CN106441414A - 一种三自由度服装耗能测试机器人装置及耗能测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种三自由度服装耗能测试机器人装置及耗能测试方法，包括头部运动机构、头部电机、上肢运动机构、传送带、直流调速蜗轮蜗杆减速电机、下肢运动机构、电控柜，所述头部运动机构固定在上肢运动机构手臂固定支架，所述头部电机固定在头部运动机构L形固定板，所述上肢运动机构固定在所述下肢运动机构方形框上，所述传送带固定在上下肢运动机构的同步带轮上，所述直流调速蜗轮蜗杆减速电机与下肢运动机构连接。本发明通过将机器人装置放入服装模特假人体腔内，带动模特头部、上下肢实现特定运动，比对空载和着装时的转速转矩，测试不同材料和剪裁方式服装的耗能情况，是一种全新的测试方法，在航天军工和体育竞技领域有广阔应用前景。

Description

一种三自由度服装耗能测试机器人装置及耗能测试方法
技术领域
本发明适用于特种服装检测领域，特别涉及一种三自由度服装耗能测试机器人装置及耗能测试方法。
背景技术
随着科学技术的发展，功能性服装得到了越来越多的应用，并获得了飞速发展。如，运动比赛中激烈的竞争不仅是运动员水平的较量，同时也是科技水平的比拼，这就对经济服装提出了更高的要求。此外，功能性对于医疗、军队、航空航天等特种服装来说，同样具有重要的意义。服装耗能是一项人们十分关注的重要指标。在人体运动过程中，服装相当于人体的负载，对人体所做的负功就是服装耗能，主要表现包括服装质心运动的动能、服装与空气摩擦产生的热能、服装相对于人体华东产生的动能、服装与人体的摩擦产生的热能、服装受人体作用力变形而产生的弹性势能等。
目前，在大多数服装的研究中，人们大多关注于服装面料、表面形状，力求减少运动时的空气阻力等，但是在如何对服装系统进行综合评价，从而能够客观全面地反映减重情况、舒适性、体能消耗情况等就成了一个亟待解决的重要科学问题。
发明内容
本发明通过对特种服装，如飞行员克服装备做功进行综合评价，从体能消耗情况来客观、定量反应装备穿戴的舒适性，为飞行员装备系统优化设计提供重要的科学依据。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种三自由度服装耗能测试机器人装置，包括头部运动机构、头部电机、上肢运动机构、传送带、直流调速蜗轮蜗杆减速电机、下肢运动机构，所述头部运动机构固定在上肢运动机构手臂固定支架处，所述头部电机固定在所述头部运动机构L形固定板上，所述上肢运动机构固定在所述下肢运动机构方形框上，所述传送带固定在所述上、下肢运动机构的同步带轮上，所述直流调速蜗轮蜗杆减速电机与所述下肢运动机构连接。
优选的，所述头部运动机构包括方形运动框、左侧L形固定板、右侧L形固定板、圆盘、销，所述左侧L形固定板与右侧L形固定板用螺钉通过孔和孔固定在所述上肢运动机构上，所述头部电机通过孔与螺纹孔用螺栓固定在所述左侧L形固定板上，所述圆盘上有两个螺纹孔一个通孔，在圆盘突起处有一个孔，所述圆盘通过通孔套入所述头部电机的轴上，通过孔用螺钉紧固，所述方形运动框上分布四个螺纹孔两个孔圆孔，用螺钉与孔螺纹孔将所述方形运动框与所述圆盘连接，所述右侧L形固定板上焊有销，所述圆孔套在所述销上，所述四个螺纹孔用于安装服装模特假人头部；
优选的，所述上肢运动机构包括手臂轴固定支架、躯干固定支架，同步带轮、轴承、轴承端盖、螺母、圆盘、手臂摆杆、销、手臂轴、卡簧、轴承、螺母、手臂固定轴，所述同步带轮、轴承、轴承端盖、螺母、圆盘、手臂摆杆、销、卡簧、轴承、螺母均与另一侧相同且结构相同，所述轴承卡在槽内，并通过孔与螺纹孔将轴承用螺钉锁死，孔直径稍大所述手臂轴，将手臂固定轴穿过所述孔并通过孔套入同步带轮放置在合适的位置，用螺钉通过孔将同步带轮紧固，将圆盘套入所述手臂轴的台阶处并焊接，孔贯穿所述躯干固定支架且与轴的直径相同，将所述手臂固定轴穿过所述孔，两端用所述卡簧通过孔卡在槽处，将所述轴承卡在台阶处，把所述手臂摆杆通过孔套在所述轴承上，用所述螺母在轴头处拧紧，将所述销同时穿过滑槽与孔，并用螺母在所述销末端螺纹处锁紧，所述手臂轴固定支架与所述躯干固定支架通过左右两侧分布的四个孔用螺钉螺母拧紧固定，螺纹孔用于安装服装模特假人手臂；
