CN111781125B - 用于儿童口罩测试的智能类人头模及儿童口罩测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于儿童口罩测试的智能类人头模及儿童口罩测试方法，该智能类人头模包括头模外套、头模内壳、控制箱、设置于头模内壳内部的摇头机构、点头机构、口部开合机构、鼻腔软管和口腔软管；所述控制箱控制所述类人头模在口罩测试仪内完成摇头运动、点头运动以及口部张合运动，完成对儿童口罩的检测；本发明克服了现有技术中各个动作机构设计不完善导致的累计误差大、空间占据过多、运动过程易出现振动的缺陷；以及控制系统后期维护困难、无法实时反馈角度信息的缺陷；提高了运动机构的运动精度，减少空间占用，合理布置口鼻腔体导管，角度传感器实现运动过程中角度信息的实时反馈。

Description

用于儿童口罩测试的智能类人头模及儿童口罩测试方法

技术领域

本发明涉及智能类人头模技术领域，特别是涉及一种用于测试儿童口罩吸气阻力、呼气阻力与防护效果的智能类人头模及儿童口罩测试方法。

背景技术

测试儿童口罩吸气阻力、呼气阻力是非常必要的。现有的儿童口罩测试用头模模拟运动动作的机械结构通常采用平面连杆机构实现，即其点头机构与口部开合机构的运动采用平面连杆机构实现。这类平面连杆机构的构件与运动副数目多，累计误差大，降低了机构的运动精度；同时，此类连杆机构占据头模内腔的空间资源过多，导致布置口鼻腔体导管困难；机构中作平面往复运动的构件所产生的惯性力难以平衡，运动时容易出现振动。同时，其摇头机构的齿轮减速采用一级减速方案，从动轮的径向尺寸过大，占据头模颈部过多的空间资源。此外，现有的儿童口罩测试用头模的控制系统包埋于底座内部，不便于后期控制系统的固件升级与维护，同时这也占据底座过多的空间资源。且由于其头模内部没有布置角度传感器，控制系统无法实时反馈头模当前动作的角度信息。

发明内容

为了克服现有技术中模拟运动动作的机械结构与控制系统设计的不完善导致的累计误差大、空间资源占据过多、运动过程容易出现振动、控制系统后期维护困难、无法实时反馈角度信息等缺陷，本发明采用直流减速电机与舵机方案实现点头机构、摇头机构与下巴开合机构的动作，减少空间资源占用情况，以便合理布置口鼻腔体导管，通过角度传感器实现运动过程中角度信息的实时反馈。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种用于儿童口罩测试的智能类人头模，包括头模本体和控制箱(5)；所述头模本体包括头模外套(11)、头模内壳、摇头机构、点头机构、口部开合机构、底板(16)、底盒(17)、鼻腔软管(34)和口腔软管(33)；所述摇头机构、点头机构以及口部开合机构均设置于头模内壳的内部腔体，所述头模内壳设置在底盒(17)上；所述头模外套(11)和头模内壳的外形均仿人类头部、颈部和胸部的外形；所述头模外套(11)套在所述头模内壳外表面并弹性贴合；所述头模内壳包括头部内壳(12)、下巴内壳(13)和胸腔内壳(14)，所述头部内壳(12)、下巴内壳(13)和胸腔内壳(14)均为中空结构；

所述头部内壳(12)双耳位置设置有耳朵形状的耳孔(18)，所述头部内壳(12)内部穿过两个耳孔(18)的下沿所在平面设置有“井”字形板(221)，所述“井”字形板(221)与头部内壳(12)的内侧固定连接；所述“井”字形板(221)下表面且靠近后脑两侧对称设置有竖直向下延伸的第一条状板(2221)和第二条状板(2222)，所述第一条状板(2221)和第二条状板(2222)之间固定有横板(223)，所述第一条状板(2221)和所述第二条状板(2222)以及所述横板(223)上设置有多个螺纹孔(2231)；位于所述头部内壳(12)后脑位置的所述“井”字形板(221)边沿固定设置有鼻腔引导管(32)和口腔引导管(31)；所述鼻腔引导管(32)的一端和口腔引导管(31)的一端均位于所述横板(223)的后方并向下延伸至所述第一条状板(2221)和所述第二条状板(2222)之间；所述鼻腔引导管(32)的另一端穿过于所述“井”字形板(221)的中空部位向上弯曲延伸至位于所述“井”字形板(221)边沿的所述头模内壳鼻腔方向；所述口腔引导管(31)的另一端穿过于所述“井”字形板(221)的中空部位向上弯曲延伸，再向下穿过于所述“井”字形板(221)的中空部位弯曲延伸至所述头模内壳口腔方向；

所述摇头机构包括摇头电机(29)、摇头旋转板(26)、中位传感器(27)、右限位开关(281)、左限位开关(282)；所述摇头电机(29)固定在底板(16)下方，摇头电机(29)的输出轴伸入到第一法兰(291)的轴内并与第一法兰(291)的轴焊接，所述第一法兰(291)的圆盘穿过所述底板(16)上的通孔与所述摇头旋转板(26)固定连接；在所述底板(16)上沿着所述摇头旋转板(26)的轴线且位于所述头模本体后脑正后方位置安装有所述中位传感器(27)；在所述底板(16)上位于所述摇头旋转板(26)的轴线左侧位置安装有所述左限位开关(282)，在所述底板(16)上位于所述摇头旋转板(26)的轴线右侧位置安装有所述右限位开关(281)，所述左限位开关(282)和右限位开关(281)相对于所述摇头旋转板(26)的轴线对称设置；轴线为所述头模本体面部朝正前方时,摇头旋转板(26)的中轴线；

