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专利名称：人体转动惯量测定仪及其测量方法
技术领域：
本发明提供一种人体转动惯量活体测定技术，尤其涉及一种人体转动惯量测定仪及其测量方法。
背景技术：
运动生物力学是运用力学原理和方法结合生物学、人体解剖学研究体育运动中人体外在机械运动规律的学科，具有很强的实验性。作为生物力学研究基本任务——对人体惯性性质的研究，人体转动惯量的测量无疑是重中之重。转动惯量是对刚体在转动中惯性大小的量度，它与刚体的总质量、形状、大小和转轴的位置有关。人体作为由神经系统支配的高级生物体，受环境的物理化学变化影响较大，具有非均质、非规则，在研究中不可损伤的特点，因而对其研究远不像规则、均质的机械部件那样简单，更加难以用现有的实验仪器测量。教学中采用理论讲解和计算分析的方法，将人简化为由1Γ16块刚体组成的质点系，利用二维影片解析和尸体解剖获得人体各环节转动惯量参数(北京体育学院苏品教授于1987年测定)，计算出整体转动惯量。上述方法忽略了人体结构的各向异性、系统的整体性、个体间的差异性等，一味地简化计算，使得最终结果误差大、不精确。只注重书本知识、不重视研究方法、不重视实践教学、以及缺乏专用的实验教学仪器等原因，使得学生学习兴趣淡薄、理解不透彻。目前国内外有关测定人体转动惯量的试验仪器设备不多，国际上提出并使用过的方法有复摆法、单线扭摆法、三线悬挂扭振法和落体法等，主要以弹性元件组成振荡系统，通过测量系统振荡频率来推算出系统的转动惯量。上述方法各有缺陷，具体为复摆法原理类似单摆，常用于测量质量小的物件，操作不便；单线扭摆法普遍适用于某些微型轴对称刚性构件，而对于大中型物件的测量较为困难；三线悬挂扭振法测量大质量被测件时，被测件旋转夹紧立置安装困难，且存在安全隐患；落体法对于大质量、大冲量的被测件，精确度只能达到3%。因而亟需一款能直接简易测量出人体转动惯量的实验仪器，以此测定普通人体的整体转动惯量，并运用于教学，加强学生对转动惯量的理解，提高教学质量。凡涉及到转动动力学问题,转动惯量的测量已成为重点。人体转动惯量的测定和二位影片解析技术的应用对运动员动作分析评定大有裨益，有着广阔的应用前景。从基本的利用回归方程统计数据到运用实验仪器直接活体测量，是解决人体转动惯量的活体测量难、误差大、计算烦的大势所在。

发明内容
发明目的为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种人体转动惯量测定仪及其测量方法，实现人体转动惯量的活体测定。技术方案为解决上述技术问题，本发明的人体转动惯量测定仪，包括支架、承载圆盘、卷线转轴、低位滑轮、高位滑轮、测量线和砝码托盘及砝码组件，所述承载圆盘与卷线转轴同轴线固定、并与卷线转轴共同转动，所述卷线转轴、低位滑轮和高位滑轮的中轴线均与支架保持固定，所述测量线的始端卷绕在卷线转轴上、尾端与砝码托盘及砝码组件固定，且测量线的尾端依次经低位滑轮和高位滑轮后，在砝码托盘及砝码组件的重力作用下竖直朝下拉直。优选的，所述卷线转轴、低位滑轮和高位滑轮位于同一竖直平面内。优选的，所述卷线转轴、低位滑轮和高位滑轮均采用轴承滑轮，降低实际操作中的摩擦阻力，提高测量精度；同时卷线转轴需要设计专用卡槽，选取金属丝线作为测量线，还可以在测量线与轴承滑轮之间加入润滑油，以求尽量减小误差。所述卷线转轴、低位滑轮、高位滑轮和测量线之间的摩擦力会消耗砝码的部分重力势能，使后续的计算不准确。