專利名稱：人體重心動(dòng)態(tài)位置測(cè)量?jī)x及其測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測(cè)力儀器，具體地說是一種人體重心動(dòng)態(tài)位置測(cè)量?jī)x及其測(cè)量方法。
背景技術(shù)：
我們知道，目前用機(jī)械平臺(tái)來(lái)測(cè)試人體重心位置的變化(平衡功能)是一種通用的方法，測(cè)力平臺(tái)有三支點(diǎn)、四支點(diǎn)的小型平臺(tái)，以及六支點(diǎn)的大面積的平臺(tái)。這些儀器的設(shè)計(jì)思路主要是為人體站姿(站立或行走)條件下的人體重心位置(壓力中心位置)的測(cè)量，而沒有考慮到人體臥姿條件下的檢測(cè)，儀器的功能比較單一，同時(shí)攜帶也非常的不方便。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、易于攜帶、多功能的人體重心動(dòng)態(tài)位置測(cè)量?jī)x及其測(cè)量方法。
本發(fā)明的目的是采用下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的一種人體重心動(dòng)態(tài)位置測(cè)量?jī)x，其包括有測(cè)力平臺(tái)、壓力傳感器、數(shù)據(jù)采集卡和PC計(jì)算機(jī)，所述的測(cè)力平臺(tái)由蓋板、延伸板和附板組成，蓋板和延伸板的一端鉸接，延伸板另一端下面設(shè)有一個(gè)延伸板支撐柱，蓋板兩端下面分別設(shè)有四個(gè)蓋板支撐柱，在蓋板支撐柱和蓋板之間設(shè)有壓力傳感器，壓力傳感器和蓋板之間點(diǎn)接觸，在蓋板和延伸板的兩側(cè)分別活動(dòng)連接有附板，壓力傳感器通過線路與數(shù)據(jù)采集卡和PC計(jì)算機(jī)連接。
人體行走狀態(tài)下重心位置的動(dòng)態(tài)變化測(cè)量方法如下a.把蓋板和延伸板鉸接；b.行走時(shí)沿著橫軸方向，當(dāng)人體走進(jìn)延伸板上時(shí)，考慮到延伸板穩(wěn)定面積呈三角形的特點(diǎn)，要求人體盡量沿著延伸板的中心線行走，同時(shí)對(duì)行走的距離進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂疲K點(diǎn)要距離延伸板支撐柱一段距離，其長(zhǎng)度約為延伸板長(zhǎng)的1/3，同時(shí)在行走時(shí)，走速應(yīng)盡量保持勻速，以消除人體的慣性力對(duì)人體重心位置的檢測(cè)產(chǎn)生影響；c.計(jì)算原理如下假設(shè)蓋板長(zhǎng)度為AB，延伸板長(zhǎng)度為BC，其寬度都是DE，在已知人體重量G的條件下，在x方向，人體重心位置移動(dòng)到x時(shí)，A點(diǎn)的壓力FA為蓋板左端兩壓力傳感器數(shù)值之和，屬已知值；B點(diǎn)的壓力FB為蓋板右端兩壓力感器數(shù)值之和，也屬已知值；點(diǎn)C的數(shù)值Fc大小等于人體重量G減去FA和FB，也是已知值；當(dāng)測(cè)試平臺(tái)的各支撐柱間的橫向距離La、Lb為已知時(shí)，根據(jù)x方向力矩平衡的關(guān)系，對(duì)支點(diǎn)C取矩，可得∑MC＝0FA×(La+Lb)+FB×Lb-G×(La+Lb-x)＝0，則x＝La+Lb-FA×(La+Lb)/G-FB×Lb/G，可以確定重心位置x值；同樣，在y方向，人體重心移動(dòng)到y(tǒng)時(shí)，D點(diǎn)的壓力FD為蓋板左側(cè)兩傳感器的數(shù)