所述点头机构包括点头电机固定座(25)、点头电机(24)、第二法兰(241)和角度传感器(21)，所述点头电机固定座(25)由一个底座和垂直设置在所述底座上表面两侧的两块梯形立板构成；所述点头电机固定座(25)的高度和所述头模本体的高度相适配；所述点头电机固定座(25)的底座固定在所述摇头旋转板(26)上，所述点头电机(24)置于所述点头电机固定座(25)的两块梯形立板之间并与两块梯形立板固定连接，所述点头电机(24)为双轴输出电机，所述点头电机(24)的两个输出轴分别通过第二法兰(241)与所述头部内壳(12)的所述第一条状板(2221)和所述第二条状板(2222)连接；所述角度传感器(21)安装在所述头部内壳(12)的“井”字形板(221)上靠近一侧耳孔处，所述点头电机(24)的两个输出轴和所述“井”字形板(221)平行；

所述口部开合机构包括舵机组件(22)，所述舵机组件(22)包括大U形架(232)、舵机(23)和小U形架(231)；所述大U形架(232)的中部横架与所述头部内壳(12)的横板(223)通过螺栓连接，所述大U形架(232)的两个侧架分别与所述舵机(23)的两个轴通过第三法兰(233)连接，所述小U形架(231)的两侧架与所述舵机(23)两侧通过螺栓连接，所述小U形架的中部横架与所述下巴内壳(13)通过螺栓连接；

所述胸腔内壳(14)固定在底板(16)上；

所述控制箱(5)内设置控制单元，所述控制单元和所述摇头电机(29)、中位传感器(27)、左限位开关(282)、右限位开关(281)、点头电机(24)、舵机(23)、角度传感器(21)均连接。

优选地，所述控制单元包括：相互连接的单片机主控板、电机驱动板；所述单片机主控板输出电机控制信号给所述电机驱动板，所述电机驱动板输出电机驱动信号至所述摇头电机(29)和所述点头电机(24)，驱动它们转动；所述单片机主控板向所述舵机(23)输入控制信号，控制舵机(23)摆动；所述角度传感器(21)、左限位开关(282)和右限位开关(281)向所述单片机主控板输入信号，供所述单片机主控板进行信号采集；所述中位传感器(27)的信号输出端与所述电平转换板的信号输入端连接，所述电平转换板的信号输出端与所述单片机主控板通过信号线连接，供所述单片机主控板采集所述中位传感器的数据；

所述控制箱(5)内还设置供电单元；供电单元包括：开关电源、第一电源降压模块、第二电源降压模块、电源转接板、电平转换板；

所述开关电源的第一输出端分别连接至第一电源降压模块和第二电源降压模块；第一电源降压模块和第二电源降压模块的输出端连接至所述电源转接板；所述开关电源的第二输出端直接连接至所述电源转接板；所述电源转接板的第一输出端分别连接至所述电平转换板、所述单片机主控板、所述电机驱动板；所述电源转接板的第二输出端通过一个转接头固定在控制箱(5)的箱体后表面上，形成所述头模本体电源线接口(55)；所述电平转换板的信号输出端和所述单片机主控板的信号输入端连接；所述电平转换板的信号输入端、所述电机驱动板的信号输出端以及所述单片机主控板的信号输入输出端通过转接头固定在箱体后表面，形成所述头模本体信号线接口(56)；

所述控制箱(5)还包括箱体、嵌入设置在箱体前表面的触控屏幕(51)、紧邻触控屏幕(51)依次上下设置的急停开关(52)和电源开关(53)；所述头模本体电源线接口(55)以及头模本体信号线接口(56)嵌入设置在箱体后表面上；箱体后表面上固定有支撑箱体的夹持支架(58)、箱体两侧面设置有提手(57)。

优选地，所述中位传感器(27)、左限位开关(282)、右限位开关(281)、舵机(23)、角度传感器(21)的电源线集成为一根多芯电源线(531)，多芯电源线(531)穿过所述底板(16)上的导线引导孔(43)，从所述底盒(17)外侧面设置的电源线连接口(171)引出；所述摇头电机(29)、中位传感器(27)、左限位开关(282)、右限位开关(281)、点头电机(24)、舵机(23)、角度传感器(21)的信号线集成为一根多芯信号线(532)，多芯信号线(532)穿过所述底板(16)上的导线引导孔(43)，从所述底盒(17)外侧面设置的信号线连接口(172)引出；所述头模本体的多芯电源线(531)的接头与所述控制箱(5)上的头模本体电源线接口(55)连接，为所述头模本体内部的舵机(23)、角度传感器(21)、左限位开关(282)、右限位开关(281)和中位传感器(27)供电；所述头模本体的多芯信号线(532)的接头与所述控制箱(5)上的头模本体信号线接口(56)连接，实现所述头模本体与控制箱(5)之间的信号传输。

优选地，所述胸腔内壳(14)由对称的左侧胸腔内壳和右侧胸腔内壳组合而成，所述左侧胸腔内壳和右侧胸腔内壳内部均固设有中空立柱，中空立柱下端设有与螺栓配合的阶梯孔；所述胸腔内壳(14)通过螺栓固定在底板(16)上，所述摇头机构和所述点头机构均设置在所述胸腔内壳(14)的内腔；所述底盒(17)横截面形状和大小与所述底板(16)相同，所述底板(16)通过螺栓固定在所述底盒(17)上表面；所述底盒(17)的外侧面设置有电源线连接口(171)、信号线连接口(172)和两个隔板直通安装孔(173，174)，所述底盒(17)内侧面固定设置有两个安装直角弯通的柱体(1751，1752)；所述底板(16)上设置有口腔软管引导孔(41)、鼻腔软管引导孔(42)和导线引导孔(43)。

