CN102551669A

CN102551669A - 空间站失重环境下人体重心位置测量装置及其测量方法

Info

Publication number: CN102551669A
Application number: CN2011104310696A
Authority: CN
Inventors: 宋爱国; 马妍; 吴涓; 崔建伟; 李会军; 谷士鹏; 宋光明
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Nantong Guangyi Machinery And Electronic Co ltd; Southeast University
Priority date: 2011-12-20
Filing date: 2011-12-20
Publication date: 2012-07-11
Anticipated expiration: 2031-12-20
Also published as: CN102551669B

Abstract

本发明公开了一种空间站失重环境下人体重心位置测量装置，包括机械臂，在机械臂的一端设置硬质平板，在硬质平板上设置若干可以围成一定面积区域的压力传感器，硬质平板上还设有用于固定受测者躯体的固定带，在压力传感器上设置有支撑板，固定带和支撑板之间形成容纳受测者躯干的空间；压力传感器通过信号调理模块连接单片机模块，单片机模块连接上位机。本发明还公开了使用上述装置在空间站失重环境下测量人体重心的方法。本发明结构简单、成本低廉，使用方便，填补了宇航员的在失重环境下重心检测方面的空白，对于航天事业的发展具有重要意义。

Description

空间站失重环境下人体重心位置测量装置及其测量方法

技术领域

本发明涉及人体生理参数检测系统，尤其涉及空间站失重环境下的人体重心位置的测量装置及其测量方法。

背景技术

天宫一号的发射标志着我国已经拥有建立初步空间站的能力，国家规划在2020年左右建成载人空间站。当越来越多的宇航员与太空亲密接触，承载着人类神圣使命的时候，他们的太空失重会引起一系列的生理变化，甚至出现病理反应或疾病，对航天员的身心健康造成影响，因此宇航员健康检查是十分必要的。在航天失重环境中长时间停留可引起机体多个系统发生适应性改变和一些病理生理性质的变化，其中又以失重对心血管、肌肉、骨等系统的不良影响对宇航员健康和安全关系最大，故也最受重视。为了减少航天员由于失重而引起的生理变化，维持像在地球那样的健康状态，现已经出现了很多宇航员生理参数的检测系统，来检测在空间站中宇航员的参数，从而制定合适的训练计划。失重期间的血液循环障碍与中医中的“血瘀症”相似，出现血液循环障碍后，宇航员的体重、呼吸等生理参数可能没有变化，只有重心位置发生了变化，而目前在宇航员的重心检测方面还是一个空白，还没有这样一种设备来检测宇航员的重心。

发明内容

发明目的：本发明的目的是填补宇航员生理参数检测系统所存在的空间站失重环境下重心检测方面的空白，提供一种空间站失重环境下人体重心位置测量装置及其测量方法。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用了如下的技术方案：

一种空间站失重环境下人体重心位置测量装置，包括机械臂，在机械臂的一端设置硬质平板，在硬质平板上设置若干可以围成一定面积区域的压力传感器，硬质平板上还设有用于固定受测者躯体的固定带，在压力传感器上设置有支撑板，固定带和支撑板之间形成容纳受测者躯干的空间；压力传感器通过信号调理模块连接单片机模块，单片机模块连接上位机。

其中，所述机械臂上从固定端到活动端依次为第一转动副、第二转动副和第三转动副，第三转动副末端固定有硬质平板。

其中，所述机械臂上从固定端到活动端依次为转动副、第一移动副和第二移动副，所述第二移动副末端固定有硬质平板。

其中，所述压力传感器的数目为四个，且四个压力传感器在硬质平板上呈矩形排布。

其中，所述固定带为两个，两个固定带之间相互平行或交叉设置。

所述空间站失重环境下人体重心位置测量装置的测量空间站失重环境下人体重心的方法，包括如下步骤：

a、受测者躯干进入到固定带和支撑板之间，并和支撑板保持一定间隙；

b、通过机械臂推动人体以恒定加速度运动，单片机模块采集各个压力传感器在此过程中所输出的电压信号，得到各个压力传感器受到的压力f₁、f₂、f₃……f_N，并传输给上位机，其中N表示压力传感器的数量；

c、以硬质平板的中心为坐标原点，各个压力传感器在硬质平板上的坐标为(X₁、Y₁)、(X₂、Y₂)、(X₃、Y₃)……(X_N、Y_N)，受测者的重心在硬质平板上的投影坐标为(X、Y)；根据硬质平板的平衡条件，即硬质平板上受力之和为0，可以得出：

