CN103357157A

CN103357157A - 中国功夫测试工程人

Info

Publication number: CN103357157A
Application number: CN2012101039349A
Authority: CN
Inventors: 朱东; 林大全; 张胜年; 姚颂平; 赵光圣; 王远萍; 王兵
Original assignee: Shanghai University of Sport
Current assignee: Shanghai University of Sport
Priority date: 2012-04-11
Filing date: 2012-04-11
Publication date: 2013-10-23

Abstract

本发明中国功夫测试工程人涉及运动仿真人体模型领域，采用中国成人50百分位人体基本特征，身高170cm，体重68.4K。中国功夫测试工程人主体部分，分为头部、颈部、胸部、腰部、三角形支撑架、液压高度调节装置、底座七部分。中国功夫测试工程人躯干部分，由里到外分别为5层：脏器内部传感器、力学等效力传递填充材料海绵、力学等效传递填充材料橡胶、铝合金骨架、外部仿肌肉层硅胶，其目的模拟人体生理结构，提高击打假人的数据精度，为后期损伤评价提供良好基础。本发明具有以下特点：1.测量人体各个脏器的受力状态；2.对于躯干的力学特征进行了模拟；3.使用中国人体征，便于国人损伤学的研究。

Description

中国功夫测试工程人

技术领域

本发明涉及运动仿真人体模型领域，特别是通过生物力学有限元分析制作仿真模型，以及对内部传感器和数据采集与分析，实现测试武术对人体击打时，体内外受力效果，提供定性-定量的解决方案。

背景技术

中国功夫测试工程人是根据生物力学、材料力学、人体工程学原理，利用组织力学等效特殊材料制成并配装传感-传输-分析-存储电子系统的精密测试系統，代替人体用于击打实验，模拟出真人所受伤害范围以及损伤程度，是一种可以重复使用的体育运动实验设备。目前，碰撞实验工程人的研究多用于汽车碰撞实验，国外对于工程人的制作和改进已经进行了几十年，而国内整个领域尚且处于起步阶段。目前应用最为广泛的为Hybird III型(混合3型)工程人，HybirdIII型逐渐成为一种汽车碰撞试验的国际标准，但是Hybird III型工程人采用欧洲人体型，胸部仅监测汽车碰撞时前后向变形及受力，既不符合中国人体态特征，又不符合仿生结构，导致击打试验结果与真实情况的偏离。

实验工程人在体育领域涉及甚少，在武术运动领域尚属首例。设计制作的目的是利用中国功大测试工程人为中国武术的发展提供武术运动施力/受力的理论指导-实验依据。借鉴现代生物力学的测试方法和汽车主动/被动碰撞所采用的安全工程人的测试技术，深入研究中国传统武术运动的生物力学特征。研究运动员的劲力突发(寸劲)、穿透、持续等力学特征，受击打人的受力及损伤情况，以提高武术运动的科学水平和应用水平。

介于国外的汽车碰撞试验工程人从形态、结构、材料不能完全表现武术击打的仿真效果，其原因为：汽车工程人头部虽安装了三维的加速度传感器，但胸部仅能测试压缩变形量，不能满足中国功夫工程人躯干部测试系统的整体性测试和损伤评价工作；现有碰撞工程人无法表现人体内脏的损伤，仅可以通过胸的型变量进行推算，无法得到准确的内脏受力与响应加速度数据；无法估算在人受到击打时，不同位置对于内脏力的冲击力衰減传递效果，及内脏受力数据。因此，本中国功夫测试工程人对现有汽車碰撞工程人进行了全新改进和革新。

本发明解决了工程人体型设计和胸部的生物力学参数测试难题，对身体内部各主要脏器的力学参数的数据采集、信号传输、数据分析，进而对身体各器官的损伤效果进行仿真，定性或者定量评价武术运动员的发力特征和训练效果。

发明内容

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

本发明采用一种测量与评价中国功夫击打效果的人体仿真模型，通过仿真体模，及内部传感器，数据采集与分析系统，后期对数据进行处理以及评价，完成测试武术对人体打击效果评价的总体解决方案。其特征在于：所述中国功夫测试工程人主体分为头部、颈部、胸部、腰部、三角形支撑架、液压高度调节装置、底座七部分，及相应生物力学信息采集-分析-损伤评估的计算机软件系统。

本发明所述中国功夫测试工程人由里到外分别为5层分别：内部脏器传感器、力学等效力传递填充材料海绵、力学等效传递填充材料橡胶、铝合金骨架和外部仿肌肉层硅胶。

本发明所述中国功夫测试工程人体型采用中国成人50百分位人体基本特征，身高170cm，体重68.4KG，内部预置心、肺、肝、胃，其功能为模拟国人的体型及内部脏器，为人体受力、损伤评价及恢复治疗提供数据。

