專利名稱：一種人體機(jī)械阻抗測(cè)量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種檢測(cè)人體機(jī)械阻抗的測(cè)量裝置，具體涉及一種新型的人體機(jī)械阻抗測(cè)量裝置。
背景技術(shù)：
人體機(jī)械阻抗是從工學(xué)角度出發(fā)用來表征肢體生理特征的一組參數(shù)。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)肢體生理特性的研究?jī)H限于電阻抗、肌電等領(lǐng)域，尚無對(duì)人體機(jī)械阻抗方面的研究。國(guó)外對(duì)人體機(jī)械阻抗的研究多為人體處于靜止?fàn)顟B(tài)下的機(jī)械阻抗研究，而對(duì)于運(yùn)動(dòng)中的人體機(jī)械阻抗的測(cè)量一直比較困難。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的技術(shù)目的是提供一種人體機(jī)械阻抗測(cè)量裝置。本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的所采用的技術(shù)方案為人體機(jī)械阻抗測(cè)量裝置，包括機(jī)械阻抗產(chǎn)生部分和數(shù)據(jù)采集處理部分，所述的機(jī)械阻抗產(chǎn)生部分包括直線電機(jī)和與該直線電機(jī)相連接的直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，該直線電機(jī)包括動(dòng)子和定子，用于產(chǎn)生作用于人體的擾動(dòng)；旋轉(zhuǎn)平臺(tái)和與該旋轉(zhuǎn)平臺(tái)相連接的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，該旋轉(zhuǎn)平臺(tái)固定連接在直線電機(jī)下方，用于調(diào)整擾動(dòng)方向；六軸力傳感器，固定連接在直線電機(jī)的動(dòng)子上方、用于將施加到人體的擾動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)；旋轉(zhuǎn)把手，固定連接在六軸力傳感器上，測(cè)量時(shí)人體直接接觸該旋轉(zhuǎn)把手，用于將直線電機(jī)與旋轉(zhuǎn)平臺(tái)所產(chǎn)生的擾動(dòng)信號(hào)直接傳遞到人體； 控制器，通過串口與直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器相連，用于對(duì)直線電機(jī)和旋轉(zhuǎn)平臺(tái)發(fā)送控制信號(hào)，以控制旋轉(zhuǎn)把手的運(yùn)動(dòng)；所述的數(shù)據(jù)采集處理部分包括光柵尺，安裝在直線電機(jī)的定子上，用于記錄受擾動(dòng)后人體的位置變化信號(hào)；編碼器，其輸入端與直線電機(jī)上光柵尺相連，將該光柵尺輸出的正弦信號(hào)轉(zhuǎn)換成方波信號(hào)；信號(hào)調(diào)理器，與六軸力傳感器相連，將該六軸力傳感器輸出的電壓信號(hào)放大為適合采樣的電壓信號(hào)；模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其輸入端與信號(hào)調(diào)理器和編碼器相連，將信號(hào)調(diào)理器和編碼器輸出的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)；數(shù)據(jù)處理器，與模數(shù)轉(zhuǎn)換器相連，將模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后得出人體機(jī)械阻抗參數(shù)值；顯示器，與數(shù)據(jù)處理器相連，用于顯示數(shù)據(jù)處理后的信息。[0019]作為優(yōu)選，所述的動(dòng)子上固定連接移動(dòng)模塊，所述的六軸力傳感器固定連接在移動(dòng)模塊上。