专利名称：一种人体肢体施力测试仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种人体肢体施力测试仪，在人体测量、工作任务设计与分析、产品或系统的工效学评价等领域具有广泛的应用。
背景技术：
尽管经济技术的发展带来了工作任务的自动化，但手工操作在多数产业中仍然重要地位。由于手工操作任务的“人性化设计”理念已深入人心，需要对其进行适人性分析与评估。因此，为确保经济的可持续发展和职业安全，由手工操作导致的职业健康风险评估已成为政府和企业管理层需要研究解决的一项重要问题。根据分析，手工操作任务在工业生产中可分为提举、放下、推、拉、握、掰、旋/拧、 指捏各种材料等类型。研究表明，它是引起职工背部疾患的重要原因。例如，长期从事提举操作的产业工人约80%会遭受到下背痛(LoW back pain, LBP)的痛苦。在美国，用于LBP 的费用已高达数亿美元，是发达国家职业健康损伤赔偿的主要原因。此外，肌肉骨骼疾病是一类与职业有关的多发病，它影响到半数以上职业人群，是产业工人缺勤的主要原因。据统计，约30%的此类疾患是由于手工操作造成的。因此，手工操作负荷的安全范围以及人体肢体的最大静态肌力自20世纪70年代以来就成为工作任务工效学设计与分析研究的一个重要领域。例如，美国职业安全与卫生研究所(NIOSH)及政府职业卫生工作者协会(ACGIH) 曾制订了手工提举重物的NIOSH方程与职业安全的限值；1987年，德国颁布了《人体身体力量-最大静态动作力标准》(DIN 33411-4)。由于工效学是有关理解人与系统其它要素间交互作用的学科，也是应用理论、原则、数据与方法进行设计，以使人的健康和系统整体效率达到最优的一门技术，其核心是安全、健康、高效。因此，它对防止手工操作任务的职业伤害将能起到十分重要的作用。但这需要一定样本量的人体测量数据来支撑。由于种族、人体尺寸等方面的差异，我们不能直接引用欧美国家的相关数据。需要具体测定我国从事手工操作任务的职业人群推力、拉力、提举、下压、内/外掰力、脚蹬、指捏、指压、旋/拧等肢体施力值，并进行统计分析，旨在为工作任务的工效学设计、选拔操作者、制订职业安全标准等提供参考依据。目前，国内在此方面的研究尚刚刚起步，具体测试的数据类型包括以下几种1推/拉力，受测者在采取立姿或坐姿体位的情况下，单手/双手水平前推/拉的力量。2提举/下压力，受测者在采取立姿或坐姿体位的情况下，单手的前臂处于水平状态，并与上臂保持某种夹角，在水平面内，在垂直方向向上提举或向下压的力量。3内/外掰力，受测者在采取立姿或坐姿体位的情况下，单手的前臂处于水平状态，并与上臂保持某种夹角，在水平面内，在水平面内，向身体内侧或外侧的掰力量。4指捏力，受测者采取坐姿体位，单手拇指与食指捏合的力量。5指压力，受测者采取坐姿体位，单手的拇指或食指指尖面下压的力量。6旋拧力，受测者在采取立姿或坐姿体位的情况下，单手握住操作对象，呈顺时针或逆时针方向旋转的力量。7脚蹬力，受测者采取坐姿体位，小腿与大腿成某一角度，脚面外蹬的力量。对目前有关人体力量数据测试的工效学研究进行归纳，可以发现一个共识是，操作者的力量测试数据的科学性与可靠性是决定产品或系统适人性水平设计十分关键，但测试设备仍为机械指针式测力计或简单的数显设备，存在需解决的主要问题是1力量测试数据不能进行曲线显示，且不能连续保持长时间的完整测试数据。2对于不同的力量类型，需要不同性质的测力计，在实际测试工作中，如果力量类型大于3种以上时，更换仪器比较费时。3对于所获得的测量数据需要借助SPSS等其他统计分析软件，没有自带的处理分析软件。总之，操作者的施力特性在确定作业程序、预防引发身体疲劳或职业伤病、规定产品或系统人机界面设计等方面具有十分重要的作用。为方便测试操作、数据获取与分析，需要同时能测试不同操作力量类型的测试设备，以提高测试研究效率与科学性。
