專利名稱：人體轉動慣量測定儀及其測量方法
技術領域：
本發(fā)明提供一種人體轉動慣量活體測定技術，尤其涉及一種人體轉動慣量測定儀及其測量方法。
背景技術：
運動生物力學是運用力學原理和方法結合生物學、人體解剖學研究體育運動中人體外在機械運動規(guī)律的學科，具有很強的實驗性。作為生物力學研究基本任務——對人體慣性性質的研究，人體轉動慣量的測量無疑是重中之重。轉動慣量是對剛體在轉動中慣性大小的量度，它與剛體的總質量、形狀、大小和轉軸的位置有關。人體作為由神經(jīng)系統(tǒng)支配的高級生物體，受環(huán)境的物理化學變化影響較大，具有非均質、非規(guī)則，在研究中不可損傷的特點，因而對其研究遠不像規(guī)則、均質的機械部件那樣簡單，更加難以用現(xiàn)有的實驗儀器測量。教學中采用理論講解和計算分析的方法，將人簡化為由1Γ16塊剛體組成的質點系，利用二維影片解析和尸體解剖獲得人體各環(huán)節(jié)轉動慣量參數(shù)(北京體育學院蘇品教授于1987年測定)，計算出整體轉動慣量。上述方法忽略了人體結構的各向異性、系統(tǒng)的整體性、個體間的差異性等，一味地簡化計算，使得最終結果誤差大、不精確。只注重書本知識、不重視研究方法、不重視實踐教學、以及缺乏專用的實驗教學儀器等原因，使得學生學習興趣淡薄、理解不透徹。目前國內外有關測定人體轉動慣量的試驗儀器設備不多，國際上提出并使用過的方法有復擺法、單線扭擺法、三線懸掛扭振法和落體法等，主要以彈性元件組成振蕩系統(tǒng)，通過測量系統(tǒng)振蕩頻率來推算出系統(tǒng)的轉動慣量。上述方法各有缺陷，具體為復擺法原理類似單擺，常用于測量質量小的物件，操作不便；單線扭擺法普遍適用于某些微型軸對稱剛性構件，而對于大中型物件的測量較為困難；三線懸掛扭振法測量大質量被測件時，被測件旋轉夾緊立置安裝困難，且存在安全隱患；落體法對于大質量、大沖量的被測件，精確度只能達到3%。因而亟需一款能直接簡易測量出人體轉動慣量的實驗儀器，以此測定普通人體的整體轉動慣量，并運用于教學，加強學生對轉動慣量的理解，提高教學質量。凡涉及到轉動動力學問題,轉動慣量的測量已成為重點。人體轉動慣量的測定和二位影片解析技術的應用對運動員動作分析評定大有裨益，有著廣闊的應用前景。從基本的利用回歸方程統(tǒng)計數(shù)據(jù)到運用實驗儀器直接活體測量，是解決人體轉動慣量的活體測量難、誤差大、計算煩的大勢所在。

發(fā)明內容
發(fā)明目的為了克服現(xiàn)有技術中存在的不足，本發(fā)明提供一種人體轉動慣量測定儀及其測量方法，實現(xiàn)人體轉動慣量的活體測定。技術方案為解決上述技術問題，本發(fā)明的人體轉動慣量測定儀，包括支架、承載圓盤、卷線轉軸、低位滑輪、高位滑輪、測量線和砝碼托盤及砝碼組件，所述承載圓盤與卷線轉軸同軸線固定、并與卷線轉軸共同轉動，所述卷線轉軸、低位滑輪和高位滑輪的中軸線均與支架保持固定，所述測量線的始端卷繞在卷線轉軸上、尾端與砝碼托盤及砝碼組件固定，且測量線的尾端依次經(jīng)低位滑輪和高位滑輪后，在砝碼托盤及砝碼組件的重力作用下豎直朝下拉直。優(yōu)選的，所述卷線轉軸、低位滑輪和高位滑輪位于同一豎直平面內。優(yōu)選的，所述卷線轉軸、低位滑輪和高位滑輪均采用軸承滑輪，降低實際操作中的摩擦阻力，提高測量精度；同時卷線轉軸需要設計專用卡槽，選取金屬絲線作為測量線，還可以在測量線與軸承滑輪之間加入潤滑油，以求盡量減小誤差。所述卷線轉軸、低位滑輪、高位滑輪和測量線之間的摩擦力會消耗砝碼的部分重力勢能，使后續(xù)的計算不準確。