优选地，所述鼻腔软管(34)穿过安装在所述底盒(17)外侧面的第一隔板直通(174)后，插入安装在所述底盒(17)内侧面的第一直角弯通并从中引出，向上穿过所述底板(16)上的鼻腔软管引导孔(42)后伸入到所述头部内壳(12)的鼻腔引导管(32)中，直到伸出鼻腔引导管(32)插入到所述头模外套(11)鼻梁内部设置的通孔，与所述头模外套(11)上设置的两个鼻孔导通；所述口腔软管(33)穿过安装在所述底盒(17)外侧面的第二隔板直通(173)后，插入安装在底盒(17)内侧面的第二直角弯通后并从中引出，向上穿过所述底板(16)上的口腔软管引导孔(41)后伸入到所述头部内壳(12)的口腔引导管(31)中，直到伸出所述口腔引导管(31)插入所述头模外套(11)口部设置的圆孔。

优选地，所述头模外套(11)具有眼部、鼻部、口部、双耳、颈部和胸部；所述鼻部开有两个鼻孔，沿着鼻梁内部开有通孔，所述两个鼻孔和所述通孔相互导通；所述口部上唇和下唇之间设置有弹性薄膜，所述弹性薄膜中间开设有圆孔；所述头模外套下边沿间隔设置一圈螺栓孔；所述头模外套(11)下边沿向外弯折与所述底板(16)贴合，在所述头模外套(11)下边沿向外弯折部分表面上设置金属压条(15)，通过螺栓连接所述金属压条(15)、头模外套(11)下边沿以及底板(16)，将所述头模外套(11)固定在所述底板(16)上；所述金属压条(15)的轮廓与所述底板(16)的轮廓相同。

优选地，所述头模外套(11)使用弹性硅胶材料，通过模具制作一体成型。

优选地，所述鼻腔引导管(32)的内径大于所述口腔引导管(31)的内径；所述头部内壳(12)头顶内侧和“井”字形板(221)之间还设置有加强立柱(2241，2242)。

优选地，所述点头电机固定座(25)两侧适当位置分别设有螺栓(2511，2512)；当所述头模本体在水平面内做摇头运动时，所述点头电机固定座(25)两侧的螺栓(2511，2512)触碰到左限位开关(282)或者右限位开关(281)，所述头模本体先停止摇头运动，然后开始朝相反方向做摇头运动。

优选地，所述中位传感器(27)包括传感器本体和固定在所述点头电机固定座(25)上的金属感应片；传感器本体安装在所述底板(16)上，沿着所述摇头旋转板(26)的轴线且位于所述头模本体后脑正后方位置；所述传感器本体和所述金属感应片接触向所述单片机主控板发出触发信号，所述单片机主控板控制所述头模本体复位，回到初始位置。

优选地，所述摇头电机(29)、点头电机(24)均为直流减速电机，所述舵机(23)为电动旋转舵机。

优选地，所述摇头机构使所述头模本体在水平面内相对所述摇头旋转板(26)的轴线转动的角度范围为-75°～+75°角；所述点头机构使所述头模本体相对颈部横切面的转动角度范围为-45°～+45°角；所述口部开合机构使下巴相对于上下唇分界面摆动的角度范围为0°～+30°角。

优选地，所述触控屏幕(51)设有指令选项，点击指令选项向所述单片机主控板发送信号，所述单片机主控板控制所述头模本体进行相应的运动，并采集信号。

优选地，所述头部内壳(12)、所述下巴内壳(13)、所述胸腔内壳(14)和所述点头电机固定座(25)均通过3D打印一体成型，所用材料为光敏树脂。

一种用于儿童口罩测试的智能类人头模的儿童口罩测试方法包括：

步骤一、将控制箱(5)的通过夹持支架(58)固定在口罩测试仪外侧，将所述头模本体放在口罩测试仪的测试仓内，给所述头模本体戴上儿童口罩，口腔软管(33)和鼻腔软管(34)连接口罩测试仪内的呼吸模拟器，所述头模本体与控制箱(5)连接好后通电；

步骤二、口罩测试仪的计算机自动测试系统控制测试仓内通入的测试气体的浓度，点击控制箱(5)触控屏幕(51)上的指令，控制所述头模本体在测试仓内按照摇头运动、点头运动和口部张合运动的顺序做周期运动，同时呼吸模拟器工作使所述头模本体模拟儿童在日常状态下的呼吸，口罩测试仪的计算机控制系统控制试验过程，自动采集测试数据，并采用专用测试软件进行数据处理，口罩测试仪的数据存储和显示系统保存、输出、查询、显示测试数据。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明采用直流减速电机与舵机方案代替传统平面连杆机构方案以实现点头机构与下巴开合机构的动作，大大地减缓了头模内腔空间资源占用大的情况，方便口鼻腔体引导管的优化设计与布置，减缓了管道内气体的流动阻力损失情况；由于减少了运动机构的构件与运动副数量，提高了运动机构整体的运动精度，避免了平面连杆机构运动时难以平衡惯性力导致的振动。采用直流减速电机方案代替传统摇头机构的一级减速方案，优化了头模颈部空间资源占用过多的问题。基于模块化设计的理念，将控制系统与头模分离开，方便后期的硬件、固件升级与维护，减少底盒的空间资源占用情况，从而减小底盒模型的体积。通过在头模内部设置角度传感器和中位传感器，实时反馈头模当前动作的角度信息。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图；

