一种人体负荷模拟运动系统技术方案

本发明专利技术涉及一种人体负荷模拟运动系统，其特征在于：一种人体负荷模拟运动系统，其特征在于：它包括一负荷假人、一六自由度运动模块、一运动跟踪模块和一反馈控制模块；所述负荷假人包括仿真骨骼和仿真软组织；所述六自由度运动模块采用六自由度运动平台，所述运动跟踪模块为一运动跟踪设备；所述反馈控制模块为一计算机，其控制所述六自由度运动模块带动负荷假人运动，并依据运动跟踪模块实时采集的负荷假人的运动轨迹信息采用自适应控制算法实时调整和控制所述六自由度运动模块，使所述六自由度运动模块带动负荷假人的运动轨迹与用户设定的真人运动轨迹不断的逼近，直至完全相同。本发明专利技术可以广泛应用于各种人体负荷相关领域的研究过程中。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术涉及一种人体负荷模拟运动系统，其特征在于：一种人体负荷模拟运动系统，其特征在于：它包括一负荷假人、一六自由度运动模块、一运动跟踪模块和一反馈控制模块；所述负荷假人包括仿真骨骼和仿真软组织；所述六自由度运动模块采用六自由度运动平台，所述运动跟踪模块为一运动跟踪设备；所述反馈控制模块为一计算机，其控制所述六自由度运动模块带动负荷假人运动，并依据运动跟踪模块实时采集的负荷假人的运动轨迹信息采用自适应控制算法实时调整和控制所述六自由度运动模块，使所述六自由度运动模块带动负荷假人的运动轨迹与用户设定的真人运动轨迹不断的逼近，直至完全相同。本专利技术可以广泛应用于各种人体负荷相关领域的研究过程中。【专利说明】一种人体负荷模拟运动系统
本专利技术涉及一种模拟运动系统，特别是关于一种人体负荷模拟运动系统。
技术介绍
在野外生存、户外运动、学生背包、部队行军以及劳动搬运等领域人们通常需要进行背部负荷行走。人体背部负荷改变了身体重心的位置，影响人的步态和身体姿势，尤其是负荷过大或长时间负荷行走极易造成身体疲劳、损伤。因此，在运动生物力学领域，国内外学者都广泛开展了人体负荷行走的步态、姿态、疲劳感、能量消耗等生理和生物力学研究。目前，开展人体负荷行走研究大多采用真人反复试验的方法，依靠人的主观疲劳感或舒适感评价、生理指标和生物力学指标的变化来对人体负荷进行综合测试与评价。此类依靠真人主观感受的方法虽然能够对背包的可用性、设计特点、身体局部疲劳感觉、舒适性等进行有效的评价，但是大样本真人重复试验既耗时又费钱，而且无法避免受试者个体差异、主观表述不清或表述不准确等干扰因素。 因此，急需一种可以客观的评价人体负荷行走的方法，以模拟人代替真人开展试验，不仅可以提高效率、缩减开支，还可以降低人为误差，从而提高试验可靠性，缩短产品或技术开发时间，提高开发效率。目前，国外研究的模拟负荷假人都是采用西方人的身体特征进行设计，不符合中国人的身体特征(体型、重量、质心等)。另一方面，人体运动相比大型物体运动，如钻井平台、地震体验平台等具有更高的复杂性，如爬坡、跳跃、转身等，目前的方法是通过计算模型或实测获取人体运动模型数据，然后控制六自由度运动平台进行相应的运动，以此来实现假人进行预定轨迹运动的目的。这种方法一个缺点是假人的运动轨迹与实际需要的人体运动轨迹之间经常会存在一定的误差，主要是因为通过实测法获取的真人运动轨迹模型是以真人的躯干为重心，而六自由度运动平台的运动是以运动平台的某一空间点为重心，通常需要手动不断调整运动平台才能实现真人和运动平台假人重心的一致，这种手动调整和校准的方法过程复杂、费时，且不易控制精度。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种能够实现高精度仿真模拟人体负荷运动，为人体负荷生物力学及工效学提供一研究平台的人体负荷模拟运动系统。 为实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案:一种人体负荷模拟运动系统，其特征在于:它包括一负荷假人、一六自由度运动模块、一运动跟踪模块和一反馈控制模块；所述六自由度运动模块采用六自由度运动平台，所述负荷假人由仿真骨骼和包覆在所述仿真骨骼之外的仿真软组织组成；所述负荷假人连接在所述六自由度运动平台顶部；所述运动跟踪模块为一运动跟踪设备，其实时采集负荷假人的运动轨迹，并传送给所述反馈控制模块；所述反馈控制模块为一具有操作界面的计算机，其内设置有信号采集模块、数据传输模块、数据转换模块、控制模块；所述信号采集模块通过数据传输模块实时采集所述运动跟踪模块获取的所述负荷假人的运动轨迹信息，并发送给所述数据转换模块；所述数据转换模块对运动轨迹信息进行放大、滤波、A/D转换后发送给控制模块，所述控制模块通过内置的自适应控制算法对所述负荷假人的实时运动轨迹信息进行处理后，与用户输入的负荷运动轨迹进行对比，并通过不断调整控制指令输出给所述六自由度运动模块，控制负荷假人达到与用户输入的负荷运动相同的运动轨迹。 