∑F＝0，即F+f₁+f₂+f₃+……+f_N＝0(1)

根据力矩平衡原理，可以得出，硬质平板上X轴方向的力矩之和为0、Y轴方向的力矩之和为0，即：

∑M_X＝0，即FX+f₁X₁+f₂X₂+f₃X₃+……+f_NX_N＝0 (2)

∑M_Y＝0，即FY+f₁Y₁+f₂Y₂+f₃Y₃+……+f_NY_N＝0 (3)；

将(1)式分别代入(2)式和(3)式，可以得出受测者的重心在硬质平板上的投影坐标为：

X = \frac{f_{1} X_{1} + f_{2} X_{2} + f_{3} X_{3} + . . . . . . + f_{N} X_{N}}{f_{1} + f_{2} + f_{3} + . . . . . . + f_{N}};

Y = \frac{f_{1} Y_{1} + f_{2} Y_{2} + f_{3} Y_{3} + . . . . . . + f_{N} Y_{N}}{f_{1} + f_{2} + f_{3} + . . . . . . + f_{N}};

其中，F表示受测者在运动过程中对硬质平板的反作用力，N表示压力传感器的个数。

有益效果：本发明采用安装在机械臂末端的硬质平板上的压力传感器来检测失重环境下人体重心的方法，实现了传统检测重心方法的创新。通过固定带将受测者固定在传感器附近，由单片机发出相应的电机驱动信号来驱动机械臂的运动，从而推动受测者进行运动；采集压力传感器的输出信号并提交单片机进行数据采集与传输处理，最后通过上位机的重心计算软件计算出受测者重心在硬质板上的投影点坐标。本发明具有结构简单、成本低廉以及使用方便的特点，填补了宇航员的在失重环境下重心检测方面的空白，对于航天事业的发展具有重要意义。

附图说明

图1为本发明空间站失重环境下人体重心位置测量装置实施例一的示意图。

图2为本发明测量方法的流程图。

图3为本发明实施例一的硬质平板上的压力传感器分布示意图。

图4为本发明实施例一的硬质平板的受力分析示意图。

图5为本发明机械臂的实施例二的示意图。

图6为本发明硬质平板上的压力传感器实施例二的分布示意图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

实施例一

如图1、2和3所示，本发明的空间站失重环境下人体重心位置测量装置包括一端固定的机械臂，在机械臂的另一活动端固定有方形的硬质平板1，在硬质平板1上设置四个压力传感器2与两个相互交叉的固定带3，压力传感器2在硬质平板1上呈矩形排布，即以每个压力传感器2为顶点，连线所围成的几何图形是矩形。所述的压力传感器2至少是三个，因为在检测的时候，硬质平板1大概位于受测者腰部，腰部是人在正常状态下的重心所在，但是在失重状态下，人体重心会有改变，但是还在腰部附近位置，为了找到重心位置，必须有三个压力传感器2才能组成面积，重心就位于该面积之内。本发明最佳选用四个组成矩形的压力传感器2，也可以采用可组成规则形状的六个、八个压力传感器，组成正六角形或矩形，如图6所示。

在每个压力传感器2上设置一个支撑板4，固定带3和支撑板4之间形成容纳受测者躯干的空间。每个压力传感器2均通过信号调理模块5连接单片机模块6，单片机模块6连接上位机7。

机械臂主要是为受测者提供稳定的加速度，推动受测者运动，进而获得受测者施加给压力传感器2的反作用力。所以，只要是能为受测者提供空间任一角度的恒定加速度的机械臂结构都可以。

