CN111637959A - 一种人体各部分质心位置及质量的测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种人体各部分质心位置及质量的测试方法,使用基于单侧杠杆原理的电子测量台,人体设置电子测量台上的人体参考位置,脚部位置与参考原点位置重合,当电子测量台显示的力矩与躺在上面的人体产生的力矩相等时,杠杆保持平衡的原理计算人体各部分质心位置及质量。本发明一种人体各部分质心位置及质量的测试方法,满足现阶段测试人体质心位置及各部分质量测试的需要,为国内碰撞假人的开发提供大量的数据基础,具有费用低,测试效果准确以及操作便捷的特点。
Description
技术领域
本发明属于检测技术领域,尤其是涉及一种人体各部分质心位置及质量的测试方法。
背景技术
随着汽车工业的快速发展,人均拥有量逐步攀升,交通事故逐年增多。为进一步提升汽车安全,各种用来进行测试的仿生设备逐渐出现,通过测试仿生设备相应的响应参数,可以对汽车的安全性能进行评估。仿生设备需要具有真实生物的物理特性,其各部分的质心位置与质量需要与真实生物对应,这对测试结果起着关键作用。碰撞假人是测试车辆安全性重要的仿生设备,碰撞假人各部分零件的质心与质量需要和真实人体的质心、质量相对应,以保证试验测试的准确性。因此如何快速简单的获取人体各部分质心及质量显得尤为重要。
目前,国内测人体质心坐标测量原理有悬挂法、质量矩守恒法等,基于这些原理中国专利CN209236153U公开了一种人体质心平衡力测试平台,中国专利CN108874146A公开了一种应用于虚拟现实系统中的运动人体质心位移计算方法,但这些方法主要是测量整个人体的质心位置,并不能测出人体各部分质心的位置关系以及人体各部分的质量,且国内目前没有成熟的方法去进行相关测试。国外公开了一种利用浸润方式测量假人各部分质心与质量的方法,能够测量出所需数据。但这种方式操作复杂,计算繁琐,时间周期长,容易出错,导致数据不合理。因此国内迫切需要找到一种能够定位人体各部分质心与质量的方法,并且不需要使用昂贵复杂的设备和费时费力的仪器。
发明内容
有鉴于此,本发明旨在提出一种人体各部分质心位置及质量的测试方法,满足现阶段测试人体质心位置及各部分质量测试的需要,为国内碰撞假人的开发提供大量的数据基础,具有费用低,测试效果准确以及操作便捷的特点。
为达到上述目的,本发明的技术方案是这样实现的:
一种人体各部分质心位置及质量的测试方法,包括:
步骤1:使用基于单侧杠杆原理的电子测量台,人体设置电子测量台上的人体参考位置,脚部位置与参考原点位置重合,当电子测量台显示的力矩与躺在上面的人体产生的力矩相等时,杠杆保持平衡,此时人体质心到电子测量台的参考原点距离r,由如下计算公式得出:
M人=Gr,M台=Rx,M人=M台,r=Rx/G;
其中:M人是人体重量产生的力矩,G人体质量,r是人体质心到电子测量台的参考原点距离,M台是电子测量台对应的力矩,R是电子测量台为平衡人体力矩施加的力,x为施加力距离参考原点的固定距离;
步骤2:根据人体的基本结构,将人体分为五个部分,分别为:头颈部、躯干、手臂、大腿及小腿和脚,人体总的力矩与人体各部分的力矩之和相等,获得力矩平衡方程如下:
其中GT是人体重量,XT是人体质心到电子测量台的参考原点距离,g为重力加速度,m1,m2,m3,m4,m5分别代表头颈部、躯干、手臂、大腿及小腿和脚质量,x1、x2、x3、x4、x5分别为头颈部、躯干、手臂、大腿及小腿和脚质心位置;
步骤3:测量平躺状态下人体各部分的长度,每一部分包括远端坐标值和近端坐标值,同一个身体部分距离参考原点近的是近端坐标值,距离参考原点远的是远端坐标值;
人体各部分的长度如下:
小腿和脚长度:L小腿脚=X小腿脚远端;
大腿长度:L大腿=X大腿远端-X大腿近端;
手臂长度:L手臂=X手臂远端-X手臂近端;
