CN114235268B - 一种假人头颈部测力装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种假人头颈部测力装置及方法。所述装置包括：控制器，第一3轴加速度传感器、第二3向加速度传感器、第三3轴加速度传感器和第四3轴加速度传感器，6分量传感器，还包括安装在头部表面上的多个压力传感器，所述压力传感器和6分量传感器的输出信号经信号调理器和模数转换器后输入至控制器，控制器基于校准后的压力传感器灵敏度计算每个压力传感器输出的压力值。本发明通过设置安装在头部表面上的多个压力传感器，可以获得头部各个部位的压力；通过基于校准后的压力传感器灵敏度计算每个压力传感器输出的压力值，解决了现有技术根据出厂时标定的压力传感器灵敏度计算压力传感器的输出电压，误差较大的问题，提高了压力测量精度。

Description

一种假人头颈部测力装置及方法

技术领域

本发明属于电子测量技术领域，具体涉及一种假人头颈部测力装置及方法。

背景技术

随着科学技术的飞速发展，人们对科技产品安全性能的要求越来越高，自我保护意识越来越强。因此，人们对新产品人员安全性能的评估越来越重视。进行人员安全性能评估，最常用、最有效的手段就是使用模拟仿生假人进行测试，比如，利用假人模型对汽车进行驾驶人员安全性能测试。现有假人的代表是美国的hybrid III系列假人，其结构为欧洲人体体貌特征，传感器分布位置是基于汽车碰撞损伤部位设计的，如用于测量头部质心加速度、颈部压力扭矩、胸部位移、大腿压力、小腿压力扭矩等的传感器。

目前，仿真假人多是基于汽车驾驶人员安全性能测试设计的，针对一些特殊应用场景设计的仿真假人少之又少。而用于汽车的假人不能直接用于特殊的应用场景，如舰载机着陆时，由于瞬时减速会对人体产生巨大的反向加速度，由于惯性及佩戴头盔自重，人体头部会产生挥鞭效应，这就需要对人体头皮表面受力及颈部受力进行研究分析。而现有HybridIII型假人在头皮被测部位没有设置压力传感器，因此无法准确评估头部的受力情况。另外，压力传感器只是在出厂时进行过批量标定，每一个传感器的标定精度都不高；而且一般的压力传感器在使用一段时间后其测量精度都会有一定程度的下降，很难满足人员安全性能测试对传感器测量精度的要求。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种假人头颈部测力装置及方法。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案。

第一方面，本发明提供一种假人头颈部测力装置，包括：控制器，与控制器相连的安装在头部质心位置的第一3轴加速度传感器、安装在躯干部的第二3向加速度传感器、安装在头盔上的第三3轴加速度传感器和安装在靠椅上的第四3轴加速度传感器，安装在上颈部用于测量x、y、z 3个方向受力及x、y、z 3个方向扭矩的6分量传感器，其特征在于，还包括安装在头部表面上的多个压力传感器，所述压力传感器和6分量传感器的输出信号经信号调理器和模数转换器后输入至控制器，控制器基于校准后的压力传感器灵敏度计算每个压力传感器输出的压力值。

进一步地，所述装置还包括通过USB线或无线通信模块与控制器进行数据通信的上位机，主要用于基于每个压力传感器输出的压力值绘制头部受力云图。

进一步地，所述压力传感器的数量为27个。

进一步地，基于校准后的压力传感器灵敏度计算每个压力传感器输出的压力值的公式为：

式中，k为由电路参数决定的常数，为校准后的压力传感器灵敏度，AD为模数转换器输出的数字电压值，V为AD对应的模拟电压，AD₀为压力为0时模数转换器输出的数字电压值，n为模数转换器的位数，V_CC为模数转换器的满量程电压。

