CN110338822A - 一种生物力学测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种生物力学测试装置，包括作用力测量模块、多通道无线数据采集模块、信号处理模块、无线收发模块以及交互软件模块；所述多通道无线数据采集模块接收存储作用力测量模块的各个传感器的测量数据，并传输至信号处理模块；信号处理模块对多通道无线数据采集模块输出的数据进行处理后，通过无线收发模块将处理后的数据发送至交互软件模块。本发明能够实时且连续的对人体的生物力学特性进行长期的监测，显示操作者的身体状态以及施力特性的变化数据，充分发挥生物力学测量高集成的优势，综合性高、交互性强、使用体验良好优点。
Description
技术领域
本发明涉及生物力学技术领域，具体为一种生物力学测试装置。
背景技术
生物力学是应用力学原理和方法对生物体中的力学问题定量研究的生物物理学分支。生物力学研究的重点是与生理学、医学有关的力学问题。
针对于生物力学的测量系统可以检测一些特殊人员的身体状态，测量他们施力特性的变化，在监控特殊人群身体健康的同时，还可以为相关设施的设计起到参考作用。
大多的生物力学测量方法均精确定点于人体某一部位局部力学特性的测量，无法方便直接的得到人体较为全面的力学特性描述，具有一定的局限性。同时，这些测量方法操作起来较为困难，具有一定的专业性，对于使用人数多的情况难以满足。目前的生物力学测量系统的设计主要针对于某一部位的测量，例如，人体下肢生物力学测量，膝关节生物力学仪器等，没有操作力下全身力学特性的检测平台。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出一种生物力学测试装置，能够实时且连续的对人体的生物力学特性进行长期的监测，显示操作者的身体状态以及施力特性的变化数据，充分发挥生物力学测量高集成的优势，综合性高、交互性强、使用体验良好优点。
技术方案：本发明提出一种生物力学测试装置，包括作用力测量模块、多通道无线数据采集模块、信号处理模块、无线收发模块以及交互软件模块；
所述作用力测量模块包括可移动安装的指捏力传感器组件、手握力传感器组件、双手插拔力传感器组件和双手旋转力矩传感器组件；所述作用力测量模块还包括固定安装的手部推拉力传感器组件、手部多维力传感器组件、手臂旋转力矩传感器组件和足部多维力传感器组件；
所述多通道无线数据采集模块接收存储作用力测量模块的各个传感器的测量数据，并传输至信号处理模块；信号处理模块对多通道无线数据采集模块输出的数据进行处理后，通过无线收发模块将处理后的数据发送至交互软件模块。
进一步，所述指捏力传感器组件包括第一轴向力传感器，以及安装在第一轴向力传感器两端的上指捏板和下指捏板组成。
进一步，所述手握力传感器组件包括第二轴向力传感器，以及安装在第二轴向力传感器两端的上握力板和下握力板组成。
进一步，所述双手插拔力传感器组件包括第三轴向力传感器，以及分别安装在第三轴向力力传感器两端的两个插拔力手柄。
进一步，所述双手旋转力矩传感器组件包括第一扭矩传感器，以及分别安装在第一扭矩传感器两端的两个旋转力矩手柄。
进一步，所述手部推拉力传感器组件包括固定安装的第四轴向力传感器和安装在第四轴向力传感器一端的推拉力手柄。
进一步，所述手部多维力传感器组件包括固定安装的第一多维力传感器和安装在第一多维力传感器一端的多维力手柄。
进一步，所述手臂旋转力矩传感器组件包括固定安装的第二扭矩传感器和和安装在第二扭矩传感器一端的旋转手柄；所述旋转手柄沿扭矩传感器的主轴中心对称。
进一步，所述足部多维力传感器组件包括固定安装的第二多维力传感器和安装在第二多维力传感器一端的脚踏板；所述脚踏板包括连接多维力传感器的底板和安装在底板上方四周的限位挡板。
进一步，本发明还包括测量平台；所述作用力测量模块、多通道无线数据采集模块、信号处理模块、无线收发模块以及交互软件模块均整合安装于测量平台上；所述测量平台底部安装有机械滚轮；所述测量平台上端设置有显示交互软件模块的输出数据的显示屏；所示交互软件模块设置有通过显示屏展示的操作教学视频。
有益效果：（1）本发明可以实现对大型操作力下全身力学特性的检测，同时显示手部、足部等传感器测得的数据；
（2）本发明集成度较高，在实现对大型操作力下全身力学特性检测的同时，也可对局部生物力学特性，指捏力，手握力，双手插拔，双手旋转等力学特性进行单独的检测；
