專利名稱：中國功夫測試工程人的制作方法
技術領域：
本發明涉及運動仿真人體模型領域，特別是通過生物力學有限元分析制作仿真模型，以及對內部傳感器和數據采集與分析，實現測試武術對人體擊打時，體內外受力效果，提供定性-定量的解決方案。
背景技術：
中國功夫測試工程人是根據生物力學、材料力學、人體工程學原理，利用組織力學等效特殊材料制成并配裝傳感-傳輸-分析-存儲電子系統的精密測試系統，代替人體用于擊打實驗，模擬出真人所受傷害范圍以及損傷程度，是一種可以重復使用的體育運動實驗設備。目前，碰撞實驗工程人的研究多用于汽車碰撞實驗，國外對于工程人的制作和改進已經進行了幾十年，而國內整個領域尚且處于起步階段。目前應用最為廣泛的為HybirdIII型(混合3型)工程人，HybirdIII型逐漸成為一種汽車碰撞試驗的國際標準，但是Hybird III型工程人采用歐洲人體型，胸部僅監測汽車碰撞時前后向變形及受力，既不符合中國人體態特征，又不符合仿生結構，導致擊打試驗結果與真實情況的偏離。實驗工程人在體育領域涉及甚少，在武術運動領域尚屬首例。設計制作的目的是利用中國功夫測試工程人為中國武術的發展提供武術運動施力/受力的理論指導-實驗依據。借鑒現代生物力學的測試方法和汽車主動/被動碰撞所采用的安全工程人的測試技術，深入研究中國傳統武術運動的生物力學特征。研究運動員的勁力突發(寸勁)、穿透、持續等力學特征，受擊打人的受力及損傷情況，以提高武術運動的科學水平和應用水平。介于國外的汽車碰撞試驗工程人從形態、結構、材料不能完全表現武術擊打的仿真效果，其原因為汽車工程人頭部雖安裝了三維的加速度傳感器，但胸部僅能測試壓縮變形量，不能滿足中國功夫工程人軀干部測試系統的整體性測試和損傷評價工作；現有碰撞工程人無法表現人體內臟的損傷，僅可以通過胸的型變量進行推算，無法得到準確的內臟受力與響應加速度數據；無法估算在人受到擊打時，不同位置對于內臟力的沖擊力衰減傳遞效果，及內臟受力數據。因此，本中國功夫測試工程人對現有汽車碰撞工程人進行了全新改進和革新。本發明解決了工程人體型設計和胸部的生物力學參數測試難題，對身體內部各主要臟器的力學參數的數據采集、信號傳輸、數據分析，進而對身體各器官的損傷效果進行仿真，定性或者定量評價武術運動員的發力特征和訓練效果。
發明內容為實現上述目的，本發明采取以下技術方案本發明采用一種測量與評價中國功夫擊打效果的人體仿真模型，通過仿真體模，及內部傳感器，數據采集與分析系統，后期對數據進行處理以及評價，完成測試武術對人體打擊效果評價的總體解決方案。其特征在于所述中國功夫測試工程人主體分為頭部、頸部、胸部、腰部、三角形支撐架、液壓高度調節裝置、底座七部分，及相應生物力學信息采集-分析-損傷評估的計算機軟件系統。本發明所述中國功夫測試工程人由里到外分別為5層分別內部臟器傳感器、力學等效力傳遞填充材料海綿、力學等效傳遞填充材料像膠、鋁合金骨架和外部仿肌肉層硅膠。本發明所述中國功夫測試工程人體型采用中國成人50百分位人體基本特征，身高170cm，體重68. 4KG，內部預置心、肺、肝、胃，其功能為模擬國人的體型及內部臟器，為人體受力、損傷評價及恢復治療提供數據。本發明所述中國功夫測試工程人頸部由頸部鋁環-偏心橡膠組成并安裝頸部扭矩傳感器。本發明所述中國功夫測試工程人傳感器胸部胸骨柄位置安裝力--加速度復合傳 感器。本發明所述中國功夫測試工程人內部傳感器在心臟位置放置圓球結構，圓球結構內置力一加速度復合傳感器。本發明所述中國功夫測試工程人內部肝臟位置放置圓球結構，圓結構內放置力一加速度傳感器。本發明所述中國功夫測試工程人內部肺部位置放置圓球結構，圓球結構內放置力一加速度傳感器。本發明所述中國功夫測試工程人內部胃部位置放置圓球結構，圓球結構內放置力一加速度傳感器。本發明所述中國功夫測試工程人具有鋁合金骨架，20據鋁合金肋骨對人體肋骨進行結構仿真。本發明所述中國功夫測試工程人鋁合金骨架內側填充特種橡膠材料，通過橡膠的密度/模量配比，模擬身體內部臟器彈性和阻尼系數以及擊打時相似的沖擊力傳遞效果。本發明所述中國功夫測試工程人腰部、軀干與下肢使用法蘭盤與其工程人腰部相連接。本發明所述中國功夫測試工程人三角形支撐架，三角形支撐架內置液壓高度調節
