空间可达域测量装置及其测量系统的制作方法[0002]随着我国科学技术的不断进步，在一些领域里对人体四肢在三维空间的活动范围提出较高的要求。例如在运动医学领域，精确测量人体四肢在空间的活动范围可以准确地反应出伤员尤其是运动员的受伤后恢复情况；在国防工业中，尤其是在对驾驶空间要求比较严格的领域，对飞行员，宇航员，坦克装甲车驾驶员四肢的活动范围测量可以为驾驶舱的空间设计，控制仪表，操纵杆的位置分布等提供科学依据；在现代工业设计中，四肢活动范围的测量作为人测量数据的一部分，对完善人体测量数据库的建立，设计高品质、高标准的宜人化产品起着不可替代的重要作用。
[0003]本发明的目的在于提供一种便携式的高精度空间可达域测量系统。该系统具有实时显示运动轨迹、实时保存测试数据并打印、拆装简单和便于携带等特点。[0004]本发明利用的基本原理是采用高精度角度传感器测量转轴的角度变化量，通过计算间接得到物体轨迹曲线。数据传输系统将数据实时传送到上位机软件，由软件进行数据处理。[0005]本发明的空间可达域测量装置包括底座、塑料水箱、立柱、机械后臂、机械前臂、测量杆和手柄；所述塑料水箱放置于所述底座上，在进行测量时将所述塑料水箱装满水，以增加装置的稳固性和安全性；所述立柱的下端以可拆装的方式固定在所述底座上，其上端借助后部转动轴与所述机械后臂的后端相连，所述机械后臂的前端借助前部转动轴与所述机械前臂的后端相连，所述测量杆的上端通过调节螺栓安装于所述机械前臂的前端，所述测量杆的下端安装有手柄。[0006]优选所述立柱通过两根长度为Im的铝合金方管以可拆装的方式连接而成。[0007]优选所述机械后臂和所述机械前臂均采用由防锈铝板焊接而成的工字梁。
[0008]本发明的空间可达域测量系统包括权利要求1、2或3中的任一项所述空间可达域测量装置、信号采集传输系统和上位机。所述信号采集传输系统包括后部角度传感器、前部角度传感器和信号采集器。所述信号采集器安装在所述空间可达域测量装置的所述立柱的靠近上端的部位，用于自动采集所述后部角度传感器和所述前部角度传感器的信号，并通过RS232串口将数据传送到上位机。
[0009]优选所述后部角度传感器是无触点角度传感器，安装在后部转动轴的顶端。
[0010]优选所述前部角度传感器是无触点角度传感器，安装在所述前部转动轴的顶端。
[0011]优选所述信号采集器采用单片机来采集所述后部角度传感器和所述前部角度传感器的信号。
[0012] 优选所述上位机与所述信号采集器相连，用于实时显示测试轨迹和保存测试数据，并能够进行打印。
[0013]发明效果
[0014](I)本发明采用高精度360°角度传感器作为核心测试元件，安装在悬臂的两个转动轴上，监测两节臂的转动状态。具有精度高，响应快的优点。
[0015](2)本发明机械结构拆装简单，变形小、稳固、和轻便的特点。配重物采用两个塑料水箱，用时灌满水压住底座，不用时将水倒掉，方便携带，便于外出测试。
[0016](3)采用单片机采集和传输数据，上位机软件进行数据处理功能强大，实时显示运动轨迹直观形象，实时保存数据便于随时调取使用。



[0017]图1为空间可达域测量装置示意图。
[0018]图2为上位机软件的操作界面。
[0019]图3为操作流程图。
[0020]符号说明 [0021]I 底座
[0022]2调节螺栓
[0023]3塑料水箱
[0024]4 立柱
[0025]5信号采集器
[0026]6后部角度传感器
[0027]7后部转动轴
[0028]8机械后臂
[0029]9前部角度传感器
[0030]10前部转动轴
[0031]11机械前臂
[0032]12测量杆调节螺栓
[0033]13测量杆
[0034]14 手柄

[0035]以下，参照附图，对本发明实施方式进行说明。在下面的叙述中，附图中X方向为前，Y方向为上。
[0036]如图1所示，空间可达域测量装置包括:底座1、调节螺栓2、塑料水箱3、立柱4、信号采集器5、后部角度传感器6、后部转动轴7、机械后臂8、前部角度传感器9、前部转动轴
10、机械前臂U、测量杆调节螺栓12、测量杆13和手柄14。
[0037]在进行测量时将空间可达域测量装置组装起来，并将塑料水箱3装满水，放在底座I上，增加装置的稳固性和安全性。不测量时将装置拆卸，并将水倒出，便于搬运。采用塑料水箱主要是考虑其轻便的特性以满足整个装置的便携性要求，因此塑料水箱也可用其他重物替代。整个装置固定好后，调整调节螺栓2，确保立柱4与测量平面完全垂直。否则会影响测量精度。
[0038]立柱4由两根方管加工而成。采用方管的目的是减轻重量和减小变形，能满足使用要求其他结构亦可。立柱4的下端通过螺栓固定安装于底座I上，由于在X方向所受力矩较大，容易产生较大的挠度变形，所以上述两根方管均采用Im长的铝合金方管，并用螺栓将它们牢固地连接在一起。本实施例中为了拆装方便而采用螺纹连接，但其连接方式并不限于此，也可以采用其他方式，只要能够将彼此牢固地连接在一起即可。