（3）本发明利用无线传输数据，有效避免了多传感器绕线复杂的问题，净化了操作空间，增大了可操作距离；
（4）本发明所设计的软件模块提供的同步教学视频方便用户操作，多人使用时节约了教学时间；同时也可实现对传感器的实时监测，及时反馈传感器数据，提升了交互体验。
附图说明
图1为本发明的系统逻辑框架示意图；
图2为本发明中指捏力传感器组件示意图；
图3为本发明中手握力传感器组件示意图；
图4为本发明中双手插拔力传感器组件示意图；
图5为本发明中双手旋转力矩传感器组件示意图；
图6为本发明中手部推拉力传感器组件示意图；
图7为本发明中手部多维力传感器组件示意图；
图8为本发明中手臂旋转力矩传感器组件示意图；
图9为本发明中足部多维力传感器组件示意图；
图10为本发明的整体结构图；
图11为本发明中软件主界面显示图；
图12为本发明操作流程说明图；
图13为本发明的信号处理模块的信号处理电路原理图；
图14为本发明的模数转换器电路原理图；
图15为本发明的信号处理电路与模数转换器的接线图；
图16为本发明的多通道无线数据采集模块的的电路原理图。
具体实施方式
本发明提出一种生物力学测试装置，包括测量平台9，以及整合安装在测量平台9上的作用力测量模块、多通道无线数据采集模块、信号处理模块、无线收发模块和交互软件模块。
所述作用力测量模块包括可移动安装的指捏力传感器组件1、手握力传感器组件2、双手插拔力传感器组件3和双手旋转力矩传感器组件4；所述作用力测量模块还包括固定安装的手部推拉力传感器组件5、手部多维力传感器组件6、手臂旋转力矩传感器组件7和足部多维力传感器组件8。
如图1，所述多通道无线数据采集模块通过SPI总线接收存储作用力测量模块的各个传感器的测量数据，并传输至信号处理模块进行数据处理。所述无线收发模块包括无线发送器和无线接收器。信号处理模块处理后的数据经无线发送器通过WIFI发送；无线接收器连接无线发送器，接收数据包并拆分数据，对数据进行快速地处理，将数据提供给交互软件模块，显示在显示屏上，完成全身力学特性的检测。
多通道无线数据采集模块的的电路原理图如图16所示.
信号处理模块的信号处理电路原理图如图13所示。信号处理电路需要模数转换器将两级放大电路输出的六路电压分量信号进行采集。本实施例中模数转换器选用ADI公司推出的具有8路同步采样输入功能的16位ADC——AD7606，其采样率可达200KSPS，分辨率为1/65536，输入电压为可调的±10V以及±5V，支持真双极性输入，其原理图如图14所示。信号处理电路与模数转换器的接线图如图15所示。
如图2，所述指捏力传感器组件1包括第一轴向力传感器，以及安装在第一轴向力传感器两端的上指捏板和下指捏板组成。测量指捏力时，大拇指按压在上指捏板上方，食指托举起下指捏板，用力按压，即可测得力的大小。
如图3，所述手握力传感器组件2包括第二轴向力传感器，以及安装在第二轴向力传感器两端的上握力板和下握力板组成。测量手握力时，手握住上握力板及下握力板，测量握力的大小。
如图4，所述双手插拔力传感器组件3包括第三轴向力传感器，以及分别安装在第三轴向力力传感器两端的两个插拔力手柄。测量双手插拔力时，操作者双手握住插拔力手柄拉或压，测得插拔力的大小。
如图5，所述双手旋转力矩传感器组件4包括第一扭矩传感器，以及分别安装在第一扭矩传感器两端的两个旋转力矩手柄。测量双手旋转力矩时，操作者双手旋转力矩手柄产生扭矩但不产生转动，测得扭矩的大小和方向。
如图6，所述手部推拉力传感器组件5包括固定安装的第四轴向力传感器和安装在第四轴向力传感器一端的推拉力手柄。测量手部推拉力时，操作者握住推拉力手柄进行推和拉的运动，对第四轴向力传感器施加轴向作用力，即可测得推拉力的大小和方向。
如图7，所述手部多维力传感器组件6包括固定安装的第一多维力传感器和安装在第一多维力传感器一端的多维力手柄。测量手部多维力时，操作者握住多维力手柄进行任意方向的运动，对第一多维力传感器施力，进而测得施力大小和方向。
如图8，所述手臂旋转力矩传感器组件7包括固定安装的第二扭矩传感器和和安装在第二扭矩传感器一端的旋转手柄；所述旋转手柄沿扭矩传感器的主轴中心对称。测量双臂旋转力矩时，双手握住旋转手柄外缘，沿扭矩传感器的主轴转动；测量单手旋转力矩时，单手握住旋转手柄中心处，沿扭矩传感器的主轴转动。
