專利名稱：人體重量一維分布識別系統(tǒng)及其識別方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于求人體環(huán)節(jié)慣性參數(shù)的技術(shù)領(lǐng)域，具體地說，就是擬訂了一種求人體總重沿頭顱、軀干、手臂和腳腿長度方向一維分布的識別系統(tǒng)及其識別方法，識別出的結(jié)果可作為大眾常規(guī)體檢和保健的評估資料，也可用于運動員競技運動的仿真研究、輔助臨床診斷以及人機系統(tǒng)設(shè)計。
背景技術(shù)：
至今，國內(nèi)外(主要是國外)的學(xué)者們在研究人體重量的分布時，注意力仍集中在求人體各環(huán)節(jié)的重量、重心位置和轉(zhuǎn)動慣量等慣性參數(shù)上，采用的方法主要有以下三種1、基于人體解剖學(xué)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計法，該方法將人體劃分為頭、軀干、大腿、小腿、足、上臂、前臂及手等若干環(huán)節(jié)，然后基于人體解剖學(xué)數(shù)據(jù)，求出各環(huán)節(jié)慣性參數(shù)的統(tǒng)計值，這種方法最古老，應(yīng)用也最方便，但個性化程度低，用于具體的人，難以估計所得數(shù)據(jù)的誤差，主要用在公用的人機系統(tǒng)設(shè)計方面；2、基于受試人體幾何特征測量數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)模型法，這種方法假設(shè)人體各環(huán)節(jié)具有球形、圓柱形、圓錐形等簡單幾何形狀，并具有均勻的重量密度，通過測定諸環(huán)節(jié)的特征尺寸，進而計算出它們的慣性參數(shù)。這種方法操作煩瑣，難于自動化，所得結(jié)果的個性化程度仍較低，如今這種方法被主要用于人體動力學(xué)研究中；
3、基于人體各組織密度數(shù)據(jù)的CT掃描法，這本是醫(yī)學(xué)研究和臨床診斷用的一種方法，引用來求人體環(huán)節(jié)的慣性參數(shù)操作十分復(fù)雜，費用高，加之輻射有損人體健康，難為大眾所接受，目前只能用于特別的臨床診斷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的問題是提供一種人體重量一維分布識別系統(tǒng)及其識別方法，用以識別出任何人體總重沿頭顱、軀干、手臂和腳腿長度方向的一維分布狀況，所得數(shù)據(jù)個性化程度高。
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的人體重量一維分布識別系統(tǒng)，由秤床、數(shù)碼相機、電子秤及微機構(gòu)成，秤床的一端支撐于鉸支上，另一端支撐在電子秤上，沿秤床側(cè)面的長度方向設(shè)置有水平坐標(biāo)軸，數(shù)碼相機位于秤床一側(cè)的正前方，電子秤和數(shù)碼相機的數(shù)據(jù)輸出端分別通過數(shù)據(jù)線與微機輸入接口相連。
利用上述識別系統(tǒng)進行識別的過程是(1)在受試人體同側(cè)的各關(guān)節(jié)中心及其它設(shè)定位置作點標(biāo)記，然后讓受試人體仰躺于秤床上，按設(shè)定規(guī)程作不同的姿態(tài)，數(shù)碼相機對每個姿態(tài)進行攝像，并將得到的圖像文件輸入微機經(jīng)處理形成姿態(tài)幾何參數(shù)，同時電子秤測出每個姿態(tài)對應(yīng)的支反力輸入微機經(jīng)處理形成姿態(tài)力學(xué)參數(shù)；(2)將人體簡化為鉸桿系統(tǒng)，建立與人體總重靜力等效的沿長度方向分布的集中重力分布模式{Q}，應(yīng)用合力和合力矩定理，建立{Q}的識別方程[A]{Q)＝{W}，其中特征矩陣[A]由各姿態(tài)幾何參數(shù)形成，輸入列陣{W}由各姿態(tài)力學(xué)參數(shù)形成，調(diào)用[A]和{W}求出{Q}；