本實(shí)用新型人體機(jī)械阻抗測(cè)量裝置的工作過程為測(cè)試者直接接觸旋轉(zhuǎn)把手，控制器通過串口對(duì)直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)送控制信號(hào)控制旋轉(zhuǎn)把手的運(yùn)動(dòng)，對(duì)測(cè)試者的肢體產(chǎn)生微小的擾動(dòng)；六軸力傳感器將該擾動(dòng)的力信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)送入信號(hào)調(diào)理器，該信號(hào)調(diào)理器把送入的電壓信號(hào)調(diào)節(jié)到適合采集的電壓范圍，然后經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)；光柵尺記錄受擾動(dòng)后測(cè)試者的肢體位置變化信號(hào)，通過編碼器將輸出的正弦信號(hào)轉(zhuǎn)換成方波信號(hào)，然后經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器將該電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)；最后將采集的數(shù)字信號(hào)送入數(shù)據(jù)處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后得出人體機(jī)械阻抗參數(shù)值顯示在顯示器上。本實(shí)用新型中，控制器、數(shù)據(jù)處理器、顯示器可以集成在一臺(tái)電腦上。其中，顯示器優(yōu)選為液晶顯示器。數(shù)據(jù)處理器對(duì)采集的數(shù)據(jù)可以基于最小二乘法進(jìn)行實(shí)時(shí)地?cái)M合，并通過圖形化的表達(dá)方法，以橢圓的形式在該顯示器上顯示。為了解決運(yùn)動(dòng)中人體機(jī)械阻抗測(cè)量困難的問題，本實(shí)用新型可以采用一種測(cè)量方法，用于測(cè)量虛擬運(yùn)動(dòng)的機(jī)械阻抗，該方法構(gòu)建了一個(gè)虛擬的運(yùn)動(dòng)環(huán)境，該虛擬運(yùn)動(dòng)環(huán)境模擬了真實(shí)的運(yùn)動(dòng)環(huán)境，在顯示器上顯示。該測(cè)量方法具體為步驟1 創(chuàng)建一個(gè)虛擬運(yùn)動(dòng)環(huán)境，該虛擬運(yùn)動(dòng)環(huán)境通過顯示器顯示，該虛擬運(yùn)動(dòng)環(huán)境中包括虛擬物體，對(duì)該虛擬物體構(gòu)建一個(gè)到達(dá)任務(wù)；步驟2 測(cè)試者直接接觸旋轉(zhuǎn)把手，通過控制旋轉(zhuǎn)把手使虛擬物體運(yùn)動(dòng)，使其從初始點(diǎn)到達(dá)目標(biāo)區(qū)域，在此過程中，機(jī)械阻抗產(chǎn)生部分產(chǎn)生一擾動(dòng)；步驟3 通過數(shù)據(jù)采集處理部分得到該虛擬運(yùn)動(dòng)中的機(jī)械阻抗值，顯示在顯示器上。上述測(cè)量方法的具體控制過程是當(dāng)測(cè)試者對(duì)旋轉(zhuǎn)把手發(fā)力時(shí)，六軸力傳感器檢測(cè)出力信號(hào)，通過數(shù)據(jù)采集處理部分處理，以虛擬物體的運(yùn)動(dòng)形式表現(xiàn)出來，該虛擬物體的運(yùn)動(dòng)軌跡顯示在顯示器上；測(cè)試者通過控制旋轉(zhuǎn)把手使虛擬物體到達(dá)目標(biāo)區(qū)域；該虛擬物體的運(yùn)動(dòng)軌跡信息具體包括虛擬物體的速度、加速度以及位置信息，并且這些信息可以分別顯示在顯示器上，從而模擬真實(shí)環(huán)境中測(cè)試者運(yùn)動(dòng)的情況。其中，虛擬運(yùn)動(dòng)環(huán)境可以設(shè)置多功能選擇，通過該多功能按鈕的選擇及其參數(shù)設(shè)置，能夠創(chuàng)建不同的虛擬運(yùn)動(dòng)環(huán)境。例如，對(duì)虛擬物體可以構(gòu)建多個(gè)到達(dá)任務(wù)，通過選擇按鈕進(jìn)行選擇；對(duì)虛擬物體的質(zhì)量、摩擦力以及黏性等性能參數(shù)可以設(shè)置多個(gè)值，通過選擇按鈕進(jìn)行選擇；該虛擬運(yùn)動(dòng)環(huán)境中還可以設(shè)置附加力場(chǎng)，通過選擇附加力場(chǎng)按扭進(jìn)行選擇，用于模擬復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)環(huán)境或者創(chuàng)建現(xiàn)實(shí)世界所不具有的運(yùn)動(dòng)環(huán)境。另外，虛擬運(yùn)動(dòng)環(huán)境還可以設(shè)置計(jì)時(shí)功能。本實(shí)用新型提供了一種人體機(jī)械阻抗測(cè)量裝置，該測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能夠方法實(shí)時(shí)地測(cè)量出人體在靜止時(shí)的機(jī)械阻抗。同時(shí)，為了解決運(yùn)動(dòng)中人體機(jī)械阻抗測(cè)量困難的問題，本實(shí)用新型還通過構(gòu)建了虛擬的運(yùn)動(dòng)環(huán)境，對(duì)其中的虛擬物體構(gòu)建到達(dá)任務(wù)來模擬真實(shí)的運(yùn)動(dòng)環(huán)境，從而測(cè)試出人體處于該虛擬運(yùn)動(dòng)環(huán)境時(shí)的機(jī)械阻抗，該方法簡(jiǎn)單易行，對(duì)人體運(yùn)動(dòng)中的機(jī)械阻抗具有很好的參考價(jià)值，可以用于進(jìn)行一定的運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)和肢體康復(fù)行為等。