优选的，根据权利要求1所述的一种全新的三自由度服装耗能测试机器人装置，其特征在于，所述下肢运动机构包括方形框、螺母、圆盘、销、腿部轴、腿部固定轴、螺母、轴承、腿部摆杆、卡簧、同步带轮、支撑座，所述方形框下方有一圆孔，四周均布四个孔，所述螺母、圆盘、销、螺母、轴承、腿部摆杆、卡簧、同步带轮均与另一侧相同且结构相同，所述将所述圆孔穿过所述直流调速蜗轮蜗杆减速电机，将所述四个孔与四个孔对正后用螺钉螺母连接，所述腿部轴固定在所述直流调速蜗轮蜗杆减速电机内，所述同步带轮通过孔穿在所述腿部轴上，用螺栓穿过孔并拧紧固定在所述腿部轴的合适位置上，将所述
圆盘通过孔固定在台阶处并焊接，所述支撑座通过螺钉螺母与所述直流调速蜗轮蜗杆减速电机连接，将所述腿部固定轴穿过孔，并在两侧用所述卡簧穿过孔卡在槽处将轴固定，将所述轴承放置在台阶处卡住，将所述腿部摆杆通过孔套在所述轴承上，并用所述螺母在轴头处拧紧，将所述销同时穿过滑槽与孔，用所述螺母在所述销末端螺纹处拧紧，螺纹孔用于安装服装模特假人腿部。
优选的，根据权利要求1所述的一种三自由度服装耗能测试机器人装置，其特征在于，所述电控柜(7)包括框架(7-1)，启停按钮(7-2)、头部电机调速旋钮(7-3)、直流调速蜗轮蜗杆减速电机调速旋钮(7-4)、头部电机调速器(7-5)、直流调速蜗轮蜗杆减速电机调速器(7-6)、电机电源(7-7)；
优选的，根据权利要求1所述的三自由度服装耗能测试机器人装置的服装耗能测试方法，其特征在于，本发明通过将机器人装置放入服装模特假人体腔内，带动模特假人头部、上下肢实现特定运动，同时采集头部电机(2)、直流调速蜗轮蜗杆减速电机(5)的电流电压值，在软件中将采集到的电流电压值通过数学模型转化成转矩转速值，将转矩转速值相乘，并对时间进行积分，分别得到空载和穿着服时机器人运动过程中耗能的瞬时功率和总功，最后通过计算，得出服装样品的单位时间内的耗能值。头部运动机构、上下肢运动机构分别由各自的直流调速电机控制，实现三个自由度的各自运动，从而实现头盔、衣服、裤子一整套服装耗能的测量，也可以进行头盔、衣服、裤子各部分服装耗能的独立测量。
附图说明
图1是本发明的整体结构图；
图2是本发明的整体结构图爆炸图；
图3是头部运动机构结构图；
图4是上肢运动机构结构图；
图5是上肢运动机构部分，轴承端盖外形；
图6是上肢运动机构部分，手臂轴固定支架补充图；
图7是上肢运动机构部分，手臂摆杆补充图；
图8是下肢运动机构结构图；
图9是下肢运动机构部分，支撑座外形。
图10是电控柜示意图1；
图11是电控柜示意图2。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合附图及较佳实施例详细说明本发明的具体实施方式。
如图所示，一种三自由度服装耗能测试机器人装置，包括头部运动机构1、头部电机2、上肢运动机构3、传送带4、直流调速蜗轮蜗杆减速电机5、下肢运动机构6，所述头部运动机构1用螺钉螺母通过两个孔1-23、两个孔1-32和四个孔3-11固定在所述躯干运动机构3处，所述头部电机2通过螺栓和孔1-21固定在所述头部运动机构1L形固定板1-2处，所述躯干运动机构3用螺栓螺母通过孔3-23与孔7-12与所述下肢运动机构7的方形框固定，所述传送带4分别通过所述上肢运动机构3与下肢运动机构7的同步带轮3-3和同步带轮7-7固定，所述直流调速蜗轮蜗杆减速电机5与所述下肢运动机构6连接，所述头部运动机构1包括方形运动框1-1、左侧L形固定板1-2、右侧L形固定板1-3、圆盘1-4、销1-5，所述左侧L形固定板1-2与右侧L形固定板1-3用螺钉通过孔1-23