躯干长度:L躯干=X躯干远端-X躯干近端;
头颈部长度:L头=X头远端-X颈近端;
设定质心保持在各自轴段中间距离,则人体各个部分的质心位置如下:
小腿和脚的质心位置:x5=L小腿脚/2;
大腿的质心位置:x4=X大腿近端+L大腿/2;
手臂的质心位置:x2=X手臂近端+L手/2;
躯干的质心位置:x3=X躯干近端+L躯干/2;
头颈部的质心位置:x1=X颈近端+L头颈/2;
步骤4:计算头颈部的质量方法如下:
其中GT是人体重量,XT是人体质心到电子测量台的参考原点原始距离,x1是步骤3中得出的原始质心位置,可以计算得出头颈部质量m1;
计算手臂的质量方法如下:
其中GT是人体重量,XT是人体质心到电子测量台的参考原点原始距离,x2是步骤3中得出的手臂原始质心位置,可以计算得出手臂质量m2;
计算躯干的质量方法如下:
将人体上身竖直坐起,手臂水平向前伸出,其余身体部位保持原有位置,用卷尺和角度尺测量出躯干质心变化位置为手臂的质心变化位置头颈部质心变化位置用步骤1中公式计算人体质心到电子测量台的参考原点变化位置结合步骤2中的力矩平衡方程得到如下计算公式:
其中GT是人体重量,XT是人体质心到电子测量台的参考原点原始距离,x1是步骤3中得出的头颈部原始质心位置,x2是步骤3中得出的手臂原始质心位置,x3是步骤3中得出的躯干原始质心位置,头颈部质量m1及手臂质量m2已得出,可以计算得出躯干的质量m3;
计算小腿和脚及大腿的质量方法如下:
首先,人体面部向上,大腿屈膝向上,其余身体部位保持原有位置,用卷尺和角度尺测量出大腿质心变化位置为小腿和脚质心变化位置用步骤1中公式计算人体质心到电子测量台的参考原点变化位置结合步骤2中的力矩平衡方程得到如下计算公式:
其中GT是人体重量,XT是人体质心到电子测量台的参考原点原始距离,x4是步骤3中得出的大腿原始质心位置,x5是步骤3中得出的小腿和脚原始质心位置;
其次,人体面部向下,向后弯曲小腿和脚,其余身体部位保持原有位置,用卷尺和角度尺测量出大腿质心变化位置为小腿和脚质心变化位置用步骤1中公式计算人体质心到电子测量台的参考原点变化位置结合步骤2中的力矩平衡方程得到如下计算公式:
其中GT是人体重量,XT是人体质心到电子测量台的参考原点原始距离,x4是步骤3中得出的大腿原始质心位置,x5是步骤3中得出的小腿和脚原始质心位置;
由上述两个计算公式合并,得到小腿和脚的质量m5及大腿的质量m4。
相对于现有技术,本发明一种人体各部分质心位置及质量的测试方法,具有以下优势:
本发明一种人体各部分质心位置及质量的测试方法,配合使用满足现阶段测试人体质心位置及各部分质量测试的需要,为国内碰撞假人的开发提供大量的数据基础,具有费用低,测试效果准确以及操作便捷的特点。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解,本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明,并不构成对本发明的不当限定。
在附图中:
图1为本发明实施例一种人体各部分质心位置及质量的测试方法人体参考位置示意图;
图2为本发明实施例一种人体各部分质心位置及质量的测试方法计算头颈部示意图;
图3为本发明实施例一种人体各部分质心位置及质量的测试方法计算手臂示意图;
图4为本发明实施例一种人体各部分质心位置及质量的测试方法计算躯干示意图;
图5为本发明实施例一种人体各部分质心位置及质量的测试方法计算小腿和脚及大腿第一示意图;
图6为本发明实施例一种人体各部分质心位置及质量的测试方法计算小腿和脚及大腿第二示意图。
附图标记说明:
1-人体参考位置;2-电子测量台;3-参考原点;4-小腿和脚;5-大腿;6-手臂;7-躯干;8-头颈部。
具体实施方式
