CN104269093A - 一种用于携行负荷的假人测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于携行负荷的假人测试系统，其特征在于：包括一负荷假人，一运动模拟器、若干压力传感器、一力和力矩传感器、一信号采集与处理器、一通信接口和一计算机；所述计算机根据需要模拟的实际状况，通过通信接口发送控制信号给所述运动模拟器；所述运动模拟器带动所述负荷假人进行模拟运动；所述压力传感器及力和力矩传感器采集所述负荷假人表面的压力、脊椎受力和力矩的模拟信号并传送给所述信号采集与处理器，所述信号采集与处理器将所得的信号进行处理后，经所述通信接口传送给计算机，所述计算机实时显示人体表面的皮肤受力、脊椎受力和力矩情况。所述计算机输出并储存模拟结果。本发明可以广泛用于携行装备工效学测试评价过程中。

Description

一种用于携行负荷的假人测试系统

技术领域

本发明涉及一种测试系统，特别是关于一种采用假人模拟人体在不同负荷、不同运动状态下所承受力和力矩的用于携行负荷的假人测试系统。

背景技术

携行负荷是人们在工作、生活、出行中经常要遇到的问题。人们时常由于负荷量大、携行方式不科学、携行负荷分配不合理等原因，造成的全身或局部过于疲劳，甚至机体损伤，进而严重制约人体体能的保持与发挥。在不同运动状态下，负荷究竟应该携带多少以及采用何种方式携带负荷，对于缓解身体疲劳，减少局部损伤具有十分重要的作用。现有技术中对于携行负荷的测试与评价主要是采用真人进行实验，通过主观询问和携行负荷生理实验方法，对携行负荷的总量进行评价，耗资多，实验周期长，且由于个体差异大，造成实验结果偏差较大，实用性较差。因此迫切需要提出一种能够较为真实地模拟不同携行运动状态下人体负荷的测试系统，为负荷合理分配及携行装备的研发提供先进的工程技术平台。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够较为真实地模拟不同携行运动状态下，能够模拟人体在不同负荷、不同运动状态下所承受力和力矩的用于携行负荷的假人测试系统。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种用于携行负荷的假人测试系统，其特征在于：包括一负荷假人，一运动模拟器、若干压力传感器、一力和力矩传感器、一信号采集与处理器、一通信接口和一计算机；所述负荷假人由仿真骨骼和包覆在所述仿真骨骼之外的仿真皮肤组成；所述负荷假人固定在所述运动模拟器顶部，所述压力传感器设置在测试需要负荷的所述负荷假人体表，所述力和力矩传感器设置在所述负荷假人靠近腰部的脊椎处，所述压力传感器及力和力矩传感器通过导线连接所述信号采集与处理器；所述运动模拟器和所述信号采集与处理器通过通信接口连接所述计算机；所述计算机根据需要模拟的实际状况，通过通信接口发送控制信号给所述运动模拟器；所述运动模拟器带动所述负荷假人进行模拟运动；所述压力传感器及力和力矩传感器采集所述负荷假人表面的压力、脊椎受力和力矩的模拟信号并传送给所述信号采集与处理器，所述信号采集与处理器将所得的模拟信号进行滤波、放大和A/D转换处理后，经所述通信接口传送给计算机，所述计算机实时显示人体表面的皮肤受力、脊椎受力和力矩情况。