发明内容
本发明的目的是为了克服目前受测者肢体施力测试时，测试数据不能可视化、数据不能实时处理与分析以及频繁更换测试仪器导致的测试效率降低和操作等问题，提供了一种能够测试、显示与分析受测者处于立姿或坐姿时其上肢单手推/拉力、提举/下压力、 内/外掰力、指捏力、指压力、旋拧力及坐姿状态下的脚蹬力的综合仪器，用于研究受测者肢体施力特性的变化规律。一种人体肢体施力测试仪，包括综合测试与分析仪表、内/外掰力测试组件和脚蹬力测试组件；综合测试与分析仪表用于选择肢体施力类型、显示选择状态以及采集各肢体施力数据信号并进行分析与处理，同时测试受测者立/坐姿状态时的推/拉力、提举/下压力、 指捏力、指压力以及旋拧力的施力特性，并提供仪表的固定孔；内/外掰力测试组件，用于立姿/坐姿状态下受测者单手前臂与上臂成规定的夹角时，测试向身体内侧的内掰力或向身体外侧的外掰力，并将测试的数据信号传向综合测试与分析仪表；脚蹬力测试组件，用于测试受测者坐姿状态下单腿的大腿与椅面、大腿与小腿呈现规定的角度时，测试单腿的蹬力，并将测试的数据信号传向综合测试与分析仪表。本发明的优点在于(1)所述的人体肢体施力测试仪设计合理，精度高，进行力测试时整体稳定性好， 充分保证受测者在相应的操作姿势下测试数据的有效性；(2)本发明所述的各测试组件的量程、抓握握径、脚蹬面尺寸、间距等参数均参照国家标准《中国成年人人体尺寸》(GB10000-1988)、《装备和设施人机工程设计准则》 (GJB2873-1997)来进行设计，考虑了受测者身体尺寸及施力的特点，能够满足第5至第99 百分位施力测试要求，适用范围好；(3)本发明所述的数据处理与分析软件是基于Windows操作系统而进行的程序设计，软件功能满足测试数据的统计分析、图形化显示的需要，直观且操作简便；(4)本发明所述的仪表装配盒、内/外掰力测试组件、脚蹬力测试组件选用铝合金材料制成，总体质量不大于40Kg，可置于一仪表箱内，易于携带。
图1是本发明的综合测试与分析仪表的正视图2是本发明的综合测试与分析仪表的侧视图3是本发明的内/外掰力组件的外形图4是本发明的脚蹬力测试组件外形图5是实施例内掰力测试；
图6是实施例脚蹬力测试。
图中
1-综合测试与分析仪表2-内/外掰力测试组件
101-推/拉力测试组件102-旋/拧力测试组件组件
104-力量类型选择开关105-状态显示灯
107-液晶屏108-触摸屏
1011-推/拉力连杆1021-旋拧力测试手轮
1061-L形把手1062-电源插槽
1064-USB数据接口1065-保险丝更换槽据接口
1067-内/外掰力测试组件的数
据接口
201-安装底座A202-内/外掰连杆采集器
301-安装底座B302-脚蹬连杆器
3021-脚蹬板3022-传力杆
3-脚蹬力测试组件 103-指捏/指压力测试
106-仪表装配盒
1031-压力按钮 1063-总电源开关 1066-脚蹬力测试组件数
203-专用的内/外掰力 303-专用的脚蹬力采集
具体实施例方式下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。本发明是一种人体肢体施力测试仪，如图1、图2、图3、图4所示，包括综合测试与分析仪表1、内/外掰力测试组件2和脚蹬力测试组件3。综合测试与分析仪表1如图1、图2所示，包括工控计算机、推/拉力测试组件101、 旋/拧力测试组件102、指捏/指压力测试组件103、力量类型选择开关104、状态显示灯 105、仪表装配盒106以及数据处理与分析软件，综合测试与分析仪表1用于选择肢体施力类型、显示选择状态以及采集各肢体施力数据信号并进行分析与处理，同时可以测试受测者立/坐姿状态时的推/拉力、提举/下压力、指捏力、指压力以及旋拧力等施力特性，并提供仪表的固定孔；内/外掰力测试组件2，用于立姿/坐姿状态下受测者单手前臂与上臂成规定的夹角时，测试向身体内侧的内掰力或向身体外侧的外掰力，并将测试的数据信号传向综合测试与分析仪表1的信号采集口；脚蹬力测试组件3，用于测试受测者坐姿状态下单腿的大腿与椅面、大腿与小腿呈现规定的角度时，测试单腿的蹬力，并将测试的数据信号传向综合测试与分析仪表1的信号采集口。