圖1是本實(shí)用新型人體機(jī)械阻抗測(cè)量裝置的主視圖；圖2是本實(shí)用新型人體機(jī)械阻抗測(cè)量裝置的俯視圖；圖3是本實(shí)用新型人體機(jī)械阻抗測(cè)量裝置的側(cè)視圖；圖4是本實(shí)用新型人體機(jī)械阻抗測(cè)量裝置的控制流程圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)描述。附圖中的標(biāo)號(hào)為電腦1、直線電機(jī)2、旋轉(zhuǎn)平臺(tái)3、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器5、直線電機(jī)底板6、移動(dòng)模塊7、動(dòng)子8、六軸力傳感器9、旋轉(zhuǎn)把手10、導(dǎo)軌11、定子12、光柵尺13、直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)器15、電流信號(hào)17、位置信號(hào)18、機(jī)械阻抗產(chǎn)生部分19、力信號(hào)20、信號(hào)調(diào)理器21、 人體機(jī)械阻抗值22、顯示器23、模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)。實(shí)施例1 如圖1所示，人體機(jī)械阻抗測(cè)量裝置主要由電腦1、直線電機(jī)2、旋轉(zhuǎn)平臺(tái)3六軸力傳感器4以及旋轉(zhuǎn)把手9構(gòu)成。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器5與旋轉(zhuǎn)平臺(tái)3相連，以驅(qū)動(dòng)該旋轉(zhuǎn)平臺(tái) 3。直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)器15與直線電機(jī)2相連，用以驅(qū)動(dòng)直線電機(jī)2。直線電機(jī)2的底板6固定在旋轉(zhuǎn)平臺(tái)3上面，直線電機(jī)2包括動(dòng)子8、定子12和導(dǎo)軌11。如圖2所示，導(dǎo)軌11和定子12固定在直線電機(jī)底板6上面。動(dòng)子8上固定安裝移動(dòng)模塊7，移動(dòng)模塊7上方裝有六軸力傳感器9，六軸力傳感器9上方固定裝有旋轉(zhuǎn)把手10。如圖3所示，定子12 —側(cè)裝有光柵尺13，光柵尺13與編碼器相連，用于將光柵尺13輸出的正弦信號(hào)轉(zhuǎn)換成方波信號(hào)。人體機(jī)械阻抗測(cè)量裝置還包括編碼器25、信號(hào)調(diào)理器21、模數(shù)轉(zhuǎn)換器24。編碼器 25與光柵尺13相連，用于將光柵尺13輸出的正弦信號(hào)轉(zhuǎn)換成方波信號(hào)。信號(hào)調(diào)理器21與六軸力傳感器4相連，用于將該六軸力傳感器4輸出的電壓信號(hào)放大為適合采樣的電壓信號(hào)。模數(shù)轉(zhuǎn)換器M的輸入端與信號(hào)調(diào)理器21和編碼器25相連，將信號(hào)調(diào)理器21和編碼器25輸出的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。電腦1包括控制器、數(shù)據(jù)處理器與顯示器23?？刂破魍ㄟ^串口與直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 15和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器5相連，用于對(duì)直線電機(jī)2和旋轉(zhuǎn)平臺(tái)3發(fā)送控制信號(hào)。數(shù)據(jù)處理器與模數(shù)轉(zhuǎn)換器M相連，將模數(shù)轉(zhuǎn)換器M輸出的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后得出人體機(jī)械阻抗參數(shù)值。顯示器23，與數(shù)據(jù)處理器相連，用于顯示數(shù)據(jù)處理后得出人體機(jī)械阻抗參數(shù)值， 以及顯示虛擬運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景、操作面板和相關(guān)參數(shù)。