一种测量背包重心的方法技术

本发明专利技术公开了一种测量背包重心的方法，包括以下步骤：以背包为基准建立局部坐标系A；以实验室为基准建立全局坐标系B，建立局部坐标系A与全局坐标系B之间的关系；在背包的两个不同姿态下测量背包重心C0在全局坐标系B中的投影坐标；计算背包重心C0在全局坐标系B中的三维坐标；计算背包重心C0在局部坐标系A中的三维坐标。与悬挂法等传统重心测量方法相比，本发明专利技术得到的数据不仅更贴近实际情况，也更稳定、易操作，而且运用动力学与运动学相结合的方法完整解决了背包重心确定与动态跟踪的问题，为背包相关的科学研究提供了切实可行的方法学支持。法学支持。法学支持。

【技术实现步骤摘要】
一种测量背包重心的方法


[0001]本专利技术涉及人体生物力学机制研究领域，尤其是涉及一种测量背包重心的方法。

技术介绍

[0002]背包是最常用的携带物品的方式，它被士兵、学生、登山者广泛使用。在背包负载领域中研究的生物力学结果变量可以大致分类为四组：(1)动力学(例如关节力矩)；(2)运动学(例如关节角度)；(3)肌电(EMG)(例如综合肌电图(IEMG))；(4)时空(例如节奏)。相应的，这些生物力学的变量为研究背包人群的潜在损伤和体能退化机制提供了见解。例如，背负较低重心的背包有利于增加躯干的稳定性及防止在登山活动中的跌落损伤，学生背负背包的最佳重量应小于体重的15％等等。
[0003]尽管有大量关于背包负载的运动学、动力学、肌肉活动研究，但是在这些研究中，研究者的研究重心是人体背包负重后的表现，以及不同重量、不同设计的背包对人体所产生的效果，涉及背包负重后人体产生代偿姿态的生物力学机制的研究并不多。
[0004]基于运动捕捉的动力学分析可以让我们了解运动过程中的人体重心的准确位置及其变化，如果我们同时获取了运动过程中背包重心的位置，那么运动过程中人体重心与背包重心之间相互位置关系就变得明确，人体是如何控制背包位置的策略机制也将可能变得更为清晰，可以让我们更多为背包设计、背负策略的改进提供数据参考。
[0005]在没有身体姿势调整的情况下，背上负重的背包会导致整个系统的质心位置在矢状面上向后和更高的位置移动。因此为了维持身体正常的重心垂直轨迹，身体开始前倾且前倾的幅度随负载的变化而线性变化。运动过程中重心的变化可作为平衡和神经控制的有效参考指标。然而，虽然人体的重心运动可以通过人体模型进行估算得到，但背包的重心运动(轨迹、速度等)在目前的研究中均未见报道，其主要的原因是研究者们并不能很好地确定背包重心的位置坐标时间序列，也就不能确定性地给出背包对于人体的力学负荷(加速度以及对躯干的惯性力矩)。这就导致我们可能不能很好的理解人体负重状态下所产生的各种姿态补偿的力学机制。
[0006]因此，能否为后续的动力学分析提供更加准确的人体运动外部的力学条件信息，取决于能否确定运动状态下背包重心的实时三维空间坐标。

