专利名称：摔倒模拟及测量装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种机电系统技术领域的装置，具体是一种摔倒模拟及测量装置。
背景技术：
日常生活中常见老年人因滑到而产生诸如软组织挫伤、骨折、头部损伤等伤害，其 中以骨折和头部损伤后果最为严重，会造成当事老年人肢体障碍，甚至死亡，详见Pu-Lin Yu等在《Biomedical and Environmental Sciences))(生物医学与环境科学杂志，2009年 22 期179_187)上发表的论文 “Prevalence and related factors of falls among the elderly in an urban community of beijing”(北京城市社区内老年人摔倒相关因素研 究)。据统计，中国城市社区中65岁及以上老年人群中发生摔倒的概率为20% -40%，其中 男性为21 %-23 %，女性为43 %-44%，随着人口老龄化的增长，这一高危人群的数量将会 逐步增大。如何对老年人的身体进行防护，从而避免因摔倒而对身体造成骨折等重大伤害 已成为科研工作者所努力追求的目标。本实验台基于以上背景被提出来，通过机械与电子 控制技术模拟再现人体摔倒这一过程，并在此过程中运用光学测量系统和测力板平台对青 年志愿者摔倒过程进行运动学和动力学测定，从而为今后摔倒防护用具的设计提供宝贵的 原始数据。经过对现有技术的检索发现，目前的摔倒试验模拟平台按其驱动方式可分为两 种一种是不采用动力设备，而采用降低摩擦系数的方式来加大人体摔倒的概率，从而进行 试验，例如 Satoru Kojima 等在《Journal of Physiological Anthropology》(人类生理学 杂志，2008 年 27 期 309-315)内发表的 “Kinematics of the Compensatory Step by the Trailing Leg Following an Unexpected Forward Slip While Walking，，(步行中意夕卜滑 倒下脚步拖拽补偿运动学研究)中采用滚珠降低摩擦系数，Jia-Yuan You等在《Clinical Biomechanics》(临床生物力学，2001 年 16 期 167-173)内发表的 “Effect of slip on movement of Body of center of mass relative to base of support，，(滑倒对人体质 心相对脚底支撑部位移动的影响)中采用肥皂水降低摩擦系数；另一种是采用直线电机对 整个平台产生一个足以使人体摔倒的加速度，例如Fabio等在《journal of biomechanics)) (生物力学杂志，2007 年40 期 2612-2618)内发表的“Reducing hip fracture risk during sideways falls :Evidence in young adults of the protective effects of impact to the hands and st印ping”(降低侧向摔倒中股骨骨折的发生几率取证于年轻成年人 的移步和用手支撑等本能保护机制)中所用的摔倒模拟平台。另外Satoru Kojima等和 Jia-Yuan You等所设计的摔倒模拟平台采用吊带悬挂的方式来保护被测者的人身安全，而 Fabio等则采用铺设防护垫方式保护被测者的人身安全。但是这两种不同驱动方式的摔倒模拟平台都有其不足之处采用降低摩擦系数的 方式，虽然省去了驱动设备，节约了成本，但它无法控制摔倒时的脚底加速度，从而无法对 人体摔倒规律进行更为科学的定量研究，采用直线电机驱动，虽然可以很精确的控制摔倒时的脚底加速度，但整套设备价格昂贵，不利于推广。另外采用吊带悬挂方式虽然能很好 的保护被测者的人身安全，但模拟出的人体摔倒状态与自然情况下的人体摔倒状态差异较 大。

发明内容