[0039]后部转动轴7固定安装于立柱4的顶端。在后部转动轴7的顶端安装有后部角度传感器6。
[0040]机械后臂8的后端以可拆装的方式连接在后部转动轴7上。机械后臂8能够围绕后部转动轴7进行340°旋转。机械后臂8的前端固定安装有前部转动轴10，在前部转动轴10的顶端安装有前部角度传感器9。
[0041]机械前臂11的后端以可拆装的方式连接在前部转动轴10上。机械前臂11能够围绕前部转动轴10进行340°旋转。
[0042]测量杆13的上端通过测量杆调节螺栓12锁定在机械前臂11的前端，测量杆13上具有刻度，通过测量杆调节螺栓12拧松拧紧来上下调节手柄的位置，从而测量受试者在不同高度平面上的活动范围。在测量杆13的下端安装有手柄14，该手柄也可以采用脚踏或其它握具。
[0043]同样考虑到机械后臂8和机械前臂11在Y方向的挠度变形，并基于便携式的需要，尽量减轻重量， 所以机械后臂8和机械前臂11均采用由防锈铝板焊接而成的工字梁，机械后臂8和机械前臂11通过前部转动轴10连接，后部转动轴7的轴线与前部转动轴10的轴线之间的距离，以及前部转动轴10的轴线与测量杆13轴线之间的距离都准确地等于lm，
[0044]所述结构的空间可达域测量装置能够实现由后部转动轴7、机械后臂8、转动轴10和机械前臂11共同组成的活动臂在指定高度的平面内340°范围内自由转动。后部角度传感器6的转轴与后部转动轴7相连，后部角度传感器6的外壳固定在机械后臂8上，当机械后臂8转动时,后部角度传感器6的外壳会随之转动,后部角度传感器6的输出信号与其外壳转动的角度值成比例关系变化。前部角度传感器9的转轴与前部转动轴10相连，前部角度传感器9的外壳固定在机械前臂11上，当机械前臂11转动时，前部角度传感器9的外壳会随之转动，前部角度传感器9的输出信号与其外壳转动的角度值成比例关系变化。建立极坐标系，通过以下公式获得测试曲线的坐标值。
[0045]P = 2 X 100 X sin (α /2) (I)
[0046]X = PXcos(3+ α/2-90) (2)
[0047]Y = PXsin(3+ α/2-90) (3)
[0048]P——极轴长度。
[0049]α——后部角度传感器6的转动角度。
[0050]β——前部角度传感器9的转动角度。
[0051 ] X——测试点的X坐标。
[0052]Y——测试点的Y坐标。
[0053]信号采集器5安装在空间可达域测量装置的立柱4靠近顶部的位置。采用STC单片机来采集后部角度传感器6和前部角度传感器9的输出信号，经过处理后，通过RS232串口将数据传送到上位机。上位机安装了具有数据处理功能的软件，能够采集RS232串口传送来的数据，经软件处理后能在上位机屏幕实时显示运动轨迹，直观形象并能实时保存数据便于随时调取使用。
[0054]软件处理部分
[0055]如图2的操作界面所示，空间可达域测量系统还具备数据采集功能；图形保存、打印功能；数据保存功能；零点设置功能；清除曲线功能和实时绘制水平可达域轨迹功能等。
[0056]图3所示的是用户操作流程。
[0057]第一步:在机械结构安装和调整完成后，调整坐标系。将后部角度传感器6和前部角度传感器9的当前输出值分别填写在操作界面的1#和2#位置的文本框中，点击完成设置，将参数写入程序，完成坐标系调整。每次开启软件时要进行此项操作。如果设备没有拆卸的情况下每次补偿的数据都应是相同的，只要直接将数据填进去即可。
[0058]第二步:填写受试者基本信息，包括姓名、性别、测试高度等。
[0059]第三步:完成填写后，点击完成设置，将信息写入程序。
[0060]第四步:设置坐标轴:默认坐标轴长度为100cm，测试中可能会遇到运动轨迹超出该量程而导致轨迹不完整的情况，若要图形完整就要增加坐标轴的长度。遇到上述情形，只需从下拉列表框中选择合适的长度即可，整个曲线即可完整显示。该操作必须在画完轨迹，点击“结束”按钮以后才能实现。
[0061]第五步:开始测试。
[0062]第六步:结束本次测试。
[0063]第七步:判读测试曲线是否满意。如果不满意清除当前曲线，回到开始重新测试。如果满意进行下一步操作。
[0064]第八步:保存图片。保存图片的路径和文件名由用户自己填写，默认格式为bmp ο
[0065]第九步:保存数据。保存数据时文件路径和文件名由用户自己填写，默认格式为
氺.xlso
[0066]第十步:打印功能。软件设置了与打印机连接的通讯接口，可与打印机连接，直接打印测试曲线和数据。
[0067] 以上，对本发明的优选实施方式进行了说明，但本发明并不限定于上述实施例。对本领域的技术人员来说，在权利要求书所记载的范畴内，显而易见地能够想到各种变更例或者修正例，当然也属于本发明的技术范畴。