空間可達(dá)域測(cè)量裝置及其測(cè)量系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型提供一種能夠精確測(cè)量人體四肢在空間某平面活動(dòng)范圍的空間可達(dá)域測(cè)量裝置及其測(cè)量系統(tǒng)?？臻g可達(dá)域測(cè)量裝置底座、塑料水箱、立柱、機(jī)械后臂、機(jī)械前臂、測(cè)量桿和手柄；所述塑料水箱放置于所述底座上，在進(jìn)行測(cè)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(dòng)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(dòng)軸與所述機(jī)械前臂的后端相連，所述測(cè)量桿的上端通過(guò)調(diào)節(jié)螺栓安裝于所述機(jī)械前臂的前端，所述測(cè)量桿的下端安裝有手柄。本實(shí)用新型具有測(cè)量精度高、測(cè)試軌跡實(shí)時(shí)顯示、測(cè)試數(shù)據(jù)能保存和打印、拆卸簡(jiǎn)單、攜帶方便等特點(diǎn)。
【專利說(shuō)明】空間可達(dá)域測(cè)量裝置及其測(cè)量系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及一種便攜式高精度的空間可達(dá)域測(cè)量裝置及其測(cè)量系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，在一些領(lǐng)域里對(duì)人體四肢在三維空間的活動(dòng)范圍 提出較高的要求。例如在運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，精確測(cè)量人體四肢在空間的活動(dòng)范圍可以準(zhǔn)確地 反應(yīng)出傷員尤其是運(yùn)動(dòng)員的受傷后恢復(fù)情況；在國(guó)防工業(yè)中，尤其是在對(duì)駕駛空間要求比 較嚴(yán)格的領(lǐng)域，對(duì)飛行員，宇航員，坦克裝甲車駕駛員四肢的活動(dòng)范圍測(cè)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(dòng)范 圍的測(cè)量作為人測(cè)量數(shù)據(jù)的一部分，對(duì)完善人體測(cè)量數(shù)據(jù)庫(kù)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] 本實(shí)用新型的目的在于提供一種便攜式的高精度空間可達(dá)域測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)具 有實(shí)時(shí)顯示運(yùn)動(dòng)軌跡、實(shí)時(shí)保存測(cè)試數(shù)據(jù)并打印、拆裝簡(jiǎn)單和便于攜帶等特點(diǎn)。
[0004] 本實(shí)用新型利用的基本原理是采用高精度角度傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)軸的角度變化量，通 過(guò)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] 本實(shí)用新型的空間可達(dá)域測(cè)量裝置包括底座、塑料水箱、立柱、機(jī)械后臂、機(jī)械前 臂、測(cè)量桿和手柄；所述塑料水箱放置于所述底座上，在進(jìn)行測(cè)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(dòng)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(dòng)軸與 所述機(jī)械前臂的后端相連，所述測(cè)量桿的上端通過(guò)調(diào)節(jié)螺栓安裝于所述機(jī)械前臂的前端， 所述測(cè)量桿的下端安裝有手柄。
[0006] 優(yōu)選所述立柱通過(guò)兩根長(zhǎng)度為lm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] 本實(shí)用新型的空間可達(dá)域測(cè)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(cè)量裝置、信號(hào)采集傳輸系統(tǒng)和上位機(jī)。所述信號(hào)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(hào)采集器。所述信號(hào)采集器安裝在所述空間可達(dá)域測(cè)量裝置的所述立 柱的靠近上端的部位，用于自動(dòng)采集所述后部角度傳感器和所述前部角度傳感器的信號(hào)， 并通過(guò)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(wú)觸點(diǎn)角度傳感器，安裝在后部轉(zhuǎn)動(dòng)軸的頂端。
[0010] 優(yōu)選所述前部角度傳感器是無(wú)觸點(diǎn)角度傳感器，安裝在所述前部轉(zhuǎn)動(dòng)軸的頂端。
[0011] 優(yōu)選所述信號(hào)采集器采用單片機(jī)來(lái)采集所述后部角度傳感器和所述前部角度傳 感器的信號(hào)。
[0012] 優(yōu)選所述上位機(jī)與所述信號(hào)采集器相連，用于實(shí)時(shí)顯示測(cè)試軌跡和保存測(cè)試數(shù) 據(jù)，并能夠進(jìn)行打印。
[0013] 實(shí)用新型效果
[0014] (1)本實(shí)用新型采用高精度360°角度傳感器作為核心測(cè)試元件，安裝在懸臂的 兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸上，監(jiān)測(cè)兩節(jié)臂的轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)。具有精度高，響應(yīng)快的優(yōu)點(diǎn)。