優(yōu)選的，還包括計時器，所述計時器對砝碼托盤及砝碼組件的自由落體時間進行計時，提高計時精度。優(yōu)選的，還包括開關組件，所述開關組件在砝碼托盤及砝碼組件下落初始時啟動計時器計時，在砝碼托盤及砝碼組件下落結束時停止計時器計時，提高計時精度。一種使用人體轉動慣量測定儀測定人體轉動慣量的方法，包括如下步驟(I)承載圓盤空載，通過卷線轉軸卷繞測量線使砝碼托盤及砝碼組件位于初始位置；(2)釋放卷線轉軸或砝碼托盤及砝碼組件，讓砝碼托盤及砝碼組件做自由落體運動至下落結束位置，對砝碼托盤及砝碼組件下落時間進行計時，獲取空載下落時間；(3)人體以需求姿勢位于承載圓盤上，通過卷線轉軸卷繞測量線使砝碼托盤及砝碼組件位于初始位置；(4)調節(jié)砝碼質量后，釋放卷線轉軸或砝碼托盤及砝碼組件，讓砝碼托盤及砝碼組件做自由落體運動至下落結束位置，對砝碼托盤及砝碼組件下落時間進行計時，獲取實載下落時間，使實載下落時間等于空載下落時間，獲取此時的砝碼托盤及砝碼組件總質量；
■>%(5)通過I= (||- _ι) · (R+r) 2*Δηι計算獲得人體轉動慣量;其中I為人體轉動慣量；g為重力加速度；t為空載下落時間，即實載下落時間；h為砝碼托盤及砝碼組件初始位置和下落結束位置之間的高度差，即砝碼托盤及砝碼組件實際下落的高度；R為卷線轉軸的半徑為測量線的半徑；Am為人體質量，即承載圓盤上承載的質量。優(yōu)選的，多次重復步驟(2)獲取多個空載下落時間，對所有空載下落時間取平均獲得步驟中計算使用的t。上述裝置在具體使用時，要求受試者以站立、俯臥、靜坐的姿勢測量轉動慣量，為防止其在站立狀態(tài)下由于砝碼的拉力跌倒，提高實驗的安全性，需要在實驗中盡量降低砝碼托盤及砝碼組件，盡量增加承載圓盤及附屬組件的質量。有益效果本發(fā)明提供的人體轉動慣量測定儀，基于能量守恒原理設計，能夠用于實踐教學，使學生掌握技能，懂得理論并會創(chuàng)新運用，符合“直觀·興趣·動手·創(chuàng)新”的實驗教學法理念。


圖I為本發(fā)明的結構示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明作更進一步的說明。如圖I所示為一種人體轉動慣量測定儀，包括支架、承載圓盤I、卷線轉軸2、低位滑輪3、高位滑輪4、測量線、砝碼托盤及砝碼組件5、計時器和開關組件，所述承載圓盤I與卷線轉軸2同軸線固定、并與卷線轉軸2共同轉動，所述卷線轉軸2、低位滑輪3和高位滑輪4的中軸線均與支架保持固定，所述測量線的始端卷繞在卷線轉軸2上、尾端與砝碼托盤及砝碼組件5固定，且測量線的尾端依次經(jīng)低位滑輪3和高位滑輪4后，在砝碼托盤及砝碼組件5的重力作用下豎直朝下拉直；所述計時器對砝碼托盤及砝碼組件5的自由落體時間進行計時，其中開關組件在砝碼托盤及砝碼組件5下落初始時啟動計時器計時，在砝碼托盤及砝碼組件5下落結束時停止計時器計時。所述卷線轉軸2、低位滑輪3和高位滑輪4位于同一豎直平面內；所述卷線轉軸2、低位滑輪3和高位滑輪4均采用軸承滑輪。采用上述裝置進行人體轉動慣量測定時包括如下步驟( I)承載圓盤I空載，通過卷線轉軸2卷繞測量線使砝碼托盤及砝碼組件5位于初始位置；(2)釋放卷線轉軸2或砝碼托盤及砝碼組件5，讓砝碼托盤及砝碼組件5做自由落體運動至下落結束位置，對砝碼托盤及砝碼組件5下落時間進行計時，獲取空載下落時間；(3)人體以需求姿勢位于承載圓盤I上，通過卷線轉軸2卷繞測量線使砝碼托盤及砝碼組件5位于初始位置；(4)調節(jié)砝碼質量后，釋放卷線轉軸2或砝碼托盤及砝碼組件5，讓砝碼托盤及砝碼組件5做自由落體運動至下落結束位置，對砝碼托盤及砝碼組件5下落時間進行計時，獲取實載下落時間，使實載下落時間等于空載下落時間，獲取此時的砝碼托盤及砝碼組件5總質量；(5)通過
