CN104269094B - 一种人体负荷模拟运动系统 - Google Patents

一种人体负荷模拟运动系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种人体负荷模拟运动系统，其特征在于：一种人体负荷模拟运动系统，其特征在于：它包括一负荷假人、一六自由度运动模块、一运动跟踪模块和一反馈控制模块；所述负荷假人包括仿真骨骼和仿真软组织；所述六自由度运动模块采用六自由度运动平台，所述运动跟踪模块为一运动跟踪设备；所述反馈控制模块为一计算机，其控制所述六自由度运动模块带动负荷假人运动，并依据运动跟踪模块实时采集的负荷假人的运动轨迹信息采用自适应控制算法实时调整和控制所述六自由度运动模块，使所述六自由度运动模块带动负荷假人的运动轨迹与用户设定的真人运动轨迹不断的逼近，直至完全相同。本发明可以广泛应用于各种人体负荷相关领域的研究过程中。

Description

一种人体负荷模拟运动系统
技术领域
本发明涉及一种模拟运动系统，特别是关于一种人体负荷模拟运动系统。
背景技术
在野外生存、户外运动、学生背包、部队行军以及劳动搬运等领域人们通常需要进行背部负荷行走。人体背部负荷改变了身体重心的位置，影响人的步态和身体姿势，尤其是负荷过大或长时间负荷行走极易造成身体疲劳、损伤。因此，在运动生物力学领域，国内外学者都广泛开展了人体负荷行走的步态、姿态、疲劳感、能量消耗等生理和生物力学研究。目前，开展人体负荷行走研究大多采用真人反复试验的方法，依靠人的主观疲劳感或舒适感评价、生理指标和生物力学指标的变化来对人体负荷进行综合测试与评价。此类依靠真人主观感受的方法虽然能够对背包的可用性、设计特点、身体局部疲劳感觉、舒适性等进行有效的评价，但是大样本真人重复试验既耗时又费钱，而且无法避免受试者个体差异、主观表述不清或表述不准确等干扰因素。
因此，急需一种可以客观的评价人体负荷行走的方法，以模拟人代替真人开展试验，不仅可以提高效率、缩减开支，还可以降低人为误差，从而提高试验可靠性，缩短产品或技术开发时间，提高开发效率。目前，国外研究的模拟负荷假人都是采用西方人的身体特征进行设计，不符合中国人的身体特征(体型、重量、质心等)。另一方面，人体运动相比大型物体运动，如钻井平台、地震体验平台等具有更高的复杂性，如爬坡、跳跃、转身等，目前的方法是通过计算模型或实测获取人体运动模型数据，然后控制六自由度运动平台进行相应的运动，以此来实现假人进行预定轨迹运动的目的。这种方法一个缺点是假人的运动轨迹与实际需要的人体运动轨迹之间经常会存在一定的误差，主要是因为通过实测法获取的真人运动轨迹模型是以真人的躯干为重心，而六自由度运动平台的运动是以运动平台的某一空间点为重心，通常需要手动不断调整运动平台才能实现真人和运动平台假人重心的一致，这种手动调整和校准的方法过程复杂、费时，且不易控制精度。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够实现高精度仿真模拟人体负荷运动，为人体负荷生物力学及工效学提供一研究平台的人体负荷模拟运动系统。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种人体负荷模拟运动系统，其特征在于：它包括一负荷假人、一六自由度运动模块、一运动跟踪模块和一反馈控制模块；所述六自由度运动模块采用六自由度运动平台，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软组织组成；所述负荷假人连接在所述六自由度运动平台顶部；所述运动跟踪模块为一运动跟踪设备，其实时采集负荷假人的运动轨迹，并传送给所述反馈控制模块；所述反馈控制模块为一具有操作界面的计算机，其内设置有信号采集模块、数据传输模块、数据转换模块、控制模块；所述信号采集模块通过数据传输模块实时采集所述运动跟踪模块获取的所述负荷假人的运动轨迹信息，并发送给所述数据转换模块；所述数据转换模块对运动轨迹信息进行放大、滤波、A/D转换后发送给控制模块，所述控制模块通过内置的自适应控制算法对所述负荷假人的实时运动轨迹信息进行处理后，与用户输入的负荷运动轨迹进行对比，并通过不断调整控制指令输出给所述六自由度运动模块，控制负荷假人达到与用户输入的负荷运动相同的运动轨迹。
所述负荷假人的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连接所述颅骨，所述脊柱颈段下端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连接所述脊柱胸段，所述脊柱胸段的下端连接所述脊柱腰段，所述脊柱腰段的下端连接所述脊柱骶段；两侧所述肋骨的第一肋～第七肋的一端间隔连接所述脊柱胸段，所述第一肋～第五肋的另一端连接所述胸骨；所述第六肋和第七肋的另一端向上弯曲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；两所述锁骨一端连接所述胸骨上端两侧，另一端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；所述骶骨上端连接所述脊柱骶段中下段，所述骶骨两侧连接所述两髋骨，所述两闭孔连接所述两髋骨下端前部，所述两股骨连接所述两髋骨下端中部，所述两股骨底部连接所述两安装固定件。