如图1和图2所示，所述的综合测试与分析仪表1具体为所述的工控计算机内置在仪表装配盒106中，工控计算机选用通用工控机，内存大小为2GB-4GB DDR, CPU为INTEL 3. OGHz双核处理器；硬盘采用笔记本硬盘，容量为500GB ；操作系统为WINDOWS XP ；液晶屏107为10. 8” TFT LCD显示器，显示分辨率为 1024X768,亮度为250cd/m2，触摸屏108为八电阻式触摸屏，敲击次数250万次，250克力度。所述的仪表装配盒106的外形尺寸为长X宽X高=500_X300_X250mm，仪表装配盒106设有四个仪表固定孔，在宽度方向，两个固定孔孔距为190mm。仪表装配盒106 仪表面板的两侧还设有两个L形把手1061，其握径为观讓，握把中心线距仪表面板的距离为60mm。L形把手1061的作用为移动仪表装配盒时的施力抓手。在仪表装配盒106的侧面，设有一个220V交流电源插槽1062、一个总电源开关1063、一个USB数据接口 1064、一个保险丝更换槽1065、脚蹬力测试组件数据接口 1066、内/外掰力测试组件的数据接口 1067。 电源插槽用于外接220V交流电源，总电源开关1063用于开启仪表装配盒的电源，USB数据接口 1064用于将测试数据拷贝至其他存储设备，保险丝更换槽1065用于进行工作时外接交流电源的过流保护，脚蹬力测试组件数据接口 1066用于连接该组件的数据线，内/外掰力测试组件的数据接口 1067用于连接该组件的数据线。所述的推/拉力测试组件101包括推/拉力连杆1011、专用推/拉力采集器及数据线；推/拉力连杆1011直径为22_，抓握直径为观讓，推/拉力连杆1011中心线距仪表面板的距离为50mm ；通过推/拉力连杆1011将手臂推拉力传递至推/拉力采集器，专用推/拉力采集器对手臂推/拉力进行测量，对受力信号进行采样、分析、计算后按推/拉力值显示，同时通过数据线将推/拉力值传至计算机，提供给数据处理与分析软件。专用推/ 拉力采集器量程800N，精度为0. 2N，安全系数为2。所述的旋拧力测试组件102包括旋拧力测试手轮1021、专用腕扭力采集器及数据线，旋拧力测试手轮1021采用了人机工效学设计，以方便受测者的抓握，其最大直径为 50mm、最小直径为45mm、厚度20mm，旋拧力测试手轮1021距仪表面板30mm ；通过测试手轮将受测者的腕扭力传递至力专用腕扭力采集器，专用腕扭力采集器对受测者的旋拧力进行进行测量，对受力信号采样、分析、计算后按扭力值显示，同时通过数据线将扭力值传至计算机，提供给数据处理与分析软件。专用腕扭力采集器的量程为400N、精度为0. 2N，安全系数为2。指捏/指压力测试组件103包括指压力按钮1031、专用压指压采集器和数据线； 指压力按钮1031为圆形、直径12mm、行程2mm ；通过指压力按钮1031将指压力传递至专用压指压采集器，专用压指压采集器对受测者手指的指捏/指压力进行测量，对受力信号进行采样、分析、计算后按压力值显示，同时通过数据线将压力值传至计算机，提供给数据处理与分析软件。专用指压采集器量程为100N、精度为0. 05N，安全系数为2。力量类型选择开关104包括一组6个方形按钮，6个方形按钮分别对应工控机启动与关闭、选择推/拉力测试(或提举/下压力)、选择内/外掰力测试、选择指捏/指压力测试、选择旋拧力测试、选择坐姿状态下的脚蹬力测试；除工控机启动与关闭按钮外，其余5个选择按钮是联动的，即在同一时刻下，当某种力量类型的选择按钮被按下时，此刻已选的力量测试类型按钮将被复位。