图2为本发明头模外套示意图；

图3A为本发明头部内壳的左视立体图；

图3B为本发明头部内壳的右视立体图；

图3C为本发明头部内壳的后视立体图；

图3D为本发明头部内壳的后视图；

图3E为本发明“井”字形板的局部放大图；

图4为本发明头模内壳运动机构结构示意图；

图5为本发明底板的俯视图；

图6A为本发明控制箱的前视图；

图6B为本发明控制箱的后视图；

图7为本发明控制单元和供电单元的结构图；

图8为本发明控制单元的元件连接图；

图中，11-头模外套；12-头部内壳；13-下巴内壳；14-胸腔内壳；15-金属压条；16-底板；17-底盒；18-耳孔；34-鼻腔软管；33-口腔软管；5-控制箱；221-“井”字形板；2221-第一条状板；2222-第二条状板；223-横板；2231-螺纹孔；32-鼻腔引导管；31-口腔引导管；29-摇头电机；26-摇头旋转板；27-中位传感器；281-右限位开关；282-左限位开关；291-第一法兰；25-点头电机固定座；24-点头电机；241-第二法兰；21-角度传感器；22-舵机组件；232-大U形架；23-舵机；231-小U形架；233-第三法兰；171-电源线连接口；172-信号线连接口；173,174-隔板直通安装孔；1751,1752-柱体；41-口腔软管引导孔；42-鼻腔软管引导孔；43-导线引导孔；531-多芯电源线；532-多芯信号线；51-触控屏幕；52-急停开关；53-电源开关；54-电源插头接口；55-头模本体电源线接口；56-头模本体信号线接口；58-夹持支架；57-提手；2241,2242-加强立柱；2511,2512-螺栓。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1-2、图3A-3E、图4-5所示，用于儿童口罩测试的智能类人头模，包括头模本体和控制箱5；所述头模本体包括头模外套11、头模内壳、设置于头模内壳内部的摇头机构和点头机构以及口部开合机构、底板16、底盒17、鼻腔软管34和口腔软管33；所述头模外套11的外形为仿人类头部、颈部和胸部的外形，具有眼部、鼻部、口部、双耳、颈部和胸部，所述鼻部开有两个鼻孔，沿着鼻梁内部开有通孔，所述两个鼻孔和所述通孔相互导通；所述口部上唇和下唇之间设置有弹性薄膜，弹性薄膜中间开设有圆孔；所述通孔的孔径大于圆孔的孔径；所述头模外套下边沿设有一圈螺栓孔。所述头模外套11使用弹性硅胶材料，通过模具制作一体成型。

所述头模内壳的外形为仿人类头部、颈部和胸部的外形，包括头部内壳12、下巴内壳13和胸腔内壳14，所述头部内壳12、下巴内壳13和胸腔内壳14均为中空结构。

所述胸腔内壳14由对称的左侧胸腔内壳和右侧胸腔内壳组合而成，每一侧的胸腔内壳内部均固设有若干条中空立柱，中空立柱下端设有与螺栓配合的阶梯孔；所述中空立柱可以起到固定胸腔内壳的作用和加强支撑胸腔内壳的作用。优选的，所述胸腔内壳通过3D打印一体成型，所用材料为光敏树脂。

所述头部内壳12双耳位置开设有耳朵形状的耳孔18，头部内壳12内部穿过两个耳孔的下沿所在平面设置有井”字形板221，所述“井”字形板221与头部内壳12的内侧固定连接。所述“井”字形板221下表面靠近后脑的两侧对称设置有竖直向下延伸的第一条状板2221和第二条状板2222，所述第一条状板2221和第二条状板2222之间固定有横板223，所述第一条状板2221和所述第二条状板2222以及所述横板223上设置有多个螺纹孔2231；所述“井”字形板221位于所述头部内壳12后脑位置的边沿固定设置有鼻腔引导管32和口腔引导管31；所述鼻腔引导管32和口腔引导管31的一端均位于所述横板223的后方并向下延伸至所述第一条状板2221和所述第二条状板2222之间；

所述鼻腔引导管32的另一端穿过于所述“井”字形板221的中空部位向上弯曲延伸至位于所述“井”字形板221边沿的所述头模内壳鼻腔方向；所述口腔引导管31的另一端穿过于所述“井”字形板221的中空部位向上弯曲延伸，再向下穿过于所述“井”字形板221的中空部位弯曲延伸至所述头模内壳口腔方向；

所述鼻腔引导管32的内径大于所述口腔引导管31的内径；所述头部内壳12头顶内侧和“井”字形板221之间还设置有加强立柱2241,2242。优选的，所述头部内壳12通过3D打印一体成型，所用材料为光敏树脂。

所述摇头机构包括摇头电机29、摇头旋转板26、中位传感器27、右限位开关281、左限位开关282。所述摇头电机29固定在底板16下方，摇头电机29的输出轴伸入到第一法兰291的轴内并与第一法兰的轴焊接，所述第一法兰291的圆盘穿过底板16上的通孔与所述摇头旋转板26通过螺栓固定连接。所述头模本体面部朝正前方时，为初始位置；当头模本体处于所述初始位置时，在所述底板16上沿着所述摇头旋转板26的轴线且位于所述头模本体后脑正后方位置安装有所述中位传感器27；在所述底板16上位于所述摇头旋转板26的轴线左侧位置安装有所述左限位开关282，在所述底板16上位于所述摇头旋转板26的轴线右侧位置安装有所述右限位开关281，所述左限位开关282和右限位开关281相对于摇头旋转板26的轴线对称设置；其具体位置可以根据左右摇头的角度范围进行相应的设置；当头模本体做摇头运动时，触碰到左限位开关282或者右限位开关281时，先停止摇头运动，然后开始朝相反方向做摇头运动，直到回到初始位置。

所述点头机构包括点头电机固定座25、点头电机24、第二法兰241、角度传感器21，所述点头电机固定座25由一个底座和垂直设置在底座上表面两侧的两块梯形立板构成；点头电机固定座25的高度与头模本体的高度相适配。优选的，所述点头电机固定座25通过3D打印一体成型。所述点头电机固定座25的底座通过螺栓固定在所述摇头旋转板26上，所述点头电机24置于点头电机固定座25的两块梯形立板之间并与两块梯形立板通过螺栓固定连接，所述点头电机24为双轴输出电机，点头电机24的两个输出轴均通过第二法兰241与所述头部内壳12的第一条状板2221和第二条状板2222连接。所述角度传感器21安装在头部内壳12的“井”字形横板上靠近一侧耳孔处，所述“井”字形板221和所述角度传感器21与所述点头电机24的两个输出轴所在直线平行。

进一步地，在所述点头电机固定座25两侧适当位置分别设有螺栓2511，2512；当头模本体在水平面内做摇头运动时，点头电机固定座25两侧的螺栓2511，2512触碰到左限位开关282或者右限位开关281，则头模本体先停止摇头运动，然后开始朝相反方向做摇头运动，直到回到初始位置。

