CN110916668B - 一种人体重心和头部重心测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种人体重心及头部重心测量方法。在人体(头部)重心测算中，人分别站立和平躺在两端设置机械秤的刚性板上，多次改变人体在刚性板上的作用位置(头部的空间位置)来使刚性板两端的力的分配发生变化，进而通过秤的多组示数，利用理论力学中的力矩平衡条件及计算机的线性拟合功能来获得人体(头部)重心位置。本发明提出的人体和头部的重心测量方法操作方便，器具易得，误差可控，极大提高了测量效率，是一种新颖而实用的人体重心和头部重心测量方法。

Description

一种人体重心和头部重心测量方法

技术领域

本发明属于快速简洁测量技术领域，特别是涉及一种人体重心及头部重心测量方法。

背景技术

人体及头部重心位置是人体的一个基本参数，它能在一定程度上反映出人体和头部的质量分布、体型特征等，一直以来都是值得探索的研究领域之一。人体及头部重心位置的确定在体育、全民健康及康复医学等领域有着广泛的应用背景。根据人体头部重心位置、重力大小计算人体颈椎受到来自头部的压迫力和弯矩为颈椎病的预防提供理论指导。人体重心分析对科学运动健身具有很大帮助。重心的位置因人而异，相对同一个人，人体及其头部的重心主要与人体整体及局部形体的姿势有关。传统的重心测量方法在采用复杂流程技术的同时，很难做到成本的合理性。而基于理论力学的发明则是在保证误差允许和低成本的条件下，为实现简洁快速测量人体及某一部位的重心提供了可能。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种操作简单、经济实用、方便快捷，具有重要实用价值的人体重心和头部重心测算方法，该方法可以适用于任何年龄阶段、体型人群的人体重心和头部重心测算。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种人体重心和头部重心测量方法，包括以下步骤：

在平整地面上放置两个相同规格的机械秤，并在两个机械秤的中心线上搭设刚性板；

建立人体坐标系，以人挺直身躯平视前方时视线的方向为x方向，以竖直方向为z方向，将人体视作左右对称的实体，不考虑y方向的重心位置；

结合头部重量占比和实际测量情况，得到头部质量和重量；

测量人体重心位置；被测试者笔直站立或平躺于刚性板的中轴线上，改变其作用位置，读出不同位置下的两个秤的示数；

测量头部重心位置；被测试者笔直站立或平躺于刚性板的中轴线上，改变头部的空间位置，读出不同位置下的两个秤的示数；

分别列出直立和平躺状态下的平衡方程，带入记录的示数并利用方程组联立和线性拟合求解，得出重心位置。

进一步的，对人体重心位置的测量具体步骤为：

根据公式(1)计算人体x方向的重心相对于人体后脚跟的距离α

将公式(1)转化为方便线性拟合计算的形式

根据公式(3)计算人体z方向的重心相对于人体脚后跟的距离β

将所述公式(1)转化为方便线性拟合计算的形式

对头部重心位置的测量具体为：计算头部x方向的重心相对于人体后脚跟的距离γ；

对头部x方向重心的确定包括两种姿势：

姿势一：人保持平视前方，身体直立，得：

F₁L-G_身(α+d₁)-G_头(γ+d₁)＝0 (5)

姿势二：人体姿势一的基础上头部逆时针旋转九十度，身体保持直立，得：

F₁′L-G_身(α+d₁)-G_头(γ′+d₁)＝0 (6)

联立式(5)-(6)得头部x方向的重心相对于人体后脚跟的距离γ计算式：

将所述公式(7)转化为方便线性拟合计算的形式

计算头部z方向的重心相对于人体后脚跟的距离δ；对头部z方向重心的确定包括两种姿势：

姿势一：人保持平视状态，身体平躺于平刚性板上，得：

F₁L-G_身z₂+G_头z₁＝0 (9)

