CN111839553B - 一种导轨式人体上肢肌力测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种导轨式人体上肢肌力测量装置，包括圆柱形基座、两组对称的弹簧、导轨箱、握把、悬臂梁，导轨箱与基座中心转动副连接；悬臂梁与导轨箱内滑动连接；握把竖立安装在悬臂梁上且位于远离导轨箱的一侧，弹簧的一端与基座上表面相连、另一端与导轨箱边侧相连；导轨箱箱内壁设置导轨，悬臂梁与导轨移动副连接，悬臂梁沿着导轨在导轨箱箱内滑动；基座上表面嵌入半圆形的量角器；悬臂梁为工字型，悬臂梁远离导轨箱的端面设有凹槽Ⅰ，凹槽Ⅰ内安装加速度计；握把为半圆柱形，其方形侧面设有凹槽Ⅱ，凹槽Ⅱ内安装压力传感器。本发明可以测量动态和静态肌力以及不同关节角度下的肌力，通用性好、受场地限制较小、价格低廉。

Description

一种导轨式人体上肢肌力测量装置
技术领域
本发明涉及一种导轨式人体上肢肌力测量装置，具体地说，使用该测量装置，可以安全、简便地测量人体肌肉力量大小，属于力/力矩测量领域和医疗康复领域。
背景技术
人体的肌肉力量(以下简称肌力)是人体的一项重要的生理参数，在临床诊断、体育训练、人机交互领域都有重要应用。如通过检测患者肌力的大小，评价康复效果；检测运动员的肌力，判断运动能力、运动强度和疲劳。人体肌力的测量原理与方法在体育科学研究与指导训练、工效学培训与产品设计、康复医学评定与人工假肢研制等领域均具有重要的现实意义与应用价值。由于人体肌肉骨骼系统、神经系统对运动系统的调节和控制，人体与外界环境之间的相互作用，再加上肌力大小和肢体的角度有关，因此肌力测量是一件复杂的事情。常用的测力计只能单独测量静力，如测拉力、握力，简单便捷，缺点是测量指标单一，难以连续地测量不同关节角度下的肌力大小，而且还不能保存测量数据。而测力系统，如美国的CYbex公司生产的测力系统，功能多样，精度较高，但容易受场限制，不便捷，并且价格昂贵。
为了解决以上的问题，提出了一种导轨式上肢肌力测量装置，它不仅可以测量不同人群的静态上肢肌力和动态上肢肌力，还能测量不同关节角度下的肌力，并将肌力数据保存，价格低廉，通用性好，主要用于测量人体上肢肌力，也可以用于人体下肢的肌力测量，并且辅助瘫痪患者康复训练，以及作为健康人群的健身器材，受场地限制较小，适用于家庭、学校、医院和社区等场地。
发明内容
针对现有技术中的不足与难题，本发明旨在提供一种导轨式人体上肢肌力(矩)测量装置。
本发明通过以下技术方案予以实现：
一种导轨式人体上肢肌力测量装置，包括圆柱形基座、两组对称的弹簧、导轨箱、握把、悬臂梁，导轨箱的一侧水平架在基座上表面、另一侧延伸出基座外，导轨箱与基座中心转动副连接；悬臂梁与导轨箱内滑动连接；握把竖立安装在悬臂梁上且位于远离导轨箱的一侧，弹簧的一端与基座上表面相连、另一端与导轨箱边侧相连；导轨箱箱内壁设置导轨，悬臂梁与导轨移动副连接，悬臂梁沿着导轨在导轨箱箱内滑动；基座上表面嵌入一个半圆形的量角器，其量程为0°～180°；悬臂梁为工字型，悬臂梁远离导轨箱的端面设有凹槽Ⅰ，凹槽Ⅰ内安装加速度计；握把为半圆柱形，其方形侧面设有凹槽Ⅱ，凹槽Ⅱ内安装压力传感器。
进一步地，悬臂梁的侧壁上标有刻度线。
进一步地，导轨箱靠近基座的侧面设有指针。
与现有技术相比，本发明有益效果包括：
(1)本发明可以测量动态和静态肌力以及不同关节角度下的肌力，并将测量数据保存。
(2)本发明通用性好，悬臂梁长度可调节适应不同的人群使用，既可以测量肌力，也可以辅助瘫痪患者康复训练，还可以作为健康人的健身器材。
(3)本发明受场地限制较小，价格低廉。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明中基座的立体结构示意图。
图3为本发明中导轨的立体结构示意图。
图4为本发明中悬臂梁的立体结构示意图。
图5为本发明中握把的立体结构示意图。
图6为本发明动态肌力测量实施时的动态测力示意图。
图示说明：1-基座，2-弹簧，3-导轨箱，4-螺栓，5-刻度线，6-压力传感器，7-加速度计，8-握把，9-悬臂梁，10-锁止螺栓孔，11-旋转轴，12-锁止螺栓，13-指针，14-量角器，15-轴承孔，16-螺栓孔Ⅰ，17-螺栓孔Ⅱ，18-螺栓孔Ⅲ，19-螺栓孔Ⅳ，20-螺栓孔Ⅴ，21-通孔，22-凹槽Ⅰ，23-螺栓孔Ⅵ，24-螺栓孔Ⅵ，25-凹槽Ⅱ。