權利要求
1.人體轉動慣量測定儀，其特征在于包括支架、承載圓盤(I)、卷線轉軸(2)、低位滑輪(3)、高位滑輪(4)、測量線和砝碼托盤及砝碼組件(5)，所述承載圓盤(I)與卷線轉軸(2)同軸線固定、并與卷線轉軸(2)共同轉動，所述卷線轉軸(2)、低位滑輪(3)和高位滑輪(4)的中軸線均與支架保持固定，所述測量線的始端卷繞在卷線轉軸(2)上、尾端與砝碼托盤及砝碼組件(5)固定，且測量線的尾端依次經(jīng)低位滑輪(3)和高位滑輪(4)后，在砝碼托盤及砝碼組件(5)的重力作用下豎直朝下拉直。
2.根據(jù)權利要求I所述的人體轉動慣量測定儀，其特征在于所述卷線轉軸(2)、低位滑輪(3)和高位滑輪(4)位于同一豎直平面內。
3.根據(jù)權利要求I所述的人體轉動慣量測定儀，其特征在于所述卷線轉軸(2)、低位滑輪(3)和高位滑輪(4)均采用軸承滑輪。
4.根據(jù)權利要求1、2或3所述的人體轉動慣量測定儀，其特征在于還包括計時器，所述計時器對砝碼托盤及砝碼組件(5)的自由落體時間進行計時。
5.根據(jù)權利要求4所述的人體轉動慣量測定儀，其特征在于還包括開關組件，所述開關組件在砝碼托盤及砝碼組件(5)下落初始時啟動計時器計時，在砝碼托盤及砝碼組件(5)下落結束時停止計時器計時。
6.一種使用人體轉動慣量測定儀測定人體轉動慣量的方法，其特征在于包括如下步驟(1)承載圓盤(I)空載，通過卷線轉軸(2)卷繞測量線使砝碼托盤及砝碼組件(5)位于初始位置；(2)釋放卷線轉軸(2)或砝碼托盤及砝碼組件(5)，讓砝碼托盤及砝碼組件(5)做自由落體運動至下落結束位置，對砝碼托盤及砝碼組件(5)下落時間進行計時，獲取空載下落時間；(3)人體以需求姿勢位于承載圓盤(I)上，通過卷線轉軸(2)卷繞測量線使砝碼托盤及砝碼組件(5)位于初始位置；(4)調節(jié)砝碼質量后，釋放卷線轉軸(2)或砝碼托盤及砝碼組件(5)，讓砝碼托盤及砝碼組件(5)做自由落體運動至下落結束位置，對砝碼托盤及砝碼組件(5)下落時間進行計時，獲取實載下落時間，使實載下落時間等于空載下落時間，獲取此時的砝碼托盤及砝碼組件(5)總質量；I(5)通過
7.根據(jù)權利要求6所述的使用人體轉動慣量測定儀測定人體轉動慣量的方法，其特征在于多次重復步驟(2)獲取多個空載下落時間，對所有空載下落時間取平均獲得步驟(5)中計算使用的t。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種人體轉動慣量測定儀及其測量方法，包括支架、承載圓盤、卷線轉軸、低位滑輪、高位滑輪、測量線和砝碼托盤及砝碼組件，所述承載圓盤與卷線轉軸同軸線固定、并與卷線轉軸共同轉動，所述卷線轉軸、低位滑輪和高位滑輪的中軸線均與支架保持固定，所述測量線的始端卷繞在卷線轉軸上、尾端與砝碼托盤及砝碼組件固定，且測量線的尾端依次經(jīng)低位滑輪和高位滑輪后，在砝碼托盤及砝碼組件的重力作用下豎直朝下拉直。本發(fā)明提供的人體轉動慣量測定儀，基于能量守恒原理設計，能夠用于實踐教學，使學生掌握技能，懂得理論并會創(chuàng)新運用，符合“直觀·興趣·動手·創(chuàng)新”的實驗教學法理念。
文檔編號G01M1/10GK102937503SQ20121042114
公開日2013年2月20日 申請日期2012年10月29日 優(yōu)先權日2012年10月29日
發(fā)明者宋雅偉, 張伊卓 申請人:宋雅偉