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的衝擊問題，保護力傳感器3以避免損壞。
偏心輪機構設置有兩個狀態稱重測量狀態和受試者上或下平衡板狀態。(1)當處於稱重測量狀態時，絲槓14帶動偏心輪12轉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)當處於受試者上或下平衡板狀態時，用手搖把13帶動絲槓14、絲槓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生對力傳感器的衝擊作用，保護了力傳感器。當受試者躺在平衡板已做好測量的準備時，再轉而用絲槓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。需要說明的是為了最大程度地提高儀器的測量精度，一般要儘量降低力傳感器的量程，偏心輪機構的設置可以使力傳感器的量程設計為最低限，能夠滿足稱重測量的要求即可，而不必考慮外力衝擊對力傳感器所造成的危險。
2)坐標測量系統的機械部分該系統由支架9、導軌和定位箱4組成。支架9把導軌架到空中，保證導軌在空中穩定不產生晃動；導軌分為兩個軸向X軸嚮導軌6和Y軸嚮導軌10，X軸嚮導軌6與平衡板1的長邊同向，Y軸嚮導軌10與平衡板1的寬邊同向，但要寬於平衡板1的寬邊。坐標測量系統的工作原理是依靠滾輪8的滾動可以在Y軸嚮導軌10上移動，該移動可定位Y軸坐標；定位箱4在伴隨X軸嚮導軌6移動的同時，還可依靠其自身滾輪7的滾動在X軸嚮導軌上6移動，該移動可定位X軸坐標；定位箱上的雷射發射器15指向平衡板板面1可以發射光束，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作業系統和坐標定位系統目前還要依靠手動操作，計劃在實驗方法成熟後研製下一代平衡板時把這兩個系統改造成電子計算機控制自動操作，使操作過程實現自動化，進一步增加該儀器的科技含量，以減少人力、節省時間和提高精度。
本發明設備平衡板的電子部分包括3個部分傳感器、放大器和採集卡。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為旋轉式編碼器，型號為OMRON E6B2-CWZ3E，共設置有兩個編碼器51′、52′，分別用齒輪皮帶11與X軸嚮導軌6和定位箱4相連。X軸嚮導軌6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，從而也就確定了雷射發射器15光束在整個坐標系統中的位置。放大器是用來把兩類傳感器採集到的電信號進行放大的，經過放大的電信號在傳輸到計算機的採集卡上，供計算機軟體調用，如圖8二維平衡板信號採集框圖所示。
圖9為本發明設備的二維平衡板數據採集軟體框圖，該軟體實現了5大功能數據採集、數據處理、數據存儲、數據回放和定位坐標顯示。
數據採集對3個不同的人體姿勢進行3次稱重測量，並進行4次標誌點的坐標測量，其中1次是為測量配重的重心點坐標而設計的；數據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節重量矩，後者是前者與人體體重的乘積；二是兩個圓心角，即運動環節標誌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節重量矩，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節重量矩是準確的，否則就不準確。
數據存儲是指存儲數據採集與數據處理過程中所得到的較為重要的數據。
數據回放是指把數據存儲的數據調回以便查看。圖10為環節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為被測環節，置於平衡板上並與平衡板之間沒有相對滑動。S1為人體與被測環節(鏈)相關節的部分，J為二者之間的鉸點，連接著被測環節(鏈)與人體的其餘部分。C0、B、C三點分別為平衡板重心、人體被測環節(鏈)重心及二者的合重心，w0、wb、w分別為三者的重量。人體的其餘部分S1通過鉸點J由相應肌群收縮產生對被測環節(鏈)的力矩為M，對被測環節(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與被測環節(鏈)重心B的合成重心；D點可以設計為能夠沿x軸自由滑動的動支點，為便於區分起見，我們稱O點為靜支點。當被測環節放到平衡板上後，開始把D點置於離O點較遠的位置，即滿足D點在合成重心外側的條件，然後，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。