和孔1-32固定在所述上肢运动机构3上，所述头部电机2通过孔1-21与螺纹孔2-1用螺栓固定在所述左侧L形固定板1-2上，所述圆盘1-4上有两个螺纹孔1-41一个通孔1-42，在圆盘突起处有一个孔1-43，所述圆盘通过通孔1-42套入所述头部电机的轴上，通过孔1-43用螺钉紧固，所述方形运动框1-1上分布四个螺纹孔1-11两个孔1-12圆孔1-13，用螺钉与孔1-12螺纹孔1-41将所述方形运动框1-1与所述圆盘1-4连接，所述右侧L形固定板1-3上焊有销1-31，所述圆孔1-13套在所述销1-31上，所述四个螺纹孔1-11用于固定服装模特模型头部，所述上肢运动机构3包括手臂轴固定支架3-1、躯干固定支架3-2，同步带轮3-3、轴承
3-4、轴承端盖3-5、螺母3-6、圆盘3-7、手臂摆杆3-8、销3-9、手臂轴3-10、卡簧3-11、轴承3-12、螺母3-13、手臂固定轴3-14，所述同步带轮3-3、轴承3-4、轴承端盖3-5、螺母3-6、圆盘3-7、手臂摆杆3-8、销3-9、卡簧3-11、轴承3-12、螺母3-13均与另一侧相同且结构相同，所述轴承3-4卡在槽3-14内，并通过孔3-51与螺纹孔3-15将轴承用螺钉锁死，孔3-13直径稍大所述手臂轴3-10，将手臂固定轴3-10穿过所述孔3-13并通过孔3-32套入同步带轮放置在合适的位置，用螺钉通过孔3-31将同步带轮紧固，将圆盘3-7套入所述手臂轴3-10的台阶3-101处并焊接，孔3-21贯穿所述躯干固定支架3-2且与轴的直径相同，将所述手臂固定轴3-10穿过所述孔3-21，两端用所述卡簧3-11通过孔3-111卡在槽3-143处，将所述轴承3-4卡在台阶3-142处，把所述手臂摆杆3-8通过孔3-82套在所述轴承3-4上，用所述螺母3-13在轴头3-141处拧紧，将所述销3-9同时穿过滑槽3-81与孔3-72，并用螺母3-6在所述销3-9末端螺纹处锁紧，所述手臂轴固定支架3-1与所述躯干固定支架3-2通过左右两侧分布的四个孔3-22用螺钉螺母拧紧固定，螺纹孔3-83用于固定服装模特手臂模型，所述下肢运动机构6包括方形框6-1、螺母6-2、圆盘6-3、销6-4、腿部轴6-5、腿部固定轴6-6、螺母6-7、轴承6-8、腿部摆杆6-9、卡簧6-10、同步带轮6-11、支撑座6-12，所述方形框6-1下方有一圆孔6-11，四周均布四个孔6-13，所述螺母6-2、圆盘6-3、销6-4、螺母6-7、轴承6-8、腿部摆杆6-9、卡簧6-10、同步带轮6-11均与另一侧相同且结构相同，所述将所述圆孔6-11穿过所述直流调速蜗轮蜗杆减速电机5，将所述四个孔6-13与四个孔5-1对正后通过螺钉螺母连接，所述腿部轴6-5固定在所述直流调速蜗轮蜗杆减速电机5内，所述同步带轮6-11通过孔6-111穿在所述腿部轴6-5上，用螺栓穿过孔6-112并拧紧固定在所述腿部轴6-5的合适位置上，将所述圆盘6-3通过孔6-32固定在台阶6-51处并焊接，所述支撑座6-12通过螺钉螺母与所述直流调速蜗轮蜗杆减速电机5连接，将所述腿部固定轴6-6穿过孔6-121，并在两侧用所述卡簧6-10穿过孔6-101卡在槽6-63处将轴固定，将所述轴承6-8放置在台阶6-62处卡住，将所述腿部摆杆6-9通过孔6-92套在所述轴承6-8上，并用所述螺母6-2在轴头6-61处拧紧，将所述销6-4同时穿过滑槽6-91与孔6-31，用所述螺母6-2在所述销6-4末端螺纹处拧紧，螺纹孔6-93用于安装服装模特假人腿部。
所述电控柜7包括框架7-1，启停按钮7-2、头部电机调速旋钮7-3、直流调速蜗轮蜗杆减速电机调速旋钮7-4、头部电机调速器7-5、上下肢运动电机调速器7-6、电机电源7-7。所述框架7-1用于支撑和封装启停按钮7-2、头部电机调速旋钮7-3、直流调速蜗轮蜗杆减速电机调速旋钮7-4、头部电机调速器7-5、上下肢运动电机调速器7-6、电机电源7-7。所述启停按钮7-2与总电源和电机电源7-7相连。所述头部电机调速旋钮7-3与所述头部电机调速器7-5相连，头部电机调速器7-5分别与电机电源7-7、头部电机2相连。所述直流调速蜗轮蜗杆减速电机调速旋钮7-4与所述上下肢运动电机调速器7-6相连，上下肢运动电机调速器7-6分别与电机电源7-7、上下肢运动电机5相连。