状态指示灯105由一组六个LED灯组成，分别对应力量类型选择开关104中电源及五种力量类型，灯亮表示所对应的按钮被按下，灯灭表示按钮复位。数据处理与分析软件是在Visual C++语言平台上开发，主要功能有一是设置测试参数并记录被测者的身高、年龄、教育程度、籍贯、性别等测试的初始信息；二是从测试数据采集口读入各力量类型的测试数据；三是可进行最大值、最小值、瞬间值、均值、方差、第 1至第99之间任一百分位计算等描述性统计分析；四是实时显示测试数据的变化曲线；五是可进行力量类型的聚类分析。如图3所示，所述的内/外掰力测试组件2具体为所述的内/外掰力测试组件2整体外形尺寸长X宽X高= 180mmX 180mmX 350mm，内/外掰力测试组件2包括安装底座201、内/外掰连杆202、专用的内/外掰力采集器203和R232串行数据线。安装底座A201为一方形铝合金块，长X 宽X高=180mmX180mmX20mm，开有四个标准安装孔，其间距为140mm ；内/外掰连杆202 长230mm，上部为手抓握区，长为80mm，抓握直径为观讓，采取了防滑式设计，它将受测者的内/外掰力传递至内/外掰力采集器203 ；专用的内/外掰力采集器203为柱状，高150mm， 中心线区开有一长50mm、宽12mm的滑槽，以固定内/外掰连杆202的运动方向，内/外掰力采集器量203程为600N，精度为0. 02N、安全系数为2。通过内/外掰连杆202将受测者的内/外掰力传递至内/外掰力采集器203，内/外掰力采集器203对单手的内/外掰力进行测量，对受力信号采样、分析、计算后，通过R232串行数据线传递至综合测试与分析仪表 1的内/外掰力测试组件的数据接口 1067 ；R232串行数据线的长度为1200mm，接头采取直插式设计。如图4所示，所述的脚蹬力测试组件3具体为所述的脚蹬力测试组件3的整体尺寸长X宽X高=180mmX 150mmX 300mm，包括安装底座301、脚蹬连杆302、专用的脚蹬力采集器303和R232串行数据线。安装底座B301 为一方形铝合金块，长X宽X高=180mmX150mmX20mm，开有四个标准安装孔，沿长度方向的间距为140mm，沿宽度方向的间距为IlOmm ；脚踏连杆302包括脚蹬板3021和传力杆 3022，脚蹬板3021通过传力杆3022连接脚蹬力采集器303，脚蹬板3021长X宽X高= 50mmX35mmX 10mm，采取防滑设计，它将受测者的脚蹬力传递至脚蹬力采集器303。专用的脚蹬力采集器303为柱状，高150mm，中心线区开有一长50mm、宽12mm的滑槽，以固定脚蹬连杆302的运动方向，通过脚蹬连杆302将受测者的脚蹬力传递至脚蹬力采集器303，脚蹬力采集器303对单腿的脚蹬力进行测量，对受力信号采样、分析、计算后，通过R232串行数据线传递至综合测试与分析仪表的脚蹬力测试组件的数据接口 1066 ；脚蹬力采集器303量程为2000N，精度为0. 02N、安全系数为2。为便于测试，脚蹬力采集器303与水平的夹角在 45° -90°之间可调。R232串行数据线的长度为1200mm，接头采取直插式设计。实施例实施例1 操作者立姿右手旋拧力测试。
