專(zhuān)利名稱(chēng)：人體重量一維分布識(shí)別系統(tǒng)及其識(shí)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(shuō)，就是擬訂了一種求人體總重沿頭顱、軀干、手臂和腳腿長(zhǎng)度方向一維分布的識(shí)別系統(tǒng)及其識(shí)別方法，識(shí)別出的結(jié)果可作為大眾常規(guī)體檢和保健的評(píng)估資料，也可用于運(yùn)動(dòng)員競(jìng)技運(yùn)動(dòng)的仿真研究、輔助臨床診斷以及人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
背景技術(shù)：
至今，國(guó)內(nèi)外(主要是國(guó)外)的學(xué)者們?cè)谘芯咳梭w重量的分布時(shí)，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(dòng)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(jì)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(jì)值，這種方法最古老，應(yīng)用也最方便，但個(gè)性化程度低，用于具體的人，難以估計(jì)所得數(shù)據(jù)的誤差，主要用在公用的人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面；2、基于受試人體幾何特征測(cè)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(jiǎn)單幾何形狀，并具有均勻的重量密度，通過(guò)測(cè)定諸環(huán)節(jié)的特征尺寸，進(jìn)而計(jì)算出它們的慣性參數(shù)。這種方法操作煩瑣，難于自動(dòng)化，所得結(jié)果的個(gè)性化程度仍較低，如今這種方法被主要用于人體動(dòng)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(lái)求人體環(huán)節(jié)的慣性參數(shù)操作十分復(fù)雜，費(fèi)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(wèn)題是提供一種人體重量一維分布識(shí)別系統(tǒng)及其識(shí)別方法，用以識(shí)別出任何人體總重沿頭顱、軀干、手臂和腳腿長(zhǎng)度方向的一維分布狀況，所得數(shù)據(jù)個(gè)性化程度高。
為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明所采用的人體重量一維分布識(shí)別系統(tǒng)，由秤床、數(shù)碼相機(jī)、電子秤及微機(jī)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(zhǎng)度方向設(shè)置有水平坐標(biāo)軸，數(shù)碼相機(jī)位于秤床一側(cè)的正前方，電子秤和數(shù)碼相機(jī)的數(shù)據(jù)輸出端分別通過(guò)數(shù)據(jù)線(xiàn)與微機(jī)輸入接口相連。
利用上述識(shí)別系統(tǒng)進(jìn)行識(shí)別的過(guò)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(diǎn)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(jī)對(duì)每個(gè)姿態(tài)進(jìn)行攝像，并將得到的圖像文件輸入微機(jī)經(jīng)處理形成姿態(tài)幾何參數(shù)，同時(shí)電子秤測(cè)出每個(gè)姿態(tài)對(duì)應(yīng)的支反力輸入微機(jī)經(jīng)處理形成姿態(tài)力學(xué)參數(shù)；(2)將人體簡(jiǎn)化為鉸桿系統(tǒng)，建立與人體總重靜力等效的沿長(zhǎng)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(shí)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(duì){Q}進(jìn)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(zhǎng)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(xiě)出人體沿長(zhǎng)度方向呈折線(xiàn)分布的解析表達(dá)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(duì)q(x)進(jìn)行積分并繪制出人體重量的一維分布曲線(xiàn)W(x)。
本發(fā)明將人體簡(jiǎn)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(zhǎng)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(jìn)而建立起識(shí)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(guò)數(shù)碼相機(jī)和電子秤分別對(duì)每個(gè)姿態(tài)對(duì)應(yīng)的幾何參數(shù)和力學(xué)參數(shù)進(jìn)行采集并輸入微機(jī)，應(yīng)用識(shí)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(zhǎng)度方向的一維分布。整個(gè)識(shí)別系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，執(zhí)行程序?qū)懭氤Ｓ梦C(jī)中，識(shí)別結(jié)果可直接顯示在微機(jī)顯示屏上，也可用打印機(jī)打印出。由于采集的數(shù)據(jù)是針對(duì)具體受試人的，不同的人體或同一個(gè)人在不同的時(shí)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(shí)而異，個(gè)性化程度高，無(wú)害人體，操作方便，經(jīng)濟(jì)快捷，易為大眾所接受并應(yīng)用。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例識(shí)別系統(tǒng)的構(gòu)成示意圖。
圖2是本發(fā)明實(shí)施例中人體被簡(jiǎn)化為七鉸八桿系統(tǒng)的示意圖。
圖3是本發(fā)明實(shí)施例中人體集中重量密度分布模式圖。
圖4是本發(fā)明實(shí)施例中人體集中重力分布模式圖。
圖5是本發(fā)明識(shí)別方法的運(yùn)行流程圖。
