CN100388906C - 人体重心动态位置测量仪及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种人体重心动态位置测量仪及其测量方法，其包括有测力平台、压力传感器、数据采集卡和PC计算机，所述的测力平台由盖板、延伸板和附板组成，盖板和延伸板的一端铰接，延伸板另一端下面设有一个延伸板支撑柱，盖板两端下面分别设有四个盖板支撑柱，在盖板支撑柱和盖板之间设有压力传感器，压力传感器和盖板之间点接触，在盖板和延伸板的两侧分别活动连接有附板，压力传感器通过线路与数据采集卡和PC计算机连接。使用时，利用压力传感器，对测力平台多支撑柱分布载荷进行测试与计算，通过数据采集、A/D转换，编制数据处理及绘图打印软件，实现人体重心位置的实时动态测量。本发明的优点是：功能多、方便携带、结构简单、可靠。

Description

人体重心动态位置测量仪及其测量方法

技术领域

本发明涉及一种测力仪器，具体地说是一种人体重心动态位置测量仪及其测量方法。

背景技术

我们知道，目前用机械平台来测试人体重心位置的变化(平衡功能)是一种通用的方法，测力平台有三支点、四支点的小型平台，以及六支点的大面积的平台。这些仪器的设计思路主要是为人体站姿(站立或行走)条件下的人体重心位置(压力中心位置)的测量，而没有考虑到人体卧姿条件下的检测，仪器的功能比较单一，同时携带也非常的不方便。

发明内容

本发明为克服上述现有技术的不足，提供一种结构简单、操作方便、易于携带、多功能的人体重心动态位置测量仪及其测量方法。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：一种人体重心动态位置测量仪，其包括有测力平台、压力传感器、数据采集卡和PC计算机，所述的测力平台由盖板、延伸板和附板组成，盖板和延伸板的一端铰接，延伸板另一端下面设有一个延伸板支撑柱，盖板两端下面共设有四个盖板支撑柱，在盖板支撑柱和盖板之间设有压力传感器，压力传感器和盖板之间点接触，在盖板和延伸板的两侧分别活动连接有附板，压力传感器通过线路与数据采集卡和PC计算机连接。

人体行走状态下重心位置的动态变化测量方法如下：

a.把盖板和延伸板铰接；

b.行走时沿着横轴方向，当人体走进延伸板上时，考虑到延伸板稳定面积呈三角形的特点，要求人体尽量沿着延伸板的中心线行走，同时对行走的距离进行适当的控制，终点要距离延伸板支撑柱一段距离，其长度约为延伸板长的1/3，同时在行走时，走速应尽量保持匀速，以消除人体的惯性力对人体重心位置的检测产生影响；

c.计算原理如下：假设盖板长度为AB，延伸板长度为BC，其宽度都是DE，在已知人体重量G的条件下，在AB-BC方向，即X轴方向，人体重心位置移动到x时，从AB方向看，A点的压力F_A为盖板A侧两压力传感器数值之和，属已知值；B点的压力F_B为盖板B侧两压力感器数值之和，也属已知值；点C的数值F_c大小等于人体重量G减去F_A和F_B，也是已知值；当测试平台的各支撑柱间的横向距离L_a、L_b为已知时，根据x方向力矩平衡的关系，对支点C取矩，可得：∑M_C＝0：F_A×(L_a+L_b)+F_B×L_b-G×(L_a+L_b-x)＝0，则x＝L_a+L_b-F_A×(L_a+L_b)/G-F_B×L_b/G，可以确定重心位置x值；同样，在DE方向，即Y轴方向，人体重心移动到y时，从DE方向看，D点的压力F_D为盖板D侧两传感器的数值之和，属已知值，E点的压力F_E为盖板E侧两传感器的数值之和，也属已知值；点C位于D、E两点的中点，当人体重量为已知值G时，C点的数值F_C大小等于G减去F_D及F_E，也为已知值，当测试平台的盖板支撑柱间的纵向距离L_C为已知时，根据y方向力矩平衡的关系，对D点取矩：∑M_D＝0：F_C×0.5×L_c+F_E×L_c-G×y＝0，则y＝(0.5×F_C+F_E)×L_c/G，其中F_C＝G-F_D-F_E可以确定重心位置y值；