(3)應(yīng)用調(diào)參法對{Q}進行優(yōu)化，以提高其精度；(4)在鉸桿系統(tǒng)上建立與人體總重靜力等效的沿長度方向分布的集中重量密度分布模式{q}，用{q}和依從變量寫出人體沿長度方向呈折線分布的解析表達式q(x)，應(yīng)用力的合成和分解方法，建立集中重量密度分布模式{q}與集中重力分布模式{Q}的模式轉(zhuǎn)換方程[D]{q}＝{Q}，det[D]≠0，[D]中各元由各姿態(tài)幾何參數(shù)形成，將優(yōu)化后的{Q}代入模式轉(zhuǎn)換方程求出{q}，由{q}再求出q(x)；(5)對q(x)進行積分并繪制出人體重量的一維分布曲線W(x)。
本發(fā)明將人體簡化為鉸桿系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上建立與人體總重靜力等效的沿長度方向分布的集中重力分布模式和集中重量密度分布模式，進而建立起識別方程和模式轉(zhuǎn)換方程，人體只需要在秤床上按設(shè)定順序擺出規(guī)定的姿態(tài)，通過數(shù)碼相機和電子秤分別對每個姿態(tài)對應(yīng)的幾何參數(shù)和力學(xué)參數(shù)進行采集并輸入微機，應(yīng)用識別方程、模式轉(zhuǎn)換方程和調(diào)參法就可求解出人體重量沿長度方向的一維分布。整個識別系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，執(zhí)行程序?qū)懭氤Ｓ梦C中，識別結(jié)果可直接顯示在微機顯示屏上，也可用打印機打印出。由于采集的數(shù)據(jù)是針對具體受試人的，不同的人體或同一個人在不同的時期其姿態(tài)幾何參數(shù)和姿態(tài)力學(xué)參數(shù)不盡相同，因此求出的結(jié)果因人因時而異，個性化程度高，無害人體，操作方便，經(jīng)濟快捷，易為大眾所接受并應(yīng)用。


圖1是本發(fā)明實施例識別系統(tǒng)的構(gòu)成示意圖。
圖2是本發(fā)明實施例中人體被簡化為七鉸八桿系統(tǒng)的示意圖。
圖3是本發(fā)明實施例中人體集中重量密度分布模式圖。
圖4是本發(fā)明實施例中人體集中重力分布模式圖。
圖5是本發(fā)明識別方法的運行流程圖。
圖6-1至圖6-8分別是實施例中受試人體在秤床上擺出的八個姿態(tài)示意圖。
圖7是本發(fā)明中最后求出的人體重量一維分布曲線示意圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細(xì)說明如圖1所示，用來求人體重量一維分布的識別系統(tǒng)由秤床1、數(shù)碼相機2、電子秤3及微機4構(gòu)成，秤床1的一端支撐于鉸支5上，另一端支撐在電子秤3上，沿秤床1側(cè)面的長度方向設(shè)置有水平坐標(biāo)軸6，數(shù)碼相機2位于秤床1一側(cè)的正前方，電子秤3和數(shù)碼相機2的數(shù)據(jù)輸出端分別通過數(shù)據(jù)線與微機4輸入接口相連，可在微機4上連接打印機7，使識別過程產(chǎn)生的中間數(shù)據(jù)及最后結(jié)果直接由打印機7打印出，秤床1為長方形水平板，為了使人體仰躺在上面感覺更舒適，允許在秤床1上表面布置一層軟墊。
本發(fā)明的理論基礎(chǔ)是首先將人體簡化為鉸桿系統(tǒng)，然后在鉸桿系統(tǒng)上建立起人體總重WT靜力等效的沿長度方向分布的集中重量密度分布模式{q}和集中重力分布模式{Q}。應(yīng)用合力和合力矩定理，建立{Q}的識別方程[A]{Q}＝{W}，應(yīng)用力的合成和分解方法，建立集中重量密度分布模式{q}與集中重力分布模式{Q}的模式轉(zhuǎn)換方程[D]{q}＝{Q}。