工作原理
本发明一种三自由度服装耗能测试机器人装置在使用时，首先按下电器箱外的启停按钮，启动机器人运动，调节调速器旋扭将机器人的三个自由度的速度调整到合适的大小，用数据采集卡采集三个电机的电流电压值，通过程序内部算法将电流电压值转化成转矩转速值，运行一段时间后，按下启停按钮，停止机器人运动。将待测样品服装穿在机器人身上，按下启停按钮，启动机器人运动，用采集卡采集电流电压值，通过程序内部算法将电流电压值转化成转矩转速值，运行与空载相同的时间，按下启停按钮，停止机器人运动。将采集到的转矩转速值相乘，并对时间进行积分，分别得到空载和穿着服时机器人运动过程中耗能的瞬时功率和总功，最后通过计算，得出服装样品的单位时间内的耗能值。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (6)

1.一种三自由度服装耗能测试机器人装置，包括头部运动机构(1)、头部电机(2)、上肢运动机构(3)、传送带(4)、直流调速蜗轮蜗杆减速电机(5)、下肢运动机构(6)，所述头部运动机构(1)用螺钉螺母通过两个孔(1-23)、两个孔(1-32)和四个孔(3-11)固定在所述躯干运动机构(3)处，所述头部电机(2)通过螺栓和孔(1-21)固定在所述头部运动机构(1)L形固定板(1-2)处，所述躯干运动机构(3)用螺栓螺母通过孔(3-23)与孔(6-12)与所述下肢运动机构(6)的方形框固定，所述传送带(4)分别通过所述上肢运动机构(3)与下肢运动机构(6)的同步带轮(3-3)和同步带轮(6-6)固定，所述直流调速蜗轮蜗杆减速电机(5)与所述下肢运动机构(6)连接。
2.根据权利要求1所述的一种三自由度服装耗能测试机器人装置，其特征在于，所述头部运动机构(1)包括方形运动框(1-1)、左侧L形固定板(1-2)、右侧L形固定板(1-3)、圆盘(1-4)、销(1-5)，所述左侧L形固定板(1-2)与右侧L形固定板(1-3)用螺钉通过孔(1-23)和孔(1-32)固定在所述上肢运动机构(3)上，所述头部电机(2)通过孔(1-21)与螺纹孔(2-1)用螺栓固定在所述左侧L形固定板(1-2)上，所述圆盘(1-4)上有两个螺纹孔(1-41)一个通孔(1-42)，在圆盘突起处有一个孔(1-43)，所述圆盘通过通孔(1-42)套入所述头部电机的轴上，通过孔(1-43)用螺钉紧固，所述方形运动框(1-1)上分布四个螺纹孔(1-11)两个孔(1-12)圆孔(1-13)，用螺钉与孔(1-12)螺纹孔(1-41)将所述方形运动框(1-1)与所述圆盘(1-4)连接，所述右侧L形固定板(1-3)上焊有销(1-31)，所述圆孔(1-13)套在所述销(1-31)上，所述四个螺纹孔(1-11)用于安装服装模特假人头部。
3.根据权利要求1所述的一种三自由度服装耗能测试机器人装置，其特征在于，所述上肢运动机构(3)包括手臂轴固定支架(3-1)、躯干固定支架(3-2)，同步带轮(3-3)、轴承(3-4)、轴承端盖(3-5)、螺母(3-6)、圆盘(3-7)、手臂摆杆(3-8)、销(3-9)、手臂轴(3-10)、卡簧(3-11)、轴承(3-12)、螺母(3-13)、手臂固定轴(3-14)，所述同步带轮(3-3)、轴承(3-4)、轴承端盖(3-5)、螺母(3-6)、圆盘(3-7)、手臂摆杆(3-8)、销(3-9)、卡簧(3-11)、轴承(3-12)、螺母(3-13)均与另一侧相同且结构相同，所述轴承(3-4)卡 