圖4所示為人體機(jī)械阻抗測(cè)量裝置的控制流程圖。該圖中，機(jī)械阻抗產(chǎn)生部分19 包括直線電機(jī)2、直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)器15、旋轉(zhuǎn)平臺(tái)3、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器5、六軸力傳感器9。該機(jī)械阻抗產(chǎn)生部分19由直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)器15和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器5共同驅(qū)動(dòng)，直線電機(jī)2的電流信號(hào)17和通過編碼器25獲得的位置信號(hào)18送入直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)器15，構(gòu)成閉環(huán)控制。 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器5和直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)器15與電腦1通過串口連接。六軸力傳感器9產(chǎn)生的力信號(hào)20通過信號(hào)調(diào)理器21經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器M采樣后送入電腦1，位置信號(hào)18和力信號(hào) 20送入電腦1后，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理得出人體機(jī)械阻抗值22，顯示在顯示器23上。顯示器23的顯示界面主要有以下四種功能，由電腦1內(nèi)部的軟件設(shè)定而執(zhí)行[0041]功能1、機(jī)械阻抗顯示通過測(cè)量的位置信號(hào)18，進(jìn)行微分計(jì)算后，得出速度信號(hào)以及加速度信號(hào)，該信號(hào)和六軸力傳感器9測(cè)得的力信號(hào)20通過最小二乘法擬合出機(jī)械阻抗值，并在顯示器23上顯示。功能2、虛擬運(yùn)動(dòng)中的機(jī)械阻抗顯示設(shè)置虛擬運(yùn)動(dòng)環(huán)境，在顯示器23上顯示。該虛擬運(yùn)動(dòng)環(huán)境包括虛擬物體，虛擬物體的位置每隔0. 05秒刷新一次，該位置根據(jù)送入電腦 1的力信號(hào)20解二階非線性方程組得出。對(duì)該虛擬物體構(gòu)建了一個(gè)到達(dá)任務(wù)，測(cè)試者通過改變對(duì)旋轉(zhuǎn)把手10施加的力使虛擬物體運(yùn)動(dòng)從初始位置到達(dá)所設(shè)定的目標(biāo)區(qū)域，能否進(jìn)入該目標(biāo)區(qū)域作為運(yùn)動(dòng)成功與否的標(biāo)準(zhǔn)；在此過程中，機(jī)械阻抗產(chǎn)生部分19產(chǎn)生一擾動(dòng)， 通過圖4所示的控制流程，經(jīng)過數(shù)據(jù)采集處理得到該虛擬運(yùn)動(dòng)中的機(jī)械阻抗值，顯示在顯不器23上。功能3、功能選擇該顯示器23上顯示有控制面板，利用鼠標(biāo)和鍵盤操作可以選擇上面的功能按鍵，并對(duì)該功能設(shè)定參數(shù)值，以設(shè)置不同的虛擬運(yùn)動(dòng)環(huán)境。其中，功能按鍵中包括附加力場(chǎng)，通過選擇附加力場(chǎng)按鍵，可以模擬復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)環(huán)境或者創(chuàng)建現(xiàn)實(shí)世界所不具有的運(yùn)動(dòng)環(huán)境。功能4、計(jì)時(shí)功能虛擬運(yùn)動(dòng)環(huán)境中具有計(jì)時(shí)功能，從虛擬物體運(yùn)動(dòng)開始到運(yùn)動(dòng)結(jié)束，會(huì)自動(dòng)計(jì)時(shí)，并在顯示器23上顯示。
