CN102005151B - 一种用于人体上肢耐受冲击力实验的模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于人体上肢耐受冲击力实验的模拟装置，该装置包括整体框架，滑轮，绕线盘，撞击体，弹簧。实验中转动绕线盘弹簧张紧使钢丝绳上有预紧力。通过打开弹射开关机构将弹簧张紧时存储的势能转化为滑块的动能。滑块移动撞击尸体骨或带动系在手臂上的钢丝绳将手拉开，达到完成实验的目的。用最简单的原理，最方便的操作，低廉的成本完成人体上肢耐受冲击力的模拟实验。此实验结果不但能用于飞行员损伤预测，防护装置设计，还能用于运动医学中如掷铅球等防护措施的研究。

Description

一种用于人体上肢耐受冲击力实验的模拟装置

技术领域

本发明属于生物力学领域，涉及用于人体上肢耐受冲击力实验的模拟装置，具体来说，是一种模拟人体上肢耐受气动力载荷的实验模拟装置，适用于人体上肢生理耐限的研究。

背景技术

现代战斗机高速飞行过程中，如遇危险，飞行员就需要弹射救生。由于质量小，稳定性好等因素，现在的弹射救生系统多采用敞开式弹射救生座椅，飞行员弹射离机的瞬间便会暴露在高速吹袭的气流冲击作用下，给人体的胸腹部及四肢造成非常严重的损伤。由于上肢活动度大，难于固定等原因，在气流冲击损伤中占绝大部分。弹射中，当手握不住弹射击发手柄(中央环)而被高速气流吹脱时，上肢将产生相对躯干的甩打运动，剧烈的甩打有可能使上肢关节超过活动范围，造成脱臼，关节囊撕裂，当上肢继续外展碰到座椅或限臂板时可能造成长骨骨折等严重的损伤。因此防护设备的研究成为重大课题亟待解决，目前国内外虽然提出一些防护措施，但仍然有上肢损伤的报道。

对于人体受冲击力耐限值目前没有统一的标准，国内相关单位研究较少。我国新型高速弹射救生速度达到1100～1200km/h，此时飞行员上肢若不加防护，则高速气流吹袭致伤率达100％。随着我国新歼飞机弹射速度和救生性能的提高，现有的研究水平和标准既不适应也不能满足目前我国航空救生水平发展的需要，尤其是不适应新歼飞机现有的救生水平的需要。因此研究高速气流吹袭生理耐限和相应的防护措施是目前航空弹射救生中的重要研究内容。

发明内容

本发明提供一种易操作，易拆卸，实用性高的用于人体上肢耐受冲击力实验的模拟装置，能够提供飞行员在弹射离机的瞬间受到的瞬时力，在零点几秒内可使力矩达到人体的耐受极限，可以给予对于人来说足够强度的力。本发明模拟装置可得模拟人体损伤机理和生理耐限，得到人体的力学数据。这些数据不但可以用于飞行员防护措施的研究还可以用于人体受冲击力的其他情况的研究，如汽车防碰撞安全设备，跳伞运动的防护等。

本发明一种用于人体上肢耐受冲击力实验的模拟装置，包括整体框架、绕线机构、撞击机构、开关机构。

整体框架包括底座、两前支撑杆、两后支撑杆、台座、横梁A和横梁B；其中，底座为两平行的水平横杆，在两横杆上分别竖直连接有前支撑杆与后支撑杆；台座为矩形框架，矩形框架的四条边分别与两前支撑杆和两后支撑杆连接，所述台座中位于两后支撑杆之间的后边中心安装有滑轮B，其余的两条相对的左边和右边上滑动连接有撞击机构；两前支撑杆之间的前边上还安装有开关机构；在台座所在平面以下的两前支撑杆间连接有横梁A；在台座所在平面以上安装横梁B；在横梁A的中部安装有滑轮A，所述的滑轮A与和滑轮B位于同一个竖直平面内；在两后支撑杆上部对称安装支撑块，支撑块间水平连接有悬吊横杆，用来悬挂尸体骨手臂；两后支撑杆间还连接有限臂板，用来对尸体骨手臂进行限位；其中，限臂板位于支撑块下方；

