CN104299501B - 一种仿真躯干负荷测试用假人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种仿真躯干负荷测试用假人，其特征在于：它包括仿真骨骼和仿真软组织；仿真骨骼包括一中轴骨、两对称设置的上肢骨和一下肢骨；中轴骨包括颅骨、脊柱、肋骨、胸骨和颈肩胸连接件；脊柱包括脊柱颈段、脊柱胸段、脊柱腰段和脊柱骶段；肋骨包括两对称设置的第一肋至第七肋；两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；上肢带包括锁骨、肩胛骨和肩胛冈；指骨包括第一指骨至第五指骨；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；仿真软组织包括硅橡胶整体浇注固化成形的头、颈、躯干和大腿上段，以及左、右上肢。本发明可以广泛用于各种静态或动态的负重测试过程中。

Description

一种仿真躯干负荷测试用假人

技术领域

本发明涉及一种仿真测试装置，特别是关于一种用于第50百分位的仿真躯干负荷测试用假人。

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。长期的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及损伤。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、生理及生物力学指标的变化来对人体负荷行走进行综合测试与评价。采用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、舒适感等进行有效的评价，但是大样本真人重复试验既耗时又费力，也无法避免受试者因个体差异、主观表述不清或表述不准确等干扰因素，从而造成测试结果不准确。因此，有必要采用仿真假人代替真人开展试验，客观的评价人体负荷行走。采用仿真假人进行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，缩短相关产品或技术开发时间，提高开发效率。

目前，仿真假人主要应用于航空和汽车领域。从1960年开始，美国RSD公司和通用汽车开始研制混合型试验用假人(Hybrid)的研发，并已广泛用于汽车和航空航天试验，目前已发展到了III型。美军方于20世纪80年代初期研制了一种肢体约束评估假人(LRE，LimbRestraintEvaluator)，用于飞机弹射座椅的气流吹袭防护试验。后期又发展动态仿真假人(ADAM，AdvancedDynamicAnthropomorphicManikin)，该假人外形尺寸、质量和惯量参数符合美国第3和第97百分位飞行员；假人分为17个分段，关节的活动度与真人一致，且具有仿真的阻尼特性。我国于20世纪70年代研制了仿真假人，主要用于航空航天试验，假人主要参数是依据当时我国飞行员的人体测量数据，仅有外形尺寸和整体重量，即整体质心假人。

国内外现有研究的仿真假人主要都是用于飞行员弹射或汽车冲撞安全试验，这些假人主要考虑在较强外力下假人的各关节活动度、身体各分段的惯性参数，没有针对人体背部负荷(背包行走)情况下，对人体主要骨骼(肩胛骨、锁骨、腰椎等)、皮肤和肌肉(肩部、背部、腰部、臀部)的受力及力的分配情况进行仿真。另外，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)。国内柳松杨等研制的标准动态仿真假人虽然具有中国人的骨骼特征，但主要考虑身体各段的惯性参数，没有考虑人体背部负荷状态下躯干主要骨骼受力情况。美国ADAM、HybridIII、中国标准动态仿真假人等都没有专门针对背部负荷应用特别设计，如没有仿真锁骨、肩胛骨等这些在人体负荷行走中承担人体负荷的主要骨骼结构；骨盆的设计与人体的骨盆也完全不同，如没有髋骨、闭孔等；虽然具有仿真皮肤结构，但颈部没有皮肤肌肉，且全身皮肤肌肉与骨骼是分离的，不是整体成形，其硬度比人体实测硬度相差较大。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够仿真外力负荷作用下人躯干的压力分布情况的第50百分位的仿真躯干负荷测试用假人。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种仿真躯干负荷测试用假人，其特征在于：它包括仿真骨骼和仿真软组织；

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。

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。2、由于本发明的仿真软组织和仿真骨骼与真人软组织和骨组织形态接近，因此当进行负荷(如背包、安全带、特种服装、登山器材等装具)行走试验时，在假人和背包上放置压力、拉力、扭力等生物力学传感器，便可以检测作用于假人躯干的压力分布和脊柱受力等生物力学参数，真实的反映人体与负荷装备之间的生物力学参数变化特征。3、本发明既可以安装于固定平台上，用于静态受力测试；也可以与运动驱动平台配合，开展负荷行走测试。本发明可以广泛用于背包(背囊)设计、汽车驾驶安全、航天安全、特种服装舒适性、军事负荷行军及人机工效学等静态或动态的负重测试过程中。