在槽(3-14)内，并通过孔(3-51)与螺纹孔(3-15)将轴承用螺钉锁死，孔(3-13)直径稍大所述手臂轴(3-10)，将手臂固定轴(3-10)穿过所述孔(3-13)并通过孔(3-32)套入同步带轮放置在合适的位置，用螺钉通过孔(3-31)将同步带轮紧固，将圆盘(3-7)套入所述手臂轴(3-10)的台阶(3-101)处并焊接，孔(3-21)贯穿所述躯干固定支架(3-2)且与轴的直径相同，将所述手臂固定轴(3-10)穿过所述孔(3-21)，两端用所述卡簧(3-11)通过孔(3-111)卡在槽(3-143)处，将所述轴承(3-4)卡在台阶(3-142)处，把所述手臂摆杆(3-8)通过孔(3-82)套在所述轴承(3-4)上，用所述螺母(3-13)在轴头(3-141)处拧紧，将所述销(3-9)同时穿过滑槽(3-81)与孔(3-72)，并用螺母(3-6)在所述销(3-9)末端螺纹处锁紧，所述手臂轴固定支架(3-1)与所述躯干固定支架(3-2)通过左右两侧分布的四个孔(3-22)用螺钉螺母拧紧固定，螺纹孔(3-83)用于安装服装模特假人手臂。
4.根据权利要求1所述的一种三自由度服装耗能测试机器人装置，其特征在于，所述下肢运动机构(6)包括方形框(6-1)、螺母(6-2)、圆盘(6-3)、销(6-4)、腿部轴(6-5)、腿部固定轴(6-6)、螺母(6-7)、轴承(6-8)、腿部摆杆(6-9)、卡簧(6-10)、同步带轮(6-11)、支撑座(6-12)，所述方形框(6-1)下方有一圆孔(6-11)，四周均布四个孔(6-13)，所述螺母(6-2)、圆盘(6-3)、销(6-4)、螺母(6-7)、轴承(6-8)、腿部摆杆(6-9)、卡簧(6-10)、同步带轮(6-11)均与另一侧相同且结构相同，所述将所述圆孔(6-11)穿过所述直流调速蜗轮蜗杆减速电机(5)，将所述四个孔(6-13)与四个孔(5-1)对正后用螺钉螺母连接，所述腿部轴(6-5)固定在所述直流调速蜗轮蜗杆减速电机(5)内，所述同步带轮(6-11)通过孔(6-111)穿在所述腿部轴(6-5)上，用螺栓穿过孔(6-112)并拧紧固定在所述腿部轴(6-5)的合适位置上，将所述圆盘(6-3)通过孔(6-32)固定在台阶(6-51)处并焊接，所述支撑座(6-12)通过螺钉螺母与所述直流调速蜗轮蜗杆减速电机(5)连接，将所述腿部固定轴(6-6)穿过孔(6-121)，并在两侧用所述卡簧(6-10)穿过孔(6-101)卡在槽(6-63)处将轴固定，将所述轴承(6-8)放置在台阶(6-62)处卡住，将所述腿部摆杆(6-9)通过孔(6-92)套在所述轴承(6-8)上，并用所述螺 母(6-2)在轴头(6-61)处拧紧，将所述销(6-4)同时穿过滑槽(6-91)与孔(6-31)，用所述螺母(6-2)在所述销(6-4)末端螺纹处拧紧，螺纹孔(6-93)用于安装服装模特假人腿部。
5.根据权利要求1所述的一种三自由度服装耗能测试机器人装置，其特征在于，所述电控柜(7)包括框架(7-1)，启停按钮(7-2)、头部电机调速旋钮(7-3)、直流调速蜗轮蜗杆减速电机调速旋钮(7-4)、头部电机调速器(7-5)、直流调速蜗轮蜗杆减速电机调速器(7-6)、电机电源(7-7)。
6.根据权利要求1所述的三自由度服装耗能测试机器人装置的服装耗能测试方法，其特征在于，本发明通过将机器人装置放入服装模特假人体腔内，带动模特假人头部、上下肢实现特定运动，同时采集头部电机(2)、直流调速蜗轮蜗杆减速电机(5)的电流电压值，在软件中将采集到的电流电压值通过数学模型转化成转矩转速值，将转矩转速值相乘，并对时间进行积分，分别得到空载和穿着服时机器人运动过程中耗能的瞬时功率和总功，最后通过计算，得出服装样品的单位时间内的耗能值。头部运动机构、上下肢运动机构分别由各自的直流调速电机控制，实现三个自由度的各自运动，从而实现头盔、衣服、裤子一整套服装耗能的测量，也可以进行头盔、衣服、裤子各部分服装耗能的独立测量。
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