值之和，屬已知值，E點(diǎn)的壓力FE為蓋板右側(cè)兩傳感器的數(shù)值之和，也屬已知值；點(diǎn)C位于D、E兩點(diǎn)的中點(diǎn)，當(dāng)人體重量為已知值G時(shí)，C點(diǎn)的數(shù)值FC大小等于G減去FD及FE，也為已知值，當(dāng)測(cè)試平臺(tái)的蓋板支撐柱間的縱向距離LC為已知時(shí)，根據(jù)y方向力矩平衡的關(guān)系，對(duì)A點(diǎn)取矩∑MA＝0FC×0.5×Lc+FE×Lc-G×y＝0，則y＝(0.5×FC+FE)×Lc/G，其中FC＝G-FD-FE可以確定重心位置y值；d.利用壓力傳感器，對(duì)測(cè)力平臺(tái)多支撐柱分布載荷進(jìn)行測(cè)試與計(jì)算，通過數(shù)據(jù)采集、A/D轉(zhuǎn)換，編制數(shù)據(jù)處理及繪圖打印軟件，實(shí)現(xiàn)人體重心位置的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量。
人體臥姿狀態(tài)下重心位置的動(dòng)態(tài)變化測(cè)量方法如下a.把蓋板和延伸板鉸接，并在其兩側(cè)分別活動(dòng)連接附板；b.臥姿測(cè)量時(shí)，人體應(yīng)從蓋板坐下，然后慢慢躺下并后移，頭部可支撐在延伸板的延伸板支撐柱處，展開與蓋板相連接的附板，可以增加人體臥姿狀態(tài)下腿的側(cè)向轉(zhuǎn)動(dòng)的支撐面積；展開與延伸板相連接的附板，可以增加人體臥姿狀態(tài)下手臂側(cè)向運(yùn)動(dòng)時(shí)的支撐面積；c.計(jì)算原理如下假設(shè)蓋板長(zhǎng)度為AB，延伸板長(zhǎng)度為BC，其寬度都是DE，在已知人體重量G的條件下，在x方向，人體重心位置移動(dòng)到x時(shí)，A點(diǎn)的壓力FA為蓋板左端兩壓力傳感器數(shù)值之和，屬已知值；B點(diǎn)的壓力FB為蓋板右端兩壓力感器數(shù)值之和，也屬已知值；點(diǎn)C的數(shù)值FC大小等于人體重量G減去FA和FB，也是已知值；當(dāng)測(cè)試平臺(tái)的各支撐柱間的橫向距離La、Lb為已知時(shí)，根據(jù)x方向力矩平衡的關(guān)系，對(duì)支點(diǎn)C取矩，可得∑MC＝0FA×(La+Lb)+FB×Lb-G×(La+Lb-x)＝0，則x＝La+Lb-FA×(La+Lb)/G-FB×Lb/G，可以確定重心位置x值；同樣，在y方向，人體重心移動(dòng)到y(tǒng)時(shí)，D點(diǎn)的壓力FD為蓋板左側(cè)兩傳感器的數(shù)值之和，屬已知值，E點(diǎn)的壓力FE為蓋板右側(cè)兩傳感器的數(shù)值之和，也屬已知值；點(diǎn)C位于D、E兩點(diǎn)的中點(diǎn)，當(dāng)人體重量為已知值G時(shí)，C點(diǎn)的數(shù)值FC大小等于G減去FD及FE，也為已知值，當(dāng)測(cè)試平臺(tái)的蓋板支撐柱間的縱向距離Lc為已知時(shí)，根據(jù)y方向力矩平衡的關(guān)系，對(duì)A點(diǎn)取矩∑MA＝0FC×0.5×Lc+FE×Lc-G×y＝0，則y＝(0.5×FC+FE)×Lc/G，其中FC＝G-FD-FE，可以確定重心位置y值；d.利用壓力傳感器，對(duì)測(cè)力平臺(tái)多支撐柱分布載荷進(jìn)行測(cè)試與計(jì)算，通過數(shù)據(jù)采集、A/D轉(zhuǎn)換，編制數(shù)據(jù)處理及繪圖打印軟件，實(shí)現(xiàn)人體重心位置的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量。