[0015] (2)本實(shí)用新型機(jī)械結(jié)構(gòu)拆裝簡(jiǎn)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(cè)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(dòng)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(shuō)明】
[0017] 圖1為空間可達(dá)域測(cè)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(hào)說(shuō)明
[0021] 1 底座
[0022] 2調(diào)節(jié)螺栓
[0023] 3塑料水箱
[0024] 4 立柱
[0025]5信號(hào)采集器
[0026]6后部角度傳感器
[0027]7后部轉(zhuǎn)動(dòng)軸
[0028] 8機(jī)械后臂
[0029]9前部角度傳感器
[0030]10前部轉(zhuǎn)動(dòng)軸
[0031] 11機(jī)械前臂
[0032]12測(cè)量桿調(diào)節(jié)螺栓
[0033]13測(cè)量桿
[0034] 14 手柄

【具體實(shí)施方式】
[0035] 以下，參照附圖，對(duì)本實(shí)用新型實(shí)施方式進(jìn)行說(shuō)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(cè)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(hào)采集器5、后部角度傳感器6、后部轉(zhuǎn)動(dòng)軸7、機(jī)械后臂8、前部角度傳感器9、前部轉(zhuǎn)動(dòng)軸 10、機(jī)械前臂11、測(cè)量桿調(diào)節(jié)螺栓12、測(cè)量桿13和手柄14。
[0037] 在進(jìn)行測(cè)量時(shí)將空間可達(dá)域測(cè)量裝置組裝起來(lái)，并將塑料水箱3裝滿水，放在底 座1上，增加裝置的穩(wěn)固性和安全性。不測(cè)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(cè)量平面完全垂直。否則 會(huì)影響測(cè)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(guò)螺栓固定安裝于底座1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lm長(zhǎng)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(dòng)軸7固定安裝于立柱4的頂端。在后部轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)軸7上。機(jī)械后臂8能夠圍繞 后部轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)軸10,在前部轉(zhuǎn)動(dòng) 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(dòng)軸10上。機(jī)械前臂11能夠 圍繞前部轉(zhuǎn)動(dòng)軸10進(jìn)行340°旋轉(zhuǎn)。
[0042] 測(cè)量桿13的上端通過(guò)測(cè)量桿調(diào)節(jié)螺栓12鎖定在機(jī)械前臂11的前端，測(cè)量桿13 上具有刻度，通過(guò)測(cè)量桿調(diào)節(jié)螺栓12擰松擰緊來(lái)上下調(diào)節(jié)手柄的位置，從而測(cè)量受試者在 不同高度平面上的活動(dòng)范圍。在測(cè)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(guò)前部轉(zhuǎn)動(dòng)軸10連接，后部轉(zhuǎn)動(dòng)軸7的軸線與前部轉(zhuǎn)動(dòng)軸10的 軸線之間的距離，以及前部轉(zhuǎn)動(dòng)軸10的軸線與測(cè)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(cè)量裝置能夠?qū)崿F(xiàn)由后部轉(zhuǎn)動(dòng)軸7、機(jī)械后臂8、轉(zhuǎn)動(dòng)軸10 和機(jī)械前臂11共同組成的活動(dòng)臂在指定高度的平面內(nèi)340°范圍內(nèi)自由轉(zhuǎn)動(dòng)。后部角度傳 感器6的轉(zhuǎn)軸與后部轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)時(shí)，后部角度傳感器6的外殼會(huì)隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，后部角度傳感器6的輸出信號(hào)與其外 殼轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)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(dòng)時(shí)，前部角度傳感器9的外殼 會(huì)隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，前部角度傳感器9的輸出信號(hào)與其外殼轉(zhuǎn)動(dòng)的角度值成比例關(guān)系變化。建立 極坐標(biāo)系，通過(guò)以下公式獲得測(cè)試曲線的坐標(biāo)值。
[0045] P= 2X100Xsin(a/2) (1)
[0046] X=PXcos(3+a/2-90) (2)
[0047] Y=PXsin(3+a/2-90) (3)
[0048] P--極軸長(zhǎng)度。
[0049] a--后部角度傳感器6的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。
[0050] β--前部角度傳感器9的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。
[0051] X--測(cè)試點(diǎn)的X坐標(biāo)。
[0052] Υ--測(cè)試點(diǎn)的Υ坐標(biāo)。