在所述两后支撑杆后方的底座两端连接有绕线机构支撑座，绕线机构支撑座上连接有绕线机构支架；在台座所在平面以下的两后支撑杆之间连接有绕线机构支撑梁，所述的绕线机构支撑梁的高度与绕线机构支架的顶端高度相同，并且在所述的绕线机构支撑梁与绕线机构支架的顶端上水平固定连接绕线机构安装台，在所述的绕线机构安装台上安装有绕线机构；

所述绕线机构主要由绕线盘壳体、大齿轮、小齿轮、绕线轴、卡尺和手柄组成；其中，绕线轴位于绕线盘壳体内部，并且与绕线盘壳体侧壁之间为转动连接，绕线轴上固定连接有大齿轮，小齿轮固定连接在绕线盘壳体内侧的连接轴上，且小齿轮与大齿轮啮合，所述的连接轴一端伸出绕线盘壳体外部与手柄连接；所述的卡尺一端转动连接在绕线盘壳体内壁上，另一端为自由端，自由端位于小齿轮轮齿处；卡尺上方与下方的绕线盘壳体内壁上各设置有限位销，卡尺下边缘为凸圆弧面，上边缘为平直面。

所述撞击机构包括撞击头、撞击头连杆、撞击体、滑块；其中，撞击体由后挡板、前挡板与连接板组成；后挡板与前挡板为结构相同的长方形板，后挡板与前挡板之间平行于长边的中轴线处水平连接有连接板，后挡板与前挡板两端分别固定有滑块；后挡板外侧中心处与撞击头连杆一端连接，撞击头连杆另一端与撞击头连接；后挡板中部设置圆孔A，圆孔A位置靠近后挡板与前挡板的上边缘处；前挡板中部的靠近下边缘位置设置有圆孔B。

所述开关机构包括上盖板、下盖板、扳手A、扳手B；其中，上盖板与下盖板一侧长边中部对称开有“U”型槽，与所述长边相对的另一侧长边中部固定连接有限位块；所述扳手A与扳手B为结构相同的“L”型扳手，扳手A与扳手B的拐角处轴接在上盖板与下盖板间，并且轴接位置分别位于“U”型槽与限位块所在直线的两侧，扳手A与扳手B开口相对；其中，扳手A的拐角处到“U”型凹槽的垂直距离小于扳手A短边的长度，当所述扳手B长边与限位块搭接，扳手B短边与扳手A长边搭接时，扳手A的短边与上盖板、下盖板的长边平行。

所述绕线机构中的绕线轴上系有钢丝绳A，钢丝绳A与弹簧的一端连接，弹簧的另一端连接有钢丝绳B，钢丝绳B由滑轮A下方绕过滑轮A，并由滑轮B下方绕过滑轮B，最终系在撞击机构中后挡板中部靠近上边缘的圆孔A上。钢丝绳C一端系在前挡板中部靠近下边缘的圆孔B上，另一端套接在开关机构中的扳手A短边上。

当进行人体上肢耐受冲击力的实验时，绕线机构开始绕线，此时钢丝绳A、钢丝绳B、钢丝绳C以及弹簧开始拉紧。在此拉紧的过程中，开关机构通过钢丝绳C将撞击机构定位，使撞击机构与开关机构相对固定。在拉紧的过程中弹簧在不断拉长，产生形变，当弹簧达到预定的形变时停止绕线。

打开开关，使钢丝绳C脱离开关机构，从而撞击机构脱离开关机构，弹簧张紧时存储的势能迅速转化为撞击机构的动能，撞击机构离开起始位置在台座的长边间快速移动，直到撞击到尸体骨手臂，尸体骨被撞到限臂板上，撞击机构便会减速停止。