本发明所述中国功夫测试工程人颈部由颈部铝环-偏心橡胶組成并安装颈部扭矩传感器。

本发明所述中国功夫测试工程人传感器胸部胸骨柄位置安装力--加速度复合传感器。

本发明所述中国功夫测试工程人内部传感器在心脏位置放置圆球结构，圆球结构内置力--加速度复合传感器。

本发明所述中国功夫测试工程人内部肝脏位置放置圆球结构，圆结构内放置力--加速度传感器。

本发明所述中国功夫测试工程人内部肺部位置放置圆球结构，圆球结构内放置力--加速度传感器。

本发明所述中国功夫测试工程人内部胃部位置放置圆球结构，圆球结构内放置力--加速度传感器。

本发明所述中国功夫测试工程人具有铝合金骨架，20根铝合金肋骨对人体肋骨进行结构仿真。

本发明所述中国功夫测试工程人铝合金骨架内侧填充特种橡胶材料，通过橡胶的密度/模量配比，模拟身体内部脏器弹性和阻尼系数以及击打时相似的冲击力传递效果。

本发明所述中国功夫测试工程人腰部、躯干与下肢使用法兰盘与其工程人腰部相连接。

本发明所述中国功夫测试工程人三角形支撑架，三角形支撑架内置液压高度调节装置。

本发明所述中国功夫测试工程人底部采用波特空气吸盘。

本发明所述中国功夫测试工程人底部，采用膨胀螺栓和螺母。本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1.由于本发明的中国功夫测试工程人具有中国成人50百分位人体基本特征，按照相应环节进行分割，保证工程人的人体静态参数和人体各部分的运动范围、质心、质量和转动惯量等力学结构仿真性。

2.由于本发明中国功夫测试工程人中在颅中心有三维加速度传感器，颈部和腰部为力扭矩传感器，胸骨柄处有二维加速度传感器和主要的器官双肺、心、肝、胃具有力和加速度传感器。因此可以系统的测量人体躯干各个部位的力值和躯干各个部位被击打时的受力关系，全面的分析躯干中脏器的受力损伤程度。

3.由于本发明中国功夫测试工程人采用脏器内部传感器、力学等效力传递填充材料海绵、力学等效传递填充材料橡胶，铝合金骨架和外部仿肌肉层硅胶结构。因此通过材料的密度配比、质量配比、模量配比、传递配比模拟身体表层皮肤、内部肌肉和内部脏器弹性和阻尼系数并凸显了击打时能量的传递效果。

4.由于本发明中国功夫测试工程人在腰部使用千斤顶和对焊法兰盘连接，既可以调节工程人高度从1.6m-1.8m，又能对工程人进行额状面夹角的调节，以便于模拟实际击打的效果。

5.由于本发明中国功夫测试工程人底部使用波特底盘和膨胀螺丝，便于移动和可以固定在实验室环境。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明进一步说明

图1是数字工程人侧面示意图

图2是数字工程人头部示意图

图3是数字工程人胸部示意图

图4是数字工程人腰部示意图

图5是数字工程人底部示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的进行详细的描述。

图1为数字工程人侧面示意图，其中图1包括：1头部、2颈部、3胸部、4腰部、5三角形支撑架、6液压高度调节装置、7波特吸盘、8三向加速度传感器、9力学等效传递填充材料橡胶、10力学等效传递填充材料海绵、11铝合金骨架，12仿肌肉层硅胶和13液压高度调节千斤顶。

图2为数字工程人头部示意图，其中图2包括：14面部硅胶肌肉层、15铝合金头骨、16铝合金头盖骨、17头盖骨硅胶、18三轴力加速度复合传感器(CA-YD-152P)、19颈部扭矩传感器(CS-1120)。

图3为数字工程人侧胸部示意图，其中图3包括：12仿肌肉层硅胶、11是铝合金骨架、9力学等效传递真充材料橡胶、10力学等效传递填充材料海绵、28钢制脊柱、20胸骨柄钢板、21胸部力传感器(型号为：CA-YD-182P)、22右肺圆球结构和力加速度复合传感器(型号为：CA-YD-332P)、23左肺圆球结构和力加速度复合传感器(型号为：CA-YD-332P)、24心脏圆球结构和力加速度复合传感器(型号为：CA-YD-332P)、25肝脏圆球结构和力加速度复合传感器(型号为：CA-YD-332P)，26胃部圆球结构和力传感器(型号为：CA-YD-185P)和28钢制脊柱。

图4数字工程人腰部示意图，其中图4包括：27是钢制脊柱、28是橡胶垫片、29是法兰盘连接、30是不锈钢钢管，31对焊法兰盘和32液压调节部分千斤顶。

图5数字工程人底部示意图，其中图5包括：41三角支撑支架，7波特底盘。

下面结合附图进行详细说明实例工作原理：当头部受到击打时，头部13面部硅胶受力，将力传递至14铝合金头盖骨，头盖骨受到力产生震动，力渗透到17三轴力加速度值传感器，16三轴力加速度传感器与数字采集器相连接，测得力值存储在数字采集器上。力传至颈部，颈部相对于头部产生旋转，在颈部和头部连接处放置18颈部扭矩传感器，18六轴力和扭矩传感器连接数字采集器，测得扭矩值存储在数字采集器上。