所述中位传感器27包括安装在所述底板16上沿着所述摇头旋转板26的轴线位于所述头模本体后脑正后方位置的传感器本体和固定在所述点头电机固定座25上的金属感应片；所述传感器本体和所述金属感应片接触向所述STM32单片机主控板发出触发信号，所述STM32单片机主控板控制所述类人头模复位，回到初始位置。

所述口部张合机构包括舵机组件22，舵机组件22包括大U形架232，舵机23，小U形架231，所述大U形架232的中部横架与所述头部内壳12的横板223通过螺栓连接，所述大U形架232的两个侧架分别与舵机23的两个轴通过第三法兰233连接，所述小U形架231的两侧架和舵机两侧通过螺栓固定连接，所述小U形架231的中部横架与下巴内壳13通过螺栓固定连接。

所述摇头机构使头模本体在水平面内相对摇头旋转板26的轴线转动的角度范围为-75°～+75°角，也可以根据实际检测需求相应设置头模的摇头角度范围。所述点头机构使头模本体相对颈部横切面的转动角度范围为-45°～+45°角，也可以根据实际检测需求相应设置头模的点头角度。口部开合机构使下巴相对于上下唇分界面摆动的角度范围为0°～+30°角。也可以根据实际检测需求相应设置头模的口部开合角度。

所述摇头电机29、点头电机24均为直流减速电机，所述舵机23为电动旋转舵机。

设置于所述头模内壳内部的所述摇头机构和点头机构以及口部开合机构安装完成后，所述头部内壳12、下巴内壳13也相应的组装好了头部。将左侧胸腔内壳和右侧胸腔内壳放置在所述底板16上，将螺栓放入到左右两侧胸腔内壳的中空立柱底端的阶梯孔内，将左右两侧胸腔内壳固定安装在所述底板16上，左右两侧的胸腔内壳将所述摇头机构和所述点头机构包围起来。所述底板16上设置有若干个孔径大小不同的通孔，具体孔的根据安装需求设置；所述底板16的形状与胸腔横截面形状相同，并按照胸腔横截面的形状放大适当比例设置。

将所述头模外套11套在所述头模内壳上，所述头模外套11与头模内壳紧密贴合，弹性良好，可以随着头模内壳的运动保持同步运动。所述头模外套11下边沿向外弯折与所述底板16贴合，在所述头模外套11下边沿与所述底板16贴合的面上设置金属压条15，通过螺栓连接金属压条15和头模外套11下边沿以及底板16，将所述头模外套11固定在所述底板16上；所述金属压条15的轮廓与所述底板16的轮廓相同。

所述底盒17横截面形状和大小与所述底板16相同，所述底板16通过螺栓固定在所述底盒17上表面；所述底盒17的外侧面设置有电源线连接口171、信号线连接口172和两个隔板直通安装孔173，174，所述底盒17内侧面固定设置有两个安装直角弯通的柱体1751，1752。所述底板16上相应设置有口腔软管引导孔41、鼻腔软管引导孔42和导线引导孔43。

所述鼻腔软管34穿过安装在所述底盒17外侧面的一个隔板直通后，插入安装在底盒17内侧面的一个直角弯通后并从中引出，向上穿过底板16上的鼻腔软管引导孔42后伸入到头部内壳12的鼻腔引导管32中，直到伸出鼻腔引导管32插入头模外套11鼻梁内部设置的通孔，与头外套11上设置的两个鼻孔导通。所述口腔软管33穿过安装在所述底盒17外侧面的另一个隔板直通后，插入安装在底盒17内侧面的另一个直角弯通后并从中引出，向上穿过底板16上的口腔软管引导孔41后伸入到头部内壳12的口腔引导管31中，直到伸出口腔引导管31插入头模外套11口部设置的圆孔。

所述中位传感器27、左限位开关282、右限位开关281、舵机23、角度传感器21的电源线集成为一根多芯电源线531穿过所述底板16上的导线引导孔43，从所述底盒17外侧面设置的电源线连接口171引出。所述摇头电机29、中位传感器27、左限位开关282、右限位开关281、点头电机24、舵机23、角度传感器21的信号线集成为一根多芯信号线532穿过所述底板16上的导线引导孔43，从所述底盒17外侧面设置的信号线连接口172引出。

如图6A-6B、图7-8所示，所述控制箱5包括箱体、嵌入设置在箱体外表面的触控屏幕51和紧邻触控屏幕51依次上下设置的急停开关52和电源开关53、嵌入设置在箱体后表面上的电源插头接口54和头模本体电源线接口55以及头模本体信号线接口56、安装在箱体后表面上的夹持支架58和固定在箱体两侧面的提手57；还包括安装在箱体内部的开关电源、第一电源降压模块、第二电源降压模块、电源转接板、电平转换板、STM32单片机主控板、电机驱动板；

所述开关电源可以将220V市电转为12V直流电源，具有多个输出端；所述第一电源降压模块为12V转5V的电源降压模块，第二电源降压模块为12V转6V的电源降压模块。

所述电源插头接口54插入电源插头，连接220V市电，按下电源开关53，所述开关电源通电，开关电源将220V市电转换为12V直流电源；开关电源的第一输出端分别连接第一电源降压模块和第二电源降压模块，第一电源降压模块和第二电源降压模块的输出端连接所述电源转接板；开关电源的第二输出端直接连接电源转接板；电源转接板的第一输出端分别连接触控屏幕51、电平转换板、STM32单片机主控板和电机驱动板，为其提供5V和/或12V电压；电源转接板的第二输出端通过一个转接头固定在箱体后表面上，形成所述头模本体电源线接口55。

