CN103048069A - 一种头盔适戴性测试评价系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种头盔适戴性测试评价系统，它包括头模矩阵、传感装置和设置在计算机中的数据分析系统；传感装置包括能够与头部曲面形状贴合的底面硅胶层，底面硅胶层上表面设置有由若干压力传感器和纵横连接各压力传感器的导线组成的矩阵网络，矩阵网络的外面通过导线连接电源模块和采集控制模块；数据分析系统包括数据管理单元、数据存储单元和工效性能分析单元；数据管理单元包括开启模块和采样模块；工效性能分析单元包括压力众数模块、压力峰值模块、压力均值模块、压力中心模块、压力方差模块和压力标准差模块。本发明可以广泛地用于各种各类军、警、民用头盔、安全帽、运动头盔等产品的适戴性能评价中。

Description

一种头盔适戴性测试评价系统

技术领域

本发明涉及一种测试评价系统，特别是关于一种头盔适戴性测试评价系统。

背景技术

现代头盔是用于阻止弹丸或破片穿透头部，防止头部直接和坚硬、高能物体相撞击，有效保护人体头部、眼、面部，且不影响人体视线和活动的防护装具，它在军事、医疗、运动、娱乐等各个行业都有广泛的应用。为了保证整个头盔的人机工效学的合理性，世界各国对三维头型采集、建模和标准化都开展了深入的研究。美国空军作战中心的杰弗里（Jeffrey M.T.）等采用宇宙电子公司生产的KGR30质量分析仪对“头模-飞行头盔”系统的重心进行了测试研究，但该研究并未能直接测量不规则盔体的重心。澳大利亚墨尔本大学的阿斯科（Asko V.）建立了一套SPH-4头盔动力学性能的评价装置，但该装置较为繁杂，且受头盔佩戴者生理因素的影响较大。目前，我国市面上的头盔大都是按照西方人的脸型和头型进行设计的，其原因在于，头盔的生产过程缺少相应的符合中国人头型的头模。另外，国内外对头盔形状、头盔舒适性、稳定性的客观评价方法很少，几乎没有对适体性方面的整体定量测试评价。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种适合于中国人的头盔适戴性测试评价系统。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种头盔适戴性测试评价系统，其特征在于：它包括头模矩阵、传感装置和设置在计算机中的数据分析系统；所述头模矩阵包括圆高型、圆正型、中正型、中高型、圆特高型、超圆高型和超圆特高型七种头型，所述七种头型按照头围尺寸在52cm～60cm内，形成四十四种型号；所述传感装置包括能够与头部曲面形状贴合的一底面硅胶层，所述底面硅胶层上表面设置有由若干压力传感器和纵横连接各压力传感器的导线组成的矩阵网络，所述矩阵网络的外面通过导线连接一用于供电的电源模块和一用于输出各所述压力传感器信息的采集控制模块；所述数据分析系统包括数据管理单元、数据存储单元和工效性能分析单元；所述数据管理单元包括开启模块和采样模块；所述开启模块用于启动和停止所述控制数据分析系统，所述采样模块用于调整所述传感装置的采集频率和采集时间，并采集所述传感装置输出的压力信号的采样模块；所述数据存储单元将所述采样模块采集的压力信号存储成与所述传感装置的矩阵网络相同的矩阵形式；所述工效性能分析单元包括压力众数模块、压力峰值模块、压力均值模块、压力中心模块、压力方差模块和压力标准差模块；所述压力众数模块用于选择压力值众数范围的步长，并显示各压力值众数范围内采集点的数量；所述压力峰值模块用于找出并显示压力的最大值；所述压力均值模块用于计算并显示所有压力采集点的算术平均值；所述压力中心模块用于计算并显示压力采集点的中心的压力数值；所述压力标准差模块用于计算并显示压力采集点的标准差的数值。

所述传感装置的采集控制模块包括一选通模块、一运放模块和一A/D转换模块；所述选通模块包括若干选通开关，每一所述选通开关都连接所述矩阵网络的一行或一列，所述运放模块包括若干运放通道，每一所述运放通道都连接所述矩阵网络的一列或一行，每一被选通的行或列上的所述压力传感器感应的电流值，均通过其所在列或行的所述运放通道放大后送入所述A/D转换模块，进行转换后输出。