当胸部受到打击时，胸部12硅胶肌肉层受力，传递至11铝合金肋骨骨架，胸骨柄上的22胸骨柄装力传感器和数字采集器相连测得力值存储于数字采集器。28铝合金肋骨骨架将力传至9橡胶填充层，9橡胶填充层将力传递至10泡沫填充层，安装在泡沫填充层的心脏25心脏力加速度传感器开始工作，25心脏力加速度传感器连接数字采集器，测得的力和加速度值存储在数字采集器内；26肝脏力加速度传感器开始受力工作，26肝脏力加速度传感器连接数字采集器，测得的力和加速度值存储在数字采集器内；27是胃部力传感器开始工作，胃部力传感器连接数字采集器，测得的力值存储在数字采集器内。力由10泡沫填充层传递至背部27橡胶填充层后，背部23左肺力加速度传感器、24右肺力加速度传感器开始工作，23左肺力加速度传感器、24右肺力加速度传感器于数字采集器相连接，力和加速度值存储于数字采集器内。力依次传递至5三角形支撑架、7波特吸盘，吸盘和地面玻璃紧密接触，固定整个工程人的稳定。

Claims

1.本发明是中国功夫测试工程人，其特征是所述中国功夫测试工程人主体分为头部、颈部、胸部、腰部、三角形支撑架、液压高度调节装置、底座七部分；可用于测量中国功夫击打效果。

2.按照权利要求1所述中国功夫测试工程人，其特征是由里到外分别为5层：脏器内部传感器、力学等效力传递填充材料海绵、力学等效传递填充材料橡胶，铝合金骨架，外部仿肌肉层硅胶；其功能是实现形态相似，材料力学等效、内部结构仿生。

3.按照权利要求1所述中国功夫测试工程人，其特征是体型采用中国成人50百分位人体基本特征，身高170cm，体重68.4KG，内部预置心、肺、肝、胃；其功能是模拟中国人的体型及内部脏器，为人体受力提供数据。

4.按照权利要求1所述中国功夫测试工程人颈部，其特征是由颈部铝环-偏心橡胶組成并安装颈部扭矩传感器；其功能是测量受击打时颈部的扭矩。

5.按照权利要求1所述中国功夫测试工程人传感器胸部，其特征是胸骨柄位置安装力--加速度复合传感器；其功能是测试胸骨所受触发力和加速度响应。

6.按照权利要求2所述中国功夫测试工程人内部传感器，其特征是在心脏位置有圆球结构内置力--加速度复合传感器；其功能是对心脏受力进行力学仿真，圆球结构模拟心脏形态，又最大限度的测最力和加速度值。

7.按照权利要求2所述中国功夫测试工程人内部圆球结构传感器，其特征是在肝脏位置，圆结构内放置力--加速度传感器；其功能是最大限度的测试肝脏的力及加速度值。

8.按照权利要求2所述中国功夫测试工程人内部传感器，其特征是在肺部位置，圆球结构内放置力--加速度传感器；其功能是最大限度的测试左右肺力--加速度值。

9.按照权利要求2所述中国功夫测试工程人内部传感器，其特征是在胃部位置，圆球结构内放置力--加速度传感器；其功能是最大限度的测试胃部所受力--加速度值。

10.按照权利要求2所述中国功夫测试工程人铝合金骨架，其特征是20根铝合金肋骨；其功能是对人体肋骨进行结构仿真。

11.按照权利要求2所述中国功夫测试工程人铝合金骨架内侧填充特种橡胶材料，其特征是通过橡胶的密度/模量配比，模拟身体内部脏器弹性和阻尼系数以及击打时相似的冲击力传递效果。

12.按照权利要求1所述中国功夫测试工程人腰部，其特征如下：躯干与下肢使用法兰盘与其工程人腰部相连接；其功能是连接固定工程人躯干，以及调整躯干额状面朝向夾角。

13.按照权利要求1所述中国功夫测试工程人三角形支撑架，其特征如下：三角形支撑架内置液压高度调节装置；其功能是使测量工程人高度或从1.6米至1.8米连续可调。

14.按照权利要求1所述中国功夫测试工程人底部，其特征如下：所述中国功夫测试人采用波特空气吸盘；其功能是便于工程人移动，在波特吸盘下放置钢化玻璃固定工程人。

15.按照权利要求1所述中国功夫测试工程人底部，其特征如下：所述中国功夫测试人采用膨胀螺栓和螺母；其功能是固定工程人，适用于不需要移动工程人的实验室环境。