d.利用压力传感器，对测力平台多支撑柱分布载荷进行测试与计算，通过数据采集、A/D转换，编制数据处理及绘图打印软件，实现人体重心位置的实时动态测量。

人体卧姿状态下重心位置的动态变化测量方法如下：

a.把盖板和延伸板铰接，并在其两侧分别活动连接附板；

b.卧姿测量时，人体应从盖板坐下，然后慢慢躺下并后移，头部可支撑在延伸板的延伸板支撑柱处，展开与盖板相连接的附板，可以增加人体卧姿状态下腿的侧向转动的支撑面积；展开与延伸板相连接的附板，可以增加人体卧姿状态下手臂侧向运动时的支撑面积；

c.计算原理如下：假设盖板长度为AB，延伸板长度为BC，其宽度都是DE，在已知人体重量G的条件下，在AB-BC方向，即X轴方向，人体重心位置移动到x时，从AB方向看，A点的压力F_A为盖板A侧两压力传感器数值之和，属已知值；B点的压力F_B为盖板B侧两压力感器数值之和，也属已知值；点C的数值F_C大小等于人体重量G减去F_A和F_B，也是已知值；当测试平台的各支撑柱间的横向距离L_a、L_b为已知时，根据x方向力矩平衡的关系，对支点C取矩，可得：∑M_C＝0：F_A×(L_a+L_b)+F_B×L_b-G×(L_a+L_b-x)＝0，则x＝L_a+L_b-F_A×(L_a+L_b)/G-F_B×L_b/G，可以确定重心位置x值；同样，在DE方向，即Y轴方向，人体重心移动到y时，从DE方向看，D点的压力F_D为盖板D侧两传感器的数值之和，属已知值，E点的压力F_E为盖板E侧两传感器的数值之和，也属已知值；点C位于D、E两点的中点，当人体重量为已知值G时，C点的数值F_C大小等于G减去F_D及F_E，也为已知值，当测试平台的盖板支撑柱间的纵向距离L_c为已知时，根据y方向力矩平衡的关系，对D点取矩：∑M_D＝0：F_C×0.5×L_c+F_E×L_c-G×y＝0，则y＝(0.5×F_C+F_E)×L_c/G，其中F_C＝G-F_D-F_E，可以确定重心位置y值；

d.利用压力传感器，对测力平台多支撑柱分布载荷进行测试与计算，通过数据采集、A/D转换，编制数据处理及绘图打印软件，实现人体重心位置的实时动态测量。

本发明采用盖板和延伸板铰接，并在其两侧分别连接附板，在盖板两端下面分别设有带压力传感器的盖板支撑柱，传感器与盖板的连接应该是点接触，以避免在连接处产生力矩而造成静不定的力学结构。盖板可单独使用，以测试人体在站姿下人体站立时的重心位置晃动(平衡能力)。在延伸板另一端下面设有延伸板支撑柱，压力传感器通过线路与数据采集卡和PC计算机连接。使用时，人体在上面行走或者卧姿下根据力矩平衡原则可以计算出重心位置。利用压力传感器，对测力平台多支撑柱分布载荷进行测试与计算，通过数据采集、A/D转换，编制数据处理及绘图打印软件，实现人体重心位置的实时动态测量。本发明的优点是：

(1)功能多，既可测试站姿下的人体站立或行走时重心的动态变化，又可对卧姿下人体重心位置(因四肢的变化而引起)的变化规律；

(2)方便携带，附板与盖板及延伸板之间可以自由拆装；

(3)用5个支点，4个传感器的方法，既扩大了测试的有效面积，在理论与实践上解决了力学上的结构静不定问题，同时又减少了传感器的数量，使机电***结构变得简单、可靠。本发明可以作为体育训练、运动的选材，也可以为全民体质检测，医疗康复等方面服务。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明的测力平台横轴方向受力示意图；

图3为本发明的测力平台纵轴方向受力示意图；

图4为本发明的电路原理框图。

图中1.盖板，2.延伸板，3.附板，4.盖板支撑柱，5.延伸板支撑柱。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