[0053] 信號(hào)采集器5安裝在空間可達(dá)域測(cè)量裝置的立柱4靠近頂部的位置。采用STC單 片機(jī)來(lái)采集后部角度傳感器6和前部角度傳感器9的輸出信號(hào)，經(jīng)過(guò)處理后，通過(guò)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(lái)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(dòng)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(cè)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(kāi)啟軟件時(shí)要進(jìn)行此項(xiàng)操作。如果設(shè)備沒(méi)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(cè)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(zhǎng)度為100cm，測(cè)試中可能會(huì)遇到運(yùn)動(dòng)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(zhǎng)度。遇到上述情形，只 需從下拉列表框中選擇合適的長(zhǎng)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(kāi)始測(cè)試。
[0062]第六步：結(jié)束本次測(cè)試。
[0063]第七步：判讀測(cè)試曲線是否滿意。如果不滿意清除當(dāng)前曲線，回到開(kāi)始重新測(cè)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〇
[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*·xls〇
[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(cè)試曲線和數(shù)據(jù)。
[〇〇67]以上，對(duì)本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行了說(shuō)明，但本實(shí)用新型并不限定于上述 實(shí)施例。對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在權(quán)利要求書所記載的范疇內(nèi)，顯而易見(jiàn)地能夠想到各 種變更例或者修正例，當(dāng)然也屬于本實(shí)用新型的技術(shù)范疇。
【權(quán)利要求】
1. 一種空間可達(dá)域測(cè)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(cè)量桿和手柄；所述塑料水箱放置于所述底座上，在進(jìn)行測(cè)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(dòng)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(dòng)軸與 所述機(jī)械前臂的后端相連，所述測(cè)量桿的上端通過(guò)調(diào)節(jié)螺栓安裝于所述機(jī)械前臂的前端， 所述測(cè)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(cè)量裝置，其特征在于：所述立柱通過(guò)兩根長(zhǎng)度 為lm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所述的空間可達(dá)域測(cè)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(cè)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(cè)量裝置、信號(hào)采集傳輸系統(tǒng)和上位機(jī)，所述信號(hào)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(hào)采集器，所述信號(hào)采集器安裝在所述空間可達(dá)域測(cè)量裝置的 所述立柱的靠近上端的部位，用于自動(dòng)采集所述后部角度傳感器和所述前部角度傳感器的 信號(hào)，并通過(guò)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(cè)量系統(tǒng)，其特征在于：所述后部角度傳感器是 無(wú)觸點(diǎn)角度傳感器，安裝在后部轉(zhuǎn)動(dòng)軸的頂端。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的空間可達(dá)域測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于：所述前部角度傳感器是 無(wú)觸點(diǎn)角度傳感器，安裝在所述前部轉(zhuǎn)動(dòng)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(cè)量系統(tǒng)，其特征在于：所述信 號(hào)采集器采用單片機(jī)來(lái)采集所述后部角度傳感器和所述前部角度傳感器的信號(hào)。
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(cè)量系統(tǒng)，其特征在于：所述上 位機(jī)與所述信號(hào)采集器相連，用于實(shí)時(shí)顯示測(cè)試軌跡和保存測(cè)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(cè)量系統(tǒng)，其特征在于：所述上位機(jī)與所述信號(hào) 采集器相連，用于實(shí)時(shí)顯示測(cè)試軌跡和保存測(cè)試數(shù)據(jù)，并能夠進(jìn)行打印。
【文檔編號(hào)】A61B5/11GK203861230SQ201420235946
【公開(kāi)日】2014年10月8日 申請(qǐng)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(qǐng)人:中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院