本發(fā)明采用蓋板和延伸板鉸接，并在其兩側(cè)分別連接附板，在蓋板兩端下面分別設(shè)有帶壓力傳感器的蓋板支撐柱，傳感器與蓋板的連接應(yīng)該是點(diǎn)接觸，以避免在連接處產(chǎn)生力矩而造成靜不定的力學(xué)結(jié)構(gòu)。蓋板可單獨(dú)使用，以測(cè)試人體在站姿下人體站立時(shí)的重心位置晃動(dòng)(平衡能力)。在延伸板另一端下面設(shè)有延伸板支撐柱，壓力傳感器通過線路與數(shù)據(jù)采集卡和PC計(jì)算機(jī)連接。使用時(shí)，人體在上面行走或者臥姿下根據(jù)力矩平衡原則可以計(jì)算出重心位置。利用壓力傳感器，對(duì)測(cè)力平臺(tái)多支撐柱分布載荷進(jìn)行測(cè)試與計(jì)算，通過數(shù)據(jù)采集、A/D轉(zhuǎn)換，編制數(shù)據(jù)處理及繪圖打印軟件，實(shí)現(xiàn)人體重心位置的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是(1)功能多，既可測(cè)試站姿下的人體站立或行走時(shí)重心的動(dòng)態(tài)變化，又可對(duì)臥姿下人體重心位置(因四肢的變化而引起)的變化規(guī)律；
(2)方便攜帶，附板與蓋板及延伸板之間可以自由拆裝；(3)用5個(gè)支點(diǎn)，4個(gè)傳感器的方法，既擴(kuò)大了測(cè)試的有效面積，在理論與實(shí)踐上解決了力學(xué)上的結(jié)構(gòu)靜不定問題，同時(shí)又減少了傳感器的數(shù)量，使機(jī)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變得簡(jiǎn)單、可靠。本發(fā)明可以作為體育訓(xùn)練、運(yùn)動(dòng)的選材，也可以為全民體質(zhì)檢測(cè)，醫(yī)療康復(fù)等方面服務(wù)。


圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明的測(cè)力平臺(tái)橫軸方向受力示意圖；圖3為本發(fā)明的測(cè)力平臺(tái)縱軸方向受力示意圖；圖4為本發(fā)明的電路原理框圖。
圖中1.蓋板，2.延伸板，3.附板，4.蓋板支撐柱，5.延伸板支撐柱。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。
實(shí)施例結(jié)構(gòu)如圖1所示，測(cè)力平臺(tái)由蓋板1、延伸板2和附板3組成，蓋板1和延伸板2的一端鉸接，延伸板2另一端下面設(shè)有一個(gè)延伸板支撐柱5，蓋板1兩端下面分別設(shè)有四個(gè)蓋板支撐柱4，在蓋板支撐柱4和蓋板1之間設(shè)有壓力傳感器，壓力傳感器和蓋板1之間點(diǎn)接觸，在蓋板1和延伸板2的兩側(cè)分別活動(dòng)連接有附板3，壓力傳感器通過線路與數(shù)據(jù)采集卡和PC計(jì)算機(jī)連接。
當(dāng)蓋板1與延伸板2相連接時(shí)，本發(fā)明可測(cè)量人體行走及臥姿狀態(tài)下重心位置的動(dòng)態(tài)變化。在測(cè)量人體行走時(shí)，如圖1所示，人體行走的方向必須是沿著橫軸方向，當(dāng)人體走進(jìn)延伸板上時(shí)，考慮到延伸板2穩(wěn)定面積呈三角形的特點(diǎn)，要求人體盡量沿著延伸板2的中心線行走，同時(shí)對(duì)行走的距離進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂?，如圖2所示，終點(diǎn)要離開支點(diǎn)C一段距離L1，其長(zhǎng)度約為延伸板2長(zhǎng)的1/3，以免平臺(tái)傾覆。同時(shí)在行走時(shí)，走速應(yīng)盡量保持勻速，以消除人體的慣性力對(duì)人體重心位置的檢測(cè)產(chǎn)生影響。在臥姿測(cè)量時(shí)，蓋板1與其兩側(cè)的附板3相連接，以增加人體臥姿狀態(tài)下腿的側(cè)向轉(zhuǎn)動(dòng)的支撐面積；延伸板2與其兩側(cè)的附板相連接，使用時(shí)可以展開，增加人體臥姿狀態(tài)下手臂側(cè)向運(yùn)動(dòng)時(shí)的支撐面積。在測(cè)量臥姿時(shí)，人體應(yīng)從蓋板1坐下，然后慢慢躺下并后移，頭部可支撐在延伸板2的延伸板支撐柱5處。
計(jì)算原理如下如圖2和圖3所示，假設(shè)蓋板長(zhǎng)度為AB，延伸板長(zhǎng)度為BC，其寬度都是DE，在已知人體重量G的條件下，在x方向，人體重心位置移動(dòng)到x時(shí)，A點(diǎn)的壓力FA為蓋板左端兩壓力傳感器數(shù)值之和，屬已知值；B點(diǎn)的壓力FB為蓋板右端兩壓力感器數(shù)值之和，也屬已知值；點(diǎn)C的數(shù)值FC大小等于人體重量G減去FA和FB，也是已知值；當(dāng)測(cè)試平臺(tái)的各支撐柱間的橫向距離La、Lb為已知時(shí)，根據(jù)x方向力矩平衡的關(guān)系，對(duì)支點(diǎn)C取矩，可得∑MC＝0FA×(La+Lb)+FB×Lb-G×(La+Lb-x)＝0，則x＝La+Lb-FA×(La+Lb)/G-FB×Lb/G，可以確定重心位置x值；同樣，在y方向，人體重心移動(dòng)到y(tǒng)時(shí)，D點(diǎn)的壓力FD為蓋板左側(cè)兩傳感器的數(shù)值之和，屬已知值，E點(diǎn)的壓力FE為蓋板右側(cè)兩傳感器的數(shù)值之和，也屬已知值；點(diǎn)C位于D、E兩點(diǎn)的中點(diǎn)，當(dāng)人體重量為已知值G時(shí)，C點(diǎn)的數(shù)值FC大小等于G減去FD及FE，也為已知值，當(dāng)測(cè)試平臺(tái)的蓋板支撐柱間的縱向距離Lc為已知時(shí)，根據(jù)y方向力矩平衡的關(guān)系，對(duì)A點(diǎn)取矩∑MA＝0FC×0.5×Lc+FE×Lc-G×y＝0，則y＝(0.5×FC+FE)×Lc/G，其中FC＝G-FD-FE，可以確定重心位置y值。
如圖4所示，該儀器的工作原理是利用壓力傳感器，對(duì)測(cè)力平臺(tái)多支點(diǎn)的分布載荷進(jìn)行測(cè)試與計(jì)算，通過數(shù)據(jù)采集、A/D轉(zhuǎn)換，編制數(shù)據(jù)處理及繪圖打印軟件，實(shí)現(xiàn)人體重心位置的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)檢測(cè)。
權(quán)利要求
1.一種人體重心動(dòng)態(tài)位置測(cè)量?jī)x，其包括有測(cè)力平臺(tái)、壓力傳感器、數(shù)據(jù)采集卡和PC計(jì)算機(jī)，其特征在于所述的測(cè)力平臺(tái)由蓋板、延伸板和附板組成，蓋板和延伸板的一端鉸接，延伸板另一端下面設(shè)有一個(gè)延伸板支撐柱，蓋板兩端下面分別設(shè)有四個(gè)蓋板支撐柱，在蓋板支撐柱和蓋板之間設(shè)有壓力傳感器，壓力傳感器和蓋板之間點(diǎn)接觸，在蓋板和延伸板的兩側(cè)分別活動(dòng)連接有附板，壓力傳感器通過線路與數(shù)據(jù)采集卡和PC計(jì)算機(jī)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的人體重心動(dòng)態(tài)位置測(cè)量?jī)x，人體行走狀態(tài)下重心位置的動(dòng)態(tài)變化測(cè)量方法如下a.