第一階段穩定平衡狀態。在D點到達C點之前，由於平衡板和被測環節(鏈)組成的受力系統繞支點O並沒有翻轉的傾向，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為穩定平衡狀態。由人體的解剖生理學可知，肌肉收縮產生力和力矩，因此，我們在採取一定的方式誘導受試者使其身體獲得最大程度地放鬆後，即近似地認為體內相關肌群不產生主動收縮，可以假設被測環節受到的身體其餘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，則平衡板和被測環節所組成的受力系統滿足力矩平衡，即Nd·rd＝w·rc…………………………………(a)w＝w0+wb′ …………………………………(b)式(b)中，wb為被測環節與人體其餘部分有接觸時的重量，包含了wb但卻並不是圖11中所示的被測環節完全分離狀態的重量wb。有鑑於此，我們假設儘管人體其餘部分對被測環節因相互接觸而對其重量有所影響，但是並不影響被測環節的重心位置。
第二階段有限穩定平衡狀態。當D越過C點之後，如果被測環節(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，那麼，圖10中的O點將不再是支點，而D點就成為系統新的支點，由於D已越過C點，因而，平衡板必定產生繞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肌肉系統的初始狀態並使之產生條件反射，引起相關肌群產生收縮使被測環節受到的來自體內的力和力矩發生變化以抵制平衡板的傾翻、保持系統處於平衡狀態，此時，O點仍為整個系統的支點，這種平衡狀態為有限穩定平衡狀態，當相關肌群所產生的力和力矩不能抵制平衡板的傾翻時，這種有限穩定平衡狀態將不復存在。在此，我們近似地認為被測環節受到人體其餘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)中由於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餘部分對被測環節的力矩M，而整個系統的合成重力矩w·rc為一定值，因而，Nd·rd的值必定發生變化，此時D所處的位置在合成重心C點的左側附近。
第三階段不穩定平衡狀態。當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，由於靜支點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，我們稱此狀態為不穩定平衡狀態。此時動點D所在的C』點位置已經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，我們在向後(x軸正向)移動D點的同時，採取一定的方式誘導使受試者不斷放鬆身體，這樣平衡板就會不斷地出現不穩定平衡狀態。當D點在x軸正向上越過合成重心C點後，無論受試者如何放鬆平衡板也不會出現不穩定平衡狀態，此時D點所處的位置在合成重心C點的右側附近。
結合上述對第二階段和第三階段的討論，為了便於實際操作，取兩階段D點的中值位置即可認為是被測環節和平衡板在x軸上的合成重心的位置。
事實上，上述物理過程非常複雜，不易操作。為了簡化操作程序，我們在後續研製R-I型平衡板時設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，有限穩定平衡狀態的過程可忽略不計，即在人體還沒有感受到外界刺激而產生條件反射時平衡板已經傾翻，同時，一維平衡板測量採集軟體實現了平衡板傾翻時刻的識別。環節重心平衡板限位裝置的設計簡化了操作程序，在測量時只需判別平衡板穩定平衡狀態與傾翻狀態的臨界點，而不需考慮有限穩定平衡狀態和不穩定平衡狀態就可以方便地測出合成重心的近似位置。
根據力矩合成原理，結合圖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為平衡板與被測環節(鏈)的合成重心半徑，在前面已經求得；wb′為被測環節(鏈)的重量，如前所述，該重量值是與人體其餘部分相接觸時的重量，而不是被測環節(鏈)分離狀態的重量，但這並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餘部分相接觸狀態的重量wb′。
聯立式(b)、式(d)，可得rb=wrc-w0r0w-w0---(e)]]>由式(e)可以計算得到被測環節的重心半徑，即確定被測環節的重心位置。