实施例：结构如图1所示，测力平台由盖板1、延伸板2和附板3组成，盖板1和延伸板2的一端铰接，延伸板2另一端下面设有一个延伸板支撑柱5，盖板1两端下面分别设有四个盖板支撑柱4，在盖板支撑柱4和盖板1之间设有压力传感器，压力传感器和盖板1之间点接触，在盖板1和延伸板2的两侧分别活动连接有附板3，压力传感器通过线路与数据采集卡和PC计算机连接。

当盖板1与延伸板2相连接时，本发明可测量人体行走及卧姿状态下重心位置的动态变化。在测量人体行走时，如图1所示，人体行走的方向必须是沿着横轴方向，当人体走进延伸板上时，考虑到延伸板2稳定面积呈三角形的特点，要求人体尽量沿着延伸板2的中心线行走，同时对行走的距离进行适当的控制，如图2所示，终点要离开支点C一段距离L₁，其长度约为延伸板2长的1/3，以免平台倾覆。同时在行走时，走速应尽量保持匀速，以消除人体的惯性力对人体重心位置的检测产生影响。在卧姿测量时，盖板1与其两侧的附板3相连接，以增加人体卧姿状态下腿的侧向转动的支撑面积；延伸板2与其两侧的附板相连接，使用时可以展开，增加人体卧姿状态下手臂侧向运动时的支撑面积。在测量卧姿时，人体应从盖板1坐下，然后慢慢躺下并后移，头部可支撑在延伸板2的延伸板支撑柱5处。

计算原理如下：如图2和图3所示，假设盖板长度为AB，延伸板长度为BC，其宽度都是DE，在已知人体重量G的条件下，在AB-BC方向，即X轴方向，人体重心位置移动到x时，从AB方向看，A点的压力F_A为盖板A侧两压力传感器数值之和，属已知值；B点的压力F_B为盖板B侧两压力感器数值之和，也属已知值；点C的数值F_C大小等于人体重量G减去F_A和F_B，也是已知值；当测试平台的各支撑柱间的横向距离L_a、L_b为已知时，根据x方向力矩平衡的关系，对支点C取矩，可得：∑M_C＝0：F_A×(L_a+L_b)+F_B×L_b-G×(L_a+L_b-x)＝0，则x＝L_a+L_b-F_A×(L_a+L_b)/G-F_B×L_b/G，可以确定重心位置x值；同样，在DE方向，即Y轴方向，人体重心移动到y时，从DE方向看，D点的压力F_D为盖板D侧两传感器的数值之和，属已知值，E点的压力F_E为盖板E侧两传感器的数值之和，也属已知值；点C位于D、E两点的中点，当人体重量为已知值G时，C点的数值F_C大小等于G减去F_D及F_E，也为已知值，当测试平台的盖板支撑柱间的纵向距离L_c为已知时，根据y方向力矩平衡的关系，对D点取矩：∑M_D＝0：F_C×0.5×L_c+F_E×L_c-G×y＝0，则y＝(0.5×F_C+F_E)×L_c/G，其中F_C＝G-F_D-F_E，可以确定重心位置y值。

如图4所示，该仪器的工作原理是利用压力传感器，对测力平台多支点的分布载荷进行测试与计算，通过数据采集、A/D转换，编制数据处理及绘图打印软件，实现人体重心位置的实时动态检测。

Claims (3)

1.一种人体重心动态位置测量仪，其包括有测力平台、压力传感器、数据采集卡和PC计算机，其特征在于：所述的测力平台由盖板、延伸板和附板组成，盖板和延伸板的一端铰接，延伸板另一端下面设有一个延伸板支撑柱，盖板两端下面共设有四个盖板支撑柱，在盖板支撑柱和盖板之间设有压力传感器，压力传感器和盖板之间点接触，在盖板和延伸板的两侧分别活动连接有附板，压力传感器通过线路与数据采集卡和PC计算机连接。