圖6-1至圖6-8分別是實(shí)施例中受試人體在秤床上擺出的八個(gè)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(xiàn)示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明如圖1所示，用來(lái)求人體重量一維分布的識(shí)別系統(tǒng)由秤床1、數(shù)碼相機(jī)2、電子秤3及微機(jī)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(zhǎng)度方向設(shè)置有水平坐標(biāo)軸6，數(shù)碼相機(jī)2位于秤床1一側(cè)的正前方，電子秤3和數(shù)碼相機(jī)2的數(shù)據(jù)輸出端分別通過(guò)數(shù)據(jù)線(xiàn)與微機(jī)4輸入接口相連，可在微機(jī)4上連接打印機(jī)7，使識(shí)別過(guò)程產(chǎn)生的中間數(shù)據(jù)及最后結(jié)果直接由打印機(jī)7打印出，秤床1為長(zhǎng)方形水平板，為了使人體仰躺在上面感覺(jué)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(jiǎn)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(zhǎng)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(shí)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(shí)施例中將人體簡(jiǎn)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(gè)鉸分別將人體劃分為8段，簡(jiǎn)化為8根直桿l1、l2、l3、l4、l5、l6、l7、l8，桿l1、l2、l3、l4、l5合稱(chēng)為人體主支，桿l6、l7、l8合稱(chēng)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(diǎn)，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(xiě)出人體沿長(zhǎng)度方向呈折線(xiàn)分布的解析表達(dá)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(shí)別系統(tǒng)進(jìn)行識(shí)別，如圖5所示，其具體過(guò)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(diǎn)標(biāo)記，此外，還需在同一側(cè)的其它設(shè)定點(diǎn)，例如踝關(guān)節(jié)中心、腳、頭顱和手的中點(diǎn)也一一打上點(diǎn)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(gè)不同的姿態(tài)，數(shù)碼相機(jī)2對(duì)每個(gè)姿態(tài)進(jìn)行攝像，并將得到的圖像文件輸入微機(jī)4經(jīng)處理形成姿態(tài)幾何參數(shù)，同時(shí)電子秤3測(cè)出每個(gè)姿態(tài)對(duì)應(yīng)的支反力輸入微機(jī)4經(jīng)處理形成姿態(tài)力學(xué)參數(shù)。這八個(gè)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(gè)姿態(tài)的擺放。
(2)利用集中重力分布模式{Q}的識(shí)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(gè)姿態(tài)中九個(gè)點(diǎn)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(cè)出的八個(gè)姿態(tài)對(duì)應(yīng)的支反力。九個(gè)點(diǎn)標(biāo)記的橫坐標(biāo)、人體總重WT及各支反力合稱(chēng)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(duì){Q}進(jìn)行優(yōu)化，以提高其精度。
(4)通過(guò)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(jìn)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(duì)qa(x)和qb(x)進(jìn)行積分并繪制出人體重量的一維分布曲線(xiàn)Wa(x)和Wb(x)，如圖7所示，兩條曲線(xiàn)最右(上)端在橫坐標(biāo)上對(duì)應(yīng)的值H和h分別代表人體主支和分支的長(zhǎng)度。
本發(fā)明稍加引申，可用以識(shí)別人體每只上、下肢重量的一維分布；也可根據(jù)識(shí)別精度需要，將人體簡(jiǎn)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(duì)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(jìn)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(shí)別系統(tǒng)，其特征在于包括秤床(1)、數(shù)碼相機(jī)(2)、電子秤(3)及微機(jī)(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(zhǎng)度方向設(shè)置有水平坐標(biāo)軸(6)，數(shù)碼相機(jī)(2)位于秤床(1)一側(cè)的正前方，電子秤(3)和數(shù)碼相機(jī)(2)的數(shù)據(jù)輸出端分別通過(guò)數(shù)據(jù)線(xiàn)與微機(jī)(4)輸入接口相連。
2.一種人體重量一維分布的識(shí)別方法，其特征在于按下列步驟進(jìn)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(diǎn)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(jī)(2)對(duì)每個(gè)姿態(tài)進(jìn)行攝像，并將得到的圖像文件輸入微機(jī)(4)經(jīng)處理形成姿態(tài)幾何參數(shù)，同時(shí)電子秤(3)測(cè)出每個(gè)姿態(tài)對(duì)應(yīng)的支反力輸入微機(jī)(4)經(jīng)處理形成姿態(tài)力學(xué)參數(shù)；(2)將人體簡(jiǎn)化為鉸桿系統(tǒng)，建立與人體總重(WT)靜力等效的沿長(zhǎng)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(shí)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(duì){Q}進(jìn)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(zhǎng)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(xiě)出人體沿長(zhǎng)度方向呈折線(xiàn)分布的解析表達(dá)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(duì)q(x)進(jìn)行積分并繪制出人體重量的一維分布曲線(xiàn)W(x)。
全文摘要
一種人體重量一維分布識(shí)別系統(tǒng)，由秤床(1)、數(shù)碼相機(jī)(2)、電子秤(3)及微機(jī)(4)構(gòu)成，其識(shí)別方法是通過(guò)數(shù)碼相機(jī)(2)和電子秤(3)采集受試人體在秤床(1)上依次擺出的八個(gè)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(shí)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(guò)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(dá)式q
文檔編號(hào)G06F17/00GK1961818SQ20061009527
公開(kāi)日2007年5月16日 申請(qǐng)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(qǐng)人:徐銘陶