图1所述实施例的机械臂可以在空间站内提供三个自由度，包括两个转动自由度和一个平移自由度。机械臂包括固定在水平面上的支承座8，在支承座8上设置回转臂9，回转臂9可以围绕支承座8沿水平方向360°自由旋转，构成第一转动副，第一转动副的轴线与水平面垂直；回转臂9的末端与大俯仰臂10的一端铰接，构成第二转动副，第二转动副的轴线与第一转动副的轴线垂直；大俯仰臂10的另一端与小俯仰臂11的一端铰接，构成第三转动副，第三转动副的轴线与第二转动副的轴线垂平行；硬质平板1设置在小俯仰臂11的另一端，小俯仰臂11的轴线与硬质平板1的平面垂直。

本实施例中，在回转臂9和大俯仰臂10的铰接处设置第一驱动电机12，在大俯仰臂10和小俯仰臂11的铰接处设置第二驱动电机13；第一驱动电机12可以驱动大俯仰臂10围绕其与回转臂9的铰接端自由转动，第二驱动电机13可以驱动小俯仰臂11围绕其与大俯仰臂10的铰接端自由转动。第一驱动电机12和第二驱动电机13分别通过单片机模块6连接上位机7，由上位机7进行统一控制。

如图4所示，利用实施例一所述的空间站失重环境下人体重心位置测量装置来测量人体重心的方法如下：

(1)受测者躯干进入到固定带3和支撑板4之间，并和支撑板4保持一定间隙。

(2)通过上位机7发送给单片机模块6指令，然后单片机模块6发送驱动信号来驱动第一驱动电机12和第二驱动电机13的转动，从而带动硬质平板1以恒定的加速度来推动受测者运动；受测者在运动过程中会施加给压力传感器2反作用力，各个压力传感器2输出与压力信号成线性关系的电压信号，这些电压信号通过信号调理模块5进行滤波、放大，然后送入单片机模块6；单片机模块6将调理过的电压信号进行AD转换，最后传输给上位机7进行重心位置计算。

由机械臂对受测者施加的力是恒定的，所以无论检测过程时间长短，每个传感器传输过来的压力大小始终恒定不变。

(3)受测者重心位置的计算原理是：以硬质平板1的中心为坐标原点，四个压力传感器2在硬质平板1上的坐标分别为(X₁、Y₁)、(X₂、Y₂)、(X₃、Y₃)和(X₄、Y₄)，受测者的重心在硬质平板上1的投影坐标为(X、Y)；根据硬质平板1的平衡条件，可以得出硬质平板1所受力之和为0，即：

∑F＝0，即F+f₁+f₂+f₃+f₄＝0 (1)

其中，F表示受测者在运动过程中对硬质平板的反作用力；

根据力矩平衡原理，可以得出硬质平板1上的X轴方向力矩之和、Y轴方向的力矩之和均为0，即：

∑M_X＝0，即FX+f₁X₁+f₂X₂+f₃X₃+f₄X₄＝0 (2)

∑M_Y＝0，即FY+f₁Y₁+f₂Y₂+f₃Y₃+f₄Y₄＝0 (3)；

X = \frac{f_{1} X_{1} + f_{2} X_{2} + f_{3} X_{3} + f_{4} X_{4}}{f_{1} + f_{2} + f_{3} + f_{4}};

Y = \frac{f_{1} Y_{1} + f_{2} Y_{2} + f_{3} Y_{3} + f_{4} Y_{4}}{f_{1} + f_{2} + f_{3} + f_{4}} .