如圖2所示，本實施例中將人體簡化為7鉸8桿系統(tǒng)，人體上的膝、髖、腰椎、頸椎、肩、肘及腕關(guān)節(jié)中心依次?；癁殂qJ1、J2、J3、J4、J5、J6、J7，7個鉸分別將人體劃分為8段，簡化為8根直桿l1、l2、l3、l4、l5、l6、l7、l8，桿l1、l2、l3、l4、l5合稱為人體主支，桿l6、l7、l8合稱為人體分支。
在7鉸8桿系統(tǒng)上，建立如圖3所示的集中重量密度分布模式{q}和如圖4所示的集中重力分布模式{Q}，{q}與{Q}均靜力等效于人體總重WT。在圖3中，將踝、頸椎、肩、腕關(guān)節(jié)中心設(shè)為依從點，分別定義了依從變量p1、p2、p3、p4p1＝α1q1，p2＝α2q2，p3＝α3q3，P4＝α4q4α1…α4叫作依從系數(shù)，它們的值需預(yù)先設(shè)定。用{q}和依從變量寫出人體沿長度方向呈折線分布的解析表達式q(x)，由主支的qa(x)和分支的qb(x)組成。
為了獲得受試人體重量的一維分布數(shù)據(jù)，采用上述識別系統(tǒng)進行識別，如圖5所示，其具體過程是(1)在受試人體同側(cè)的膝、髖、腰椎、頸椎、肩、肘及腕關(guān)節(jié)中心處作上點標(biāo)記，此外，還需在同一側(cè)的其它設(shè)定點，例如踝關(guān)節(jié)中心、腳、頭顱和手的中點也一一打上點標(biāo)記。然后讓受試人體仰躺于秤床1上，按下列順序作八個不同的姿態(tài)，數(shù)碼相機2對每個姿態(tài)進行攝像，并將得到的圖像文件輸入微機4經(jīng)處理形成姿態(tài)幾何參數(shù)，同時電子秤3測出每個姿態(tài)對應(yīng)的支反力輸入微機4經(jīng)處理形成姿態(tài)力學(xué)參數(shù)。這八個姿態(tài)分別是①如圖6-1，人體水平仰臥，兩上肢伸直向上；②如圖6-2，人體水平仰臥，雙上臂水平，雙下臂和手伸直向上；③如圖6-3，人體水平仰臥，雙手繞腕關(guān)節(jié)向頭部方向轉(zhuǎn)動與水平面呈30±5°傾角；④如圖6-4，人體水平仰臥，雙上肢平行人體軀干；⑤如圖6-5，人體水平仰臥，頭顱繞頸椎向上轉(zhuǎn)動30±5°；⑥如圖6-6，人體水平仰臥，腰椎以上部分繞腰椎向上轉(zhuǎn)動20±5°夾角，雙上肢平行于腰椎以下部分；⑦如圖6-7，人體水平仰臥，雙下肢繞髖關(guān)節(jié)向上轉(zhuǎn)30±5°，雙上肢平行于人體軀干；⑧如圖6-8，人體水平仰臥，雙大腿繞髖關(guān)節(jié)向上轉(zhuǎn)30±5°，雙腳腿平行于人體軀干。
可借助輔助支架使受試人體完成上述八個姿態(tài)的擺放。
(2)利用集中重力分布模式{Q}的識別方程[A]{Q}＝{W}，調(diào)用[A]和{W}求出{Q}，其中特征矩陣[A]由各姿態(tài)幾何參數(shù)形成，輸入列陣{W}由各姿態(tài)力學(xué)參數(shù)形成。[A]的第一行全為1，其余八行的元由八個姿態(tài)中九個點標(biāo)記的橫坐標(biāo)確定，{W}＝[WTLF1...LF8]，L為秤床1的支反力臂，F(xiàn)1…F8為電子秤3測出的八個姿態(tài)對應(yīng)的支反力。九個點標(biāo)記的橫坐標(biāo)、人體總重WT及各支反力合稱為姿態(tài)幾何力學(xué)參數(shù)，它們是因人而異的。
(3)應(yīng)用調(diào)參法對{Q}進行優(yōu)化，以提高其精度。
(4)通過集中重量密度分布模式{q}與集中重力分布模式{Q}的模式轉(zhuǎn)換方程[D]{q}＝{Q}，det[D]≠0，調(diào)用經(jīng)優(yōu)化后的{Q}求出q(x)，進而得到qa(x)和qb(x)，模式轉(zhuǎn)換方程中[D]中各元用7鉸8桿系統(tǒng)的幾何姿態(tài)參數(shù)求出。
