CN109323838A - 一种髋关节保护器抗冲击效果测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种髋关节保护器抗冲击效果测量系统及方法，安全带系穿在假人身上，用于与安全带连接从而将假人提起进行侧方摔倒实验的滑轮组固定于龙门架上；用于采集假人侧方摔倒着地时髋部冲击力的信号采集模块设于假人着地时髋部受力点处，信号采集模块连接信号转换模块，信号转换模块连接信号显示模块；通过对比穿着髋关节保护器前后所测得的冲击力大小，得到髋关节保护器抗冲击效果。本发明设计了假人模拟侧方摔倒实验方案，着重于模拟髋部有效质量、髋部表面软组织、冲击速度三个方面，利用假人代替真人开展测量实验，有效地模拟了实际摔倒时的瞬时冲击速度，提高了测量结果的真实性，且采用假人进行模拟实验有很好的可重复性。

Description

一种髋关节保护器抗冲击效果测量系统及方法

技术领域

本发明涉及抗冲击功能服装测量技术领域，特别涉及髋关节保护器的抗冲击效果测量系统和测量方法。

背景技术

髋关节骨折是危害老年健康的一个重要问题，其主要影响人群为55岁以上的老年女性，这类人群骨折90％是由侧方摔倒造成的，髋关节骨折不仅影响老年人的身体和心理健康，给家庭带来压力，也给社会造成较大的医疗成本。据相关学者估计，在世界范围内，髋关节骨折病人的发病率将由1990年的166万人/年增加到2050年的626万人/年。

髋关节骨折与侧方跌倒所受的冲击力相关。测量侧方跌倒冲击力的方法根据实验原理和设备大致可分为三种：

(1)第一种是人体跌倒模拟实验，具体的试验方法为真人骨盆释放实验，被测者模拟跌倒姿势，应用起重设备将人体髋部吊起，在距离地面5cm的高度释放骨盆，髋部接触地面上的测重台时，测量得到冲击力的大小。

(2)第二种是髋部模型冲击实验，这些实验中采用的冲击方式是直立式冲击塔、摆动式冲击锤和舂米性冲击锤，以冲击的方式模拟侧方跌倒髋部所受冲击力。

(3)第三种为对髋部及骨盆的三维数字化模拟进行有限元分析(Finite ElementAnalyze)FEA研究，建立骨骼及软组织组成的实体FEA模型，定义该模型的质量、大转子部分缓冲材料的厚度、跌倒速度，得出冲击力峰值与达峰时间。

应用较多的髋关节保护器的评价方法是采用具有股骨外形的塑料模型进行模型冲击试验。以上提到的测量方法和测试装置多为设计髋关节保护器的研究者自行设计和搭建而成，根据各自的研究目的开发制作，上述几种测量方法的测试过程、实验影响因子设置、测试结果等都有比较大的差距。

德国、加拿大等功能性服装开发起步较早的发达国家成为相关研究的起源发展之地，国内学者尚未触及相关的核心技术，国内关于髋关节保护器的设计和评价方法的研究进程较慢。髋关节保护器设计大多为模仿国外产品，髋关节保护器抗冲击效果评价更加少之又少，制约了国内髋关节保护器的研发。对于髋关节保护器防护能力的测试，目前国内尚没有能够结合防护产品使用场景来测量评价产品防护效果的设备，国外所用的测量设备多为科研人员自行搭建，难于复制。国内相关研究领域及相关企业迫切需要一种可测试髋关节保护器抗冲击性能的实验测试设备，用以测试和产品研发。相关测量技术和评价方法仍有较大的研究空间。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种测量髋关节保护器抗冲击力大小的测量系统和测量方法，通过对比穿着髋关节保护器前后所测得的冲击力大小，可得髋关节保护器的抗冲击效果。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是提供一种髋关节保护器抗冲击效果测量系统，其特征在于：包括假人，安全带系穿在假人身上，用于与安全带连接从而将假人提起进行侧方摔倒实验的滑轮组固定于龙门架上；

用于采集假人侧方摔倒着地时髋部冲击力的信号采集模块设于假人着地时髋部受力点处，信号采集模块连接信号转换模块，信号转换模块连接信号显示模块；通过对比穿着髋关节保护器前后所测得的冲击力大小，得到髋关节保护器抗冲击效果。

优选地，所述假人采用重量为30kg的医用多功能护理人模型，其由重量为10kg的医用多功能护理人模型改造而成，改造方法为：在假人的手臂、腰臀部位、腿部分别切口，注入细沙，确认其重量达到30kg后将切口进行粘合，确保缝隙完全封闭，无漏沙情况发生；为了模拟人体的皮肤组织和肌肉组织对骨骼的缓冲和保护作用，将具有缓冲性能的材料覆盖于假人的髋部。