所述仿真骨骼包括一中轴骨、两对称设置的上肢骨和一下肢骨；所述中轴骨包括颅骨、脊柱、肋骨、胸骨和颈肩胸连接件；所述脊柱包括脊柱颈段、脊柱胸段、脊柱腰段和脊柱骶段；所述肋骨包括两对称设置的第一肋、第二肋、第三肋、第四肋、第五肋、第六肋和第七肋；所述脊柱的脊柱颈段上端固定连接所述颅骨，所述脊柱颈段下端固定连接所述颈肩胸连接件中部上端，所述颈肩胸连接件的中部下端固定连接所述脊柱胸段，所述脊柱胸段的下端固定连接所述脊柱腰段，所述脊柱腰段的下端固定连接所述脊柱骶段；两侧所述肋骨的第一肋～第七肋的一端间隔固定连接所述脊柱胸段，所述第一肋～第五肋的另一端固定连接所述胸骨；所述第六肋和第七肋的另一端向上弯曲固定连接所述胸骨的下端形成肋弓；两所述上肢骨均包括上肢带、肱骨、桡尺骨、腕掌骨、指骨、内收外展轴、肘轴和腕轴；所述上肢带包括锁骨、肩胛骨和肩胛冈；所述指骨包括第一指骨、第二指骨、第三指骨、第四指骨和第五指骨；两所述锁骨一端固定连接所述胸骨上端两侧，另一端固定连接所述颈肩胸连接件两侧前部；两所述肩胛冈一体成型在两所述肩胛骨的背部，两所述肩胛骨固定连接所述颈肩胸连接件两侧后部，两所述肱骨的上端通过内收外展轴转动连接所述颈肩胸连接件两侧中部，两所述肱骨的下端通过两肘轴转动连接两所述桡尺骨上端，两所述桡尺骨下端通过两腕轴转动连接两腕掌骨，两侧第一指骨～第五指骨固定连接所述腕掌骨下端；所述下肢骨包括一骶骨，对称设置的两髋骨、两闭孔、两股骨和两安装固定件；所述骶骨上端固定连接所述脊柱骶段中下段，所述骶骨两侧固定连接所述两髋骨，所述两闭孔固定连接所述两髋骨下端前部，所述两股骨固定连接所述两髋骨下端中部，所述两股骨底部固定连接所述两安装固定件。

所述仿真皮肤包括三部分，其中一部分是根据位于头、颈、躯干和大腿上段的仿真骨骼作为内模具，根据标准人体相应部分的外形数据制作外模具，采用硅橡胶整体浇注固化成形的头、颈、躯干和大腿上段的皮肤组织；另外两部分是根据位于两上肢的仿真骨骼作为内模具，根据标准人体两上肢的外形数据制作外模具，采用硅橡胶整体浇注固化成形的左、右上肢的仿真皮肤。

所述运动模拟器采用固定平台、三自由度运动平台和六自由度运动平台中的一种。

所述压力传感器采用压电薄膜式传感器。

所述通信接口采用RS485通信接口或USB通信接口。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明将负荷假人设置在运动模拟器上，将压力传感器设置在负荷假人的各受理部位，将力和力矩传感器设置在负荷假人的脊椎处或与运动平台连接处；因此计算机可以在控制运动模拟器带动负荷假人进行模拟运动时，通过压力传感器和力和力矩传感器采集的负荷假人表面的压力、脊椎受力和力矩的测试结果，以便实时对携行负荷的测试结果进行评价，为负荷合理分配及携行装备的研发提供了一个先进的工程技术平台。2、本发明根据中国人基本特征设计外形、体重、骨骼等，采用分段四肢和躯干骨骼结构，而各分段的尺寸质量、质心分布符合中国真人的统计数据；且针对背部负荷应用设计具有与真人相似的锁骨、肩胛骨、肋骨(具有肋弓)、骨盆(具有髋骨、闭孔)这些在人体负荷行走中承担人体负荷的主要骨骼结构；并在仿真骨骼外设置与真人皮肤肌肉相同硬度(邵氏硬度15±2)的仿真皮肤，以此形成相应的肩部、背部、腰部、臀部，因此能够高度仿真背部负荷作用下人躯干骨骼和软组织的受力分布情况。3、本发明既可以将负荷假人安装于固定平台上，用于静态受力测试；也可以将负荷假人安装与三自由度或六自由度运动平台配合，开展负荷行走测试。本发明可以广泛用于携行装备工效学测试评价过程中。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图

图2是本发明负荷假人示意图

图3是本发明仿真骨骼示意图

图4是本发明中轴骨和下肢骨结构示意图

图5是图2的侧视示意图

图6是图2的后视示意图

图7是本发明上肢骨结构示意图

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，本发明包括一负荷假人1、一运动模拟器2、若干压力传感器3、一个或一个以上力和力矩传感器4、一信号采集与处理器5、一通信接口6和一计算机7。

如图3所示，本发明的负荷假人1由仿真骨骼10、仿真软组织20和固定件30组成，其中仿真骨骼10包括一中轴骨100、两对称设置的上肢骨200和一下肢骨300。

如图4、图5、图6所示，本发明负荷假人1的中轴骨100包括颅骨110、脊柱120、肋骨130、胸骨140和颈肩胸连接件150。脊柱120包括脊柱颈段121、脊柱胸段122、脊柱腰段123和脊柱骶段124。肋骨130包括两侧对称设置的第一肋131、第二肋132、第三肋133、第四肋134、第五肋135、第六肋136和第七肋137。