所述仿真骨骼的尺寸、质量和质心分布均根据真人实际测量、统计、计算的数据获得。
所述仿真软组织包括三部分，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、躯干和大腿上段的仿真软组织；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、右上肢的仿真软组织。
所述硅橡胶材料为硅胶和聚氨酯发泡的混合材料，其邵氏硬度为15±2。
所述运动跟踪模块为一运动跟踪摄像机，将所述运动跟踪摄像机的摄像头设置在所述负荷假人的前方。
所述运动跟踪设备为电磁跟踪仪或红外跟踪仪中的一种，所述电磁跟踪仪或红外跟踪仪的采集器设置在所述负荷假人的前方，相应的运动跟踪传感器设置在所述负荷假人上。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明根据中国人的基本特征设计了一具有外形、体重、骨骼、皮肤等内容的负荷假人，同时采用分段四肢和躯干骨骼结构，各分段的尺寸质量、质心分布均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)的仿真软组织，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，为实现本发明目的实现提供了坚实的基础。2、本发明由于将负荷假人与一六自由度运动模块连接成一体，同时设置了一运动跟踪模块实时采集负荷假人的运动轨迹，并设置了一反馈控制模块实时将负荷假人的运动轨迹与其内设置的真人负荷运动轨迹的数学模型或根据实验要求人为设定运动轨迹的数学模型进行对比，因此能够通过反馈控制实时动态修正负荷假人的运动轨迹，使其达到与真人负荷运动轨迹相同的运动轨迹。3、本发明由于采用了一些已有技术设备，且在反馈控制模块中设置了一些常规控制模块和对数据的处理方法，因此能够比较方便地实现了六自由度运动模块的闭环控制，确保了六自由度运动模块的控制精度，且降低了运动轨迹模型调整和修正的复杂度，从而能够实现高精度模拟和仿真人体的负荷运动过程。本发明为人体负荷生物力学及工效学研究提供了一工程技术平台，它可以广泛应用于人体负荷行走、体育运动、军人负荷行军、军人作战动作模拟训练及人机工效学等相关领域的研究过程中。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图
图2是六自由度运动模块示意图
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3的侧视示意图
图6是图3的后视示意图
图7是本发明上肢骨结构示意图
图8是本发明反馈控制示意图
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所示，本发明包括负荷假人1、六自由度运动模块2、运动跟踪模块3和反馈控制模块4。
如图2所示，本发明的六自由度运动模块2可以采用现有技术的各种六自由度运动平台。比如采用一种电动缸驱动的机电式六自由度运动平台，其包括六台电动缸21，每台电动缸21的顶端通过第一连接装置22连接一共同的上平台23，底端通过第二连接装置24连接一共同的下平台25，下平台25深埋于地下的混凝土中。六自由度运动平台的控制机箱26通过导线连接六台电动缸21，负荷假人1通过其底部连接在上平台23上。负荷假人1可以随六自由度运动平台一起运动，模拟六个自由度的运动，即X、Y、Z三个方向的直线加速度和围绕X、Y、Z旋转的三个角加速度。
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所示，本发明的运动跟踪模块3采用已有技术的运动跟踪摄像机，将运动跟踪设备的摄像头设置在负荷假人1的前方，以使运动跟踪设备的摄像头能够实时采集负荷假人1的运动轨迹的图像信息，并将运动轨迹的图像信息通过导线传送给反馈控制模块4。运动跟踪模块3也可采用已有技术的电磁技术或红外技术的运动跟踪设备，如NDIOptotrak步态体态分析系统，POLHEMUSPatriot运动跟踪系统等，使用时将运动跟踪传感器设置在负荷假人1上，在原来摄像头的位置设置电磁技术或红外技术的运动轨迹采集器，以实时采集传感器的运动轨迹数据，并将其通过导线传送给反馈控制模块4。
如图1、图8所示，本发明的反馈控制模块4为一具有操作界面的计算机40，计算机40内设置有信号采集模块41、数据传输模块42、数据转换模块43、控制模块44等。信号采集模块41通过数据传输模块42实时采集运动跟踪模块3获取的负荷假人1的运动轨迹信息，并发送给数据转换模块43；数据转换模块43对运动轨迹信息进行放大、滤波、A/D转换等后将信息发送给控制模块44。控制模块44通过内置的自适应控制算法，如模糊控制(PID)、神经网络等，对负荷假人1的实时运动轨迹信息，如加速度、速度、位移、角度、角速度等进行处理后，与用户输入的负荷运动轨迹进行对比，并通过不断将调整控制指令输出给六自由度运动模块2的控制机箱26，控制负荷假人1的运动轨迹，最终使负荷假人1的运动轨迹与用户输入的负荷运动轨迹相同，实现本发明目的。