2.根据权利要求1所述的人体重心动态位置测量仪，人体行走状态下重心位置的动态变化测量方法如下：

a.把盖板和延伸板铰接；

b.行走时沿着横轴方向，当人体走进延伸板上时，考虑到延伸板稳定面积呈三角形的特点，要求人体尽量沿着延伸板的中心线行走，同时对行走的距离进行适当的控制，终点要距离延伸板支撑柱一段距离，其长度约为延伸板长的1/3，同时在行走时，走速应尽量保持匀速，以消除人体的惯性力对人体重心位置的检测产生影响；

c.计算原理如下：假设盖板长度为AB，延伸板长度为BC，其宽度都是DE，在已知人体重量G的条件下，在AB-BC方向，即X轴方向，人体重心位置移动到x时，从AB方向看，A点的压力F_A为盖板A侧两压力传感器数值之和，属已知值；B点的压力F_B为盖板B侧两压力感器数值之和，也属已知值；点C的数值F_C大小等于人体重量G减去F_A和F_B，也是已知值；当测试平台的各支撑柱间的横向距离L_a、L_b为已知时，根据x方向力矩平衡的关系，对支点C取矩，可得：∑M_C＝0：F_A×(L_a+L_b)+F_B×L_b-G×(L_a+L_b-x)＝0，则x＝L_a+L_b-F_A×(L_a+L_b)/G-F_B×L_b/G，可以确定重心位置x值；同样，在DE方向，即Y轴方向，人体重心移动到y时，从DE方向看，D点的压力F_D为盖板D侧两传感器的数值之和，属已知值，E点的压力F_E为盖板E侧两传感器的数值之和，也属已知值；点C位于D、E两点的中点，当人体重量为已知值G时，C点的数值F_C大小等于G减去F_D及F_E，也为已知值，当测试平台的盖板支撑柱间的纵向距离L_c为已知时，根据y方向力矩平衡的关系，对D点取矩：∑M_D＝0：F_C×0.5×L_c+F_E×L_c-G×y＝0，则y＝(0.5×F_C+F_E)×L_c/G，其中F_C＝G-F_D-F_E可以确定重心位置y值；

d.利用压力传感器，对测力平台多支撑柱分布载荷进行测试与计算，通过数据采集、A/D转换，编制数据处理及绘图打印软件，实现人体重心位置的实时动态测量。

3.根据权利要求1所述的人体重心动态位置测量仪，人体卧姿状态下重心位置的动态变化测量方法如下：

a.把盖板和延伸板铰接，并在其两侧分别活动连接附板；

b.卧姿测量时，人体应从盖板坐下，然后慢慢躺下并后移，头部可支撑在延伸板的延伸板支撑柱处，展开与盖板相连接的附板，可以增加人体卧姿状态下腿的侧向转动的支撑面积；展开与延伸板相连接的附板，可以增加人体卧姿状态下手臂侧向运动时的支撑面积；

c.计算原理如下：假设盖板长度为AB，延伸板长度为BC，其宽度都是DE，在已知人体重量G的条件下，在AB-BC方向，即X轴方向，人体重心位置移动到x时，从AB方向看，A点的压力F_A为盖板A侧两压力传感器数值之和，属已知值；B点的压力F_B为盖板B侧两压力感器数值之和，也属已知值；点C的数值F_C大小等于人体重量G减去F_A和F_B，也是已知值；当测试平台的各支撑柱间的横向距离L_a、L_b为已知时，根据x方向力矩平衡的关系，对支点C取矩，可得：∑M_C＝0：F_A×(L_a+L_b)+F_B×L_b-G×(L_a+L_b-x)＝0，则x＝L_a+L_b-F_A×(L_a+L_b)/G-F_B×L_b/G，可以确定重心位置x值；同样，在DE方向，即Y轴方向，人体重心移动到y时，从DE方向看，D点的压力F_D为盖板D侧两传感器的数值之和，属已知值，E点的压力F_E为盖板E侧两传感器的数值之和，也属已知值；点C位于D、E两点的中点，当人体重量为已知值G时，C点的数值F_C大小等于G减去F_D及F_E，也为已知值，当测试平台的盖板支撑柱间的纵向距离L_c为已知时，根据y方向力矩平衡的关系，对D点取矩：∑M_D＝0：F_C×0.5×L_c+F_E×L_c-G×y＝0，则y＝(0.5×F_C+F_E)×L_c/G，其中F_C＝G-F_D-F_E可以确定重心位置y值；

d.利用压力传感器，对测力平台多支撑柱分布载荷进行测试与计算，通过数据采集、A/D转换，编制数据处理及绘图打印软件，实现人体重心位置的实时动态测量。

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