所述头模本体的多芯电源线531的接头与所述控制箱5上的头模本体电源线接口55连接，为头模本体内部的舵机、角度传感器、左限位开关、右限位开关和中位传感器提供5V或6V或12V的直流电压；其中，所述电源转接板的输出端向所述舵机6V供电，向所述角度传感器21和左限位开关282以及右限位开关5V供电，向所述中位传感器27提供12V直流电压；

所述STM32单片机主控板具有多个信号输入输出端，STM32单片机主控板与触控屏幕51通过信号线连接，进行数据传输交互；点击所述触控屏幕51上相应的指令选项，即可向STM32单片机主控板发送信号，STM32单片机主控板控制所述类人头模进行相应的运动，并采集信号。

所述STM32单片机主控板与所述电机驱动板通过信号线连接，向电机驱动板输出电机控制信号，电机驱动板具有多个信号输出端；所述电平转换板信号输出端和STM32单片机主控板通过信号线连接，所述电平转换板向STM32单片机主控板输出信号；所述电平转换板的信号输入端和电机驱动板的多个信号输出端以及STM32单片机主控板的多个信号输入输出端通过一个转接头固定在箱体后表面上，形成所述头模本体信号线接口56。

所述头模本体的多芯信号线532的接头与所述控制箱5上的头模本体信号线接口56连接，实现控制箱5和头模本体内部的摇头电机、点头电机、舵机、角度传感器、左限位开关、右限位开关和中位传感器之间的信号传输。

所述STM32单片机主控板输出电机控制信号给所述电机驱动板，所述电机驱动板输出电机驱动信号给所述摇头电机29和点头电机24，驱动它们转动；所述STM32单片机主控板向舵机23输入控制信号，控制舵机摆动；所述角度传感器、左限位开关和右限位开关向STM32单片机主控板输入信号，供STM单片机主控板进行信号采集；所述中位传感器信号输出端与电平转换板的信号输入端连接，所述电平转换板的信号输出端与STM32单片机主控板通过信号线连接，供STM32单片机主控板采集中位传感器的数据。

本发明所述的智能类人头模可以单次做摇头运动、点头运动和口部开合运动；也可以重复做摇头运动、点头运动和口部开合运动；还可以按照摇头运动-点头运动-口部开合运动的顺序进行组合的单次运动或循环运动；当运动到初始位置时，所述类人头模进行停顿，停顿的时间可以设定；一个运动周期完成后自动回归到初始位置。

使用本发明所述的智能类人头模进行儿童口罩检测时，将控制箱5的夹持支架58固定在口罩测试仪外侧，将所述头模本体放在口罩测试仪的测试仓内，给所述头模本体戴上儿童口罩，口腔软管33和鼻腔软管34连接口罩测试仪内的呼吸模拟器，所述头模本体与控制箱5连接好后通电；口罩测试仪的计算机自动测试系统控制测试仓内通入的测试气体的浓度，点击控制箱5触控屏幕51上的指令，控制所述头模本体在测试仓内按照摇头运动、点头运动和口部张合运动的顺序做周期运动，同时呼吸模拟器工作使所述头模本体模拟儿童在日常状态下的呼吸，口罩测试仪的计算机控制系统控制试验过程，自动采集测试数据，并采用专用测试软件进行数据处理，口罩测试仪的数据存储和显示系统保存、输出、查询、显示测试数据。口罩测试箱对儿童口罩吸气阻力、呼气阻力与防护效果的测试按照国家标准GB/T 38880-2020《儿童口罩技术规范》中的测试方法实施。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (13)

1.一种用于儿童口罩测试的智能类人头模，包括头模本体和控制箱（5）；所述头模本体包括头模外套（11）、头模内壳、摇头机构、点头机构、口部开合机构、底板（16）、底盒（17）、鼻腔软管（34）和口腔软管（33）；所述摇头机构、点头机构以及口部开合机构均设置于头模内壳的内部腔体，所述头模内壳设置在底盒（17）上；所述头模外套（11）和头模内壳的外形均仿人类头部、颈部和胸部的外形；所述头模外套（11）套在所述头模内壳外表面并弹性贴合；所述头模内壳包括头部内壳（12）、下巴内壳（13）和胸腔内壳（14），所述头部内壳（12）、下巴内壳（13）和胸腔内壳（14）均为中空结构；其特征在于：

所述头部内壳（12）双耳位置设置有耳朵形状的耳孔（18），所述头部内壳（12）内部穿过两个耳孔（18）的下沿所在平面设置有“井”字形板（221），所述“井”字形板（221）与头部内壳（12）的内侧固定连接；所述“井”字形板（221）下表面且靠近后脑两侧对称设置有竖直向下延伸的第一条状板（2221）和第二条状板（2222），所述第一条状板（2221）和第二条状板（2222）之间固定有横板（223），所述第一条状板（2221）和所述第二条状板（2222）以及所述横板（223）上设置有多个螺纹孔（2231）；位于所述头部内壳（12）后脑位置的所述“井”字形板（221）边沿固定设置有鼻腔引导管（32）和口腔引导管（31）；所述鼻腔引导管（32）的一端和口腔引导管（31）的一端均位于所述横板（223）的后方并向下延伸至所述第一条状板（2221）和所述第二条状板（2222）之间；所述鼻腔引导管（32）的另一端穿过于所述“井”字形板（221）的中空部位向上弯曲延伸至位于所述“井”字形板（221）边沿的所述头模内壳鼻腔方向；所述口腔引导管（31）的另一端穿过于所述“井”字形板（221）的中空部位向上弯曲延伸，再向下穿过于所述“井”字形板（221）的中空部位弯曲延伸至所述头模内壳口腔方向；