權(quán)利要求1.一種人體機(jī)械阻抗測(cè)量裝置，包括機(jī)械阻抗產(chǎn)生機(jī)構(gòu)和數(shù)據(jù)采集處理部分，其特征是所述的機(jī)械阻抗產(chǎn)生部分包括直線電機(jī)和與該直線電機(jī)相連接的直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，該直線電機(jī)包括動(dòng)子和定子，用于產(chǎn)生作用于人體的擾動(dòng)；旋轉(zhuǎn)平臺(tái)和與該旋轉(zhuǎn)平臺(tái)相連接的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，該旋轉(zhuǎn)平臺(tái)固定連接在直線電機(jī)下方，用于調(diào)整擾動(dòng)方向；六軸力傳感器，固定連接在直線電機(jī)的動(dòng)子上方、用于將施加到人體的擾動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)；旋轉(zhuǎn)把手，固定連接在六軸力傳感器上，測(cè)量時(shí)人體直接接觸該旋轉(zhuǎn)把手，用于將直線電機(jī)與旋轉(zhuǎn)平臺(tái)所產(chǎn)生的擾動(dòng)信號(hào)直接傳遞到人體；控制器，通過串口與直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器相連，用于對(duì)直線電機(jī)和旋轉(zhuǎn)平臺(tái)發(fā)送控制信號(hào)，以控制旋轉(zhuǎn)把手的運(yùn)動(dòng)； 所述的數(shù)據(jù)采集處理部分包括光柵尺，安裝在直線電機(jī)的定子上，用于記錄受擾動(dòng)后人體的位置變化信號(hào)； 編碼器，其輸入端與直線電機(jī)上光柵尺相連，將該光柵尺輸出的正弦信號(hào)轉(zhuǎn)換成方波信號(hào)；信號(hào)調(diào)理器，與六軸力傳感器相連，將該六軸力傳感器輸出的電壓信號(hào)放大為適合采樣的電壓信號(hào)；模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其輸入端與信號(hào)調(diào)理器和編碼器相連，將信號(hào)調(diào)理器和編碼器輸出的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)；數(shù)據(jù)處理器，與模數(shù)轉(zhuǎn)換器相連，將模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后得出人體機(jī)械阻抗參數(shù)值；顯示器，與數(shù)據(jù)處理器相連，用于顯示數(shù)據(jù)處理后的信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的人體機(jī)械阻抗測(cè)量裝置，其特征是所述的控制器、數(shù)據(jù)處理器、顯示器集成在一臺(tái)電腦上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所示的人體機(jī)械阻抗測(cè)量裝置，其特征是所述的動(dòng)子上固定連接移動(dòng)模塊，所述的六軸力傳感器固定連接在移動(dòng)模塊上。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種人體機(jī)械阻抗測(cè)量裝置，該測(cè)量裝置包括機(jī)械阻抗產(chǎn)生機(jī)構(gòu)和數(shù)據(jù)采集處理部分，主要由直線電機(jī)、旋轉(zhuǎn)平臺(tái)、六軸力傳感器、旋轉(zhuǎn)把手、光柵尺、編碼器、信號(hào)調(diào)理器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器，控制器、數(shù)據(jù)處理器以及顯示器組成，通過機(jī)械阻抗產(chǎn)生機(jī)構(gòu)對(duì)人體產(chǎn)生一擾動(dòng)，然后利用數(shù)據(jù)采集處理部分計(jì)算出機(jī)械阻抗。除了可以測(cè)量人體靜止時(shí)的機(jī)械阻抗，本實(shí)用新型還可以通過構(gòu)建虛擬運(yùn)動(dòng)環(huán)境，對(duì)其中的虛擬物體構(gòu)建到達(dá)任務(wù)來模擬真實(shí)的運(yùn)動(dòng)環(huán)境，從而測(cè)試出人體處于該虛擬運(yùn)動(dòng)環(huán)境時(shí)的機(jī)械阻抗，對(duì)人體運(yùn)動(dòng)中的機(jī)械阻抗具有很好的參考價(jià)值，可以用于進(jìn)行一定的運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)和肢體康復(fù)行為等。
文檔編號(hào)A61B5/00GK202211677SQ20112018332
公開日2012年5月9日 申請(qǐng)日期2011年6月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月2日
發(fā)明者左國(guó)坤, 徐佳琳, 王帥杰, 鄭華文, 陳建華, 陳盛票 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所