更进一步地，压力传感器灵敏度的校准方法包括：

采用标准压力计分别测量对压力传感器施加N个不同压力时的压力值F_i，并同时读取模数转换器输出的数字电压值AD_i，i＝1,2,…,N；

计算AD_i对应的模拟电压值V_i：

压力传感器输出的压力值P_i为：

令P_i＝F_i，两边求和得：

从而得到压力传感器灵敏度：

第二方面，本发明提供一种应用所述装置进行压力测量的方法，包括：

分别获取第一3轴加速度传感器、第二3轴加速度传感器、第三3轴加速度传感器和第四3轴加速度传感器输出的加速度值；

获取与6分量传感器对应的模数转换器输出的数字电压值，并计算上颈部在x、y、z3个方向的受力及x、y、z 3个方向的扭矩；

获取与每个压力传感器对应的模数转换器输出的数字电压值，并基于校准后的压力传感器灵敏度计算每个压力传感器输出的压力值。

进一步地，所述方法还包括：将每个压力传感器输出的压力数据上传到上位机，由上位机绘制头部受力云图。

进一步地，基于校准后的压力传感器灵敏度计算每个压力传感器输出的压力值的公式为：

式中，k为由电路参数决定的常数，为校准后的压力传感器灵敏度，AD为模数转换器输出的数字电压值，V为AD对应的模拟电压，AD₀为压力为0时模数转换器输出的数字电压值，n为模数转换器的位数，V_CC为模数转换器的满量程电压。

更进一步地，压力传感器灵敏度的校准方法包括：

采用标准压力计分别测量对压力传感器施加N个不同压力时的压力值F_i，并同时读取模数转换器输出的数字电压值AD_i，i＝1,2,…,N；

计算AD_i对应的模拟电压值V_i：

压力传感器输出的压力值P_i为：

令P_i＝F_i，两边求和得：

从而得到压力传感器灵敏度：

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果。

本发明通过设置安装在头部表面上的多个压力传感器，可以获得头部各个部位的压力数据；本发明通过基于校准后的压力传感器灵敏度计算每个压力传感器输出的压力值，解决了现有技术根据出厂时标定的压力传感器灵敏度计算压力传感器的输出电压，误差较大的问题，提高了压力测量精度。

附图说明

图1为本发明实施例一种假人头颈部测力装置的组成框图。

图2为本发明实施例另一实施例的电路原理图。

图3为假人头颈部示意图。

图4为假人头部受力云图示意图。

图1中，1-控制器，2-第一3轴加速度计，3-第二3轴加速度计，4-第三3轴加速度计，5-第四3轴加速度计，6-模数转换器，7-信号调理器，8-压力传感器，9-6分量传感器，10-SD卡。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明白，以下结合附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明实施例一种假人头颈部测力装置的组成框图，所述装置包括：控制器1，与控制器1相连的安装在头部质心位置的第一3轴加速度计2、安装在躯干部的第二3向加速度计、安装在头盔上的第三3轴加速度计4和安装在靠椅上的第四3轴加速度计5，安装在上颈部用于测量x、y、z 3个方向受力及x、y、z 3个方向扭矩的6分量传感器9，其特征在于，还包括安装在头部表面上的多个压力传感器8，所述压力传感器8和6分量传感器9的输出信号经信号调理器7和模数转换器6后输入至控制器1，控制器1基于校准后的压力传感器8灵敏度计算每个压力传感器8输出的压力值。

本实施例主要用于测量假人头部和颈部受力情况，试验用的假人只是一个半身假人，舍弃了原假人的胸椎以下部分、手臂和皮肤，保留假人的头颈部，重新设计了假人的肩部、胸部和胸椎；同时，将头颈部假人的下端与加速度平台进行刚性连接，从而减少负重。如图3为假人头颈部的示意图。

本实施例中，所述装置主要由控制器1、第一～第四3轴加速度计、6分量传感器9、压力传感器8、信号调理器7和模数转换器6组成。各部分的连接关系如图1所示，下面分别介绍一下主要部分的结构原理。