本发明的优点在于：

1、本发明装置能够模拟飞行员弹射时整个短暂的甩打过程，在零点几秒内各关节的转角或关节力、力矩即可达到人体的耐受极限；

2、撞击头装有面积较大的木板和塑料泡沫，较真实地模拟在限臂板作用下人体上肢受到的均布力并起到缓冲的作用；

3、本发明模拟装置成本低，实用性高，体积小，易操作。

附图说明

图1本发明模拟装置整体结构示意图；

图2本发明模拟装置中整体框架结构示意图；

图3本发明模拟装置中绕线机构示意图；

图4本发明模拟装置中撞击体结构示意图；

图5本发明模拟装置中开关机构结构示意图；

图6本发明模拟装置中开关机构剖视图。

图中：

1-整体框架         2-绕线机构           3-撞击机构           4-开关机构

5-底座             6-前支撑杆           7-后支撑杆           8-台座

9-横梁A            10-横梁B             11-滑轮A             12-滑轮B

13-限臂板          14-支撑块            15-悬吊横杆          16-绕线机构支撑座

17-绕线机构支架    18-绕线机构支撑梁    19-绕线机构安装台    201-绕线盘壳体

202-绕线轴         203-大齿轮           204-小齿轮           205-卡尺

206-手柄           207-限位销           301-撞击头           302-撞击头连杆

303-后挡板         304-前挡板           305-连接板           306-滑块

307-滚轮           308-圆孔A            309-圆孔B            401-上盖板

402-下盖板         403-扳手A            404-扳手B            405-”U”形槽

406-限位块         20-钢丝绳A           21-钢丝绳B           22-钢丝绳C

23-凹槽            24-弹簧

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明提供的用于人体上肢耐受冲击力实验的模拟装置，如图1所示，包括整体框架1、绕线机构2、撞击机构3、开关机构4。

其中，整体框架1包括底座5、两前支撑杆6、两后支撑杆7、台座8、横梁A9、横梁B10，如图2所示。其中，两平行的横杆与地面固定作为整体框架1的底座5，在两平行横杆上分别竖直对称连接有两前支撑杆6与两后支撑杆7，且后支撑杆7的高度为前支撑杆6高度的两倍。台座8为一长方形框架，台座8的四条边分别与两前支撑杆6和两后支撑杆7连接，且台座8所在平面与底座5所在平面平行。在台座8所在平面以下的两前支撑杆6间连接有横梁A9。在台座8所在平面以上的两后支撑杆7上安装横梁B10，通过横梁B10来对两后支撑杆7进行加固。在横梁A9的中部安装有滑轮A11，在台座8的四条边中，位于两后支撑杆7之间的后边中心安装有滑轮B12；所述的滑轮A11、滑轮B12位于同一个竖直平面内。在两后支撑杆7上部对称安装支撑块14，支撑块14间水平连接有悬吊横杆15，悬吊横杆15中部开有凹槽23，用来悬挂尸体骨手臂；两后支撑杆7间还连接有限臂板13，用来对尸体骨手臂进行限位；其中，限臂板13位于支撑块14下方；

在两后支撑杆7后方的底座5的两个横杆两端连接有绕线机构支撑座16，绕线机构支撑座16上竖直连接有绕线机构支架17。在台座8所在平面以下的两后支撑杆7间连接有绕线机构支撑梁18，且绕线机构支撑梁18位于台座8下方。所述的绕线机构支撑梁18的高度与绕线机构支架17的顶端高度相同，并且在所述的绕线机构支撑梁18与绕线机构支架17的顶端上水平固定连接绕线机构安装台19，在所述的绕线机构安装台19上安装有绕线机构2；台座8的两条长边间滑动连接有撞击机构3，使撞击机构3有足够的滑行距离。在台座8中与两前支撑杆6连接的短边上安装有开关机构4。所述横杆、前支撑杆6、后支撑杆7、台座8、横梁A9、横梁B10、绕线机构支撑座16、绕线机构支撑梁18、绕线机构支撑架17均为角钢结构。