按以下步骤进行1测试主试将综合测试与分析仪表1安装固定好，并让受测者按测试要求保持立姿状态。2测试主试打开仪表侧面的总电源开关1063，按下工控计算机启动按钮，进入 Windows系统桌面后，按下旋拧测试的选择按钮；点击数据测试与分析软件的菜单选项，进入测试页面，根据提示，记录受测者的身高、年龄等信息后，点击测试开始。3受测者按测试规定的要求在规定的时间内进行连续施加旋拧力。4测试主试点击测试与分析软件页面的结束测试按钮，将测试数据保存在预先设定好的文件夹内。5测试结束。实施例2 如图5所示，操作者坐姿状态下右手前臂和上臂成150°时内掰力测试按以下步骤进行1测试主试将综合测试与分析仪表1以及内/外掰力测试组件2安装固定好，在侧面的内/外掰力测试组件2的数据接口接入该测试组件的R232数据线。然后，让受测者按测试要求保持坐姿状态，将右手抓握测试组件的内/外掰连杆202。2测试主试打开仪表侧面的总电源开关1063，按下工控计算机启动按钮，进入 Windows系统桌面后，按下内/外掰力测试的选择按钮；点击数据测试与分析软件的菜单选项，进入测试页面，根据提示，记录受测者的身高、年龄等信息后，点击测试开始。3受测者按测试规定的要求在规定的时间内进行连续施加内掰力。4测试主试点击测试与分析软件页面的结束测试按钮，将测试数据保存在预先设定好的文件夹内。5测试结束。实施例3 如图6所示，操作者坐姿状态下大腿与座椅面成17°、大腿与小腿成 170°时右脚脚蹬力测试。按以下步骤进行1测试主试将综合测试与分析仪表1以及脚蹬力测试组件3安装固定好，在侧面的脚蹬力测试组件的数据接口 1066接入该测试组件的R232数据线。然后，让受测者按测试要求保持大腿与座椅面成17°、大腿与小腿成170°的姿势，并将拟施力的脚面放在脚蹬板3021上。2测试主试打开仪表侧面的总电源开关1063，按下工控计算机启动按钮，进入 Windows系统桌面后，按下脚蹬力测试的选择按钮；点击数据测试与分析软件的菜单选项， 进入测试页面，根据提示，记录受测者的身高、年龄等信息后，点击测试开始。3受测者按测试规定的要求在规定的时间内进行连续施加脚蹬力。4测试主试点击测试与分析软件页面的结束测试按钮，将测试数据保存在预先设定好的文件夹内。5测试结束。
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权利要求
1.一种人体肢体施力测试仪，其特征在于，包括综合测试与分析仪表、内/外掰力测试组件和脚蹬力测试组件；综合测试与分析仪表用于选择肢体施力类型、显示选择状态以及采集各肢体施力数据信号并进行分析与处理，同时测试受测者立/坐姿状态时的推/拉力、提举/下压力、指捏力、指压力以及旋拧力的施力特性，并提供仪表的固定孔；内/外掰力测试组件，用于立姿/ 坐姿状态下受测者单手前臂与上臂成规定的夹角时，测试向身体内侧的内掰力或向身体外侧的外掰力，并将测试的数据信号传向综合测试与分析仪表；脚蹬力测试组件，用于测试受测者坐姿状态下单腿的大腿与椅面、大腿与小腿呈现规定的角度时，测试单腿的蹬力，并将测试的数据信号传向综合测试与分析仪表。
2.根据权利要求1所述的一种人体肢体施力测试仪，其特征在于，所述的综合测试与分析仪表包括工控计算机、推/拉力测试组件、旋/拧力测试组件、指捏/指压力测试组件、 力量类型选择开关、状态显示灯、仪表装配盒以及数据处理与分析软件；所述的工控计算机内置在仪表装配盒中，工控计算机选用通用工控机，设有液晶屏和触摸屏；所述的仪表装配盒设有四个仪表固定孔，仪表面板的两侧还设有两个L形把手，侧面设有220V交流电源插槽、总电源开关、USB数据接口、保险丝更换槽、脚蹬力测试组件数据接口、内/外掰力测试组件的数据接口 ；电源插槽用于外接220V交流电源，总电源开关用于开启仪表装配盒的电源，USB数据接口用于将测试数据拷贝至其他存储设备，保险丝更换槽用于防止工作时外接交流电源的过流保护，脚蹬力测试组件数据接口用于连接该组件的数据线，内/外掰力测试组件的数据接口用于连接该组件的数据线；所述的推/拉力测试组件包括推/拉力连杆、专用推/拉力采集器及数据线；通过推/ 