更优选地，所述具有缓冲性能的材料为软硅胶，将直径100mm、厚度5mm的软硅胶覆盖并粘贴在假人的大转子部位，用来模拟皮肤及肌肉组织。

优选地，所述安全带为高空作业五点式双背安全带。

优选地，所述滑轮组包括手持把手、绳索、定滑轮和U型卸扣，U型卸扣固定于所述龙门架上，定滑轮设于U型卸扣上，绳索一端与系穿在假人身上的安全带扣合，绳索另一端绕过定滑轮并与手持把手连接；拉拽手持把手，即能将所述假人提起。

优选地，所述信号采集模块采用测力传感器，测力传感器通过传输导线连接所述信号转换模块；所述测力传感器为微型纽扣电池式膜盒传感器，是一种可将机械能转换为电能的动态应变传感器；测力传感器采集到的信号为mV级别的微电压信号，需经过信号转换模块的信号转换处理，转化为能被计算机接收的数字信号。

更优选地，所述信号转换模块采用485型称重AD模块，485型称重AD模块内置有依次连接的运算放大器、变送器、AD采集器、单片机；运算放大器将测力传感器输入的mV级别的微电压信号转换为5-12V的电压信号，经变送器处理输出为整合过的模拟电压信号或者模拟电流信号，AD采集器采集所述模拟电压信号或者模拟电流信号，通过单片机输出数字信号，并通过RS485协议传输给信号显示模块。

进一步地，所述信号显示模块采用计算机终端，计算机终端通过485接口读取信号转换模块输出的数据，计算机终端上装有用于对所述数据进行处理的冲击力检测软件；所述信号转换模块输出的数字信号通过计算机终端的处理，直接在计算机界面中显示，实现冲击力数值随时间变化的曲线以及冲击力最大值的显示。

本发明还提供了一种髋关节保护器抗冲击效果测量方法，采用上述的髋关节保护器抗冲击效果测量系统，其特征在于：步骤为：

步骤一：不穿着髋关节保护器，进行假人侧方摔倒模拟实验，确定假人着地时髋部大转子点部位着地受力点的位置；

步骤二：将信号采集模块固定于假人着地时髋部大转子点部位着地受力点的位置；

步骤三：测量未穿着髋关节保护器时假人跌至地面其髋部所受冲击力大小；

步骤四：为假人穿着髋关节保护器，髋关节保护器包覆于信号采集模块外侧，测量穿着髋关节保护器后假人跌至地面其髋部所受冲击力大小；对比穿着髋关节保护器前后所测冲击力值的大小，获得所穿髋关节保护器的抗冲击力效果。

优选地，所述步骤一中，在滑轮组下方地面铺设复写纸，通过滑轮组将假人吊起至距离地面32cm处再释放，使假人进行侧方摔倒至地面，对复写纸在假人髋部的印记进行标记；重复释放假人多次，综合比较多次标记的记号，确定假人着地时髋部受力点，设定为安装信号采集模块的部位；

所述步骤二中，将信号采集模块感受力的凸点一端对准假人髋部受力点，保护信号采集模块不受假人跌倒时的冲击力而损坏；检查信号采集模块黏贴牢固，以免实验过程中发生掉落或位置偏移；

所述步骤三中，通过滑轮组将假人吊起至距离地面32cm处再释放，假人模拟侧向跌倒，自由落体冲击地面，信号采集模块记录冲击力数据，通过信号转换模块转换后，发送给信号显示模块；重复该步骤多次，取多次测量均值为实测冲击力值；

所述步骤四中，为确保获得平稳的测量数据，操作时应注意假人被吊起时其髋部拉高至距地面32cm的标记线处，水平观测标记线和假人髋部撞击点处于同一平面上，再释放假人进行实验，以有效控制假人每次从同样的高度落地；若发现实验数据过小，可能是假人在跌倒过程中身体发生扭转导致待测方髋部大转子区域未先着地，或者着地时撞击点偏离信号采集模块，此时应重新操作，直至获得有效测量数据；重复该步骤多次，取多次测量均值为实测冲击力值。

相比现有技术，本发明提供的髋关节保护器抗冲击效果测量系统及方法具有如下有益效果：

1)充分考虑髋关节保护器的使用场景，设计了假人模拟侧方摔倒实验方案。着重于模拟髋部有效质量、髋部表面软组织、冲击速度三个方面，利用假人代替真人开展测量实验，避免真人实验可能造成的人身伤害，更有效地模拟了实际摔倒时的瞬时冲击速度，提高测量结果的真实性，且采用假人进行模拟实验有很好的可重复性；