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。在確定被測環節與平衡板合成重心的第一階段是一個穩定平衡階段，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體部分；三部分相配合組成兩個系統稱重測量系統和坐標測量系統；兩個系統相互協作完成一個功能環節重心位置的確定。
一維平衡板測量設備機械部分由稱重測量系統和坐標測量系統兩個部分組成，其機械圖為圖12、圖13和圖14。
由圖13和圖14可見，一維平衡板測量設備包括相互協作完成環節重心半徑的測定的稱重測量系統和坐標測量系統；稱重測量系統包括設置在定支點18和動支點19上的平衡板20，平衡板板面採用進口鋁板製成，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設置在底座21內的絲槓22上，絲槓22的一端連接有手搖輪23；所述坐標測量系統包括設置在定支點18上的力傳感器24和設置在動支點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到計算機上的採集卡上。平衡板20的定支點18端設有限位板28用來限制平衡板板面在失去平衡時的活動幅度，該機構限制板面的活動幅度小於5mm。定支點19設置在可在導軌29上移動的滾輪支架30上，所述編碼器27為旋轉式編碼器。
手搖輪23帶動絲槓22、絲槓22帶動一個可移動的力傳感器25沿著導軌29向一個固定的力傳感器24的方向移動，設置這一機構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節的合重心位置所在。
一維平衡板的電子部分也包括3個部分傳感器、放大器和採集卡。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採集卡與二維平衡板共用。
圖15為本發明設備的一維平衡板數據採集軟體框圖，該軟體實現了4大功能數據採集、數據處理、數據回放和定位坐標顯示。
(數據採集)分為靜態數據採集和動態採集2個步驟，靜態數據採集是指動傳感器不動時對兩個力傳感器進行數據採集，目的是測量初始狀態兩個力傳感器的力值和被測環節的「重量矩」，該「重量矩」並不是被測環節真實的重量矩，稱為偽重量矩，它與二維平衡板上所測得的重量矩並不相等，因為，一維平衡板此時所測得的「重量矩」是在被測環節與身體其它部位相連接的狀態下測量的，而這種測量對於一維平衡板來說是不允許的。儘管一維板測得的「重量矩」與二維平衡板測得的環節重量矩不相等，但當人體在較為放鬆狀態下測量時，二者在數值上應當較為接近，這一關係可以用於人體實驗時對人體的放鬆狀態進行定量的判斷，當然，作為判定標準的二者差值的範圍還有待於進一步研究；動態數據採集是在動傳感器移動過程中測量平衡板與被測環節合重心的位置。
(數據處理)主要進行被測環節重心半徑的計算。
(數據存儲)與(數據回放)同二維平衡板。
圖16為本發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於二維平衡板上。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節以獲得足夠的坐標數據；在測量重心半徑時，被測環節在一維平衡板的擺放要依據人體各關節的形狀、運動軸以及運動特點而定，以滿足環節重心板測量原理的要求。由此看來，不論是在環節重量矩平衡板上測量重量矩還是在環節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節的形狀、運動軸等基本情況，以便於在二維平衡板上最佳地安排各被測環節的移動方向，在一維型平衡板上最大程度地利用被測環節的自然運動趨勢，並為制定合理的測量程序提供人體結構功能上的解剖學依據。
我們知道所有關節都可以作屈伸運動，因此，測量基本人體模型中所有的環節(鏈)時都可以在矢狀面內進行，而事實上由於控制條件的研究還沒有完全成熟，我們在測量姿態上作了相應的調整，圖16中a、b、c為二維平衡板測量環節(鏈)重量矩人體姿態示意圖，圖16中d圖為一維平衡板測量環節(鏈)重心半徑人體姿態示意圖。