脊柱120的脊柱颈段121上端连接颅骨110，脊柱颈段121下端连接颈肩胸连接件150的中部上端，颈肩胸连接件150的中部下端连接脊柱胸段122，脊柱胸段122的下端连接脊柱腰段123，脊柱腰段123的下端连接脊柱骶段124。两侧肋骨130的第一肋131～第七肋137的一端间隔连接脊柱胸段122，第一肋131～第五肋135的另一端连接胸骨140；第六肋136和第七肋137的另一端向上弯曲连接胸骨140的下端形成肋弓。

如图3、图7所示，本发明两对称设置的上肢骨200均包括上肢带210、肱骨220、桡尺骨230、腕掌骨240、指骨250、内收外展轴260、肘轴270和腕轴280。两对称设置的上肢带210均包括锁骨211、肩胛骨212和肩胛冈213。两对称设置的指骨250均包括第一指骨251、第二指骨252、第三指骨253、第四指骨254和第五指骨255。

两上肢带210的锁骨211一端连接胸骨140上端左、右两侧，另一端连接颈肩胸连接件150左、右两侧前部。两肩胛冈213一体成型在两肩胛骨212的背部，两肩胛骨212连接颈肩胸连接件150左、右两侧后部，形成对胸腔上部的支撑。两肱骨220的上端通过两内收外展轴260转动连接颈肩胸连接件150左、右两侧中部，两肱骨220的下端通过两肘轴270转动连接两桡尺骨230上端，两桡尺骨230下端通过两腕轴280转动连接两腕掌骨240，两对称设置的第一指骨251～第五指骨255连接两腕掌骨240下端。

如图5、图6所示，本发明的下肢骨300包括骶骨310，对称设置的两髋骨320、两闭孔330、两股骨340。其中，骶骨310的上端连接脊柱骶段124的中下段，骶骨310的两侧连接两髋骨320，以此形成仿真躯干负荷测试假人的骨盆。两闭孔330连接两髋骨320下端前部，两股骨340连接两髋骨320下端中部，两股骨340底部连接两安装固定件30。

上述负荷假人1的仿真骨骼10中各部件的连接，既可以采用螺栓连接，也可以采用焊接，还可以一部分采用螺纹连接，一部分采用焊接。

本发明负荷假人1的仿真软组织20在制作时分成三部分，一部分是根据本发明位于头、颈、躯干和大腿上段的仿真骨骼作为内模具，根据标准人体相应部分的外形数据制作的外模具，采用硅橡胶整体浇注固化整体成形的头、颈、躯干和大腿上段的仿真软组织；另两部分是根据位于两上肢的仿真骨骼作为内模具，根据标准人体两上肢的外形数据制作外模具，采用硅橡胶整体浇注固化成形的左、右上肢的仿真软组织。硅橡胶材料可以采用硅胶和聚氨酯发泡的混合材料，其邵氏硬度(HA)为15±2，与中国人皮肤肌肉硬度相同，因此采用本发明设计，不但能够像真人一样靠肌肉和骨骼支撑维持人体姿态，而且能够高度仿真真人背部负荷作用下，人躯干骨骼和软组织的受力分布情况。

本发明应用三维人体扫描仪对多名中等体型男军人32项人体外形尺寸，包括身高、颈椎点高、肩高、腰节点高、髂嵴点高、大转子点高、臀股高、脐点高、头围、头最大宽、头最大长、颈宽、颈围、胸宽、胸厚、胸围、最大肩宽、腰宽、腰厚、腰围、大转子点间宽、臀厚、臀围、大腿围、大腿厚、上臂长、上臂围、前臂围、前臂长、收长、手宽、坐高进行测量分析，取平均值作为本发明的仿真躯干负荷测试假人的外形尺寸。取平均体重作为本发明的仿真躯干负荷测试假人的重量；同时采用人体质心测量仪对多名男军人的整体质心进行测量，根据国标《成年人体惯性参数(GB/T17245-2004)》计算出头颈、上躯干、下躯干、上臂、前臂、手和整体七个体段的质心位置和质量分布，取平均值作为本发明的仿真躯干负荷测试假人的各体段的质心位置和质量分布；依据人体尺寸、骨骼尺寸和质心数据，采用三维CAD软件进行本发明的仿真躯干负荷测试假人的骨骼结构设计和外形设计；采用数控机床和45号钢制作本发明的仿真躯干负荷测试假人的内模具。因此，本发明的外形、体重、骨骼等符合中国人的外形、体重、骨骼等基本特征，且各分段的尺寸质量、质心分布符合中国真人的统计数据。