(5)對qa(x)和qb(x)進行積分并繪制出人體重量的一維分布曲線Wa(x)和Wb(x)，如圖7所示，兩條曲線最右(上)端在橫坐標(biāo)上對應(yīng)的值H和h分別代表人體主支和分支的長度。
本發(fā)明稍加引申，可用以識別人體每只上、下肢重量的一維分布；也可根據(jù)識別精度需要，將人體簡化為多于7鉸或少于7鉸的鉸桿系統(tǒng)，并在此系統(tǒng)上建立相對應(yīng)的集中重量密度分布模式和集中重力分布模式。在圖3中適當(dāng)增加依從變量，還可改進集中重量密度分布模式。
權(quán)利要求
1.一種人體重量一維分布識別系統(tǒng)，其特征在于包括秤床(1)、數(shù)碼相機(2)、電子秤(3)及微機(4)，秤床(1)的一端支撐于鉸支(5)上，另一端支撐在電子秤(3)上，沿秤床(1)側(cè)面的長度方向設(shè)置有水平坐標(biāo)軸(6)，數(shù)碼相機(2)位于秤床(1)一側(cè)的正前方，電子秤(3)和數(shù)碼相機(2)的數(shù)據(jù)輸出端分別通過數(shù)據(jù)線與微機(4)輸入接口相連。
2.一種人體重量一維分布的識別方法，其特征在于按下列步驟進行(1)在受試人體同側(cè)的各關(guān)節(jié)中心及其它設(shè)定位置作點標(biāo)記，然后讓受試人體仰躺于秤床(1)上，按設(shè)定規(guī)程作不同的姿態(tài)，數(shù)碼相機(2)對每個姿態(tài)進行攝像，并將得到的圖像文件輸入微機(4)經(jīng)處理形成姿態(tài)幾何參數(shù)，同時電子秤(3)測出每個姿態(tài)對應(yīng)的支反力輸入微機(4)經(jīng)處理形成姿態(tài)力學(xué)參數(shù)；(2)將人體簡化為鉸桿系統(tǒng)，建立與人體總重(WT)靜力等效的沿長度方向分布的集中重力分布模式{Q}，應(yīng)用合力和合力矩定理，建立{Q}的識別方程[A]{Q}＝{W}，其中特征矩陣[A]由各姿態(tài)幾何參數(shù)形成，輸入列陣{W}由各姿態(tài)力學(xué)參數(shù)形成，調(diào)用[A]和{W}求出{Q}；(3)應(yīng)用調(diào)參法對{Q}進行優(yōu)化，以提高其精度；(4)在鉸桿系統(tǒng)上建立與人體總重(WT)靜力等效的沿長度方向分布的集中重量密度分布模式{q}，用{q}和依從變量寫出人體沿長度方向呈折線分布的解析表達式q(x)，應(yīng)用力的合成和分解方法，建立集中重量密度分布模式{q}與集中重力分布模式{Q}的模式轉(zhuǎn)換方程[D]{q}＝{Q}，det[D]≠0，[D]中各元由各姿態(tài)幾何參數(shù)形成，將優(yōu)化后的{Q}代入模式轉(zhuǎn)換方程求出{q}，由{Q}再求出q(x)；(5)對q(x)進行積分并繪制出人體重量的一維分布曲線W(x)。
全文摘要
一種人體重量一維分布識別系統(tǒng)，由秤床(1)、數(shù)碼相機(2)、電子秤(3)及微機(4)構(gòu)成，其識別方法是通過數(shù)碼相機(2)和電子秤(3)采集受試人體在秤床(1)上依次擺出的八個姿態(tài)的幾何力學(xué)參數(shù)，用以形成集中重力分布模式{Q}的識別方程[A]{Q}＝{W}中的特征矩陣[A]和輸入列陣{W}，以及集中重力分布模式{Q}與集中重量密度模式{q}的模式轉(zhuǎn)換方程[D]{q}＝{Q}中的模式轉(zhuǎn)換矩陣[D]，通過上面兩式并應(yīng)用調(diào)參法就可求解出人體主分支集中重量密度分布的解析表達式q
文檔編號G06F17/00GK1961818SQ20061009527
公開日2007年5月16日 申請日期2006年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月8日
發(fā)明者徐銘陶, 趙邦義 申請人:徐銘陶