所述传感装置中的压力传感器采用片层式结构的应变电阻式传感器。

所述工效性能分析单元的压力标准差模块中的标准差分为两类：接触面标准差和全局标准差。

所述数据分析系统还包括显示单元，所述显示单元包括云图模块和柱状图模块；所述云图模块以云图的形式显示头模上所受压力的分布情况；所述柱形图模块以柱形图的形式显示压力均值、峰值。

所述云图模块利用插值算法在有限数据的基础上，对坐标数据和压力数据进行插值运算，然后通过C#中的Graphic类绘制图像并最终投影到设备显示层上。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明系统由于设置了头模矩阵、传感装置、计算机和数据分析系统，根据被评价头盔来选取头模，传感装置将测量头模上的压力传给计算机，数据分析系统计算出该头盔适戴性的相关指标，从而评价出该头盔在号型上是否适于真人佩戴。2、本发明的数据分析系统由于设置了工效性能分析单元和显示单元，传感装置对头模上的压力进行测试后，工效性能分析单元会计算出头盔适戴性的相关指标，显示单元将这些指标以云图、柱状图等形式表现出来，因此应用本发明进行头盔适戴性评价时，具有直观、快速的优点。3、本发明的头模矩阵是以国家标准所提供的头型三围尺寸及其关系为基础数据，应用逆向建模技术，综合使用UG、CATIA、Geomagic等建模软件，最终生成与中国人头型号的相匹配的三维头部模型，因此，本发明创建了适合于中国人的头模，而在头模基础上的头盔适戴性评价，也更适合中国人。4、本发明的传感装置由于设置了一底面硅胶层和一顶面硅胶层，因此其既为压力传感器阵列提供了均匀的承载面，又起到电气绝缘的作用，保证了压力传感器阵列中电路的稳定工作。5、本发明的传感装置由于在底面和顶面硅胶层之间设置有一由压力传感器组成的矩阵网络，且横向相邻的压力传感器通过盘绕成曲线的导线焊接连接，因此本发明的传感装置具有很好的曲面贴合性和延展性，特别适合用于对曲率变化不规则的人体头部所承受的压力进行测量。本发明可以广泛地用于各种各类军、警、民用头盔、安全帽、运动头盔等产品的适戴性能评价中。

附图说明

图1是本发明系统结构示意图

图2是本发明头模矩阵的头型示意图

图3是本发明传感装置的结构示意图

图4是本发明传感装置佩戴效果的俯视图

图5是本发明传感装置中采集控制模块的结构示意图

图6是本发明数据分析系统的结构示意图

图7是本发明云图模块显示的压力云图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1、图2所示，本发明系统包括一头模矩阵1、一传感装置2、一设置在计算机3中的数据分析系统4。

如图2所示，本发明的头模矩阵1是以国家标准GB/T23461-2009《成年男性头型三维尺寸》所提供的头型三围尺寸及其关系为基础数据，应用逆向建模技术，综合使用UG（Unigraphics NX）、CATIA、Geomagic等建模软件，在基础数据的基础上，通过头部数据三维建模，最终生成三维头部模型。头模矩阵1分为圆高型11、圆正型12、中正型13、中高型14、圆特高型15、超圆高型16和超圆特高型17七种头型；每个头型按照头围尺寸在52cm～60cm（增量为1厘米）内又分为5～8个号，因此形成44种型号的头模（如表1所示）：

如图3、图4所示，本发明传感装置2包括一与头部曲面形状紧密贴合的底面硅胶层21，在底面硅胶层21上表面设置有由若干压力传感器22和纵横连接各压力传感器22的导线23组成的矩阵网络24，在矩阵网络24的外面通过导线连接一电源模块25和一采集控制模块26，在矩阵网络24和底面硅胶层21上设置有一顶面硅胶层27，顶面硅胶层27将底面硅胶层21、压力传感器22和导线23粘接成一个整体，形成一柔性传感装置。