所述绕线机构2由绕线盘壳体201、绕线轴202、大齿轮203、小齿轮204、卡尺205和手柄206组成，如图3所示。其中，绕线轴202位于绕线盘壳体201内部，并且与绕线盘壳体201侧壁之间为转动连接，在绕线盘壳体201侧壁之间的绕线轴202上固定连接有大齿轮203，小齿轮204与绕线盘壳体201一侧通过连接轴轴接，且小齿轮204与大齿轮203啮合，在连接轴一端连接有手柄206，手柄206位于绕线盘壳体201外部，通过转动手柄带动小齿轮204转动，从而带动绕线轴202随大齿轮203转动，使绕线轴202上开始绕线。卡尺205一端转动连接在绕线盘壳体201内壁上，另一端为自由端，自由端位于小齿轮204轮齿处；卡尺205上方与下方的绕线盘壳体201内壁上各设置有限位销207，由此来对卡尺205的上下运动进行限位，从而对小齿轮204进行限位。通过摇动手柄206，小齿轮204开始顺时针转动，带动大齿轮203转动，绕线盘开始绕线；卡尺205下边缘为凸圆弧面，从而使小齿轮204顺时针转动时不会被卡尺205卡住而停止转动。当停止摇动绕线盘手柄206时，为了防止小齿轮204反转，因此将卡尺205上边缘设计为平直面；从而通过卡尺205上部的限位销207的限位作用，卡尺205卡住小齿轮204，使小齿轮204停止转动。卡尺205、小齿轮204与大齿轮203位于绕线盘壳体201的同一侧。

所述撞击机构3包括撞击头301、撞击头连杆302、撞击体、滑块306，如图4所示。其中，撞击体由后挡板303、前挡板304与连接板305组成。后挡板303与前挡板304结构相同的矩形钢板，后挡板303与前挡板304平行于长边的中轴线处连接有连接板305，形成“H”字形结构，连接板305位于后挡板303与前挡板304之间，且与水平面平行。

位于撞击机构3后方的后挡板303外侧中心处与撞击头连杆302一端连接，撞击头连杆302另一端与撞击头301连接。后挡板303中部靠近上边缘处对称开有至少一个圆孔A308，前挡板304中部的靠近下边缘处开有至少一个圆孔B309。

后挡板303与前挡板304两端分别固定有滑块306，滑块306为槽钢形滑块，在槽钢形滑块306内的上下两侧均固定连接有滚轮307。通过撞击体两端的滑块306使撞击体可在台座8的两长边间自由滑动。

开关机构4主要由上盖板401、下盖板402、扳手A403和扳手B404组成，如图5、图6所示。其中，上盖板401与下盖板402为长方形薄钢板，上盖板401与下盖板402一侧长边中部对称开有“U”型槽405，另一侧长边中部固定连接有限位块406。所述扳手A403与扳手B404为结构相同的“L”型扳手，扳手A403与扳手B404的拐角处轴接在上盖板401与下盖板402间，且轴接位置分别位于“U”型槽与限位块406所在直线的两侧，扳手A403与扳手B404开口相对。扳手A403的拐角处到“U”型槽405的垂直距离小于扳手A403短边的长度。扳手A403短边用来套接钢丝绳，扳手A403的长边与扳手B404的短边搭接，扳手B404的长边与限位块406搭接。当捆绑在扳手A403短边上的钢丝绳对扳手A403短边施加一个拉力时，扳手A403会向开关机构4一侧转动，此时扳手A403长边会搭接在扳手B404短边处，带动扳手B404转动，最终扳手B404的长边与限位块406搭接，使扳手A403与扳手B404相互固定，此时扳手A403的短边与上盖板401、下盖板402的长边平行。

如图1所示，上述绕线机构2中的绕线轴202上系有钢丝绳A20，钢丝绳A20与弹簧24的一端连接，弹簧24的另一端连接有钢丝绳B21，钢丝绳B21由滑轮A11下方绕过滑轮A11，并由滑轮B12下方绕过滑轮B12，最终系在撞击机构3中后挡板303上端中部的圆孔A308上。钢丝绳C22一端系在撞击机构3中前挡板304下端中部圆孔B309上，另一端套接在开关机构4中的扳手A403短边上。