姿势二：人体头部在姿势一的基础上抬头至颈部弯曲最大为止，身体保持平躺，得：

F₁′L-G_身z₂+G_头z₁cosθ＝0 (10)

联立式(9)-(10)得头部z方向的重心相对于人体后脚跟的距离δ计算式：

其中，

α-人体x方向重心相对于脚后跟距离

β-人体z方向重心相对于人体脚后跟的距离

γ-姿势一时头部重心x方向相对于脚后跟距离

γ′-姿势二时头部重心x方向相对于脚后跟距离

z₁-头部z方向重心至颈部转动轴(第七颈椎节下节点)的距离

z₂-颈部转动轴(第七颈椎节下节点)至身体部分重心间的距离

c-身体部分重心至人体脚后跟距离

G-人体所受重力

G_头-头部重力

G_身-身体部分重力

G_刚性板-为平面刚性板重力

θ-人弯曲头颅至颈部弯曲最大时颈椎所在直线与弯曲前颈椎平直状态的夹角(该夹角的测量方法如下：将X光片中的7个颈椎节的首末端点录入计算机中，在x-z坐标系下连成曲线段，取线性拟合出的直线段与z轴所夹锐角作为角度θ。以测量本组拍摄的X光片为例，其结果显示为75°)

F₁-姿势一时前端机械秤示数

F₁′-姿势二时前端机械秤示数

F₂-后端机械秤示数

d-脚后跟到刚性板后端距离

d₁-脚后跟到后端机械秤几何中心间距离

l₀-刚性板后端到体重计几何中心距离

L-前后机械秤几何中心间的距离

δ-头部z方向的重心与人体后脚跟间的距离；

将公式(7)转化为方便线性拟合计算的形式

基于计算机的线性拟合功能实现对待定系数的确定，求得欲求值α，β，γ，δ。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

1.本方法主要基于理论力学的学科知识来进行测量计算，测量者仅需熟知力矩平衡联立方程，即可求解重心位置，因此对复杂专业知识的要求低，前期工作量少。

2.测量工具仅为机械秤和生活中常见的平面刚性板，所用工具易于获取且方便操作，克服了传统精密测量仪器难于获取和掌握的弊端，同时极大的降低了测量成本。

3.该方法保证了误差在允许范围内，最大限度地简化测量步骤，降低了测量难度，极大地缩短了整个测量周期；且被测者的姿势动作简单易行，适合对各个年龄段的人群进行测量，增大了测量对象的广泛性。例如测量人体重心在X、Z方向的位置时，各自仅需保持一种动作(直立或平卧)，更改数次站(卧)位置读取相应数据即可。

4.该方法对测量地点没有限制，只要地面保持平坦，任何场所都可以进行该测量过程。

5.该方法能保证数据结果的准确性。尽管测量设备简单，但是通过多次改变人体在刚性板上的作用位置，反复测量，且利用方程组联立进行数据统计，即可将误差控制在允许范围内。因而该方法是现行的一种简单而行之有效的人体重心和头部重心的测量方法。

附图说明

图1是本发明方法的流程示意图。

图2测量人体重心在X方向位置的示意图。

图3测量人体重心在Z方向位置的的示意图。

图4测量人体头部重心在X方向位置的姿势一的示意图。

图5测量人体头部重心在X方向位置的姿势二的示意图。

图6测量人体头部重心在X方向位置的姿势一、二的对比示意图。

图7测量人体头部重心在Z方向位置的姿势一示意图。

图8测量人体头部重心在Z方向位置的姿势二示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供了人体重心及头部重心的测量方法，参见图1，该方法包括以下步骤：

101：建立人体坐标系，以人挺直身躯平视前方时视线的方向为x方向，以竖直方向为z方向，由于人可以看成是一个左右对称的实体(该坐标系建在人体上，随人体姿势而改变，具体见附图)，故在此不研究y方向的重心位置；