2)已有关于冲击力测试研究中，多采用示波器获取冲击力波形图，再通过波形分析，带入函数公式计算冲击力大小。示波器购置成本高，计算分析过程繁复，对实验人员专业知识和技能要求高，测试方法不易推广。本发明通过计算机软件编程，可直观显示冲击力的测量数值，大大降低了测量系统的开发成本，冲击力测试与数值显示便捷，易于应用和推广。

附图说明

图1为本实施例提供的髋关节保护器抗冲击效果测量系统示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。

图1为本实施例提供的髋关节保护器抗冲击效果测量系统示意图，所述的髋关节保护器抗冲击效果测量系统包括经质量改造的医用多功能护理人模型(假人1)，用于起吊假人1的安全带2、滑轮组、龙门架7，以及冲击力测量系统。

所述假人1选用医用多功能护理人模型，其自身重量约为10kg。根据国际髋关节保护研究小组在哥本哈根会议上建议模拟人体侧方摔倒试验内容，女性体重确定髋部有效质量为22-33kg，据此将所述假人模型的质量改造为30kg。改造方法为：

在假人1的手臂、腰臀部位、腿部分别切割小口，注入细沙，确认其重量达到30kg后将切口进行粘合，确保缝隙完全封闭，无漏沙情况发生。

假人1下肢为硬质橡胶注塑，跌倒时没有缓冲能力。为了模拟人体的皮肤组织和肌肉组织对骨骼的缓冲和保护作用，应用具有缓冲性能的材料覆盖于假人髋部进行改造。采用直径100mm、厚度5mm的软硅胶覆盖在假人模型大转子部位用来模拟皮肤及肌肉组织，用软性胶水进行粘贴。

所述安全带2为高空作业五点式双背安全带，系穿在假人1身上。通过安装在龙门架7上的滑轮组将假人1提起。

所述滑轮组包括手持把手3、绳索4、定滑轮5和U型卸扣6，U型卸扣6固定在龙门架7上，定滑轮5装在U型卸扣6上，绳索4一端与安全带2扣合，绳索4另一端绕过定滑轮5并与手持把手3连接，拉拽手持把手3，即可将假人1提起。

据有关研究表明，侧方摔倒撞击地面髋部的冲击速度约为2.5m/s，根据速度v、高度h与重力加速度g之间的关系：v²＝2gh，其中，g取9.8m/s²，若v取2.5m/s，得h＝0.318m，本实施例中，h取32cm，标定为所述假人1跌落的起始位置。

所述冲击力测量系统包括：信号采集模块、信号转换模块和信号显示模块这三个模块。

所述信号采集模块由测力传感器8和高速传输导线组成，完成冲击力的采集和电信号转换的工作。所述测力传感器8为一种微型纽扣电池式膜盒传感器，是一种可将机械能转换为电能的动态应变传感器。该测力传感器8的测力范围大，体积小，灵敏度高，输入输出有线性关系。测力传感器8采集到的信号为mV级别的微电压信号，需经过信号转换处理，转化为能被计算机接收的数字信号。测力传感器8通过高速传输导线连接信号转换模块9。

所述信号转换模块9采用485型称重AD模块。485型称重AD模块是一款针对动态称重开发的称重/压力传感器前端信号采集变送模块，485型称重AD模块内置有采集、运算、通信电路，涉及运算放大器、变送器、AD采集器、单片机。运算放大器将测力传感器8输入的mV级别的微电压信号转换为5-12V的电压信号，经变送器处理输出为整合过的模拟电压信号或者模拟电流信号，AD采集器采集所述模拟电压信号或者模拟电流信号，通过单片机输出数字信号，通过RS485协议传输给信号显示模块10。485型称重AD模块还连接稳压电源12。

所述信号显示模块10采用计算机终端，计算机终端可直接通过485接口读取信号转换模块9输出的压力数据，计算机终端10资料完善并配有常用PLC例子和冲击力检测软件。所述信号转换模块9输出的数字信号通过计算机终端的处理，将直接在计算机软件界面中显示，可实现压力数值随时间变化的曲线，以及压力最大值的显示。计算机终端10上的冲击力检测软件采用MFC/C++编写，编译环境为Microsoft Visual Studio 2010，运行平台为Microsoft Windows 7。冲击力检测软件主要是根据电压与力的转换关系编写，通过软件的运算将输入的数字信号转换为直观数据，通过图表等方式展现。