把蓋板和延伸板鉸接；b.行走時(shí)沿著橫軸方向，當(dāng)人體走進(jìn)延伸板上時(shí)，考慮到延伸板穩(wěn)定面積呈三角形的特點(diǎn)，要求人體盡量沿著延伸板的中心線行走，同時(shí)對(duì)行走的距離進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂疲K點(diǎn)要距離延伸板支撐柱一段距離，其長(zhǎng)度約為延伸板長(zhǎng)的1/3，同時(shí)在行走時(shí)，走速應(yīng)盡量保持勻速，以消除人體的慣性力對(duì)人體重心位置的檢測(cè)產(chǎn)生影響；c.計(jì)算原理如下假設(shè)蓋板長(zhǎng)度為AB，延伸板長(zhǎng)度為BC，其寬度都是DE，在已知人體重量G的條件下，在x方向，人體重心位置移動(dòng)到x時(shí)，A點(diǎn)的壓力FA為蓋板左端兩壓力傳感器數(shù)值之和，屬已知值；B點(diǎn)的壓力FB為蓋板右端兩壓力感器數(shù)值之和，也屬已知值；點(diǎn)C的數(shù)值FC大小等于人體重量G減去FA和FB，也是已知值；當(dāng)測(cè)試平臺(tái)的各支撐柱間的橫向距離La、Lb為已知時(shí)，根據(jù)x方向力矩平衡的關(guān)系，對(duì)支點(diǎn)C取矩，可得∑MC＝0FA×(La+Lb)+FB×Lb-G×(La+Lb-x)＝0，則x＝La+Lb-FA×(La+Lb)/G-FB×Lb/G，可以確定重心位置x值；同樣，在y方向，人體重心移動(dòng)到y(tǒng)時(shí)，D點(diǎn)的壓力FD為蓋板左側(cè)兩傳感器的數(shù)值之和，屬已知值，E點(diǎn)的壓力FE為蓋板右側(cè)兩傳感器的數(shù)值之和，也屬已知值；點(diǎn)C位于D、E兩點(diǎn)的中點(diǎn)，當(dāng)人體重量為已知值G時(shí)，C點(diǎn)的數(shù)值FC大小等于G減去FD及FE，也為已知值，當(dāng)測(cè)試平臺(tái)的蓋板支撐柱間的縱向距離Lc為已知時(shí)，根據(jù)y方向力矩平衡的關(guān)系，對(duì)A點(diǎn)取矩∑MA＝0FC×0.5×Lc+FE×Lc-G×y＝0，則y＝(0.5×FC+FE)×Lc/G，其中FC＝G-FD-FE可以確定重心位置y值；d.利用壓力傳感器，對(duì)測(cè)力平臺(tái)多支撐柱分布載荷進(jìn)行測(cè)試與計(jì)算，通過數(shù)據(jù)采集、A/D轉(zhuǎn)換，編制數(shù)據(jù)處理及繪圖打印軟件，實(shí)現(xiàn)人體重心位置的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的人體重心動(dòng)態(tài)位置測(cè)量?jī)x，人體臥姿狀態(tài)下重心位置的動(dòng)態(tài)變化測(cè)量方法如下a.把蓋板和延伸板鉸接，并在其兩側(cè)分別活動(dòng)連接附板；b.臥姿測(cè)量時(shí)，人體應(yīng)從蓋板坐下，然后慢慢躺下并后移，頭部可支撐在延伸板的延伸板支撐柱處，展開與蓋板相連接的附板，可以增加人體臥姿狀態(tài)下腿的側(cè)向轉(zhuǎn)動(dòng)的支撐面積；展開與延伸板相連接的附板，可以增加人體臥姿狀態(tài)下手臂側(cè)向運(yùn)動(dòng)時(shí)的支撐面積；c.