在本发明的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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“Ⅰ”、“Ⅱ”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
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、可拆卸连接、一体地连接；可以是机械连接、电连接；可以是直接相连、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具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作进一步地说明。
一、装置结构
如图1至图5所示，一种导轨式人体上肢肌力测量装置，包括圆柱形基座1、两组对称的弹簧2、导轨箱3、握把8、悬臂梁9，导轨箱3的一侧水平架在基座1上表面、另一侧延伸出基座1外，导轨箱3与基座1中心转动副连接，使得导轨箱3可以基座1中心为支点转动；悬臂梁9与导轨箱3内滑动连接；握把8竖立安装在悬臂梁9上且位于远离导轨箱3的一侧，弹簧2的一端与基座1上表面相连、另一端与导轨箱3边侧相连；导轨箱3箱内壁设置导轨，悬臂梁9与导轨移动副连接，悬臂梁9沿着导轨在导轨箱3箱内滑动，使得其长度可调节。
基座1上表面嵌入一个半圆形的量角器14，其量程为0°～180°。
悬臂梁9为工字型，悬臂梁9远离导轨箱3的端面设有凹槽Ⅰ22，凹槽Ⅰ22内安装加速度计7，悬臂梁9的侧壁上标有刻度线5，悬臂梁9在导轨上自由滑动时通过刻度线5，可以测得悬臂梁9伸出部分的长度。
握把8为半圆柱形，其方形侧面设有凹槽Ⅱ25，凹槽Ⅱ25内安装压力传感器6。
导轨箱3靠近基座1的侧面设有指针13。
二、制作过程
1.基座1(如图1和图2所示)
1)加工一个圆柱基座1，基座1中心钻一个轴承孔15，轴承孔15内安装过盈配合的轴承(图中未标示)；
2)基座1下底面沿圆周加工4个螺栓孔，用于固定圆柱基座；
3)基座1上底面嵌入一个半圆形量角器14，量程为0°～180；
4)基座1上底面沿中心孔周向加工24个螺栓孔Ⅱ17，每个孔间隔15°；
5)基座1上底面沿周向对称加工两个挂钩和螺栓孔Ⅰ16，用于安装弹簧2。
2.导轨箱3与悬臂梁9(如图1、图3和图4所示)
1)导轨箱3制作成箱型，内壁的凸起是悬臂梁导轨；
2)导轨箱3的一端有通孔21，该通孔21与旋转轴过盈配合，旋转轴一端与基座1轴承孔15内设的轴承配合，导轨箱3内做有导轨，轴承、旋转轴11为基座1与导轨箱3转动副连接的配件；通孔21旁开有螺栓孔Ⅴ20，其用于锁止导轨；
3)导轨箱3侧面固定指针13，指针13在量角器14量程范围内进行指示；
4)导轨箱3两侧面各两个螺栓孔，一个螺栓孔Ⅲ18挂钩弹簧2，另一个螺栓孔Ⅳ19锁止悬臂梁9。
5)悬臂梁9制作成工字型，一端加工螺栓孔Ⅵ23，用于安装握把8；悬臂梁9前端面加工个凹槽Ⅰ22，用于安装加速度计7；侧面标有刻度线5，当悬臂梁9沿着导轨箱3内的导轨自由滑动，通过刻度线5可以测得伸出悬臂梁的长度。
3.握把8(如图1和图5所示)
1)握把8是半圆柱，其方形侧面铣一个凹槽Ⅱ25，用于安装压力传感器6。
2)下底面钻一个螺栓孔24Ⅵ，用于通过螺栓将握把固定在悬臂梁上。
4.组装：
用螺栓将基座1固定，旋转轴11将基座1与导轨箱3连接，用螺栓将握把8固定在悬臂梁9上；悬臂梁9滑入导轨，根据不同情形调节悬臂梁的长度，用螺栓4锁定悬臂梁9，加速度计7安装在凹槽Ⅰ22，压力传感器6安装在凹槽Ⅱ25，装上弹簧2，锁止螺栓12插入螺栓孔10固定导轨；接上硬件电路，就可以开始使用该装置。
三、测量原理
1.静态肌力测量
静态肌力测量相对简单，锁止螺栓12插入锁止螺栓孔10，固定导轨箱3，根据测试者体型调节悬臂梁9长度，然后用螺栓4锁止悬臂梁9，握紧握把发力。导轨箱3的长度(转动中心到导轨靠近握把一侧的距离)是固定的值L，设此时悬臂梁9上刻度线5的读数是L1，压力传感器6的测量得到的即为肌力F，根据平衡关系可知，上肢肌力矩：