>J-U裝直。本發明所述中國功夫測試工程人底部采用波特空氣吸盤。本發明所述中國功夫測試工程人底部，采用膨脹螺栓和螺母。本發明由于采取以上技術方案，其具有以下優點1.由于本發明的中國功夫測試工程人具有中國成人50百分位人體基本特征，按照相應環節進行分割，保證工程人的人體靜態參數和人體各部分的運動范圍、質心、質量和轉動慣量等力學結構仿真性。2.由于本發明中國功夫測試工程人中在顱中心有三維加速度傳感器，頸部和腰部為力扭矩傳感器，胸骨柄處有二維加速度傳感器和主要的器官雙肺、心、肝、胃具有力和加速度傳感器。因此可以系統的測量人體軀干各個部位的力值和軀干各個部位被擊打時的受力關系，全面的分析軀干中臟器的受力損傷程度。3.由于本發明中國功夫測試工程人采用臟器內部傳感器、力學等效力傳遞填充材料海綿、力學等效傳遞填充材料橡膠，鋁合金骨架和外部仿肌肉層硅膠結構。因此通過材料的密度配比、質量配比、模量配比、傳遞配比模擬身體表層皮膚、內部肌肉和內部臟器彈性和阻尼系數并凸顯了擊打時能量的傳遞效果。4.由于本發明中國功夫測試工程人在腰部使用千斤頂和對焊法蘭盤連接，既可以調節工程人高度從1. 6m-l. 8m，又能對工程人進行額狀面夾角的調節，以便于模擬實際擊打的效果。5.由于本發明中國功夫測試工程人底部使用波特底盤和膨脹螺絲，便于移動和可以固定在實驗室環境。
以下結合附圖及實施例對本發明進一步說明
圖1是數字工程人側面示意圖圖2是數字工程人頭部示意圖圖3是數字工程人胸部示意圖圖4是數字工程人腰部示意圖圖5是數字工程人底部示意圖
具體實施方式
以下結合附圖和實施例對本發明的進行詳細的描述。
圖1為數字工程人側面示意圖，其中
圖1包括1頭部、2頸部、3胸部、4腰部、5三角形支撐架、6液壓高度調節裝置、7波特吸盤、8三向加速度傳感器、9力學等效傳遞填充材料橡膠、10力學等效傳遞填充材料海綿、11鋁合金骨架，12仿肌肉層硅膠和13液壓高度調節千斤頂。圖2為數字工程人頭部示意圖，其中圖2包括14面部硅膠肌肉層、15鋁合金頭骨、16鋁合金頭蓋骨、17頭蓋骨硅膠、18三軸力加速度復合傳感器(CA-YD-152P)、19頸部扭矩傳感器(CS-1120)。圖3為數字工程人側胸部示意圖，其中圖3包括12仿肌肉層硅膠、11是鋁合金骨架、9力學等效傳遞填充材料像膠、10力學等效傳遞填充材料海綿、28鋼制脊柱、20胸骨柄鋼板、21胸部力傳感器(型號為CA-YD-182P)、22右肺圓球結構和力加速度復合傳感器(型號為CA-YD-332P)、23左肺圓球結構和力加速度復合傳感器(型號為CA_YD_332P)、24心臟圓球結構和力加速度復合傳感器(型號為CA-YD-332P)、25肝臟圓球結構和力加速度復合傳感器(型號為CA-YD-332P)，26胃部圓球結構和力傳感器(型號為CA_YD_185P)和28鋼制脊柱。圖4數字工程人腰部示意圖，其中圖4包括27是鋼制脊柱、28是橡膠墊片、29是法蘭盤連接、30是不銹鋼鋼管，31對焊法蘭盤和32液壓調節部分千斤頂。圖5數字工程人底部示意圖，其中圖5包括41三角支撐支架，7波特底盤。