表1头模矩阵的44种型号

如图5所示，电源模块25用于为压力传感器22和采集控制模块26供电。采集控制模块26包括一选通模块261、一运放模块262和一A/D转换模块263。选通模块261包括若干选通开关264，每一选通开关264都与矩阵网络24的一行相连（以行选通为例）；运放模块262包括若干运放通道265，每一运放通道265都与矩阵网络24的一列相连。如图4所示，矩阵网络24中连接各相邻压力传感器22之间的导线23均采用弯曲或盘绕的曲线方式进行连接，这样在佩戴测量的时候，可以使整个矩阵网络24具有很好的延展性能，再加之底面硅胶层21和顶面硅胶层27自身的可抻拉性能，使本发明传感装置2非常柔性可伸缩。

上述实施例中，选通模块261和运放模块262的连接位置是可以有所变化，比如将每一选通开关264都与矩阵网络24的一列相连，而将每一运放通道265都与矩阵网络24的一行相连。

上述实施例中，压力传感器22可以采用片层式结构的应变电阻式传感器，比如：压力传感器22采用Tekscan公司的微型压力传感器，其具有体积小，安装简单等特点。当输入恒定的电压时，压力传感器将输出与施加压力成线性相关的电流值。

本发明传感装置2当有头盔、安全帽等防护头具佩戴在头模上进行压力测量时，选通开关264控制矩阵网络24中各行的选通（以行选通为例，但不限于此），当某一行的压力传感器22被选通之后，每一列的运放通道265便会采集并放大该列被选中的一个压力传感器22感应的电流值，并经给A/D转换模块263转换后输出，从而完成该行中各个压力传感器22的电流输出。选通模块261依次选通矩阵网络24的每一行，则可以完成整个矩阵网络24中各压力传感器22的电流输出。

如图6所示，本发明数据分析系统4包括数据管理单元41、数据存储单元42、工效性能分析单元43和显示单元44。其中：

数据管理单元41包括开启模块411和采样模块412。开启模块411用于控制数据分析系统4采集的启动和停止；采样模块412用于调整传感装置2的采集频率和采集时间，并采集传感装置2输出的压力信号；数据存储单元42将采样模块412采集的压力信号存储成与传感装置2的矩阵网络24相同的矩阵形式。

工效性能分析单元43包括压力众数模块431、压力峰值模块432、压力均值模块433、压力中心模块434、压力方差模块435和压力标准差模块436。

压力众数模块431中的众数就是出现最多的数值，要保证压力值出现完全一样的数值是不可能的，因此可以将压力值进行分段。压力众数模块431可以选择压力值众数范围的步长，并显示各压力值众数范围内采集点的数量。

压力峰值模块432用于找出并显示压力的最大值，测试者根据该值可以推断出被测试头盔是否超出人体舒适度的范围。

压力均值模块433用于计算并显示所有压力采集点的算术平均值测试者根据压力均值可以得到整个被测试头盔对头模的平均压力特征。

压力中心模块434用于计算并显示压力采集点的中心的压力数值。假设传感装置2采集的各点压力值F₁、F₂…F_n的向量为(F_X1，F_Y1，F_Z1)、(F_X2，F_Y2，F_Z2)…(F_Xn，F_Yn，F_Zn)，n为传感装置2上的压力传感器22的数量；点压力值F₁、F₂…F_n的合力F_s向量为(F_Xs，F_Ys，F_Zs)，第i点（1≤i≤n）的内侧单位法向量为(e_Xi，e_Yi，e_Zi)，第i点压力值F_i的坐标为(X_i，Y_i，Z_i)，则第i点的F_i压力向量(F_Xi，F_Yi，F_Zi)与单位法向量为(e_Xi，e_Yi，e_Zi)有如下关系：

$\sqrt{F_{\mathrm{Xi}}^2+F_{\mathrm{Yi}}^2+F_{\mathrm{Zi}}^2}=F_i---\left(1\right)$