当进行人体上肢耐受冲击力的实验时，需要得到的数据是人体上肢破坏时的极限数据，因此，不能用活人做受试者。为了更接近人体，选取尸体骨手臂标本进行实验。

将尸体骨手臂悬挂在悬吊横杆15上的凹槽23处，通过转动绕线机构2中的手柄206，小齿轮204顺时针转动，带动大齿轮203转动，使绕线轴202开始绕线，此时钢丝绳A20、钢丝绳B21、钢丝绳C22、钢丝绳D23以及弹簧224开始拉紧。在此拉紧的过程中，开关机构4中的扳手A403的短边受到钢丝绳C22的拉力，使扳手A403开始转动，造成扳手A403的长边与扳手B的短边搭接，扳手B的长边与限位块406搭接，通过限位块406使扳手A403与扳手B相对固定，从而使开关机构4与撞击机构3相对固定。在拉近的过程中弹簧24在不断拉长，产生形变，当弹簧24达到预定的形变时停止绕线，由于弹簧弹力作用，绕线轴202受到逆向的拉力，小齿轮204会发生反转，但由于卡尺205与限位销207的作用，使小齿轮204不会产生反转。实验员根据弹簧24的形变可估量出预应力大小，也可通过应变片或传感器测出更加精确应力。

扳动开关机构4中的扳手B404的长边，使扳手B404的短边与扳手A403的长边搭接的部位错开，从而使钢丝绳C22脱离扳手A403的短边，从而使弹簧24张紧时存储的势能迅速转化为撞击机构3的动能，撞击机构3中的滑块306离开起始位置在台座8的长边间快速移动，直到撞击头301撞击尸体骨，尸体骨手臂被撞到限臂板上，便会减速停止。为了模拟飞行员手臂受均布力，撞击头301处可贴有面积大于撞击头301竖直截面的木板与泡沫塑料。

本发明的撞击机构3设计简单易于实现，并采用中空的角钢架搭建整体框架1。考虑到实验空间不宜过大，本发明模拟装置采用短小型，长1m，宽0.4m，前支撑杆6高0.6m，重约28KG。考虑到模拟不同方向气流吹袭的需求，实验装置后支撑杆7长为1.2m。同时，基于实验台大小、使用方便程度、实验安全性、设计难度以及需要急停急起等各种因素，装置使用弹簧29驱动撞击机构3模拟气流吹袭，研究弹射救生时上肢对气动载荷的耐受限度。

Claims (9)

1.一种用于人体上肢耐受冲击力实验的模拟装置，其特征在于：包括整体框架、绕线机构、撞击机构和开关机构；

所述的整体框架包括底座、两前支撑杆、两后支撑杆、台座、横梁A和横梁B；其中，底座为两平行的水平横杆，在两横杆上分别竖直连接有前支撑杆与后支撑杆；台座为矩形框架，矩形框架的四条边分别与两前支撑杆和两后支撑杆连接，所述台座的位于两后支撑杆之间的后边中心安装有滑轮B，其余的两条相对的左边和右边上滑动连接有撞击机构；两前支撑杆之间的前边上还安装有开关机构；在台座所在平面以下的两前支撑杆间连接有横梁A；在台座所在平面以上的两后支撑杆间安装横梁B；在横梁A的中部安装有滑轮A；在两后支撑杆上部对称安装支撑块，支撑块间水平连接有悬吊横杆，用来悬挂尸体骨手臂；两后支撑杆间还连接有限臂板，用来对尸体骨手臂进行限位；其中，限臂板位于支撑块下方；