控制器1，是所述装置的控制与数据处理中心，主要用于协调其它模块的工作和进行必要的数据处理，比如，读取各种传感器输出的数据，根据压力传感器8的输出进行压力计算、校准等。控制器1一般由微处理器或单片机及外围电路组成，如图2所示，控制器1采用STM32F429型单片机。

第一～第四3轴加速度计(2、3、4、5)，主要用于测量不同部位的加速度值；有了加速度值，根据力学原理可进行各种受力分析。第一3轴加速度计2安装在头部质心位置，用于测量运动过程中头部质心在x、y、z 3个方向的加速度。第二3轴加速度计3安装在躯干部的躯干骨架中，用于测量运动过程中躯干在x、y、z 3个方向的加速度。第三3轴加速度计4安装在头盔上，用于测量运动过程中头盔在x、y、z 3个方向的加速度。第四3轴加速度计5安装在靠椅上，用于测量运动过程中靠椅在x、y、z 3个方向的加速度。靠椅固定在测试平台上，靠椅的加速度等于测试平台的加速度。头部质心、躯干和头盔的加速度值与靠椅的加速度值求差值可以得到头部质心、躯干和头盔相对测试平台的加速度值。4个3轴加速度计的输出端分别与控制器1相连，输出的加速度数字信号直接传输到控制器1。

6分量传感器9，安装在上颈部，用于测量x、y、z 3个方向的受力及x、y、z 3个方向的扭矩。3个方向的受力分量+3个方向的扭矩分量共6个分量，故称作6分量传感器9。6分量传感器9输出的是较弱的模拟电压信号，先送到信号调理器7进行电压放大，然后经模数转换器6转换成计算机能够处理的数字信号，最后送到控制器1。

压力传感器8，安装在头部表面即头皮上，用于测量运动过程中头部受到头盔的压力值。为了得到头部表面不同位置的压力值，可尽量多地设置压力传感器8，使压力传感器8近似均匀地分布在头部表面的各个位置，如图4的头部受力云图所示。压力传感器8输出的也是较弱的模拟电压信号，所以也通过信号调理器7和模数转换器6与控制器1相连。由于压力传感器8并不能直接输出压力值，因此需要基于压力传感器8的灵敏度和信号调理器7、模数转换器6的电路参数进行计算。现有技术一般基于压力传感器8出厂时标定的灵敏度进行压力计算，而压力传感器8出厂时一般只进行批量标定，每一个传感器的标定精度都不高，而且压力传感器8在使用一段时间后其灵敏度会发生一定程度的漂移，很难满足人员安全性能测试对压力传感器8测量精度的要求。为此，本实施例定期对每个压力传感器8进行灵敏度标定或校准，基于校准后的灵敏度计算压力。

信号调理器7，用于对传感器输出的较弱的模拟电压信号进行放大变换。本实施例中，主要是对压力传感器8和6分量传感器9的输出的电压信号进行放大。由于压力传感器8的数量较多，一般需要设置多个信号调理器7。如图2所示，信号调理器7采用MAX1450芯片。

模数转换器6，用于将由传感器输出、经信号调理器7放大后的模拟电压信号转换成计算机(控制器1)可处理的数字信号。如图2所示，模数转换器6采用AD7606芯片。

本实施例通过在头部表面设置多个近似均匀分布的压力传感器8，可以实时测量头部表面各个位置的受力值，解决了现有假人因头部没有安装压力传感器8不能用于特殊场景头部压力测量需求的问题；而且控制器1基于校准后的压力传感器8灵敏度计算压力值，解决了压力传感器8灵敏度因出厂标定精度不高导致压力测量误差大不能满足精度要求的问题。