技术实现思路

[0007]针对现有技术存在的上述问题，本专利技术提供了一种测量背包重心的方法，可以确定运动状态下背包重心的实时三维空间坐标，可以给出背包重心随时间变化的曲线，有助于更好地理解人体负重状态下所产生的各种姿态补偿的力学机制。
[0008]本专利技术的技术方案如下：
[0009]一种测量背包重心的方法，包括以下步骤：
[0010]S1、以背包为基准建立局部坐标系A；
[0011]S2、以实验室为基准建立全局坐标系B，建立局部坐标系A与全局坐标系B之间的关
系；
[0012]S3、在背包的两个不同姿态下测量背包重心C0在全局坐标系B中的投影坐标；
[0013]S4、计算背包重心C0在全局坐标系B中的三维坐标；
[0014]S5、计算背包重心C0在局部坐标系A中的三维坐标。
[0015]进一步的，步骤S1的具体步骤如下：
[0016]S1
‑
1、在背包上设置3个标志点P0、P1、P2，并将P0设定为局部坐标系A的原点；背包重心C0在背包坐标系A中的三维坐标为(x,y,z)，在全局坐标系B中的三维坐标为(X，Y，Z)；背包重心C0与P0的矢量在背包坐标系A中表达为常量，在全局坐标系B中表达为变量；
[0017]S1
‑
2、取矢量分别构建背包坐标系A的坐标轴矢量：
[0018]x轴：
[0019]y轴：
[0020]z轴：
[0021]利用矢量矢积公式得到背包坐标系A的三个坐标轴矢量如下：
[0022][0023][0024][0025]对上述三个坐标轴矢量进行归一化处理，得到背包坐标系A的三个基矢如下：
[0026][0027][0028][0029]进一步的，步骤S2的具体方法如下：
[0030]背包坐标系A的三个基矢在全局坐标系B的投影构成方向余弦阵：
[0031][0032]进一步的，步骤S3的具体步骤如下：
[0033]S3
‑
1、根据步骤S2得到的方向余弦阵[A
br
]建立以下关系式：
[0034][a
b
]＝[A
br
]1[a
r
]1＝[A
br
]2[a
r
]2ꢀꢀ
(1)
[0035]其中[a
b
]为背包重心C0在背包坐标系A中的坐标阵，[a
r
]为背包重心C0在全局坐标系B中的坐标阵，下标1、2代表背包的两个不同姿态；
[0036]S3
‑
2、选择一个用于固定和承载背包的、重量为W
m
的背包承载物，将其放置在测力台上，测量得到该背包承载物的压力中心COP在全局坐标系B中的坐标，记为(x
m
，y
m
)；
[0037]S3
‑
3、将一个重量为W
b
的背包固定在背包承载物上，再次测量COP数据，得到背包与背包承载物两者合成的压力中心COP为(x
c1
，y
c1
)；
[0038]S3
‑
4、放松背包的背带、调整背包的姿态，再次测量COP数据，得到背包与背包承载物两者合成的压力中心COP为(x
c2
，y
c2
)。
[0039]进一步的，步骤S4的具体方法如下：
[0040]通过平面力平衡方程得到：
[0041][0042]根据方程(2)解得(x
i
，y
i
)，即为坐标阵[a
r
]中的x、y坐标；
[0043]根据关系式(1)可得：
[0044][A
br
]1[a
r
]1＝[A
br
]2[a
r
]2ꢀꢀ
(3)
[0045]展开为：
[0046][0047]移项整理：
[0048][0049]合并，得：
[0050][0051]方程(4)的右边为已知量，以C
i
表示；该矩阵方程两两组合，可产生3个方程组，比如：
[0052][0053]解上述冗余方程组，将3种组合所得到的Z值结果进行平均，作为坐标阵[a
r
]中的z坐标最优解。
[0054]进一步的，步骤S5的具体方法如下：
[0055]根据关系式(1)分别列出等式：
[0056][a
b
]＝[A
br
]1[a
r
]1ꢀꢀ
(6本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种测量背包重心的方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、以背包为基准建立局部坐标系A；S2、以实验室为基准建立全局坐标系B，建立局部坐标系A与全局坐标系B之间的关系；S3、在背包的两个不同姿态下测量背包重心C0在全局坐标系B中的投影坐标；S4、计算背包重心C0在全局坐标系B中的三维坐标；S5、计算背包重心C0在局部坐标系A中的三维坐标。2.根据权利要求1所述的一种测量背包重心的方法，其特征在于，步骤S1的具体步骤如下：S1
‑
1、在背包上设置3个标志点P0、P1、P2，并将P0设定为局部坐标系A的原点；背包重心C0在背包坐标系A中的三维坐标为(x,y,z)，在全局坐标系B中的三维坐标为(X,Y,Z)；背包重心C0与P0的矢量在背包坐标系A中表达为常量，在全局坐标系B中表达为变量；S1
‑
2、取矢量分别构建背包坐标系A的坐标轴矢量：x轴：y轴：z轴：利用矢量矢积公式得到背包坐标系A的三个坐标轴矢量如下：利用矢量矢积公式得到背包坐标系A的三个坐标轴矢量如下：利用矢量矢积公式得到背包坐标系A的三个坐标轴矢量如下：对上述三个坐标轴矢量进行归一化处理，得到背包坐标系A的三个基矢如下：对上述三个坐标轴矢量进行归一化处理，得到背包坐标系A的三个基矢如下：对上述三个坐标轴矢量进行归一化处理，得到背包坐标系A的三个基矢如下：3.根据权利要求2所述的一种测量背包重心的方法，其特征在于，步骤S2的具体方法如下：背包坐标系A的三个基矢在全局坐标系B的投影构成方向余弦阵：4.根据权利要求3所述的一种测量背包重心的方法，其特征在于，步骤S3的具体步骤如
下：S3
‑
1、根据步骤S2得到的方向余弦阵[A
br
]建立以下关系式：[a
b
]＝[A
br
]1[a
r
]1＝[A
br
]2[a
r
]2ꢀꢀ
(1)其中[a
b
]为背包重心C0在背包坐标系A中的坐标阵，[a
r
]为背包重心C0在全局坐标系B中的坐标阵，下标1、2代表背包的两个不同姿态；S3
‑
2、选择一个用于固定和承载背包的、重量为W
...

【专利技术属性】
技术研发人员：伍勰，黄睿，陈楠，朱伟平，
申请(专利权)人：上海体育学院，
类型：发明
国别省市：