$\frac{F_{\mathrm{Xi}}}{e_{\mathrm{Xi}}}=\frac{F_{\mathrm{Yi}}}{e_{\mathrm{Yi}}}=\frac{F_{\mathrm{Zi}}}{e_{\mathrm{Zi}}}---\left(2\right)$

压力合力Fs的向量(F_Xs，F_Ys，F_Zs)与各压力点F₁、f₂…F_n向量的关系为：

$F_{\mathrm{XS}}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{F}_{\mathrm{Xi}}---\left(3\right)$

$F_{\mathrm{YS}}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{F}_{\mathrm{Yi}}---\left(4\right)$

$F_{\mathrm{ZS}}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{F}_{\mathrm{Zi}}---\left(5\right)$

假设压力中心F_c坐标为(X_c，Y_c，Z_c)，则有：

$X_c=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{X}_i{F}_i}{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{F}_i}---\left(6\right)$

$Y_c=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{Y}_i{F}_i}{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{F}_i}---\left(7\right)$

$Z_c=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{Z}_i{F}_i}{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{F}_i}---\left(8\right)$

压力方差模块435用于计算并显示压力采集点的方差S的数值。

$S=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(F_i-\stackrel{\‾}{F})}^2}{n}---\left(9\right)$

压力标准差模块436用于计算并显示压力采集点的标准差S_T的数值。标准差S_T分为两类：接触面标准差和全局标准差，接触面标准差的含义为所有压力数值大于零的压力数据的标准差；全局标准差的含义为所有测试点的压力数据的标准差。即，接触面标准差和全局标准差两者的公式一样，只不过接触面标准差是将压力数据为零的点排除在外，而全局标准差将所有压力数据点都考虑在内的标准差，因此全局标准差的压力的波动范围肯定大于等于接触面标准差的。

$S_T=\sqrt{\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(F_i-\stackrel{\‾}{F})}^2---\left(10\right)}$

显示单元44包括一云图模块441和一柱状图模块442。云图模块441以云图的形式显示头模上所受压力的分布情况；柱形图模块442以柱形图的形式显示压力均值、峰值。如图7所示，由于传感装置2上设置的压力传感器22的数量是有限的，云图模块441为了能够光滑、真实的曲面形式表示头顶和以不同深浅的颜色表示压力的大小，利用插值算法在有限数据的基础上，对坐标数据和压力数据进行插值运算，然后通过C#中的Graphic类绘制图像并最终投影到设备显示层上。

本发明对头盔适戴性测试评价的流程包括以下步骤：

1）在头模矩阵1的列表中选取某一型号的头模；

2）先后将传感装置2和被测试的头盔戴在选出的头模上，且将传感装置2中的A/D转换模块263与计算机3连接；

3）在数据分析系统4的数据管理单元41中，通过采样模块412设定传感装置2的采集频率和采集时间；在开启模块411中启动数据分析系统4；

4）数据存储单元42将采样模块412采集的压力信号进行存储，工效性能分析单元43调取数据存储单元42的存储文件，计算出被测试头盔的适戴性指标：压力的众数、峰值、均值、方差、标准差和中心并将这些指标显示出来。

压力方差S： $S=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(F_i-\stackrel{\‾}{F})}^2}{n}---\left(9\right)$

压力标准差S_T： $S_T=\sqrt{\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(F_i-\stackrel{\‾}{F})}^2---\left(10\right)}$

假设压力中心F_c坐标为(X_c，Y_c，Z_c)，则有：

$X_c=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{X}_i{F}_i}{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{F}_i}---\left(6\right)$

$Y_c=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{Y}_i{F}_i}{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{F}_i}---\left(7\right)$

$Z_c=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{Z}_i{F}_i}{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{F}_i}---\left(8\right)$

5）测试者可以从显示单元44的云图模块441显示的云图，查看被测试头盔在选出的头模上压力的分布；测试者可以从柱形图442显示的柱形图，查看被测试头盔在选出的头模上的压力均值、峰值的大小。