計(jì)算原理如下假設(shè)蓋板長(zhǎng)度為AB，延伸板長(zhǎng)度為BC，其寬度都是DE，在已知人體重量G的條件下，在x方向，人體重心位置移動(dòng)到x時(shí)，A點(diǎn)的壓力FA為蓋板左端兩壓力傳感器數(shù)值之和，屬已知值；B點(diǎn)的壓力FB為蓋板右端兩壓力感器數(shù)值之和，也屬已知值；點(diǎn)C的數(shù)值FC大小等于人體重量G減去FA和FB，也是已知值；當(dāng)測(cè)試平臺(tái)的各支撐柱間的橫向距離La、Lb為已知時(shí)，根據(jù)x方向力矩平衡的關(guān)系，對(duì)支點(diǎn)C取矩，可得∑MC＝0FA×(La+Lb)+FB×Lb-G×(La+Lb-x)＝0，則x＝La+Lb-FA×(La+Lb)/G-FB×Lb/G，可以確定重心位置x值；同樣，在y方向，人體重心移動(dòng)到y(tǒng)時(shí)，D點(diǎn)的壓力FD為蓋板左側(cè)兩傳感器的數(shù)值之和，屬已知值，E點(diǎn)的壓力FE為蓋板右側(cè)兩傳感器的數(shù)值之和，也屬已知值；點(diǎn)C位于D、E兩點(diǎn)的中點(diǎn)，當(dāng)人體重量為已知值G時(shí)，C點(diǎn)的數(shù)值FC大小等于G減去FD及FE，也為已知值，當(dāng)測(cè)試平臺(tái)的蓋板支撐柱間的縱向距離Lc為已知時(shí)，根據(jù)y方向力矩平衡的關(guān)系，對(duì)A點(diǎn)取矩∑MA＝0FC×0.5×Lc+FE×Lc-G×y＝0，則y＝(0.5×FC+FE)×Lc/G，其中FC＝G-FD-FE可以確定重心位置y值；d.利用壓力傳感器，對(duì)測(cè)力平臺(tái)多支撐柱分布載荷進(jìn)行測(cè)試與計(jì)算，通過數(shù)據(jù)采集、A/D轉(zhuǎn)換，編制數(shù)據(jù)處理及繪圖打印軟件，實(shí)現(xiàn)人體重心位置的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種人體重心動(dòng)態(tài)位置測(cè)量?jī)x及其測(cè)量方法，其包括有測(cè)力平臺(tái)、壓力傳感器、數(shù)據(jù)采集卡和PC計(jì)算機(jī)，所述的測(cè)力平臺(tái)由蓋板、延伸板和附板組成，蓋板和延伸板的一端鉸接，延伸板另一端下面設(shè)有一個(gè)延伸板支撐柱，蓋板兩端下面分別設(shè)有四個(gè)蓋板支撐柱，在蓋板支撐柱和蓋板之間設(shè)有壓力傳感器，壓力傳感器和蓋板之間點(diǎn)接觸，在蓋板和延伸板的兩側(cè)分別活動(dòng)連接有附板，壓力傳感器通過線路與數(shù)據(jù)采集卡和PC計(jì)算機(jī)連接。使用時(shí)，利用壓力傳感器，對(duì)測(cè)力平臺(tái)多支撐柱分布載荷進(jìn)行測(cè)試與計(jì)算，通過數(shù)據(jù)采集、A/D轉(zhuǎn)換，編制數(shù)據(jù)處理及繪圖打印軟件，實(shí)現(xiàn)人體重心位置的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是功能多、方便攜帶、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠。
文檔編號(hào)A61B5/00GK1830390SQ20061004324
公開日2006年9月13日 申請(qǐng)日期2006年3月22日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月22日
發(fā)明者單信海, 林明星, 單洪標(biāo), 徐慶幸, 劉賽堂, 郭修奎, 杜英杰, 管志光 申請(qǐng)人:山東師范大學(xué)