102：根据中国知网《人体重量一维分布测量系统的精度保障与实用化研究聂书严》和网易新闻《人体组成结构比重、全身的肌肉含量、肌肉的形态结构》等相关资料综合考虑头部重量占比和实际测量情况，得到头部质量和重量；

m_头＝7.2kg

G_头＝m_头g＝7.2kg*9.8N/kg＝70.56N

m_头-头部质量

g-重力加速度，取9.8N/kg

103：测量人体重心位置；

104：测量头部重心位置；

105：基于计算机的线性拟合功能实现对待定系数α，β，γ，δ的确定。

进一步地，步骤103中包括两种姿势，姿势一：人保持平视状态，身体平躺于平刚性板上；姿势二：人体头部在姿势一的基础上抬头至颈部弯曲最大为止，身体保持平躺。

综上，本发明实施例通过上述步骤101-步骤105能够实现对人体重心及头部重心未知的确定，方法简单，成本低廉，具有可行性。

下面结合具体的实例、图2至图8、计算公式对实施例1中的方案进行进一步地介绍，具体如下：

步骤201：对人体x方向重心计算所需数据进行测量，具体测量方法包括：

2011：将两机械秤放于所建坐标系z轴上；

2012：放置刚性板后将两机械秤示数调零；

2013：测量前后机械秤几何中心间的距离L与刚性板后端到机械秤几何中心距离l₀；

2014：被测者变换距前端机械秤距离，进行多次测量，记录前端机械秤示数F₁及脚后跟到刚性板后端距离d，测量示意图见图2；

2015：对测量数据进行处理：

根据人体x方向的重心计算公式：

利用计算机的线性拟合功能将数据组F₁与d进行一次多项式线性拟合，输出两常数项

与

通过做比，由于步骤2013中已测得l₀，故可求得α值，实现对人体x方向重心的测量。

步骤202：对人体z方向重心计算所需数据进行测量，具体测量方法包括：

2021：将两机械秤放于所建坐标系x轴上；

2022：放置刚性板后将两机械秤示数调零；

2023：测量前后机械秤几何中心间的距离L、刚性板后端到机械秤几何中心距离l₀；

2024：被测者躺于刚性板上，变换距前端机械秤距离，进行多次测量，记录前端机械秤示数F₁及脚后跟到刚性板后端距离d，测量示意图见3、4、5。

2025：对量测数据进行处理：

根据人体z方向的重心计算公式：

利用计算机的线性拟合功能将数据组F₁与d进行一次多项式线性拟合，得出两常数项

与

通过二者做比，由于步骤2013中已测得l₀，故可求得α值，完成人体z方向重心计算工作。

步骤203：对人体头部x方向的重心计算所需数据进行测量，具体测量方法包括：

2031：预先获取人体头部重量所需参数；

2032：将两机械秤放于所建坐标系x轴上；

2033：放置刚性板后将两机械秤示数调零；

2034：测量前后机械秤几何中心间的距离L；

2035：被测者站于刚性板上，保持姿势一，读取前机械秤示数F₁，随后变为姿势二，量测姿势二时头部x方向相对于脚后跟距离γ′，并保持不变，读取前机械秤示数F₁′，对应的测量示意图见6。

2036：重复步骤2035以获得更多数据。

2037：对量测数据进行处理：

根据人体头部x方向重心计算公式：

利用计算机的线性拟合功能将数据组F₁与F₁′进行一次多项式线性拟合，得出常数项

由步骤2031、2034、2035已测得的部分数据，可直接得出头部x方向相对于脚后跟距离γ。

步骤204：对人体头部z方向的重心计算所需数据进行测量，具体测量方法包括：

2041：预先获取人体头部重量所需参数。

2042：将两机械秤放于所建坐标系z轴上。

2043：放置刚性板后将两机械秤示数调零。测量示意图见图7、8.