6）测试者从头模矩阵1的列表中选取下一型号的头模，开始步骤1）～5）；

7）测试者根据被测试头盔施加在头模矩阵1上的压力的相关指标，判断被测试的头盔适合于哪一型号头模。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (9)

1.一种头盔适戴性测试评价系统，其特征在于：它包括头模矩阵、传感装置和设置在计算机中的数据分析系统；

所述头模矩阵包括圆高型、圆正型、中正型、中高型、圆特高型、超圆高型和超圆特高型七种头型，所述七种头型按照头围尺寸在52cm～60cm内，形成四十四种型号；

所述传感装置包括能够与头部曲面形状贴合的一底面硅胶层，所述底面硅胶层上表面设置有由若干压力传感器和纵横连接各压力传感器的导线组成的矩阵网络，所述矩阵网络的外面通过导线连接一用于供电的电源模块和一用于输出各所述压力传感器信息的采集控制模块；

所述数据分析系统包括数据管理单元、数据存储单元和工效性能分析单元；所述数据管理单元包括开启模块和采样模块；所述开启模块用于启动和停止所述控制数据分析系统，所述采样模块用于调整所述传感装置的采集频率和采集时间，并采集所述传感装置输出的压力信号的采样模块；

所述数据存储单元将所述采样模块采集的压力信号存储成与所述传感装置的矩阵网络相同的矩阵形式；所述工效性能分析单元包括压力众数模块、压力峰值模块、压力均值模块、压力中心模块、压力方差模块和压力标准差模块；所述压力众数模块用于选择压力值众数范围的步长，并显示各压力值众数范围内采集点的数量；所述压力峰值模块用于找出并显示压力的最大值；所述压力均值模块用于计算并显示所有压力采集点的算术平均值；所述压力中心模块用于计算并显示压力采集点的中心的压力数值；所述压力标准差模块用于计算并显示压力采集点的标准差的数值。

2.如权利要求1所述的一种头盔适戴性测试评价系统，其特征在于：所述传感装置的采集控制模块包括一选通模块、一运放模块和一A/D转换模块；所述选通模块包括若干选通开关，每一所述选通开关都连接所述矩阵网络的一行或一列，所述运放模块包括若干运放通道，每一所述运放通道都连接所述矩阵网络的一列或一行，每一被选通的行或列上的所述压力传感器感应的电流值，均通过其所在列或行的所述运放通道放大后送入所述A/D转换模块，进行转换后输出。

3.如权利要求1所述的一种头盔适戴性测试评价系统，其特征在于：所述传感装置中的压力传感器采用片层式结构的应变电阻式传感器。

4.如权利要求2所述的一种头盔适戴性测试评价系统，其特征在于：所述传感装置中的压力传感器采用片层式结构的应变电阻式传感器。

5.如权利要求1或2或3或4所述的一种头盔适戴性测试评价系统，其特征在于：所述工效性能分析单元的压力标准差模块中的标准差分为两类：接触面标准差和全局标准差。

6.如权利要求1或2或3或4所述的一种头盔适戴性测试评价系统，其特征在于：所述数据分析系统还包括显示单元，所述显示单元包括云图模块和柱状图模块；所述云图模块以云图的形式显示头模上所受压力的分布情况；所述柱形图模块以柱形图的形式显示压力均值、峰值。

7.如权利要求5所述的一种头盔适戴性测试评价系统，其特征在于：所述数据分析系统还包括显示单元，所述显示单元包括云图模块和柱状图模块；所述云图模块以云图的形式显示头模上所受压力的分布情况；所述柱形图模块以柱形图的形式显示压力均值、峰值。

8.如权利要求6所述的一种头盔适戴性测试评价系统，其特征在于：所述云图模块利用插值算法在有限数据的基础上，对坐标数据和压力数据进行插值运算，然后通过C#中的Graphic类绘制图像并最终投影到设备显示层上。

9.如权利要求7所述的一种头盔适戴性测试评价系统，其特征在于：所述云图模块利用插值算法在有限数据的基础上，对坐标数据和压力数据进行插值运算，然后通过C#中的Graphic类绘制图像并最终投影到设备显示层上。

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