需要说明的是,在不冲突的情况下,本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中,需要理解的是,术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。此外,术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中,除非另有说明,“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1-6所示,一种人体各部分质心位置及质量的测试方法,包括:
步骤1:使用基于单侧杠杆原理的电子测量台2,人体设置电子测量台2上的人体参考位置1,脚部位置与参考原点3位置重合,当电子测量台2显示的力矩与躺在上面的人体产生的力矩相等时,杠杆保持平衡,此时人体质心到电子测量台2的参考原点3距离r,由如下计算公式得出:
M人=Gr,M台=Rx,M人=M台,r=Rx/G;
其中:M人是人体重量产生的力矩,G人体质量,r是人体质心到电子测量台2的参考原点3距离,M台是电子测量台2对应的力矩,R是电子测量台2为平衡人体力矩施加的力,x为施加力距离参考原点3的固定距离;
步骤2:根据人体的基本结构,将人体分为五个部分,分别为:头颈部8、躯干7、手臂6、大腿5及小腿和脚4,人体总的力矩与人体各部分的力矩之和相等,获得力矩平衡方程如下:
其中GT是人体重量,XT是人体质心到电子测量台2的参考原点3距离,g为重力加速度,m1,m2,m3,m4,m5分别代表头颈部8、躯干7、手臂6、大腿5及小腿和脚4质量,x1、x2、x3、x4、x5分别为头颈部8、躯干7、手臂6、大腿5及小腿和脚4质心位置;
步骤3:测量平躺状态下人体各部分的长度,每一部分包括远端坐标值和近端坐标值,同一个身体部分距离参考原点3近的是近端坐标值,距离参考原点3远的是远端坐标值;
人体各部分的长度如下:
小腿和脚4长度:L小腿脚=X小腿脚远端;
大腿5长度:L大腿=X大腿远端-X大腿近端;
手臂6长度:L手臂=X手臂远端-X手臂近端;
躯干7长度:L躯干=X躯干远端-X躯干近端;
头颈部8长度:L头=X头远端-X颈近端;
设定质心保持在各自轴段中间距离,则人体各个部分的质心位置如下:
小腿和脚4的质心位置:x5=L小腿脚/2;
大腿5的质心位置:x4=X大腿近端+L大腿/2;
手臂6的质心位置:x2=X手臂近端+L手/2;
躯干7的质心位置:x3=X躯干近端+L躯干/2;
头颈部8的质心位置:x1=X颈近端+L头颈/2;
步骤4:计算头颈部8的质量方法如下:
其中GT是人体重量,XT是人体质心到电子测量台2的参考原点3原始距离,x1是步骤3中得出的原始质心位置,可以计算得出头颈部8质量m1;
计算手臂6的质量方法如下:
其中GT是人体重量,XT是人体质心到电子测量台2的参考原点3原始距离,x2是步骤3中得出的手臂6原始质心位置,可以计算得出手臂6质量m2;
计算躯干7的质量方法如下:
将人体上身竖直坐起,手臂6水平向前伸出,其余身体部位保持原有位置,用卷尺和角度尺测量出躯干7质心变化位置为手臂6的质心变化位置头颈部8质心变化位置用步骤1中公式计算人体质心到电子测量台2的参考原点3变化位置结合步骤2中的力矩平衡方程得到如下计算公式:
其中GT是人体重量,XT是人体质心到电子测量台2的参考原点3原始距离,x1是步骤3中得出的头颈部8原始质心位置,x2是步骤3中得出的手臂6原始质心位置,x3是步骤3中得出的躯干7原始质心位置,头颈部8质量m1及手臂6质量m2已得出,可以计算得出躯干7的质量m3;
计算小腿和脚4及大腿5的质量方法如下:
首先,人体面部向上,大腿5屈膝向上,其余身体部位保持原有位置,用卷尺和角度尺测量出大腿5质心变化位置为小腿和脚4质心变化位置用步骤1中公式计算人体质心到电子测量台2的参考原点3变化位置结合步骤2中的力矩平衡方程得到如下计算公式:
其中GT是人体重量,XT是人体质心到电子测量台2的参考原点3原始距离,x4是步骤3中得出的大腿5原始质心位置,x5是步骤3中得出的小腿和脚4原始质心位置;
其次,人体面部向下,向后弯曲小腿和脚4,其余身体部位保持原有位置,用卷尺和角度尺测量出大腿5质心变化位置为小腿和脚4质心变化位置用步骤1中公式计算人体质心到电子测量台2的参考原点3变化位置结合步骤2中的力矩平衡方程得到如下计算公式:
其中GT是人体重量,XT是人体质心到电子测量台2的参考原点3原始距离,x4是步骤3中得出的大腿5原始质心位置,x5是步骤3中得出的小腿和脚4原始质心位置;
由上述两个计算公式合并,得到小腿和脚4的质量m5及大腿5的质量m4。
如图1所示,在本发明的一个实施例中,G人体质量为784N,电子测量台2为平衡人体力矩施加的力是392N,施加力距离参考原点3的固定距离x是2.4m,最终根据本方法步骤1计算人体质心到电子测量台2的参考原点3距离r是1.2m。
进一步,根据步骤2-3得出的人体各部分的长度如下:
L小腿脚=X小腿脚远端=0.48m
L大腿=X大腿远端-X大腿近端=0.42m
L手臂=X手臂远端-X手臂近端=0.72m
L躯干=X躯干远端-X躯干近端=0.66m
L头=X头远端-X颈近端=0.34m
人体各个部分的质心如下:
x1=X颈近端+L头颈/2=1.79m
X2=X手臂近端+L手/2=1.1m
X3=X躯干近端+L躯干/2=1.23m
x4=X大腿近端+L大腿/2=0.69m
x5=L小腿脚/2=0.24m
如图2所示,计算头颈部8的质量:
784(1.2-1.16)=m1g(1.79-1.69);
求出m1=3.2kg。
如图3所示,计算手臂6的质量:
784(1.2-1.25)=m1g(1.1-1.38)
求出m2=14.2kg。
如图4所示,计算躯干7的质量:
784(1.2-0.95)=m1g(1.79-0.91)+m2g(1.1-0.71)+m3g(1.23-0.97)
求出m3=31.7kg。
如图5-6所示,计算小腿和脚4及大腿5的质量:
784(1.2-1.343)=m4g(0.69-0.98)+m5g(0.24-0.73);
784(1.2-1.346)=m4g(0.69-0.96)+m5g(0.24-0.74);
求出m4=17.7kg,m5=12.4kg。
以上仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种人体各部分质心位置及质量的测试方法,其特征在于:包括:
步骤1:使用基于单侧杠杆原理的电子测量台(2),人体设置电子测量台(2)上的人体参考位置(1),脚部位置与参考原点(3)位置重合,当电子测量台(2)显示的力矩与躺在上面的人体产生的力矩相等时,杠杆保持平衡,此时人体质心到电子测量台(2)的参考原点(3)距离r,由如下计算公式得出:
M人=Gr,M台=Rx,M人=M台,r=Rx/G;
其中:M人是人体重量产生的力矩,G人体质量,r是人体质心到电子测量台(2)的参考原点(3)距离,M台是电子测量台(2)对应的力矩,R是电子测量台(2)为平衡人体力矩施加的力,x为施加力距离参考原点(3)的固定距离;
步骤2:根据人体的基本结构,将人体分为五个部分,分别为:头颈部(8)、躯干(7)、手臂(6)、大腿(5)及小腿和脚(4),人体总的力矩与人体各部分的力矩之和相等,获得力矩平衡方程如下:
其中GT是人体重量,XT是人体质心到电子测量台(2)的参考原点(3)距离,g为重力加速度,m1,m2,m3,m4,m5分别代表头颈部(8)、躯干(7)、手臂(6)、大腿(5)及小腿和脚(4)质量,x1、x2、x3、x4、x5分别为头颈部(8)、躯干(7)、手臂(6)、大腿(5)及小腿和脚(4)质心位置;