2044：测量前后机械秤几何中心间的距离L、被测者第七颈椎节到脚底面距离(c+z₂)、被测者颈椎最大弯曲角α。

2045：被测者保持姿势一状态，平躺于刚性板上，读取前机械秤示数F₁；在姿势一的基础上变为姿势二，读取前体重计示数F₁′。

2046：重复步骤2045以获得更多数据。

2047：对量测数据进行处理：

根据人体头部z方向重心计算公式：

利用计算机的线性拟合功能将数据组F₁与F₁′进行一次多项式线性拟合，得出常数项

其中G_头、(c+z₂)、θ、L在步骤2044中可得，夹角θ的测量方法如下：将X光片中的7个颈椎节的首末端点录入电脑中，在x-z坐标系下连成曲线段，取线性拟合出的直线段与z轴所夹锐角作为角度θ。以测量本组拍摄的X光片为例，其结果显示为75°；

故经过计算可得出头部z方向的重心相对于人体后脚跟的距离δ。

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种人体重心和头部重心测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

在平整地面上放置两个相同规格的机械秤，并在两个机械秤的中心线上搭设刚性板；

建立人体坐标系，以人挺直身躯平视前方时视线的方向为x方向，以竖直方向为z方向，将人体视作左右对称的实体，不考虑y方向的重心位置；

结合头部重量占比和实际测量情况，得到头部质量和重量；

测量人体重心位置：被测试者笔直站立或平躺于刚性板的中轴线上，改变其作用位置，读出不同位置下的两个秤的示数；

测量头部重心位置：被测试者笔直站立或平躺于刚性板的中轴线上，改变头部的空间位置，读出不同位置下的两个秤的示数；

分别列出直立和平躺状态下的平衡方程，带入记录的示数并通过方程组联立和线性拟合求解，得出重心位置；

对人体x方向重心计算所需数据进行测量的方法包括：

2011、将两机械秤放于所建坐标系z轴上；

2012、放置刚性板后将两机械秤示数调零；

2013、测量前后机械秤几何中心间的距离与刚性板后端到机械秤几何中心距离；

2014、被测者变换距前端机械秤距离，进行若干次测量，记录前端机械秤示数及脚后跟到刚性板后端距离；

2015、对测量数据进行处理；

对人体z方向重心计算所需数据进行测量的方法包括：

2021、将两机械秤放于所建坐标系x轴上；

2022、放置刚性板后将两机械秤示数调零；

2023、测量前后机械秤几何中心间的距离、刚性板后端到机械秤几何中心距离；

2024、被测者躺于刚性板上，变换距前端机械秤距离，进行若干次测量，记录前端机械秤示数及脚后跟到刚性板后端距离；

2025、对量测数据进行处理；

对人体头部x方向的重心计算所需数据进行测量的方法包括：

2031、预先获取人体头部重量所需参数；

2032、将两机械秤放于所建坐标系x轴上；

2033、放置刚性板后将两机械秤示数调零；

2034、测量前后机械秤几何中心间的距离；

2035、被测者站于刚性板上，保持姿势一，读取前机械秤示数，随后变为姿势二，量测姿势二时头部x方向相对于脚后跟距离，并保持不变，读取前机械秤示数；该步中姿势一为人保持平视前方，身体直立；姿势二为人体姿势一的基础上头部逆时针旋转九十度，身体保持直立；

2036、重复步骤2035以获得更多数据；

2037、对量测数据进行处理：

对人体头部z方向的重心计算所需数据进行测量的方法包括：

2041、预先获取人体头部重量所需参数；

2042、将两机械秤放于所建坐标系z轴上；

2043、放置刚性板后将两机械秤示数调零；

2044、测量前后机械秤几何中心间的距离、被测者第七颈椎节到脚底面距离、被测者颈椎最大弯曲角；

2045、被测者保持姿势一状态，平躺于刚性板上，读取前机械秤示数；在姿势一的基础上变为姿势二，读取前机械秤示数；姿势一为人保持平视状态，身体平躺于平刚性板上；姿势二为人体头部在姿势一的基础上抬头至颈部弯曲最大为止，身体保持平躺；