优选的，还包括计时器，所述计时器对砝码托盘及砝码组件的自由落体时间进行计时，提高计时精度。优选的，还包括开关组件，所述开关组件在砝码托盘及砝码组件下落初始时启动计时器计时，在砝码托盘及砝码组件下落结束时停止计时器计时，提高计时精度。一种使用人体转动惯量测定仪测定人体转动惯量的方法，包括如下步骤(I)承载圆盘空载，通过卷线转轴卷绕测量线使砝码托盘及砝码组件位于初始位置；(2)释放卷线转轴或砝码托盘及砝码组件，让砝码托盘及砝码组件做自由落体运动至下落结束位置，对砝码托盘及砝码组件下落时间进行计时，获取空载下落时间；(3)人体以需求姿势位于承载圆盘上，通过卷线转轴卷绕测量线使砝码托盘及砝码组件位于初始位置；(4)调节砝码质量后，释放卷线转轴或砝码托盘及砝码组件，让砝码托盘及砝码组件做自由落体运动至下落结束位置，对砝码托盘及砝码组件下落时间进行计时，获取实载下落时间，使实载下落时间等于空载下落时间，获取此时的砝码托盘及砝码组件总质量；
■>%(5)通过I= (||- _ι) · (R+r) 2*Δηι计算获得人体转动惯量;其中I为人体转动惯量；g为重力加速度；t为空载下落时间，即实载下落时间；h为砝码托盘及砝码组件初始位置和下落结束位置之间的高度差，即砝码托盘及砝码组件实际下落的高度；R为卷线转轴的半径为测量线的半径；Am为人体质量，即承载圆盘上承载的质量。优选的，多次重复步骤(2)获取多个空载下落时间，对所有空载下落时间取平均获得步骤中计算使用的t。上述装置在具体使用时，要求受试者以站立、俯卧、静坐的姿势测量转动惯量，为防止其在站立状态下由于砝码的拉力跌倒，提高实验的安全性，需要在实验中尽量降低砝码托盘及砝码组件，尽量增加承载圆盘及附属组件的质量。有益效果本发明提供的人体转动惯量测定仪，基于能量守恒原理设计，能够用于实践教学，使学生掌握技能，懂得理论并会创新运用，符合“直观·兴趣·动手·创新”的实验教学法理念。


图I为本发明的结构示意图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作更进一步的说明。如图I所示为一种人体转动惯量测定仪，包括支架、承载圆盘I、卷线转轴2、低位滑轮3、高位滑轮4、测量线、砝码托盘及砝码组件5、计时器和开关组件，所述承载圆盘I与卷线转轴2同轴线固定、并与卷线转轴2共同转动，所述卷线转轴2、低位滑轮3和高位滑轮4的中轴线均与支架保持固定，所述测量线的始端卷绕在卷线转轴2上、尾端与砝码托盘及砝码组件5固定，且测量线的尾端依次经低位滑轮3和高位滑轮4后，在砝码托盘及砝码组件5的重力作用下竖直朝下拉直；所述计时器对砝码托盘及砝码组件5的自由落体时间进行计时，其中开关组件在砝码托盘及砝码组件5下落初始时启动计时器计时，在砝码托盘及砝码组件5下落结束时停止计时器计时。所述卷线转轴2、低位滑轮3和高位滑轮4位于同一竖直平面内；所述卷线转轴2、低位滑轮3和高位滑轮4均采用轴承滑轮。采用上述装置进行人体转动惯量测定时包括如下步骤( I)承载圆盘I空载，通过卷线转轴2卷绕测量线使砝码托盘及砝码组件5位于初始位置；(2)释放卷线转轴2或砝码托盘及砝码组件5，让砝码托盘及砝码组件5做自由落体运动至下落结束位置，对砝码托盘及砝码组件5下落时间进行计时，获取空载下落时间；(3)人体以需求姿势位于承载圆盘I上，通过卷线转轴2卷绕测量线使砝码托盘及砝码组件5位于初始位置；(4)调节砝码质量后，释放卷线转轴2或砝码托盘及砝码组件5，让砝码托盘及砝码组件5做自由落体运动至下落结束位置，对砝码托盘及砝码组件5下落时间进行计时，获取实载下落时间，使实载下落时间等于空载下落时间，获取此时的砝码托盘及砝码组件5总质量；(5)通过