作为一可选实施例，所述装置还包括通过USB线或无线通信模块与控制器1进行数据通信的上位机，主要用于基于每个压力传感器8输出的压力值绘制头部受力云图。

本实施例给出了控制器1与上位机连接的技术方案。在本实施例中，控制器1与上位机采用有线或无线方式进行数据通信。有线方式利用USB线直接连接，适用短距离通信；无线方式通过无线通信模块如5G芯片实现，适用远距离通信。上位机用于进行更复杂的数据处理，如基于每个压力传感器8输出的压力值绘制头部受力云图，便于更直观、清晰地展示头部受力情况。上位机上安装了有限元分析软件，该软件可自动生成受力云图，采用颜色由蓝到红表示数值从小到大的受力值，如图4所示。

作为一可选实施例，所述压力传感器8的数量为27个。

本实施例给出了头部压力传感器8的数量，即27个。在本实施例中，采用小型压力传感器(直径约13mm)，27个压力传感器8近似均匀地分布在头上半部，用来采集运动过程中头顶部所受头盔的压力。值得说明的是，27个压力传感器8只是本实施例给出的一种较佳的实施方式，供本领域技术人员参考，并不否定和排斥其它可行的实施方式。

作为一可选实施例，基于校准后的压力传感器灵敏度计算每个压力传感器输出的压力值的公式为：

式中，k为由电路参数决定的常数，为校准后的压力传感器灵敏度，AD为模数转换器6输出的数字电压值，V为AD对应的模拟电压，AD₀为压力为0时模数转换器6输出的数字电压值，n为模数转换器6的位数，V_CC为模数转换器6的满量程电压。

本实施例给出了基于模数转换器6输出的数字电压值和压力传感器灵敏度计算压力值的公式方案。灵敏度等于压力传感器8的输出电压与压力的比值，上面公式中的V是模数转换器6输出的数字电压值对应的模拟电压，即模数转换器6输入端的模拟电压，k主要由信号调理器7的放大倍数决定，V/k就是压力传感器8的输出电压。V等于模数转换器6输出的数字电压值AD与量化电压V_CC/2ⁿ的积。上面公式中的AD₀是压力传感器8施加的压力为0时模数转换器6输出的数字电压值，对应压力传感器8的零点误差。出厂时通过调整信号调理器7中的电位器消除零点误差，但实际应用中由于零点漂移或干扰仍然会存在零点误差，从而影响传感器的测量精度。为此，本实施例在压力计算中通过(AD-AD₀)消除零点误差。

作为一可选实施例，压力传感器灵敏度的校准方法包括：

采用标准压力计分别测量对压力传感器8施加N个不同压力时的压力值F_i，并同时读取模数转换器6输出的数字电压值AD_i，i＝1,2,…,N；

计算AD_i对应的模拟电压值V_i：

压力传感器8输出的压力值P_i为：

令P_i＝F_i，两边求和得：

从而得到压力传感器灵敏度：

本实施例给出了压力传感器灵敏度校准的一种技术方案。灵敏度校准的技术原理是：使基于模数转换器6输出的数字电压值和灵敏度计算得到的压力值，等于利用标准压力计测得的压力值，解方程便可得到灵敏度。为了提高校准精度，本实施例对压力传感器8施加多个(N个，如N＝10)不同的压力值，同时读取标准压力计测得的压力值F_i和模数转换器6输出的数字电压值AD_i，然后通过对两个压力值分别求和，得到校准的灵敏度。由于在校准过程中，从AD_i中减去了零点误差AD₀，因此本实施例给出的灵敏度校准方法，不仅可以消除压力传感器8出厂标定的灵敏度误差，还可消除零点漂移误差，可明显提高压力的测量精度。实验表明，校准后可使压力误差小于0.2牛顿。