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節(鏈)使其分別處於3個不同的位置上，在每一個位置上均利用坐標測量系統取得被測環節(鏈)標誌點的坐標，並利用稱重測量系統取得該人體姿態下的力傳感器測量值，共計獲得3個標誌點的坐標和3個力傳感器的力值，前者可計算被測環節(鏈)標誌點重心圓的圓心，即該環節(鏈)的瞬時轉動中心，用標誌物標記該點，後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節(鏈)的重量矩。如果加有配重，則還需要利用坐標測量系統測量一次配重重心點的坐標，以減去配重還原被測環節(鏈)的真實重量矩。
本發明創造性地採用了重量矩為參數並且以本發明設備測量這個參數進行計算運動人體環節重量，本領域技術人員閱讀本發明專利說明書之後可在本發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明待批的權力要求保護範圍之內。
權利要求
1.一種人體環節重量的測量方法，其特徵在於所述方法為以重量矩和環節重心半徑為參數測定人體的環節重量，包括以下步驟1)人體至少以三種環節姿勢測量；2)標定被測環節瞬時轉動中心；3)計算人體總重心半徑；4)計算被測環節的重量矩；5)測量所測環節的環節重心半徑；6)得出環節重量並顯示數值。
2.一種採用權利要求1所述的測量方法的平衡板測量設備，其特徵在於所述測量設備包括通過放大器和信號採集卡共同連接在數據處理系統主機上的二維平衡板和一維平衡板。
3.根據權利要求2所述的二維平衡板，其特徵在於所述二維平衡板包括相互協作完成環節重量矩的測定及環節瞬時轉動中心的標定的稱重測量系統和坐標測量系統；所述稱重測量系統包括平衡板(1)和底座(2)以及設置在底座(2)內的偏心輪機構，平衡板(1)上設有力傳感器(3)；所述坐標測量系統包括設置在平衡板(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)內設有標示裝置；所述力傳感器(3)和編碼器(5)的電信號通過放大器傳輸到計算機上的採集卡上。
4.根據權利要求3所述的二維平衡板，其特徵在於所述偏心輪機構包括偏心凸輪(6)和手搖把(7)，所述偏心凸輪(6)通過絲槓(8)與手搖把(7)連接。
5.根據權利要求3或4所述的二維平衡板，其特徵在於所述定位箱(4)設置在位於平衡板(1)上方的導軌(9)上，並通過滾輪(10)可在導軌(9)作X軸向運動，導軌(9)通過滾輪(11)可在支架(12)上的導軌(13)上作Y軸向運動。
6.根據權利要求4所述的二維平衡板，其特徵在於所述編碼器(5)包括設置在導軌(9)上通過齒輪皮帶(14)與定位箱(4)連接的編碼器(51′)，設置在導軌(13)上通過齒輪皮帶(14)與定位箱(4)連接的編碼器(52′)。
7.根據權利要求3或6所述的二維平衡板，其特徵在於所述標示裝置為雷射發射器(15)，所述編碼器(5)為旋轉式編碼器，所述平衡板(1)和傳感器(3)之間設置有光滑的鋼球(16)，該平衡板(1)上鋪有光滑的平面層(17)。
8.根據權利要求2所述的一維平衡板，其特徵在於所述一維平衡板測量設備包括相互協作完成環節重心半徑的測定的稱重測量系統和坐標測量系統；所述稱重測量系統包括設置在定支點(18)和動支點(19)上的平衡板(20)；所述動支點(19)設置在底座(21)內的絲槓(22)上，絲槓(22)的一端連接有手搖輪(23)；所述坐標測量系統包括設置在定支點(18)上的力傳感器(24)和設置在動支點(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到計算機上的採集卡上。
9.根據權利要求8所述的一維平衡板測量設備，其特徵在於在所述平衡板(20)的定支點(18)端設有限位板(28)。
10.根據權利要求8或9所述的一維平衡板測量設備，其特徵在於所述定支點(19)設置在可在導軌(29)上移動的滾輪支架(30)上，所述編碼器(27)為旋轉式編碼器。
全文摘要
本發明公開了一種人體環節重量的測量方法及採用這種方法的測量設備，所述方法為以重量矩和環節重心半徑為參數測定人體的環節重量，包括以下步驟1.人體至少以三種環節姿勢測量；2.標定被測環節瞬時轉動中心；3.計算人體總重心半徑；4.計算被測環節的重量矩；5.測量所測環節的環節重心半徑；6.得出環節重量並顯示數值。本發明提供了更為個體化的人體環節重量的測量方法及相應的設備，即更加符合每一個個體運動的實際情況的人體運動環節參數，對人體運動規律的深入探索起到極大的推動作用。另外本發明設備測試過程簡單，更加容易的確定人體環節的瞬時轉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 優先權日2004年4月16日
發明者金季春, 李世明 申請人:金季春, 李世明