如图1、图2所示，本发明的运动模拟器2采用现有技术中的固定平台、三自由度运动平台和六自由度运动平台等，负荷假人1通过底部的两安装固定件30固定连接在固定平台、或三自由度运动平台、或六自由度运动平台顶部。负荷假人1既可以在固定平台上进行静态受力测试；也可以随三自由度负荷运动平台进行X、Y、Z三个方向的直线加速度运动；还可以在六自由度运动平台进行X、Y、Z三个方向的直线加速度运动和围绕X、Y、Z旋转的三个角加速度运动。

本发明的各压力传感器3可以采用压电薄膜式传感器(比如Tecskan公司的9801型压力感测片)，也可以采用其它结构形式。各压力传感器3可以根据需要测试负荷所在的人体部位，设置在负荷假人1的左、右前肩，左、右后肩，后背，及左、右腰部位等关键受力部位，当给负荷假人1穿戴上背包等携行具时，可以采集负荷假人1在相应位置承受的压力，各压力传感器3分别通过导线将压力模拟信号发送给与其连接的信号采集与处理器5。

本发明的力和力矩传感器4可以采用六变量组合力和力矩传感器(比如德国GTM公司生产的MKA-1kN型)，力和力矩传感器4设置在负荷假人1靠近腰部的脊椎部位或者设置在负荷假人1与运动平台2连接处，以采集脊椎受力和力矩的模拟信号，并通过导线将力和力矩的模拟信号发送给与其连接的信号采集与处理器5。

上述压力传感器3及力和力矩传感器4可以采用粘贴的方式与负荷假人1的仿真皮肤20接触，也可以采用镶嵌等其它方式与负荷假人1的仿真皮肤20接触。

本发明的信号采集与处理器5包括信号采集、滤波、放大和A/D转换等信号处理装置，信号采集与处理器5将采集的模拟信号进行滤波、放大和A/D转换后，通过通信接口6实时发送给计算机7。

本发明的通信接口6可以采用RS485通信接口或USB通信接口。

本发明计算机7内设置有已有技术的专业控制程序(比如I-Scan专业软件)。计算机7根据所需要模拟的实际运动状况，发送速度和加速度信号到运动模拟器2，以对运动模拟器2的运动状态进行控制。计算机7还实时获取、显示、记录负荷假人1在各种不同携行运动状态下，安装在各处的传感器3受力情况，脊椎处力和力矩传感器4的受力和力矩情况。

上述通过监测获得的数据可以为分析负荷合理分配及携行装备的研发提供了真实可靠的依据。比如将本发明的压力传感器3与固定平台连接，就可以用于测试静态受力，所获得的数据就可以开展负荷行走生物力学评价研究；根据所获取的人体各个部位的压力值评价背包、行囊等设计的合理性、负荷强度、行走时间极限、疲劳感评价等。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和控制方法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 (10)

1.一种用于携行负荷的假人测试系统，其特征在于：包括一负荷假人，一运动模拟器、若干压力传感器、一力和力矩传感器、一信号采集与处理器、一通信接口和一计算机；

所述负荷假人由仿真骨骼和包覆在所述仿真骨骼之外的仿真皮肤组成；所述负荷假人固定在所述运动模拟器顶部，所述压力传感器设置在测试需要负荷的所述负荷假人体表，所述力和力矩传感器设置在所述负荷假人靠近腰部的脊椎处，所述压力传感器及力和力矩传感器通过导线连接所述信号采集与处理器；所述运动模拟器和所述信号采集与处理器通过通信接口连接所述计算机；

所述计算机根据需要模拟的实际状况，通过通信接口发送控制信号给所述运动模拟器；所述运动模拟器带动所述负荷假人进行模拟运动；所述压力传感器及力和力矩传感器采集所述负荷假人表面的压力、脊椎受力和力矩的模拟信号并传送给所述信号采集与处理器，所述信号采集与处理器将所得的模拟信号进行滤波、放大和A/D转换处理后，经所述通信接口传送给计算机，所述计算机实时显示人体表面的皮肤受力、脊椎受力和力矩情况。