上述用户输入的负荷运动轨迹既可以是通过计算机40输入的运动轨迹数据模型，也可以是将真人实测的运动轨迹数据模型导入计算机40；计算机40通过与其连接的控制机箱26驱动六自由度运动模块的各电动缸21复现该运动。
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、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)

1.一种人体负荷模拟运动系统，其特征在于：它包括一负荷假人、一六自由度运动模块、一运动跟踪模块和一反馈控制模块；所述六自由度运动模块采用六自由度运动平台，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软组织组成；所述负荷假人连接在所述六自由度运动平台顶部；所述运动跟踪模块为一运动跟踪设备，其实时采集负荷假人的运动轨迹，并传送给所述反馈控制模块；所述反馈控制模块为一具有操作界面的计算机，其内设置有信号采集模块、数据传输模块、数据转换模块、控制模块；所述信号采集模块通过数据传输模块实时采集所述运动跟踪模块获取的所述负荷假人的运动轨迹信息，并发送给所述数据转换模块；所述数据转换模块对运动轨迹信息进行放大、滤波、A/D转换后发送给控制模块，所述控制模块通过内置的自适应控制算法对所述负荷假人的实时运动轨迹信息进行处理后，与用户输入的负荷运动轨迹进行对比，并通过不断调整控制指令输出给所述六自由度运动模块，控制负荷假人达到与用户输入的负荷运动相同的运动轨迹。
2.如权利要求1所述的一种人体负荷模拟运动系统，其特征在于：所述负荷假人的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连接所述颅骨，所述脊柱颈段下端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连接所述脊柱胸段，所述脊柱胸段的下端连接所述脊柱腰段，所述脊柱腰段的下端连接所述脊柱骶段；两侧所述肋骨的第一肋～第七肋的一端间隔连接所述脊柱胸段，所述第一肋～第五肋的另一端连接所述胸骨；所述第六肋和第七肋的另一端向上弯曲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；两所述锁骨一端连接所述胸骨上端两侧，另一端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；所述骶骨上端连接所述脊柱骶段中下段，所述骶骨两侧连接所述两髋骨，所述两闭孔连接所述两髋骨下端前部，所述两股骨连接所述两髋骨下端中部，所述两股骨底部连接所述两安装固定件。
3.如权利要求1所述的一种人体负荷模拟运动系统，其特征在于：所述仿真骨骼的尺寸、质量和质心分布均根据真人实际测量、统计、计算的数据获得。
4.如权利要求2所述的一种人体负荷模拟运动系统，其特征在于：所述仿真骨骼的尺寸、质量和质心分布均根据真人实际测量、统计、计算的数据获得。
5.如权利要求1或2或3或4所述的一种人体负荷模拟运动系统，其特征在于：所述仿真软组织包括三部分，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、躯干和大腿上段的仿真软组织；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、右上肢的仿真软组织。
6.如权利要求5所述的一种人体负荷模拟运动系统，其特征在于：所述硅橡胶材料为硅胶和聚氨酯发泡的混合材料，其邵氏硬度为15±2。
7.如权利要求1或2或3或4或6所述的一种人体负荷模拟运动系统，其特征在于：所述运动跟踪模块为一运动跟踪摄像机，将所述运动跟踪摄像机的摄像头设置在所述负荷假人的前方。
8.如权利要求5所述的一种人体负荷模拟运动系统，其特征在于：所述运动跟踪模块为一运动跟踪摄像机，将所述运动跟踪摄像机的摄像头设置在所述负荷假人的前方。
9.如权利要求1或2或3或4或6任一项所述的一种人体负荷模拟运动系统，其特征在于：所述运动跟踪设备为电磁跟踪仪或红外跟踪仪中的一种，所述电磁跟踪仪或红外跟踪仪的采集器设置在所述负荷假人的前方，相应的运动跟踪传感器设置在所述负荷假人上。
10.如权利要求5所述的一种人体负荷模拟运动系统，其特征在于：所述运动跟踪设备为电磁跟踪仪或红外跟踪仪中的一种，所述电磁跟踪仪或红外跟踪仪的采集器设置在所述负荷假人的前方，相应的运动跟踪传感器设置在所述负荷假人上。
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