步骤3:测量平躺状态下人体各部分的长度,每一部分包括远端坐标值和近端坐标值,同一个身体部分距离参考原点(3)近的是近端坐标值,距离参考原点(3)远的是远端坐标值;
人体各部分的长度如下:
小腿和脚(4)长度:L小腿脚=X小腿脚远端;
大腿(5)长度:L大腿=X大腿远端-X大腿近端;
手臂(6)长度:L手臂=X手臂远端-X手臂近端;
躯干(7)长度:L躯干=X躯干远端-X躯干近端;
头颈部(8)长度:L头=X头远端-X颈近端;
设定质心保持在各自轴段中间距离,则人体各个部分的质心位置如下:
小腿和脚(4)的质心位置:x5=L小腿脚/2;
大腿(5)的质心位置:x4=X大腿近端+L大腿/2;
手臂(6)的质心位置:x2=X手臂近端+L手/2;
躯干(7)的质心位置:x3=X躯干近端+L躯干/2;
头颈部(8)的质心位置:x1=X颈近端+L头颈/2;
步骤4:计算头颈部(8)的质量方法如下:
将头颈部(8)抬起倾斜,其余身体部位保持原有位置,用卷尺和角度尺测量出头颈部(8)质心变化位置用步骤1中公式计算人体质心到电子测量台(2)的参考原点(3)变化位置结合步骤2中的力矩平衡方程得到如下计算公式:
其中GT是人体重量,XT是人体质心到电子测量台(2)的参考原点(3)原始距离,x1是步骤3中得出的原始质心位置,可以计算得出头颈部(8)质量m1;
计算手臂(6)的质量方法如下:
将手臂(6)向上竖直伸出,其余身体部位保持原有位置,用卷尺和角度尺测量出手臂(6)质心变化位置用步骤1中公式计算人体质心到电子测量台(2)的参考原点(3)变化位置结合步骤2中的力矩平衡方程得到如下计算公式:
其中GT是人体重量,XT是人体质心到电子测量台(2)的参考原点(3)原始距离,x2是步骤3中得出的手臂(6)原始质心位置,可以计算得出手臂(6)质量m2;
计算躯干(7)的质量方法如下:
将人体上身竖直坐起,手臂(6)水平向前伸出,其余身体部位保持原有位置,用卷尺和角度尺测量出躯干(7)质心变化位置为手臂(6)的质心变化位置头颈部(8)质心变化位置用步骤1中公式计算人体质心到电子测量台(2)的参考原点(3)变化位置结合步骤2中的力矩平衡方程得到如下计算公式:
其中GT是人体重量,XT是人体质心到电子测量台(2)的参考原点(3)原始距离,x1是步骤3中得出的头颈部(8)原始质心位置,x2是步骤3中得出的手臂(6)原始质心位置,x3是步骤3中得出的躯干(7)原始质心位置,头颈部(8)质量m1及手臂(6)质量m2已得出,可以计算得出躯干(7)的质量m3;
计算小腿和脚(4)及大腿(5)的质量方法如下:
首先,人体面部向上,大腿(5)屈膝向上,其余身体部位保持原有位置,用卷尺和角度尺测量出大腿(5)质心变化位置为小腿和脚(4)质心变化位置用步骤1中公式计算人体质心到电子测量台(2)的参考原点(3)变化位置结合步骤2中的力矩平衡方程得到如下计算公式:
其中GT是人体重量,XT是人体质心到电子测量台(2)的参考原点(3)原始距离,x4是步骤3中得出的大腿(5)原始质心位置,x5是步骤3中得出的小腿和脚(4)原始质心位置;
其次,人体面部向下,向后弯曲小腿和脚(4),其余身体部位保持原有位置,用卷尺和角度尺测量出大腿(5)质心变化位置为小腿和脚(4)质心变化位置用步骤1中公式计算人体质心到电子测量台(2)的参考原点(3)变化位置结合步骤2中的力矩平衡方程得到如下计算公式:
其中GT是人体重量,XT是人体质心到电子测量台(2)的参考原点(3)原始距离,x4是步骤3中得出的大腿(5)原始质心位置,x5是步骤3中得出的小腿和脚(4)原始质心位置;
由上述两个计算公式合并,得到小腿和脚(4)的质量m5及大腿(5)的质量m4。
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