所述摇头机构包括摇头电机（29）、摇头旋转板（26）、中位传感器（27）、右限位开关（281）、左限位开关（282）；所述摇头电机（29）固定在底板（16）下方，摇头电机（29）的输出轴伸入到第一法兰（291）的轴内并与第一法兰（291）的轴焊接，所述第一法兰（291）的圆盘穿过所述底板（16）上的通孔与所述摇头旋转板（26）固定连接；在所述底板（16）上沿着所述摇头旋转板（26）的轴线且位于所述头模本体后脑正后方位置安装有所述中位传感器（27）；在所述底板（16）上位于所述摇头旋转板（26）的轴线左侧位置安装有所述左限位开关（282），在所述底板（16）上位于所述摇头旋转板（26）的轴线右侧位置安装有所述右限位开关（281），所述左限位开关（282）和右限位开关（281）相对于所述摇头旋转板（26）的轴线对称设置；轴线为所述头模本体面部朝正前方时, 摇头旋转板（26）的中轴线；

所述点头机构包括点头电机固定座（25）、点头电机（24）、第二法兰（241）和角度传感器（21），所述点头电机固定座（25）由一个底座和垂直设置在所述底座上表面两侧的两块梯形立板构成；所述点头电机固定座（25）的高度和所述头模本体的高度相适配；所述点头电机固定座（25）的底座固定在所述摇头旋转板（26）上，所述点头电机（24）置于所述点头电机固定座（25）的两块梯形立板之间并与两块梯形立板固定连接，所述点头电机（24）为双轴输出电机，所述点头电机（24）的两个输出轴分别通过第二法兰（241）与所述头部内壳（12）的所述第一条状板（2221）和所述第二条状板（2222）连接；所述角度传感器（21）安装在所述头部内壳（12）的“井”字形板（221）上靠近一侧耳孔处，所述点头电机（24）的两个输出轴和所述“井”字形板（221）平行；

所述口部开合机构包括舵机组件（22），所述舵机组件（22）包括大U形架（232）、舵机（23）和小U形架（231）；所述大U形架（232）的中部横架与所述头部内壳（12）的横板（223）通过螺栓连接，所述大U形架（232）的两个侧架分别与所述舵机（23）的两个轴通过第三法兰（233）连接，所述小U形架（231）的两侧架与所述舵机（23）两侧通过螺栓连接，所述小U形架的中部横架与所述下巴内壳（13）通过螺栓连接；

所述胸腔内壳（14）固定在底板（16）上；

所述控制箱（5）内设置控制单元，所述控制单元和所述摇头电机（29）、中位传感器（27）、左限位开关（282）、右限位开关（281）、点头电机（24）、舵机（23）、角度传感器（21）均连接；

所述摇头电机（29）、点头电机（24）均为直流减速电机，所述舵机（23）为电动旋转舵机；所述头部内壳（12）、所述下巴内壳（13）、所述胸腔内壳（14）和所述点头电机固定座（25）均通过3D打印一体成型，所用材料为光敏树脂。

2.根据权利要求1所述的用于儿童口罩测试的智能类人头模，其特征在于，所述控制单元包括：相互连接的单片机主控板、电机驱动板；

所述控制箱（5）内还设置供电单元；供电单元包括：开关电源、第一电源降压模块、第二电源降压模块、电源转接板、电平转换板；

所述单片机主控板输出电机控制信号给所述电机驱动板，所述电机驱动板输出电机驱动信号至所述摇头电机（29）和所述点头电机（24），驱动它们转动；所述单片机主控板向所述舵机（23）输入控制信号，控制舵机（23）摆动；所述角度传感器（21）、左限位开关（282）和右限位开关（281）向所述单片机主控板输入信号，供所述单片机主控板进行信号采集；所述中位传感器（27）的信号输出端与所述电平转换板的信号输入端连接，所述电平转换板的信号输出端与所述单片机主控板通过信号线连接，供所述单片机主控板采集所述中位传感器的数据；

所述开关电源的第一输出端分别连接至第一电源降压模块和第二电源降压模块；第一电源降压模块和第二电源降压模块的输出端连接至所述电源转接板；所述开关电源的第二输出端直接连接至所述电源转接板；所述电源转接板的第一输出端分别连接至所述电平转换板、所述单片机主控板、所述电机驱动板；所述电源转接板的第二输出端通过一个转接头固定在控制箱（5）的箱体后表面上，形成所述头模本体电源线接口（55）；所述电平转换板的信号输出端和所述单片机主控板的信号输入端连接；所述电平转换板的信号输入端、所述电机驱动板的信号输出端以及所述单片机主控板的信号输入输出端通过转接头固定在箱体后表面，形成所述头模本体信号线接口（56）；

所述控制箱（5）还包括箱体、嵌入设置在箱体前表面的触控屏幕（51）、紧邻触控屏幕（51）依次上下设置的急停开关（52）和电源开关（53）；所述头模本体电源线接口（55）以及头模本体信号线接口（56）嵌入设置在箱体后表面上；箱体后表面上固定有支撑箱体的夹持支架（58）、箱体两侧面设置有提手（57）。

3.根据权利要求2所述的用于儿童口罩测试的智能类人头模，其特征在于，所述中位传感器（27）、左限位开关（282）、右限位开关（281）、舵机（23）、角度传感器（21）的电源线集成为一根多芯电源线（531），多芯电源线（531）穿过所述底板（16）上的导线引导孔（43），从所述底盒（17）外侧面设置的电源线连接口（171）引出；所述摇头电机（29）、中位传感器（27）、左限位开关（282）、右限位开关（281）、点头电机（24）、舵机（23）、角度传感器（21）的信号线集成为一根多芯信号线（532），多芯信号线（532）穿过所述底板（16）上的导线引导孔（43），从所述底盒（17）外侧面设置的信号线连接口（172）引出；

所述头模本体的多芯电源线（531）的接头与所述控制箱（5）上的头模本体电源线接口（55）连接，为所述头模本体内部的舵机（23）、角度传感器（21）、左限位开关（282）、右限位开关（281）和中位传感器（27）供电；所述头模本体的多芯信号线（532）的接头与所述控制箱（5）上的头模本体信号线接口（56）连接，实现所述头模本体与控制箱（5）之间的信号传输。