以下結合附圖進行詳細說明實例工作原理當頭部受到擊打時，頭部13面部硅膠受力，將力傳遞至14鋁合金頭蓋骨，頭蓋骨受到力產生震動，力滲透到17三軸力加速度值傳感器，16三軸力加速度傳感器與數字采集器相連接，測得力值存儲在數字采集器上。力傳至頸部，頸部相對于頭部產生旋轉，在頸部和頭部連接處放置18頸部扭矩傳感器，18六軸力和扭矩傳感器連接數字采集器，測得扭矩值存儲在數字采集器上。當胸部受到打擊時，胸部12硅膠肌肉層受力，傳遞至11鋁合金肋骨骨架，胸骨柄上的22胸骨柄裝力傳感器和數字采集器相連測得力值存儲于數字采集器。28鋁合金肋骨骨架將力傳至9橡膠填充層，9橡膠填充層將力傳遞至10泡沫填充層，安裝在泡沫填充層的心臟25心臟力加速度傳感器開始工作，25心臟力加速度傳感器連接數字采集器，測得的力和加速度值存儲在數字采集器內；26肝臟力加速度傳感器開始受力工作，26肝臟力加速度傳感器連接數字采集器，測得的力和加速度值存儲在數字采集器內；27是胃部力傳感器開始工作，胃部力傳感器連接數字采集器，測得的力值存儲在數字采集器內。力由10泡沫填充層傳遞至背部27橡膠填充層后，背部23左肺力加速度傳感器、24右肺力加速度傳感器開始工作，23左肺力加速度傳感器、24右肺力加速度傳感器于數字采集器相連接，力和加速度值存儲于數字采集器內。力依次傳遞至5三角形支撐架、7波特吸盤，吸盤和地面玻璃緊密接觸，固定整個工程人的穩定。
權利要求1.中國功夫測試工程人，其特征是所述中國功夫測試工程人分為頭部、頸部、胸部、腰部、三角形支撐架、液壓高度調節裝置、底座七部分。
2.根據權利要求1所述中國功夫測試工程人，其特征是由里到外分為5層臟器內部傳感器、從力學角度具有和人體等效的力傳遞特性的填充材料海綿、從力學角度具有和人體等效的力傳遞特性的填充材料橡膠、鋁合金骨架、外部仿肌肉層硅膠。
3.根據權利要求1所述中國功夫測試工程人，其特征是體型采用中國成人50百分位人體基本特征，身高170cm，體重68. 4KG，內部預置心、肺、肝、胃。
4.根據權利要求1所述中國功夫測試工程人，其特征是頸部由鋁環-偏心橡膠組成并安裝頸部扭矩傳感器。
5.根據權利要求1所述中國功夫測試工程人，其特征是胸骨柄位置安裝力一加速度復合傳感器。
6.根據權利要求2所述中國功夫測試工程人，其特征是中國功夫測試工程人內部傳感器在心臟位置有圓球結構內置力一加速度復合傳感器。
7.根據權利要求2所述中國功夫測試工程人，其特征是中國功夫測試工程人內部傳感器在肝臟位置有圓球結構內放置力一加速度復合傳感器。
8.根據權利要求2所述中國功夫測試工程人，其特征是中國功夫測試工程人內部傳感器在肺部位置有圓球結構內放置力一加速度傳感器。
9.根據權利要求2所述中國功夫測試工程人，其特征是中國功夫測試工程人內部傳感器在胃部位置有圓球結構內放置力一加速度傳感器。
10.根據權利要求2所述中國功夫測試工程人，其特征是中國功夫測試工程人有20根鋁合金肋骨骨架。
11.根據權利要求2所述中國功夫測試工程人，其特征是鋁合金骨架內側填充橡膠材料橡膠的密度/模量配比與身體內部臟器相同。
12.根據權利要求1所述中國功夫測試工程人，其特征是軀干與下肢使用法蘭盤與腰部相連接。
13.根據權利要求1所述中國功夫測試工程人，其特征是三角形支撐架內置液壓高度調節裝置。
14.根據權利要求1所述中國功夫測試工程人，其特征是三角形支撐架底部采用波特空氣吸盤。
15.根據權利要求1所述中國功夫測試工程人，其特征是三角形支撐架底部采用膨脹螺栓和螺母。
專利摘要本實用新型中國功夫測試工程人涉及運動仿真人體模型領域，采用中國成人50百分位人體基本特征，身高170cm，體重68.4kg。中國功夫測試工程人主體部分，分為頭部、頸部、胸部、腰部、三角形支撐架、液壓高度調節裝置、底座七部分。中國功夫測試工程人軀干部分，由里到外分別為5層臟器內部傳感器、力學等效力傳遞填充材料海綿、力學等效傳遞填充材料橡膠、鋁合金骨架、外部仿肌肉層硅膠，其目的模擬人體生理結構，提高擊打假人的數據精度，為后期損傷評價提供良好基礎。本實用新型具有以下特點1.測量人體各個臟器的受力狀態；2.對于軀干的力學特征進行了模擬；3.使用中國人體征，便于國人損傷學的研究。
文檔編號A63B69/00GK202844516SQ20122014963
公開日2013年4月3日 申請日期2012年4月11日 優先權日2012年4月11日
發明者朱東, 林大全, 張勝年, 姚頌平, 趙光圣, 王遠萍, 王兵 申請人:上海體育學院