本发 明针对现有技术存在的上述不足，提供一种摔倒模拟及测量装置，使其既能 模拟出人体自然摔倒状态过程，又能够很好的保障被测者人身安全的实验平台，且造价低 廉。另外在摔倒模拟的同时加入运动学和动力学测量设备，从而获得完整、有效的实验数 据。本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括箱体、电机、后滑台、电磁铁搭 钩、压弹簧、测力板、前滑台、控制系统、丝杠、下侧导轨、上侧导轨和防撞防反弹挂钩，其中 前滑台安装在上侧导轨上且与压弹簧接触，后滑台安装在上侧导轨上并与丝杠相连，丝杠 与电机相连，两滑台之间用电磁铁搭钩连接，箱体的一端与防撞防反弹挂钩固定连接，测力 板安装在下侧导轨上，电机、后滑台、电磁铁搭钩、压弹簧、测力板、前滑台、丝杠、下侧导轨、 上侧导轨和防撞防反弹挂钩都安装在箱体内，下侧导轨与上侧导轨平行且安装在上侧导轨 的正下方，导杆也与上侧导轨平行且安装在同一水平面上。所述的前滑台包括上滑台、下滑台、导筒和导柱，其中下滑台安装在上侧导轨 上与压弹簧接触，上滑台中的导柱与下滑台中的导筒间隙配合实现上滑台与下滑台的相对 活动。所述的测力板活动设置于下侧导轨上并与上滑台的下平面相接触。所述的前滑台上设有前侧扣环和后侧扣环。所述的防撞防反弹挂钩的末端设有缓冲弹簧。所述的前滑台以及所述的后滑台上均设有中央防护平台，所述的箱体的两旁设有 周边防护平台，中央防护平台和周边防护平台上方均设有压缩海绵垫。所述的控制系统包括光纤传感器、电磁铁控制器和电机编码器，其中光纤传感 器安装在箱体上并与前滑台上的金属片共同构成传感装置以感测前滑台的初始位置并限 制其压缩弹簧的极限位置，电磁铁控制器安装在后滑台上并与前滑台通过搭钩相连接，电 机编码器与驱动电机相连接。本装置在实验时被测者站在前滑台上，能够根据测试要求侧向、正向或反向站立， 电磁铁挂钩释放后，前滑台在弹簧的弹力作用下以3 4g的加速度向右方向滑动，这时候 被测者无法站稳，会向左侧方向摔倒在周边防护平台上。本发明不仅能够安全的模拟出人体摔倒过程，还能对摔倒过程中的人体运动学姿 态进行捕捉，并对人体足部应力变化数据进行采集，从而获得一个综合、完整、有效的摔倒 过程运动学和动力学原始数据。


图1箱体正视图。图2箱体俯视图。图3前滑台剖视图。
图4电磁铁搭钩和防撞防反弹挂钩正视图。图5电磁铁搭钩和防撞防反弹挂钩俯视图。图6摔跤试验台俯视图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行 实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施 例。如图1所示，本发明包括箱体3、电机5、后滑台6、电磁铁搭钩7、压弹簧8、测力板 9、前滑台10、控制系统4、丝杠12、下侧导轨13、上侧导轨15和防撞防反弹挂钩16，其中 前滑台10安装在上侧导轨上15，且与压弹簧8接触，后滑台6也安装在上侧导轨15上，但 与丝杠12相连，丝杠12与电机5相连，前滑台10和后滑台6之间用电磁铁搭钩7连接，前 滑台10极限位置设有防撞防反弹挂钩16，测力板9安装在下侧导轨13上。电机5、后滑台 6、电磁铁搭钩7、压弹簧8、测力板9、前滑台10、丝杠12、下侧导轨13、上侧导轨15和防撞 防反弹挂钩16都安装在箱体内。当电机5带动丝杠12旋转，进而带动前滑台10和后滑台 6向压缩压弹簧8方向移动到设定位置时(150mm 250mm)，停止前进，此时按下电磁铁搭 钩7的消磁按钮，则前滑台10在弹簧8弹力的作用下瞬间产生3g的加速度，此时青年志愿 者会向后或侧方向摔倒。由于上侧导轨15长度有限，前滑台10进一步向前滑动会冲撞箱 体端部，为防止其破坏箱体结构的稳固性，设有防撞防反弹挂钩16。如图2所示，前滑台10分上下两层，分别称为上滑台18和下滑台17，下滑台17安 装在上侧导轨15上与压弹簧8接触，上滑台18能够相对下滑台17上下移动，上滑台18中 的导柱20与下滑台17中的导筒19间隙配合，能够相对移动，上滑台18的下平面能够实现 与测力板9自由接触，从而能够传递压力。摔倒过程中，人体足底压力变化能够通过上滑台 的下平面传递到测力板9上，从而既实现足底压力的测量，又保护了测力板的安全，避免其 随前滑台移动而在冲撞中受到损坏。如图3所示，前滑台10设有前侧扣环25和后侧扣环24。