4.根据权利要求1所述的用于儿童口罩测试的智能类人头模，其特征在于，所述胸腔内壳（14）由对称的左侧胸腔内壳和右侧胸腔内壳组合而成，所述左侧胸腔内壳和右侧胸腔内壳内部均固设有中空立柱，中空立柱下端设有与螺栓配合的阶梯孔；所述胸腔内壳（14）通过螺栓固定在底板（16）上，所述摇头机构和所述点头机构均设置在所述胸腔内壳（14）的内腔；

所述底盒（17）横截面形状和大小与所述底板（16）相同，所述底板（16）通过螺栓固定在所述底盒（17）上表面；所述底盒（17）的外侧面设置有电源线连接口（171）、信号线连接口（172）和两个隔板直通安装孔（173，174），所述底盒（17）内侧面固定设置有两个安装直角弯通的柱体（1751，1752）；所述底板（16）上设置有口腔软管引导孔（41）、鼻腔软管引导孔（42）和导线引导孔（43）。

5.根据权利要求4所述的用于儿童口罩测试的智能类人头模，其特征在于，所述鼻腔软管（34）穿过安装在所述底盒（17）外侧面的第一隔板直通安装孔（174）后，插入安装在所述底盒（17）内侧面的第一直角弯通并从中引出，向上穿过所述底板（16）上的鼻腔软管引导孔（42）后伸入到所述头部内壳（12）的鼻腔引导管（32）中，直到伸出鼻腔引导管（32）插入到所述头模外套（11）鼻梁内部设置的通孔，与所述头模外套（11）上设置的两个鼻孔导通；所述口腔软管（33）穿过安装在所述底盒（17）外侧面的第二隔板直通安装孔（173）后，插入安装在底盒（17）内侧面的第二直角弯通后并从中引出，向上穿过所述底板（16）上的口腔软管引导孔（41）后伸入到所述头部内壳（12）的口腔引导管（31）中，直到伸出所述口腔引导管（31）插入所述头模外套（11）口部设置的圆孔。

6.根据权利要求1所述的用于儿童口罩测试的智能类人头模，其特征在于，所述头模外套（11）具有眼部、鼻部、口部、双耳、颈部和胸部；所述鼻部开有两个鼻孔，沿着鼻梁内部开有通孔，所述两个鼻孔和所述通孔相互导通；所述口部上唇和下唇之间设置有弹性薄膜，所述弹性薄膜中间开设有圆孔；所述头模外套下边沿间隔设置一圈螺栓孔；

所述头模外套（11）下边沿向外弯折与所述底板（16）贴合，在所述头模外套（11）下边沿向外弯折部分表面上设置金属压条（15），通过螺栓连接所述金属压条（15）、头模外套（11）下边沿以及底板（16），将所述头模外套（11）固定在所述底板（16）上；所述金属压条（15）的轮廓与所述底板（16）的轮廓相同。

7.根据权利要求1所述的用于儿童口罩测试的智能类人头模，其特征在于，所述头模外套（11）使用弹性硅胶材料，通过模具制作一体成型。

8.根据权利要求1所述的用于儿童口罩测试的智能类人头模，其特征在于，所述鼻腔引导管（32）的内径大于所述口腔引导管（31）的内径；所述头部内壳（12）头顶内侧和“井”字形板（221）之间还设置有加强立柱（2241，2242）。

9.根据权利要求1所述的用于儿童口罩测试的智能类人头模，其特征在于，所述点头电机固定座（25）两侧适当位置分别设有螺栓（2511，2512）；当所述头模本体在水平面内做摇头运动时，所述点头电机固定座（25）两侧的螺栓（2511，2512）触碰到左限位开关（282）或者右限位开关（281），所述头模本体先停止摇头运动，然后开始朝相反方向做摇头运动。

10.根据权利要求2所述的用于儿童口罩测试的智能类人头模，其特征在于，所述中位传感器（27）包括传感器本体和固定在所述点头电机固定座（25）上的金属感应片；传感器本体安装在所述底板（16）上，沿着所述摇头旋转板（26）的轴线且位于所述头模本体后脑正后方位置；所述传感器本体和所述金属感应片接触向所述单片机主控板发出触发信号，所述单片机主控板控制所述头模本体复位，回到初始位置。

11.根据权利要求1所述的用于儿童口罩测试的智能类人头模，其特征在于，所述摇头机构使所述头模本体在水平面内相对所述摇头旋转板（26）的轴线转动的角度范围为-75°~+75°角；所述点头机构使所述头模本体相对颈部横切面的转动角度范围为-45°~+45°角；所述口部开合机构使下巴相对于上下唇分界面摆动的角度范围为0°~+30°角。

12.根据权利要求2所述的用于儿童口罩测试的智能类人头模，其特征在于，所述触控屏幕（51）设有指令选项，点击指令选项向所述单片机主控板发送信号，所述单片机主控板控制所述头模本体进行相应的运动，并采集信号。

13.一种权利要求1-12任一项所述用于儿童口罩测试的智能类人头模的儿童口罩测试方法，其特征在于，包括：

步骤一、将控制箱（5）通过-夹持支架（58）固定在口罩测试仪外侧，将所述头模本体放在口罩测试仪的测试仓内，给所述头模本体戴上儿童口罩，口腔软管（33）和鼻腔软管（34）连接口罩测试仪内的呼吸模拟器，所述头模本体与控制箱（5）连接好后通电；

步骤二、口罩测试仪的计算机自动测试系统控制测试仓内通入的测试气体的浓度，点击控制箱（5）触控屏幕（51）上的指令，控制所述头模本体在测试仓内按照摇头运动、点头运动和口部张合运动的顺序做周期运动，同时呼吸模拟器工作使所述头模本体模拟儿童在日常状态下的呼吸，口罩测试仪的计算机控制系统控制试验过程，自动采集测试数据，并采用专用测试软件进行数据处理，口罩测试仪的数据存储和显示系统保存、输出、查询、显示测试数据。