通过上述髋关节保护器抗冲击效果测量系统，开展实验测试时可分为以下四个步骤。

步骤一：不穿着髋关节保护器，进行假人侧方摔倒模拟实验，确定假人着地时髋部大转子点部位着地受力点的位置。如图1所示，为假人1穿着安全带2，与手持把手3连接的绳索4穿过定滑轮5，定滑轮5通过U型卸扣6安装在龙门架7上，绳索4与安全带2扣合。在定滑轮5下方地面铺设好1m×1m区域的蓝色复写纸，拉动手持把手3将假人1吊起至距离地面约32cm处，释放假人1，使假人1进行侧方摔倒至地面，对复写纸在假人1髋部的印记用红色记号笔进行标记。重复释放假人5次，综合比较5次标记的红色记号，确定假人1着地时髋部受力点，设定为安装测力传感器8的部位。

步骤二：用胶带采用米字粘贴法将测力传感器8固定在假人髋部的受力点。所述测力传感器8为纽扣式膜盒传感器，因测力传感器较为敏感，为保护其不受跌倒时的冲击力而损坏，将其感受力的凸点一端对准假人髋部受力点，检查传感器黏贴牢固，以免实验过程中发生掉落或位置偏移。

步骤三：先测量未穿着髋关节保护器11时假人1跌至地面其髋部所受冲击力大小。计算机终端10上的冲击力检测软件准备开始记录，实验者通过拉动手持把手3将假人1吊起至距离地面约32cm处，释放手持把手3，假人1模拟侧向跌倒，自由落体冲击地面，停止冲击力检测软件中数据记录，保存实验数据和冲击力波形图。重复该步骤5次，间隔3分钟，取5次测量均值为实测冲击力值。

步骤四：为假人1穿着髋关节保护器11，髋关节保护器11包覆于测力传感器8外侧，测量穿着髋关节保护器11后假人跌至地面其髋部所受冲击力大小。为确保获得较为平稳的测量数据，操作时应注意假人1被吊起时其右侧髋部拉高至距地面32cm的标记线处，实验员应水平观测标记线和假人1髋部撞击点处于同一平面上，再释放假人进行实验，以有效控制假人1每次从同样的高度落地。若发现实验数据过小，可能是假人1在跌倒过程中身体发生扭转导致待测方髋部大转子区域未先着地，或者着地时撞击点偏离测力传感器8，出现上述情形应重新操作，直至获得有效测量数据。穿着髋关节保护器11后重复该步骤测量5次，间隔为3分钟，取5次测量均值为实测冲击力值。对比穿着髋关节保护器11前后，所测冲击力值的大小，可获得所穿髋关节保护器11的抗冲击力效果。更换髋关节保护器11，重复上述实验过程，可测得穿着其他髋关节保护产品后受地面冲击力的大小，可对比分析不同髋关节保护产品的抗冲击效果和能力。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明任何形式上和实质上的限制，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明方法的前提下，还将可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。凡熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，当可利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时，凡依据本发明的实质技术对上述实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变，均仍属于本发明的技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种髋关节保护器抗冲击效果测量系统，其特征在于：包括假人(1)，安全带(2)系穿在假人(1)身上，用于与安全带(2)连接从而将假人(1)提起进行侧方摔倒实验的滑轮组固定于龙门架(7)上；

用于采集假人(1)侧方摔倒着地时髋部冲击力的信号采集模块设于假人(1)着地时髋部受力点处，信号采集模块连接信号转换模块，信号转换模块连接信号显示模块；通过对比穿着髋关节保护器前后所测得的冲击力大小，得到髋关节保护器抗冲击效果。

2.如权利要求1所述的一种髋关节保护器抗冲击效果测量系统，其特征在于：所述假人(1)采用重量为30kg的医用多功能护理人模型，其由重量为10kg的医用多功能护理人模型改造而成，改造方法为：在假人(1)的手臂、腰臀部位、腿部分别切口，注入细沙，确认其重量达到30kg后将切口进行粘合，确保缝隙完全封闭，无漏沙情况发生；为了模拟人体的皮肤组织和肌肉组织对骨骼的缓冲和保护作用，将具有缓冲性能的材料覆盖于假人(1)的髋部。

3.如权利要求2所述的一种髋关节保护器抗冲击效果测量系统，其特征在于：所述具有缓冲性能的材料为软硅胶，将直径100mm、厚度5mm的软硅胶覆盖并粘贴在假人(1)的大转子部位，用来模拟皮肤及肌肉组织。

