上海理工大学生物力学与康复工程研究所，上海市 200093

陈仁建★，男，1982年生，福建省福鼎人，上海理工大学硕士在读，现从事康复工程及器械方向的研究。
crj1314-com@
163.com

上海市重点学科资助课题
（P0502）*

中图分类号: R318
文献标识码: B
文章编号: 1673-8225
(2008)04-00700-03

收稿日期：2007-08-31
修回日期：2007-10-19
(07-50-8-4750/N·A)

Design of a device for measuring the centroid of artificial limb

Ａｂｓｔｒａｃｔ

ＡＩＭ: To measure the centroid parameters of artificial limb, so as to assure its design quality.
ＭＥＴＨＯＤＳ: The counterforce was measured by weighing sensor based upon static weighing technique, and the data were sent to the data acquisition and processing system for calculating the quality and centroid coordinate of the artificial limb. A homogeneous cuboid was taken as the subject to measure its quality and centroid. At the same time, it can be used to check up the measurement error such as the processing error of the device and the sensor accuracy error and so on.
ＲＥＳＵＬＴＳ: The absolute error of centroid was ΔXc=–0.313 0 mm, ΔYc=–0.108 6 mm, ΔZc=–0.234 6 mm, and the relative error was Xc%=2.65%, Yc%=3.77%, Zc%=4.82%.
ＣＯＮＣＬＵＳＩＯＮ: ①The relative error is less than 5% allowed by the engineering error, so the result is confident by the measurement of the device. ②The designer could make sure that the quality and centroid of the artificial limb are approximate to the healthy one. ③It is very significant to promote the design of the artificial limb whose centroid is difficult to measure for the complicated shape. ④The device can meet the challenge by its high precision, and it is simple and exact to measure. Moreover, it becomes a experiment table which can be used to both measurement and research. *

Chen RJ, Shen LX, Yu HL, Li MY, Bu WW, Ding H.Design of a device for measuring the centroid of artificial limb. Zhongguo Zuzhi Gongcheng Yanjiu yu Linchuang Kangfu 2008;12(4):700-702(China)
[www.zglckf.com/zglckf/ejournal/upfiles/08-4/4k-700(ps).pdf]

摘要
目的：测量假肢的质心参数，为假肢设计提供数据保证。
方法：基于静态称重技术，利用称重传感器测量支反力，并将其测量数据传输到数据采集和处理系统，计算出假肢的质量与质心坐标。测量时，取一矩形均质长方体构件为对象测其质量和质心参数（由于质量易测，因此主要分析质心的测量），同时作为标准件来检验该装置的测量误差，其中该误差包括装置的加工误差，和传感器的测量精度误差等。
结果：实验测量得到的质心绝对误差为ΔXc=–0.313 0 mm,ΔYc=–0.108 6 mm,ΔZc=–0.234 6 mm；相对误差为：Xc%= 2.65%，Yc%=3.77%，Zc%=4.82%。
结论：①测试相对误差均小于工程误差允许的5%，用该装置测试的假肢质心位置是可信的。②为假肢设计者提供依据，使得假肢的质量和质心与健肢各部分大体一致。③对于像假肢这样形状复杂物体的质心测定，提升假肢设计水平具有重要意义。④该装置测量便捷、准确，精度满足使用要求，是一个兼具测试，研发双重功能的实验平台。
关键词：假肢；质心；传感器；测量 n

陈仁建，沈力行，喻洪流，郦鸣阳，卜薇薇，丁皓．假肢质心测定装置的研制[J].中国组织工程研究与临床康复，2008，12(4):700-702 [www.zglckf.com/zglckf/ejournal/upfiles/08-4/4k-700(ps).pdf]

0 引言

假肢的质心测量是评价假肢动力学性能与工作质量的重要基础。由于假肢质心在一定程度上影响假肢患者行走时逼近正常步态的程度，因此，掌握假肢的质心、质量等相关参数，可以了解假肢的运动规律，利于假肢改进设计。
现代假肢产品通过采用新材料、改善传动方式、提高智能化水平等手段，使假肢具有了更好的仿生功能。而为了使假肢与健肢更接近，进一步减少截肢患者对假肢与健肢在生理和心理感觉上的差异，除了使其具有轻质、高强度、高性能等特点外，还应使假肢各部分的质量与重心与健肢各部分一致，也就是使假肢达到静平衡。
形状规则均匀分布物体的质心位置可以通过计算获得，但是对于像假肢这样形状复杂无规则的物体，计算起来就相当麻烦[1]。作者研制的假肢质心测定装置能够快捷简易且准确的获取假肢的质量与质心位置，以揭示各型假肢平衡功能的特点。

1 假肢质心计算数学模型的建立

假肢质心测定装置的测量原理是基于静态称重技术[2]。通过支反力与重力之间力和力矩的平衡关系建立平衡方程计算，确定质量和质心位置。这里建立假肢质心测试的计算模型。
质量为m的假肢，将它夹装于一个可选装的夹具中，此夹具可在夹具座中绕x轴旋转（图1）。整个夹具座连同可旋转夹具置于一直径为D1的承重圆盘上。圆盘则搁置在RA，RB，RC 3个称
重传感器上[3]。RA，RB，RC固定在底座直径为D2的圆周上，并处于该圆周内接正三角形的3个顶点上[4]（图2）。