附图说明

图1是本发明的结构示意图

图2是本发明中轴骨和下肢骨结构示意图

图3是图2的侧视示意图

图4是图2的后视示意图

图5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所示，本发明包括仿真骨骼1和仿真软组织2；仿真骨骼1包括一中轴骨10、两对称设置的上肢骨20和一下肢骨30。

如图1、图2、图3所示，本发明的中轴骨10包括颅骨11、脊柱12、肋骨13、胸骨14和颈肩胸连接件15。脊柱12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13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12的脊柱颈段121上端固定连接颅骨11，脊柱颈段121下端固定连接颈肩胸连接件15的中部上端，颈肩胸连接件15的中部下端固定连接脊柱胸段122，脊柱胸段122的下端固定连接脊柱腰段123，脊柱腰段123的下端固定连接脊柱骶段124。

两侧肋骨13的第一肋131～第七肋137的一端间隔固定连接脊柱胸段122，第一肋131～第五肋135的另一端固定连接胸骨14；第六肋136和第七肋137的另一端向上弯曲固定连接胸骨14的下端形成肋弓。

如图1、图2、图4、图5所示，本发明两对称设置的上肢骨20均包括上肢带21、肱骨22、桡尺骨23、腕掌骨24、指骨25、内收外展轴26、肘轴27和腕轴28。两对称设置的上肢带21均包括锁骨211、肩胛骨212和肩胛冈213。两对称设置的指骨25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21的锁骨211一端固定连接胸骨14上端左、右两侧，另一端固定连接颈肩胸连接件15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固定连接颈肩胸连接件15左、右两侧后部。两肱骨22的上端通过两内收外展轴26转动连接颈肩胸连接件15左、右两侧中部，两肱骨22的下端通过两肘轴27转动连接两桡尺骨23上端，两桡尺骨23下端通过两腕轴28转动连接两腕掌骨24，两对称设置的第一指骨251～第五指骨255固定连接两腕掌骨24下端。

上述两锁骨212与颈肩胸连接件15的连接形成对胸腔上部的支撑。

如图2、图3所示，本发明的下肢骨30包括骶骨31，对称设置的两髋骨32、两闭孔33、两股骨34和两安装固定件35。其中，骶骨31的上端固定连接脊柱骶段124的中下段，骶骨31的两侧固定连接两髋骨32，以此形成仿真躯干负荷测试假人的骨盆。两闭孔33固定连接两髋骨32下端前部，两股骨34固定连接两髋骨32下端中部，两股骨34底部固定连接两安装固定件35。

上述仿真骨骼1中各部件的固定连接，既可以采用螺栓连接，也可以焊接，还可以一部分采用螺纹连接，一部分采用焊接。

如图1所示，本发明的仿真软组织2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1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1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。

由于本发明的仿真软组织2的形态和硬度与真人相似，仿真骨骼1的几何形态与真人骨组织接近，因此当在其上外加载荷(如背包、安全带、特种服装、登山器材等装具)作用时所产生的压力与真实人体相似。采用本发明进行测试时，将仿真骨骼1底部的安装固定装置35安装于固定平台(如固定在地面上、水平的物体上)或运动驱动平台(如三自由度运动平台或六自由度运动平台)，在仿真软组织的受力表面部位分布安装若干压力、扭矩等传感器，或者在被测物与本发明接触处的部位粘贴若干压力、扭矩、运动传感器，就可以对作用于人躯干压力分布合理性和舒适性等进行静态或动态研究测试。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺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 (3)

1.一种仿真躯干负荷测试用假人，其特征在于：它包括仿真骨骼和仿真软组织；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。

2.如权利要求1所述一种仿真躯干负荷测试用假人，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。

3.如权利要求1或2所述的一种仿真躯干负荷测试用假人，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。