2.如权利要求1所述的一种用于携行负荷的假人测试系统，其特征在于：所述仿真骨骼包括一中轴骨、两对称设置的上肢骨和一下肢骨；

所述中轴骨包括颅骨、脊柱、肋骨、胸骨和颈肩胸连接件；所述脊柱包括脊柱颈段、脊柱胸段、脊柱腰段和脊柱骶段；所述肋骨包括两对称设置的第一肋、第二肋、第三肋、第四肋、第五肋、第六肋和第七肋；所述脊柱的脊柱颈段上端固定连接所述颅骨，所述脊柱颈段下端固定连接所述颈肩胸连接件中部上端，所述颈肩胸连接件的中部下端固定连接所述脊柱胸段，所述脊柱胸段的下端固定连接所述脊柱腰段，所述脊柱腰段的下端固定连接所述脊柱骶段；两侧所述肋骨的第一肋～第七肋的一端间隔固定连接所述脊柱胸段，所述第一肋～第五肋的另一端固定连接所述胸骨；所述第六肋和第七肋的另一端向上弯曲固定连接所述胸骨的下端形成肋弓；

两所述上肢骨均包括上肢带、肱骨、桡尺骨、腕掌骨、指骨、内收外展轴、肘轴和腕轴；所述上肢带包括锁骨、肩胛骨和肩胛冈；所述指骨包括第一指骨、第二指骨、第三指骨、第四指骨和第五指骨；两所述锁骨一端固定连接所述胸骨上端两侧，另一端固定连接所述颈肩胸连接件两侧前部；两所述肩胛冈一体成型在两所述肩胛骨的背部，两所述肩胛骨固定连接所述颈肩胸连接件两侧后部，两所述肱骨的上端通过内收外展轴转动连接所述颈肩胸连接件两侧中部，两所述肱骨的下端通过两肘轴转动连接两所述桡尺骨上端，两所述桡尺骨下端通过两腕轴转动连接两腕掌骨，两侧第一指骨～第五指骨固定连接所述腕掌骨下端；

所述下肢骨包括一骶骨，对称设置的两髋骨、两闭孔、两股骨和两安装固定件；所述骶骨上端固定连接所述脊柱骶段中下段，所述骶骨两侧固定连接所述两髋骨，所述两闭孔固定连接所述两髋骨下端前部，所述两股骨固定连接所述两髋骨下端中部，所述两股骨底部固定连接所述两安装固定件。

3.如权利要求1所述的一种用于携行负荷的假人测试系统，其特征在于：所述仿真皮肤包括三部分，其中一部分是根据位于头、颈、躯干和大腿上段的仿真骨骼作为内模具，根据标准人体相应部分的外形数据制作外模具，采用硅橡胶整体浇注固化成形的头、颈、躯干和大腿上段的皮肤组织；另外两部分是根据位于两上肢的仿真骨骼作为内模具，根据标准人体两上肢的外形数据制作外模具，采用硅橡胶整体浇注固化成形的左、右上肢的仿真皮肤。

4.如权利要求2所述的一种用于携行负荷的假人测试系统，其特征在于：所述仿真皮肤包括三部分，其中一部分是根据位于头、颈、躯干和大腿上段的仿真骨骼作为内模具，根据标准人体相应部分的外形数据制作外模具，采用硅橡胶整体浇注固化成形的头、颈、躯干和大腿上段的皮肤组织；另外两部分是根据位于两上肢的仿真骨骼作为内模具，根据标准人体两上肢的外形数据制作外模具，采用硅橡胶整体浇注固化成形的左、右上肢的仿真皮肤。

5.如权利要求1或2或3或4所述的一种用于携行负荷的假人测试系统，其特征在于：所述运动模拟器采用固定平台、三自由度运动平台和六自由度运动平台中的一种。

6.如权利要求1或2或3或4所述的一种用于携行负荷的假人测试系统，其特征在于：所述压力传感器采用压电薄膜式传感器。

7.如权利要求5所述的一种用于携行负荷的假人测试系统，其特征在于：所述压力传感器采用压电薄膜式传感器。

8.如权利要求1或2或3或4或7所述的一种用于携行负荷的假人测试系统，其特征在于：所述通信接口采用RS485通信接口或USB通信接口。

9.如权利要求5所述的一种用于携行负荷的假人测试系统，其特征在于：所述通信接口采用RS485通信接口或USB通信接口。

10.如权利要求6所述的一种用于携行负荷的假人测试系统，其特征在于：所述通信接口采用RS485通信接口或USB通信接口。