在所述两后支撑杆后方的底座两端连接有绕线机构支撑座，绕线机构支撑座上连接有绕线机构支架；在台座所在平面以下的两后支撑杆之间连接有绕线机构支撑梁，所述的绕线机构支撑梁的高度与绕线机构支架的顶端高度相同，并且在所述的绕线机构支撑梁与绕线机构支架的顶端上水平固定连接绕线机构安装台，在所述的绕线机构安装台上安装有绕线机构；

所述绕线机构由绕线盘壳体、大齿轮、小齿轮、绕线轴、卡尺和手柄组成；其中，绕线轴位于绕线盘壳体内部，并且与绕线盘壳体侧壁之间为转动连接，绕线轴上固定连接有大齿轮，小齿轮固定连接在绕线盘壳体内侧的连接轴上，且小齿轮与大齿轮啮合，所述的连接轴一端伸出绕线盘壳体外部与手柄连接；所述的卡尺一端转动连接在绕线盘壳体内壁上，另一端为自由端，自由端位于小齿轮轮齿处；卡尺上方与下方的绕线盘壳体内壁上各设置有限位销，卡尺下边缘为凸圆弧面，上边缘为平直面；绕线机构中的绕线轴上系有钢丝绳A，钢丝绳A与弹簧的一端连接，弹簧的另一端连接有钢丝绳B，钢丝绳B绕过滑轮A和滑轮B后，与撞击机构连接；钢丝绳C一端与撞击机构连接，另一端与开关机构连接。

2.如权利要求1所述一种用于人体上肢耐受冲击力实验的模拟装置，其特征在于：所述撞击机构包括撞击头、撞击头连杆、撞击体、滑块；其中，撞击体由后挡板、前挡板与连接板组成；后挡板与前挡板为结构相同的长方形板，后挡板与前挡板之间平行于长边的中轴线处水平连接有连接板，后挡板与前挡板两端分别固定有滑块；后挡板外侧中心处与撞击头连杆一端连接，撞击头连杆另一端与撞击头连接；后挡板中部设置圆孔A，圆孔A位置靠近后挡板与前挡板的上边缘处；前挡板中部的靠近下边缘位置设置有圆孔B。

3.如权利要求2所述一种用于人体上肢耐受冲击力实验的模拟装置，其特征在于：所述的滑块为槽钢结构，滑块内的上下两侧固定连接有滚轮。

4.如权利要求2所述一种用于人体上肢耐受冲击力实验的模拟装置，其特征在于：所述的撞击头上安装有木板与塑料泡沫。

5.如权利要求1所述一种用于人体上肢耐受冲击力实验的模拟装置，其特征在于：所述开关机构包括上盖板、下盖板、扳手A、扳手B；其中，上盖板与下盖板一侧长边中部对称开有“U”型槽，与所述长边相对的另一侧长边中部固定连接有限位块；所述扳手A与扳手B为结构相同的“L”型扳手，扳手A与扳手B的拐角处轴接在上盖板与下盖板间，并且轴接位置分别位于“U”型槽与限位块所在直线的两侧，扳手A与扳手B开口相对；其中，扳手A的拐角处到“U”型凹槽的垂直距离小于扳手A短边的长度，当所述扳手B长边与限位块搭接，扳手B短边与扳手A长边搭接时，扳手A的短边与上盖板、下盖板的长边平行。

6.如权利要求1所述一种用于人体上肢耐受冲击力实验的模拟装置，其特征在于：所述后支撑杆的长度为前支撑杆长度的两倍。

7.如权利要求1所述一种用于人体上肢耐受冲击力实验的模拟装置，其特征在于：所述底座、前支撑杆、后支撑杆、台座、横梁A、横梁B、绕线机构支撑座、绕线机构支撑梁、绕线机构支撑架为角钢结构，且台座与底座平行。

8.如权利要求1所述一种用于人体上肢耐受冲击力实验的模拟装置，其特征在于：所述悬吊横杆与台座间的距离要大于尸体骨手臂的长度。

9.如权利要求1所述一种用于人体上肢耐受冲击力实验的模拟装置，其特征在于：所述悬吊横杆中部开有凹槽。

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