所述负荷假人的仿真骨骼包括一中轴骨、两对称设置的上肢骨和一下肢骨；所述中轴骨包括颅骨、脊柱、肋骨、胸骨和颈肩胸连接件；所述脊柱包括脊柱颈段、脊柱胸段、脊柱腰段和脊柱骶段；所述肋骨包括两对称设置的第一肋、第二肋、第三肋、第四肋、第五肋、第六肋和第七肋；所述脊柱的脊柱颈段上端连接所述颅骨，所述脊柱颈段下端连接所述颈肩胸连接件中部上端，所述颈肩胸连接件的中部下端连接所述脊柱胸段，所述脊柱胸段的下端连接所述脊柱腰段，所述脊柱腰段的下端连接所述脊柱骶段；两侧所述肋骨的第一肋?第七肋的一端间隔连接所述脊柱胸段，所述第一肋?第五肋的另一端连接所述胸骨；所述第六肋和第七肋的另一端向上弯曲连接所述胸骨的下端形成肋弓；两所述上肢骨均包括上肢带、肱骨、桡尺骨、腕掌骨、指骨、内收外展轴、肘轴和腕轴；所述上肢带包括锁骨、肩胛骨和肩胛R ;所述指骨包括第一指骨、第二指骨、第三指骨、第四指骨和第五指骨；两所述锁骨一端连接所述胸骨上端两侧，另一端连接所述颈肩胸连接件两侧前部；两所述肩胛冈一体成型在两所述肩胛骨的背部，两所述肩胛骨连接所述颈肩胸连接件两侧后部，两所述肱骨的上端通过内收外展轴转动连接所述颈肩胸连接件两侧中部，两所述肱骨的下端通过两肘轴转动连接两所述桡尺骨上端，两所述桡尺骨下端通过两腕轴转动连接两腕掌骨，两侧第一指骨?第五指骨连接所述腕掌骨下端；所述下肢骨包括一骶骨，对称设置的两髋骨、两闭孔、两股骨和两安装固定件；所述骶骨上端连接所述脊柱骶段中下段，所述骶骨两侧连接所述两髋骨，所述两闭孔连接所述两髋骨下端前部，所述两股骨连接所述两髋骨下端中部，所述两股骨底部连接所述两安装固定件。 所述仿真骨骼的尺寸、质量和质心分布均根据真人实际测量、统计、计算的数据获得。 所述仿真软组织包括三部分，其中一部分是根据位于头、颈、躯干和大腿上段的仿真骨骼作为内模具，根据标准人体相应部分的外形数据制作外模具，采用硅橡胶整体浇注固化成形的头、颈、躯干和大腿上段的仿真软组织；另外两部分是根据位于两上肢的仿真骨骼作为内模具，根据标准人体两上肢的外形数据制作外模具，采用硅橡胶整体浇注固化成形的左、右上肢的仿真软组织。 所述硅橡胶材料为硅胶和聚氨酯发泡的混合材料，其邵氏硬度为15±2。 所述运动跟踪模块为一运动跟踪摄像机，将所述运动跟踪摄像机的摄像头设置在所述负荷假人的前方。 所述运动跟踪设备为电磁跟踪仪或红外跟踪仪中的一种，所述电磁跟踪仪或红外跟踪仪的采集器设置在所述负荷假人的前方，相应的运动跟踪传感器设置在所述负荷假人上。 本专利技术由于采取以上技术方案，其具有以下优点:1、本专利技术根据中国人的基本特征设计了一具有外形、体重、骨骼、皮肤等内容的负荷假人，同时采用分段四肢和躯干骨骼结构，各分段的尺寸质量、质心分布均符合中国真人的统计数据；且针对背部负荷应用设计具有与真人相似的锁骨、肩胛骨、肋骨(具有肋弓)、骨盆(具有髋骨、闭孔)这些在人体负荷行走中承担人体负荷的主要骨骼结构；并在仿真骨骼外设置与真人皮肤肌肉相同硬度(邵氏硬度15±2)的仿真软组织，以此形成相应的肩部、背部、腰部、臀部，因此能够高度仿真背部负荷作用下人躯干骨骼和软组织的受力分布情况，为实现本专利技术目的实现提供了坚实的基础。2、本本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种人体负荷模拟运动系统，其特征在于：它包括一负荷假人、一六自由度运动模块、一运动跟踪模块和一反馈控制模块；所述六自由度运动模块采用六自由度运动平台，所述负荷假人由仿真骨骼和包覆在所述仿真骨骼之外的仿真软组织组成；所述负荷假人连接在所述六自由度运动平台顶部；所述运动跟踪模块为一运动跟踪设备，其实时采集负荷假人的运动轨迹，并传送给所述反馈控制模块；所述反馈控制模块为一具有操作界面的计算机，其内设置有信号采集模块、数据传输模块、数据转换模块、控制模块；所述信号采集模块通过数据传输模块实时采集所述运动跟踪模块获取的所述负荷假人的运动轨迹信息，并发送给所述数据转换模块；所述数据转换模块对运动轨迹信息进行放大、滤波、A/D转换后发送给控制模块，所述控制模块通过内置的自适应控制算法对所述负荷假人的实时运动轨迹信息进行处理后，与用户输入的负荷运动轨迹进行对比，并通过不断调整控制指令输出给所述六自由度运动模块，控制负荷假人达到与用户输入的负荷运动相同的运动轨迹。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：谌玉红，郑捷文，李晨明，郭亚飞，任鹏飞，
申请(专利权)人：中国人民解放军总后勤部军需装备研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11