本发明实施例一种应用所述装置进行压力测量的方法，包括以下步骤：

步骤101，分别获取第一3轴加速度传感器、第二3轴加速度传感器、第三3轴加速度传感器和第四3轴加速度传感器输出的加速度值；

步骤102，获取与6分量传感器9对应的模数转换器6输出的数字电压值，并计算上颈部在x、y、z 3个方向的受力及x、y、z 3个方向的扭矩；

步骤103，获取与每个压力传感器8对应的模数转换器6输出的数字电压值，并基于校准后的压力传感器8灵敏度计算每个压力传感器8输出的压力值。

本实施例所述方法的技术原理与前面装置实施例的技术原理相似，此处不再赘述。后面的实施例也是如此，均不再展开说明。

作为一可选实施例，所述方法还包括：将每个压力传感器8输出的压力数据上传到上位机，由上位机绘制头部受力云图。

作为一可选实施例，作为一可选实施例，基于校准后的压力传感器灵敏度计算每个压力传感器输出的压力值的公式为：

式中，k为由电路参数决定的常数，为校准后的压力传感器灵敏度，AD为模数转换器6输出的数字电压值，V为AD对应的模拟电压，AD₀为压力为0时模数转换器6输出的数字电压值，n为模数转换器6的位数，V_CC为模数转换器6的满量程电压。

作为一可选实施例，压力传感器灵敏度的校准方法包括：

采用标准压力计分别测量对压力传感器8施加N个不同压力时的压力值F_i，并同时读取模数转换器6输出的数字电压值AD_i，i＝1,2,…,N；

计算AD_i对应的模拟电压值V_i：

压力传感器8输出的压力值P_i为：

令P_i＝F_i，两边求和得：

从而得到压力传感器灵敏度：

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种假人头颈部测力装置，包括：控制器，与控制器相连的安装在头部质心位置的第一3轴加速度传感器、安装在躯干部的第二3向加速度传感器、安装在头盔上的第三3轴加速度传感器和安装在靠椅上的第四3轴加速度传感器，安装在上颈部用于测量x、y、z 3个方向受力及x、y、z 3个方向扭矩的6分量传感器，其特征在于，还包括安装在头部表面上的多个压力传感器，所述压力传感器和6分量传感器的输出信号经信号调理器和模数转换器后输入至控制器，控制器基于校准后的压力传感器灵敏度计算每个压力传感器输出的压力值；

基于校准后的压力传感器灵敏度计算每个压力传感器输出的压力值的公式为：

式中，k为由电路参数决定的常数，为校准后的压力传感器灵敏度，AD为模数转换器输出的数字电压值，V为AD对应的模拟电压，AD₀为压力为0时模数转换器输出的数字电压值，n为模数转换器的位数，V_CC为模数转换器的满量程电压；

压力传感器灵敏度的校准方法包括：

采用标准压力计分别测量对压力传感器施加N个不同压力时的压力值F_i，并同时读取模数转换器输出的数字电压值AD_i，i＝1,2,…,N；

计算AD_i对应的模拟电压值V_i：

压力传感器输出的压力值P_i为：

令P_i＝F_i，两边求和得：

从而得到压力传感器灵敏度：

2.根据权利要求1所述的假人头颈部测力装置，其特征在于，所述装置还包括通过USB线或无线通信模块与控制器进行数据通信的上位机，用于基于每个压力传感器输出的压力值绘制头部受力云图。

3.根据权利要求1所述的假人头颈部测力装置，其特征在于，所述压力传感器的数量为27个。

4.一种应用权利要求1所述装置进行压力测量的方法，包括以下步骤：

分别获取第一3轴加速度传感器、第二3轴加速度传感器、第三3轴加速度传感器和第四3轴加速度传感器输出的加速度值；

获取与6分量传感器对应的模数转换器输出的数字电压值，并计算上颈部在x、y、z 3个方向的受力及x、y、z 3个方向的扭矩；

获取与每个压力传感器对应的模数转换器输出的数字电压值，并基于校准后的压力传感器灵敏度计算每个压力传感器输出的压力值。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：将每个压力传感器输出的压力数据上传到上位机，由上位机绘制头部受力云图。