4.如权利要求1所述的一种髋关节保护器抗冲击效果测量系统，其特征在于：所述安全带(2)为高空作业五点式双背安全带。

5.如权利要求1所述的一种髋关节保护器抗冲击效果测量系统，其特征在于：所述滑轮组包括手持把手(3)、绳索(4)、定滑轮(5)和U型卸扣(6)，U型卸扣(6)固定于所述龙门架(7)上，定滑轮(5)设于U型卸扣(6)上，绳索(4)一端与系穿在假人(1)身上的安全带(2)扣合，绳索(4)另一端绕过定滑轮(5)并与手持把手(3)连接；拉拽手持把手(3)，即能将所述假人(1)提起。

6.如权利要求1所述的一种髋关节保护器抗冲击效果测量系统，其特征在于：所述信号采集模块采用测力传感器(8)，测力传感器(8)通过传输导线连接所述信号转换模块(9)；所述测力传感器(8)为微型纽扣电池式膜盒传感器，是一种可将机械能转换为电能的动态应变传感器；测力传感器(8)采集到的信号为mV级别的微电压信号，需经过信号转换模块(9)的信号转换处理，转化为能被计算机接收的数字信号。

7.如权利要求6所述的一种髋关节保护器抗冲击效果测量系统，其特征在于：所述信号转换模块(9)采用485型称重AD模块，485型称重AD模块内置有依次连接的运算放大器、变送器、AD采集器、单片机；运算放大器将测力传感器(8)输入的mV级别的微电压信号转换为5-12V的电压信号，经变送器处理输出为整合过的模拟电压信号或者模拟电流信号，AD采集器采集所述模拟电压信号或者模拟电流信号，通过单片机输出数字信号，并通过RS485协议传输给信号显示模块(10)。

8.如权利要求7所述的一种髋关节保护器抗冲击效果测量系统，其特征在于：所述信号显示模块(10)采用计算机终端，计算机终端通过485接口读取信号转换模块(9)输出的数据，计算机终端(10)上装有用于对所述数据进行处理的冲击力检测软件；所述信号转换模块(9)输出的数字信号通过计算机终端(10)的处理，直接在计算机界面中显示，实现冲击力数值随时间变化的曲线以及冲击力最大值的显示。

9.一种髋关节保护器抗冲击效果测量方法，采用如权利要求1～8任一项所述的髋关节保护器抗冲击效果测量系统，其特征在于：步骤为：

步骤一：不穿着髋关节保护器，进行假人侧方摔倒模拟实验，确定假人着地时髋部大转子点部位着地受力点的位置；

步骤二：将信号采集模块固定于假人着地时髋部大转子点部位着地受力点的位置；

步骤三：测量未穿着髋关节保护器时假人跌至地面其髋部所受冲击力大小；

步骤四：为假人穿着髋关节保护器，髋关节保护器包覆于信号采集模块外侧，测量穿着髋关节保护器后假人跌至地面其髋部所受冲击力大小；对比穿着髋关节保护器前后所测冲击力值的大小，获得所穿髋关节保护器的抗冲击力效果。

10.一种如权利要求9所述的髋关节保护器抗冲击效果测量方法，其特征在于：所述步骤一中，在滑轮组下方地面铺设复写纸，通过滑轮组将假人吊起至距离地面32cm处再释放，使假人进行侧方摔倒至地面，对复写纸在假人髋部的印记进行标记；重复释放假人多次，综合比较多次标记的记号，确定假人着地时髋部受力点，设定为安装信号采集模块的部位；

所述步骤二中，将信号采集模块感受力的凸点一端对准假人髋部受力点，保护信号采集模块不受假人跌倒时的冲击力而损坏；检查信号采集模块黏贴牢固，以免实验过程中发生掉落或位置偏移；

所述步骤三中，通过滑轮组将假人吊起至距离地面32cm处再释放，假人模拟侧向跌倒，自由落体冲击地面，信号采集模块记录冲击力数据，通过信号转换模块转换后，发送给信号显示模块；重复该步骤多次，取多次测量均值为实测冲击力值；

所述步骤四中，为确保获得平稳的测量数据，操作时应注意假人被吊起时其髋部拉高至距地面32cm的标记线处，水平观测标记线和假人髋部撞击点处于同一平面上，再释放假人进行实验，以有效控制假人每次从同样的高度落地；若发现实验数据过小，可能是假人在跌倒过程中身体发生扭转导致待测方髋部大转子区域未先着地，或者着地时撞击点偏离信号采集模块，此时应重新操作，直至获得有效测量数据；重复该步骤多次，取多次测量均值为实测冲击力值。