T＝F(L+L1)。
2.某个关节角度的肌力测量
设要测量在关节角度θ时的肌力，将指针13指向关节角度θ后，采用静态肌力测量的方式测量。
3.动态肌力测量
动态肌力测量相对复杂，以逆时针动态肌力测量为例，将锁止螺栓12拔出，装上右侧弹簧，左侧弹簧卸下，握紧握把逆时针方向发力，使装置缓慢顺时针转动，此时人体肌力克服弹簧拉力做功。弹簧2下端(固定在基座1一端)距离导轨距离为a，弹簧2上端(固定在导轨箱3一端)距离导轨箱3旋转中心的距离为b，弹簧2刚度为k，弹簧2的初始长度为L0，记录初始时刻指针的角度为θ0。经过时间t后，加速度计7读数为at，装置此时的角度为计算弹簧的伸长量，如图6所示，根据余弦定理，此时弹簧的长度则弹簧的伸长量
根据胡克定律，弹簧的拉力
弹,2的力矩等于弹簧拉力与力臂的乘积，此处力臂减化成弹簧上端到旋转中心的距离，即b。因为缓慢转动，根据平衡原理可知，人体的肌力矩等于弹簧的力矩，因此计算弹簧的力矩。因此，人体上肢力矩为：人体肌力的大小：/>
其中，L为人体力臂，即导轨箱3和悬臂梁9长度之和，是已知量，通过测量得到。以上计算全集成在单片机中，因此可以简单地测量动态肌力。
康复训练和健身时，按动态肌力测量方式进行，记录的肌力值可以作为康复评价。
对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，在不脱离本发明的原理与精神的情况下，对实施方式所进行的改变、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围之内。
以上所述仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本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、改进及替代，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 (3)

1.一种导轨式人体上肢肌力测量装置，其特征在于：包括圆柱形基座(1)、两组对称的弹簧(2)、导轨箱(3)、握把(8)、悬臂梁(9)，所述导轨箱(3)的一侧水平架在基座(1)上表面、另一侧延伸出所述基座(1)外，所述导轨箱(3)与所述基座(1)中心转动副连接；所述悬臂梁(9)与所述导轨箱(3)滑动连接；所述握把(8)竖立安装在所述悬臂梁(9)上且位于远离所述导轨箱(3)的一侧，所述弹簧(2)的一端与所述基座(1)上表面相连、另一端与所述导轨箱(3)边侧相连；所述导轨箱(3)箱内壁设置导轨，所述悬臂梁(9)与所述导轨移动副连接，所述悬臂梁(9)沿着导轨在所述导轨箱(3)箱内滑动；所述基座(1)上表面嵌入一个半圆形的量角器(14)，其量程为0°～180°；所述悬臂梁(9)为工字型，所述悬臂梁(9)远离所述导轨箱(3)的端面设有凹槽Ⅰ(22)，所述凹槽Ⅰ(22)内安装加速度计(7)；所述握把(8)为半圆柱形，其方形侧面设有凹槽Ⅱ(25)，所述凹槽Ⅱ(25)内安装压力传感器(6)；
在测量静态肌力时，上肢肌力矩：
T＝F(L+L1)；
式中，L为导轨箱(3)的长度，L1为握紧握把发力时悬臂梁(9)上刻度线的读数；F为压力传感器(6)的测量得到的即为肌力；
在测量某个关节角度的肌力时，设要测量在关节角度θ时的肌力，将用于量角器(14)量程范围内进行指示的指针指向关节角度θ后，采用静态肌力测量的方式测量得到某个关节角度的肌力；
在测量动态肌力时，人体上肢力矩和人体肌力的大小分别为：
式中，人体上肢力矩为Tt，人体肌力的大小为F'；弹簧下端距离导轨距离为a，弹簧上端距离导轨箱(3)旋转中心的距离为b，弹簧刚度为k，弹簧的初始长度为L0，记录初始时刻指针的角度为θ0；经过时间t后，加速度计(7)读数为at；L为人体力臂，即导轨箱(3)和悬臂梁(9)长度之和；Ft为弹簧的拉力。
2.根据权利要求1所述的一种导轨式人体上肢肌力测量装置，其特征在于：所述悬臂梁(9)的侧壁上标有刻度线(5)。
3.根据权利要求1所述的一种导轨式人体上肢肌力测量装置，其特征在于：所述导轨箱(3)靠近所述基座(1)的侧面设有指针(13)。
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