如图9，所述足部多维力传感器组件8包括两个固定安装的第二多维力传感器和分别安装在两个第二多维力传感器一端的两个脚踏板；所述脚踏板包括连接多维力传感器的底板和安装在底板上方四周的限位挡板。测足部多维力量时，操作者站在脚踏板上进行任意方向的运动，对第二多维力传感器施力，进而测得施力大小和方向。
如图10，所述测量平台9底部安装有机械滚轮，方便拖动测量平台9。测量平台9最上端显示屏距地面大约1700mm，贴合人眼高度。显示屏下方为固定安装的手部推拉力传感器组件5、手部多维力传感器组件6以及手臂旋转力矩传感器组件7。上述三个固定安装的传感器组件下方使用黄色实验夹夹装有指捏力传感器组件1、手握力传感器组件2、双手插拔力传感器组件3、双手旋转力矩传感器组件4，使用时可从实验夹上取下，而后进行正常使用。最下方为足部多维力传感器组件8，两个脚踏板为人足部站立部分，两个脚踏板间距350mm左右，距离实验台前壁600mm左右。
交互软件模块有两套模式可供选择：便携模式与固定模式，显示在显示屏上。选择便携模式后用户操作指捏力传感器组件1、手握力传感器组件2、双手插拔力传感器组件3和双手旋转力矩传感器组件4中的一个进行测量，或者同时操作多个进行测量；选择固定模式后用户操作手部推拉力传感器组件5、手部多维力传感器组件6、手臂旋转力矩传感器组件7和足部多维力传感器组件8中的一个进行测量，或者同时操作多个进行测量。
如图11和图12，测试开始时，操作者为仪器供电。电源接通后打开显示屏，进入示教系统，选择“便携测量”或“固定测量”选项。选择后显示屏播放使用教程视频，操作者跟随视频指引进行操作，在不同步骤间隔中为用户使用操作留在足够时间。操作结束，记录显示屏展示结果，断电，结束测试。
Claims (10)
1.一种生物力学测试装置，其特征在于：包括作用力测量模块、多通道无线数据采集模块、信号处理模块、无线收发模块以及交互软件模块；
所述作用力测量模块包括可移动安装的指捏力传感器组件、手握力传感器组件、双手插拔力传感器组件和双手旋转力矩传感器组件；所述作用力测量模块还包括固定安装的手部推拉力传感器组件、手部多维力传感器组件、手臂旋转力矩传感器组件和足部多维力传感器组件；
所述多通道无线数据采集模块接收存储作用力测量模块的各个传感器的测量数据，并传输至信号处理模块；信号处理模块对多通道无线数据采集模块输出的数据进行处理后，通过无线收发模块将处理后的数据发送至交互软件模块。
2.根据权利要求1所述的生物力学测试装置，其特征在于：所述指捏力传感器组件包括第一轴向力传感器，以及安装在第一轴向力传感器两端的上指捏板和下指捏板组成。
3.根据权利要求2所述的生物力学测试装置，其特征在于：所述手握力传感器组件包括第二轴向力传感器，以及安装在第二轴向力传感器两端的上握力板和下握力板组成。
4.根据权利要求3所述的生物力学测试装置，其特征在于：所述双手插拔力传感器组件包括第三轴向力传感器，以及分别安装在第三轴向力力传感器两端的两个插拔力手柄。
5.根据权利要求4所述的生物力学测试装置，其特征在于：所述双手旋转力矩传感器组件包括第一扭矩传感器，以及分别安装在第一扭矩传感器两端的两个旋转力矩手柄。
6.根据权利要求5所述的生物力学测试装置，其特征在于：所述手部推拉力传感器组件包括固定安装的第四轴向力传感器和安装在第四轴向力传感器一端的推拉力手柄。
7.根据权利要求6所述的生物力学测试装置，其特征在于：所述手部多维力传感器组件包括固定安装的第一多维力传感器和安装在第一多维力传感器一端的多维力手柄。
8.根据权利要求7所述的生物力学测试装置，其特征在于：所述手臂旋转力矩传感器组件包括固定安装的第二扭矩传感器和和安装在第二扭矩传感器一端的旋转手柄；所述旋转手柄沿扭矩传感器的主轴中心对称。
9.根据权利要求8所述的生物力学测试装置，其特征在于：所述足部多维力传感器组件包括固定安装的第二多维力传感器和安装在第二多维力传感器一端的脚踏板；所述脚踏板包括连接多维力传感器的底板和安装在底板上方四周的限位挡板。
10.根据权利要求1-9任意一项所述的生物力学测试装置，其特征在于：还包括测量平台；所述作用力测量模块、多通道无线数据采集模块、信号处理模块、无线收发模块以及交互软件模块均整合安装于测量平台上；所述测量平台底部安装有机械滚轮；所述测量平台上端设置有显示交互软件模块的输出数据的显示屏；所示交互软件模块设置有通过显示屏展示的操作教学视频。
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