电磁铁搭钩7能够与前 滑台10的后侧扣环24相扣，通过电磁铁22的消磁实现前滑台10和后滑台6之间的分离， 防撞防反弹挂钩26安装在前滑台10极限位置上，防撞防反弹挂钩26后部装有缓冲弹簧 27，当前滑台10在惯性的作用下撞向防撞防反弹挂钩26时，先是通过缓冲弹簧27缓冲部 分冲击力，前滑台10继续前行时，防撞防反弹挂钩26在其冲击力的作用下会自动翻转与前 滑台10的前侧扣环25扣紧，从而防止前滑台10反弹。压弹簧8压缩量用光电传感器11测距控制，分别用来限定前滑台10的两端极限 位置和复位位置，电磁铁控制器用来控制电磁铁搭钩7的夹紧与释放，电机编码器用来控 制电机5的转动圈数。通过设定电机5的总转动圈数来调节压弹簧8的加压距离，从而模 拟出不同的前滑台10加速度，通过控制电磁铁搭钩7的夹紧与释放可以决定前滑台10的 释放时间。如图4所示，前滑台10、后滑台6上均设有中央防护平台3，所述的箱体的两旁设 有周边防护平台2，中央防护平台3和周边防护平台2上方均设有厚50mm压缩海绵垫。实 验时被测者站在前滑台10上，能够根据测试要求侧向、正向或反向站立；接通电磁开关7，设定加压距离230mm，按启动键，则前滑台10在后滑台6的带动下压缩压弹簧230mm ；确认 被测者准备好后，断开电磁开关7，电磁开关7上的搭钩会瞬间释放，前滑台10在弹簧8的 弹力作用下以约3 4g的加速度向图的右方向滑动，这时候被测者无法站稳，会向图的左 侧方向摔倒在防护垫
权利要求
一种摔倒模拟及测量装置，包括箱体、电机、后滑台、电磁铁搭钩、压弹簧、测力板、前滑台、控制系统、丝杠、下侧导轨、上侧导轨和防撞防反弹挂钩，其特征在于前滑台安装在上侧导轨上且与压弹簧接触，后滑台安装在上侧导轨上并与丝杠相连，丝杠与电机相连，两滑台之间用电磁铁搭钩连接，箱体的一端与防撞防反弹挂钩固定连接，测力板安装在下侧导轨上，电机、后滑台、电磁铁搭钩、压弹簧、测力板、前滑台、丝杠、下侧导轨、上侧导轨和防撞防反弹挂钩都安装在箱体内，下侧导轨与上侧导轨平行且安装在上侧导轨的正下方，导杆也与上侧导轨平行且安装在同一水平面上。
2.根据权利要求1所述的摔倒模拟及测量装置，其特征是，所述的前滑台包括上滑 台、下滑台、导筒和导柱，其中下滑台安装在上侧导轨上与压弹簧接触，上滑台中的导柱与 下滑台中的导筒间隙配合实现上滑台与下滑台的相对活动。
3.根据权利要求1所述的摔倒模拟及测量装置，其特征是，所述的测力板活动设置于 下侧导轨上并与上滑台的下平面相接触。
4.根据权利要求1所述的摔倒模拟及测量装置，其特征是，所述的前滑台上设有前侧 扣环和后侧扣环。
5.根据权利要求1所述的摔倒模拟及测量装置，其特征是，所述的防撞防反弹挂钩的 末端设有缓冲弹簧。
6.根据权利要求1所述的摔倒模拟及测量装置，其特征是，所述的前滑台以及所述的 后滑台上均设有中央防护平台，所述的箱体的两旁设有周边防护平台。
7.根据权利要求6所述的摔倒模拟及测量装置，其特征是，所述的中央防护平台和周 边防护平台上方均设有压缩海绵垫。
8.根据权利要求1所述的摔倒模拟及测量装置，其特征是，所述的控制系统包括光纤 传感器、电磁铁控制器和电机编码器，其中光纤传感器安装在箱体上并与前滑台上的金属 片共同构成传感装置以感测前滑台的初始位置并限制其压缩弹簧的极限位置，电磁铁控制 器安装在后滑台上并与前滑台通过搭钩相连接，电机编码器与驱动电机相连接。
全文摘要
一种机电系统技术领域的摔倒模拟及测量装置，包括箱体、电机、后滑台、电磁铁搭钩、压弹簧、测力板、前滑台、控制系统、丝杠、下侧导轨、上侧导轨和防撞防反弹挂钩，前滑台安装在上侧导轨上且与压弹簧接触，后滑台安装在上侧导轨上并与丝杠相连，丝杠与电机相连，两滑台之间用电磁铁搭钩连接，箱体的一端与防撞防反弹挂钩固定连接，测力板安装在下侧导轨上，电机、后滑台、电磁铁搭钩、压弹簧、测力板、前滑台、丝杠、下侧导轨、上侧导轨和防撞防反弹挂钩都安装在箱体内，下侧导轨与上侧导轨平行且安装在上侧导轨的正下方，导杆也与上侧导轨平行且安装在同一水平面上。本发明不仅能够安全的模拟出人体摔倒过程，还能通过对摔倒过程中的人体运动学姿态进行捕捉。
文档编号G01N19/02GK101936875SQ20101028346
公开日2011年1月5日 申请日期2010年9月16日 优先权日2010年9月16日
发明者王冬梅, 王成焘, 石杜芳 申请人:上海交通大学