如果夹具与夹具座及圆盘的质量可以不计的话，则主动力（假肢质量p）与支座反力RA，RB，RC形成一个空间平行力系，其中RA，RB，RC的数值可由称重传感器直接读出。
在图3左中，p为假肢质量，它作用于假肢的重心（质心）处，设它在xyz坐标系中的坐标为（x，y，z）， RAH、RBH、RCH则为由称重传感器测得的支座反力。由力系平衡条件[5]可得：

????? （1）

（2）

由于P=mg,故由公式（2）可推出假肢质量计算公式 。

由 可得

? （3）

由可得 （4）

由公式（3）（4）可推出假肢在xoy平面内的质心位置（x,y）的计算公式如下：

（5）

由于质心在高度方向的位标z尚未获得,将夹具绕x轴旋转90°（图3右），于是动坐标系此时位置由y水平，z向上变为z沿水平方向，而y垂直向下，被测假肢也由脚尖向上转为水平（但脚尖方向始终与z轴正向一致）此时三个支反力数值变为RAV，RBV，RCV，由，

 

，由此得??

为质心的高度方向坐标。

要指出的是，在实际测量中，由于夹具等质量是不可忽略的。在具体测试过程中，采用两次称重，扣去皮重后，才能获得正确的数据。

2 假肢质心测量装置的结构与功能设计

假肢质心测试装置是测量假肢的质量和质心三维坐标的试验台。它主要由夹具（包括可旋转夹具与夹具座）、承重圆盘、称重传感器、底座和数据采集处理系统组成（见图4）。①夹具：包括可旋转夹具(a)与夹具座(b)。用于可旋转夹具在夹具座上可绕轴转动，定位销保证旋转角为90°。可旋转夹具装有两块夹板，假肢安装于两夹板之间，通过弹簧压紧，调节螺丝可调整弹簧压力的大小。②承重圆盘：承重圆盘部面用于固定夹具，下部放置3个称重传感器。③底座：用于固定称重传感器及上部结构，底下有4个用于调节水平的螺钉。④称重传感器：用于测定指定位置的支座反力。⑤数据采集和处理系统用于采集称重传感器的数据，经处理后在电脑上显示出被测假肢的质量与质心坐标，并用图像直观显示质心位置。所有测试数据可保存以便需要时调用。
假肢质心测定装置工作时可设置为“调试”和“测试”两种状态。在“调试”状态时，对每个传感器进行调试和校验。“测试”状态时，在测试向导软件的引导下，按测定步骤完成质量与质心的测定工作。

3 测量实验与测试精度分析

根据上述设计的装置结构、功能及计算模型，作者制作出了一台实际的假肢质量测量装置样机，并编制了相应的计算机程序。通过一台台式机采集检测装置的测量数据并进行自动分析计算，最后给出质心坐标结果。
为了检验装置的精确程度，本实验采用一个40 mm×40 mm×500 mm的标准矩形构件作为被测件进行模拟测试，以判断装置的测量准确性。考虑均质材料，其质心位置应处于几何中心位置处，通过测得的质心位置与理论位置进行比较分析，得到该装置的精度系数[6]。
3.1 实验测定矩形构件质心坐标 通过上述实验方法，进行3次实验，取平均数进行实验验证。见图5。将该构件放置于夹具上，开始测试，测得的质心C点坐标为：XC =–12.113 0 mm，YC =–2.988 6 mm，ZC =–5.104 6 mm。

3.2 理论计算矩形构件质心坐标 首先取该构件边缘特征点A，并测得相对于装置三维坐标系的坐标为：XA= –261.80 mm，YA=17.12 mm，ZA=–24.87 mm。
然后以该构件几何中心位置（即质心位置）为坐标原点建立三维坐标系，得出A点的坐标为：XA＇= –250 mm，YA＇=20 mm，ZA＇=–20 mm。
设(XC0, YC0, ZC0)为相对于装置三维坐标系的坐标

???

因此,可得质心相对于装置三维坐标系的理论坐标为：XC0= –11.80 mm，YC0= –2.88 mm，ZC0= –4.87 mm
3.3 误差分析 绝对误差为：

???

相对误差为：

4 参考文献

1 Mou NB.Zhuangbei Zhizao Jishu 2004;32(1)：37-39
牟宁斌.发动机质心位置测试的快捷方法[J].装备制造技术，2004,32(1):37-39
2 Zhao XT.Heilongjiang Keji Xinxi 2004;6(7):133
赵新通.质量质心测量平台运动学分析[J].黑龙江科技信息，2004，6(7):133
3 Ohta S,Nakamoto H, Shinagawa Y, et al. A health monitoring system for elderly people living alone. J Telemed Telecare 2002;8(3):151-156
4 Yu DY,Cong DC,Han JW.Binggong Xuebao 2006;27(5):916-919
于大泳，丛大成，韩俊伟.特种重型车辆质心测试平台的运动学标定[J].兵工学报，2006，27(5):916-919
5 Lou ZM.Daxue Wuli 2006;25(1):28-29
楼智美.质心系中的基本形式的拉格朗日方程及其应用[J].大学物理，2006，25(1)：28-29
6 Yu DY,Cong DC,Han JW.Jichuang Yu Yeya 2006;34(3):105-1073
于大泳，丛大成，韩俊伟.质心测试平台的运动学及其误差模型研究[J].机床与液压，2006，34(3)：105-1073