权利要求
1.人体转动惯量测定仪，其特征在于包括支架、承载圆盘(I)、卷线转轴(2)、低位滑轮(3)、高位滑轮(4)、测量线和砝码托盘及砝码组件(5)，所述承载圆盘(I)与卷线转轴(2)同轴线固定、并与卷线转轴(2)共同转动，所述卷线转轴(2)、低位滑轮(3)和高位滑轮(4)的中轴线均与支架保持固定，所述测量线的始端卷绕在卷线转轴(2)上、尾端与砝码托盘及砝码组件(5)固定，且测量线的尾端依次经低位滑轮(3)和高位滑轮(4)后，在砝码托盘及砝码组件(5)的重力作用下竖直朝下拉直。
2.根据权利要求I所述的人体转动惯量测定仪，其特征在于所述卷线转轴(2)、低位滑轮(3)和高位滑轮(4)位于同一竖直平面内。
3.根据权利要求I所述的人体转动惯量测定仪，其特征在于所述卷线转轴(2)、低位滑轮(3)和高位滑轮(4)均采用轴承滑轮。
4.根据权利要求1、2或3所述的人体转动惯量测定仪，其特征在于还包括计时器，所述计时器对砝码托盘及砝码组件(5)的自由落体时间进行计时。
5.根据权利要求4所述的人体转动惯量测定仪，其特征在于还包括开关组件，所述开关组件在砝码托盘及砝码组件(5)下落初始时启动计时器计时，在砝码托盘及砝码组件(5)下落结束时停止计时器计时。
6.一种使用人体转动惯量测定仪测定人体转动惯量的方法，其特征在于包括如下步骤(1)承载圆盘(I)空载，通过卷线转轴(2)卷绕测量线使砝码托盘及砝码组件(5)位于初始位置；(2)释放卷线转轴(2)或砝码托盘及砝码组件(5)，让砝码托盘及砝码组件(5)做自由落体运动至下落结束位置，对砝码托盘及砝码组件(5)下落时间进行计时，获取空载下落时间；(3)人体以需求姿势位于承载圆盘(I)上，通过卷线转轴(2)卷绕测量线使砝码托盘及砝码组件(5)位于初始位置；(4)调节砝码质量后，释放卷线转轴(2)或砝码托盘及砝码组件(5)，让砝码托盘及砝码组件(5)做自由落体运动至下落结束位置，对砝码托盘及砝码组件(5)下落时间进行计时，获取实载下落时间，使实载下落时间等于空载下落时间，获取此时的砝码托盘及砝码组件(5)总质量；I(5)通过
7.根据权利要求6所述的使用人体转动惯量测定仪测定人体转动惯量的方法，其特征在于多次重复步骤(2)获取多个空载下落时间，对所有空载下落时间取平均获得步骤(5)中计算使用的t。
全文摘要
本发明公开了一种人体转动惯量测定仪及其测量方法，包括支架、承载圆盘、卷线转轴、低位滑轮、高位滑轮、测量线和砝码托盘及砝码组件，所述承载圆盘与卷线转轴同轴线固定、并与卷线转轴共同转动，所述卷线转轴、低位滑轮和高位滑轮的中轴线均与支架保持固定，所述测量线的始端卷绕在卷线转轴上、尾端与砝码托盘及砝码组件固定，且测量线的尾端依次经低位滑轮和高位滑轮后，在砝码托盘及砝码组件的重力作用下竖直朝下拉直。本发明提供的人体转动惯量测定仪，基于能量守恒原理设计，能够用于实践教学，使学生掌握技能，懂得理论并会创新运用，符合“直观·兴趣·动手·创新”的实验教学法理念。
文档编号G01M1/10GK102937503SQ20121042114
公开日2013年2月20日 申请日期2012年10月29日 优先权日2012年10月29日
发明者宋雅伟, 张伊卓 申请人:宋雅伟