2046、重复步骤2045以获得更多数据；

2047、对量测数据进行处理。

2.根据权利要求1所述一种人体重心和头部重心测量方法，其特征在于，对人体重心位置的测量具体步骤为：

根据公式(1)计算人体x方向的重心相对于人体后脚跟的距离α

其中，F₁为前端机械秤示数，d为脚后跟到刚性板后端距离，l₀为刚性板后端到机械秤几何中心距离，α为人体x方向重心相对于脚后跟距离，G为整个人所受重力，L为前后机械秤几何中心间的距离；

将公式(1)转化为方便线性拟合计算的形式

根据公式(3)计算人体z方向的重心相对于人体脚后跟的距离β

其中，F₂为后端机械秤示数，d为脚后跟到刚性板后端距离，l₀为刚性板后端到机械秤几何中心的距离，β为人体z方向重心相对于人体脚后跟的距离，G为人体所受重力，L为前后机械秤几何中心间的距离；

将所述公式(3)转化为方便线性拟合计算的形式

对头部重心位置的测量具体为：计算头部x方向的重心相对于人体后脚跟的距离γ；

对头部x方向重心的确定包括两种姿势：

姿势一：人保持平视前方，身体直立，得：

F₁L-G_身(α+d₁)-G_头(γ+d₁)＝0 (5)

姿势二：人体姿势一的基础上头部逆时针旋转九十度，身体保持直立，得：

F₁′L-G_身(α′+d₁)-G_头(γ′+d₁)＝0 (6)

联立式(5)-(6)得头部x方向的重心相对于人体后脚跟的距离γ计算式：

其中，F₁为姿势一时前端机械秤示数，F₁′为姿势二时前端机械秤示数，d₁脚后跟到后端机械秤几何中心间距离，γ为姿势一时头部重心x方向相对于脚后跟距离，γ′为姿势二时头部重心x方向相对于脚后跟距离，G_身为身体部分重力，G_头为头部重力，L为前后机械秤几何中心间的距离，α’为身体部分重心x方向重心相对于脚后跟距离；

将所述公式(7)转化为方便线性拟合计算的形式

计算头部z方向的重心相对于人体后脚跟的距离δ；对头部z方向重心的确定包括两种姿势：

姿势一：人保持平视状态，身体平躺于平刚性板上，得：

F₁L-G_身z₂+G_头z₁＝0 (9)

姿势二：人体头部在姿势一的基础上抬头至颈部弯曲最大为止，身体保持平躺，得：

F₁′L-G_身z₂+G_头z₁cosθ＝0 (10)

联立式(9)-(10)得头部z方向的重心相对于人体后脚跟的距离δ计算式：

其中，z₁为头部z方向重心至颈部转动轴即第七颈椎节下节点的距离，z₂为z方向颈部转动轴即第七颈椎节下节点至身体部分重心间的距离，c为身体部分z方向重心至人体脚后跟距离，G_头为头部重力，G_身为身体部分重力，G_刚性板为平面刚性板重力，θ为人弯曲头颅至颈部弯曲最大时颈椎所在直线与弯曲前颈椎平直状态的夹角，F₁为姿势一时前端机械秤示数，F₁′为姿势二时前端机械秤示数，d为脚后跟到刚性板后端距离，L为前后机械秤几何中心间的距离；δ为头部z方向的重心与人体后脚跟间的距离；

将公式(7)转化为方便线性拟合计算的形式

基于计算机的线性拟合功能和方程组的联立求解实现对待定系数的确定，求得欲求值α，β，γ，δ。

3.根据权利要求2所述一种人体重心和头部重心测量方法，其特征在于，夹角θ的测量方法如下：将X光片中的7个颈椎节的首末端点录入计算机中，在x-z坐标系下连成曲线段，取线性拟合出的直线段与z轴所夹锐角作为角度θ。

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