拉力连杆将手臂推拉力传递至推/拉力采集器，专用推/拉力采集器对手臂推/拉力进行测量，对受力信号进行采样、分析、计算后按推/拉力值显示，同时通过数据线将推/拉力值传至工控机，提供给数据处理与分析软件；所述的旋拧力测试组件包括旋拧力测试手轮、专用腕扭力采集器及数据线，通过测试手轮将受测者的腕扭力传递至力专用腕扭力采集器，专用腕扭力采集器对受测者的旋拧力进行测量，对受力信号采样、分析、计算后按扭力值显示，同时通过数据线将扭力值传至工控机，提供给数据处理与分析软件；指捏/指压力测试组件包括指压力按钮、专用压指压采集器和数据线，通过指压力按钮将指压力传递至专用压指压采集器，专用压指压采集器对受测者手指的指捏/指压力进行测量，对受力信号进行采样、分析、计算后按压力值显示，同时通过数据线将压力值传至工控机，提供给数据处理与分析软件；力量类型选择开关包括一组6个按钮，6个按钮分别对应工控机启动与关闭、选择推/ 拉力测试或提举/下压力、选择内/外掰力测试、选择指捏/指压力测试、选择旋拧力测试、 选择坐姿状态下的脚蹬力测试；除工控机启动与关闭按钮外，其余5个选择按钮是联动的， 即在同一时刻下，当某种力量类型的选择按钮被按下时，此刻已选的力量测试类型按钮将被复位；状态指示灯由一组六个LED灯组成，分别对应力量类型选择开关中电源及五种力量类型，灯亮表示所对应的按钮被按下，灯灭表示按钮复位；数据处理与分析软件的功能有一是设置测试参数并记录被测者的身高、年龄、教育程度、籍贯、性别测试的初始信息；二是从测试数据采集口读入各力量类型的测试数据；三是进行最大值、最小值、瞬间值、均值、方差、第1至第99之间任一百分位计算等描述性统计分析；四是实时显示测试数据的变化曲线；五是进行力量类型的聚类分析。
3.根据权利要求1所述的一种人体肢体施力测试仪，其特征在于，所述的内/外掰力测试组件包括安装底座A、内/外掰连杆、专用的内/外掰力采集器和R232串行数据线；安装底座A开有四个标准安装孔，内/外掰连杆将受测者的内/外掰力传递至内/外掰力采集器；专用的内/外掰力采集器中心线区开有滑槽，以固定内/外掰连杆的运动方向，通过内/外掰连杆将受测者的内/外掰力传递至内/外掰力采集器，内/外掰力采集器对单手的内/外掰力进行测量，对受力信号采样、分析、计算后，通过R232串行数据线传递至综合测试与分析仪表的内/外掰力测试组件的数据接口。
4.根据权利要求1所述的一种人体肢体施力测试仪，其特征在于，所述的如图4所示， 所述的脚蹬力测试组件包括安装底座B、脚蹬连杆、专用的脚蹬力采集器和R232串行数据线；安装底座B开有四个标准安装孔；脚踏连杆包括脚蹬板和传力杆，脚蹬板通过传力杆连接脚蹬力采集器，脚蹬板将受测者的脚蹬力传递至脚蹬力采集器；专用的脚蹬力采集器中心线区开有滑槽，以固定脚蹬连杆的运动方向，通过脚蹬连杆将受测者的脚蹬力传递至脚蹬力采集器，脚蹬力采集器对单腿的脚蹬力进行测量，对受力信号采样、分析、计算后，通过 R232串行数据线传递至综合测试与分析仪表的脚蹬力测试组件的数据接口 ；脚蹬力采集器与水平的夹角在45° -90°之间调节。
全文摘要
本发明公开了一种人体肢体施力测试仪，能够测试、显示与分析受测者处于立姿或坐姿时其上肢单手推/拉力、提举/下压力、内/外掰力、指捏力、指压力、旋拧力及坐姿状态下的脚蹬力，包括综合测试与分析仪表、内/外掰力测试组件和脚蹬力测试组件。其中，综合测试与分析仪表用于测试受测者推/拉力、指捏/指压力、提举/下压力、旋拧力，并能对各类测试力进行实时显示以及统计处理与分析；内/外掰力测试组件用于受测者单手内/外掰力，并将所获得的数据传向综合测试与分析仪表的数据接口。脚蹬力测试组件用于测试受测者呈规定姿势时的脚蹬力，并将所获得的数据传向综合测试与分析仪表的数据接口。
文档编号A61B5/22GK102319081SQ20111024716
公开日2012年1月18日 申请日期2011年8月24日 优先权日2011年8月24日
发明者丁松涛, 周前祥, 柳忠起, 郑晓慧 申请人:北京航空航天大学