由于四个传感器2对称分布在硬质平板1的四个顶角处，以每个压力传感器2为顶点，连线所围成的几何图形是矩形，即X₂＝-X₁，X₃＝-X₁，X₄＝X₁；Y₂＝Y₁，Y₃＝-Y₁，Y₄＝-Y₁，可以得出：

X = \frac{f_{1} - f_{2} - f_{3} + f_{4}}{f_{1} + f_{2} + f_{3} + f_{4}} X_{1} - - - (4)

Y = \frac{f_{1} + f_{2} - f_{3} - f_{4}}{f_{1} + f_{2} + f_{3} + f_{4}} Y_{1} - - - (5)

将数据带入公式(4)、(5)即可得出受测者重心的投影坐标，也就找到了受测者的重心。

实施例2：如图5所示，本发明的机械臂还可以采用如下的结构，机械臂包括固定在水平面上的回转台14，在回转台14上设有竖直的第一导轨15，第一导轨15与回转台14构成转动副，转动副的轴线与水平面垂直；在第一导轨15上设有第一滑块16，第一滑块16和第一导轨15构成第一移动副，第一滑块16在第一导轨15沿竖直方向运动；在第一滑块16上设有水平的第二导轨17，在第二导轨17上设有第二滑块18，第二滑块18和第二导轨17构成第二移动副，第二滑块18在第二导轨17上沿水平方向运动；硬质平板1竖直设置在第二滑块18的端部。

本实施例中，第一导轨15设有一竖直的第一螺杆19，第一螺杆19与第一滑块16螺纹配合，第一螺杆19端部设有第三驱动电机20，第三驱动电机20驱动第一螺杆19转动，从而带动第一滑块16沿竖直方向运动；同样的，第二导轨17设有一水平的第二螺杆21，第二螺杆21与第二滑块18螺纹配合，第二螺杆21端部连接有第四驱动电机22，第四驱动电机22驱动第二螺杆21转动，从而带动第二滑块18沿水平方向运动。第三驱动电机20和第四驱动电机22分别通过单片机模块6连接上位机7，由上位机7进行统一控制。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种空间站失重环境下人体重心位置测量装置，其特征在于：包括机械臂，在机械臂的一端设置硬质平板(1)，在硬质平板(1)上设置若干可以围成一定面积区域的压力传感器(2)，硬质平板(1)上还设有用于固定受测者躯体的固定带(3)，在压力传感器(2)上设置有支撑板(4)，固定带(3)和支撑板(4)之间形成容纳受测者躯干的空间；压力传感器(2)通过信号调理模块(5)连接单片机模块(6)，单片机模块(6)连接上位机(7)。

2.根据权利要求1所述的一种空间站失重环境下人体重心位置测量装置，其特征在于：所述机械臂上从固定端到活动端依次为第一转动副、第二转动副和第三转动副，第三转动副末端固定有硬质平板(1)。

3.根据权利要求1所述的一种空间站失重环境下人体重心位置测量装置，其特征在于：所述机械臂上从固定端到活动端依次为转动副、第一移动副和第二移动副，所述第二移动副末端固定有硬质平板(1)。

4.根据权利要求1至3项中任意一项所述的一种空间站失重环境下人体重心位置测量装置，其特征在于：所述压力传感器(2)的数目为四个，且四个压力传感器(2)在硬质平板(1)上呈矩形排布。

5.根据权利要求1至3项中任意一项所述的一种空间站失重环境下人体重心位置测量装置，其特征在于：所述固定带(3)为两个，两个固定带(3)之间相互平行或交叉设置。

6.权利要求1所述的一种空间站失重环境下人体重心位置测量装置的测量空间站失重环境下人体重心的方法，其特征在于，包括如下步骤：

∑F＝0，即F+f₁+f₂+f₃+……+f_N＝0 (1)

∑M_X＝0，即FX+f₁X₁+f₂X₂+f₃X₃+……+f_NX_N＝0 (2)

∑M_Y＝0，即FY+f₁Y₂+f₂Y₂+f₃Y₃+……+f_NY_N＝0 (3)；

X = \frac{f_{1} X_{1} + f_{2} X_{2} + f_{3} X_{3} + . . . . . . + f_{N} X_{N}}{f_{1} + f_{2} + f_{3} + . . . . . . + f_{N}};

Y = \frac{f_{1} Y_{1} + f_{2} Y_{2} + f_{3} Y_{3} + . . . . . . + f_{N} Y_{N}}{f_{1} + f_{2} + f_{3} + . . . . . . + f_{N}};