一种测量柔性材料在人体作用下表面凹陷值的方法技术

本发明专利技术公开一种测量柔性材料在人体作用下表面凹陷值的方法，步骤包括：将应变片沿x方向和y方向分别贴在PVC软垫的上、下表面，并采用电烙铁焊接应变片和细电线，从而形成应变片阵列；将应变片阵列与静态应变仪通过细导线进行1/4桥连接；将PVC软垫铺在待测试的柔软材料上；人作用于柔性材料上，应变片阵列进行测试，静态应变仪记录每个应变片的应变并保存；对应变进行基于有限差分法和超定线性方程组求解，得到柔软材料表面的凹陷值。本发明专利技术准确地测量在人体作用下柔性材料表面凹陷值，不仅适用于在人体作用下床垫、沙发、鞋靴底模凹陷值的测量，而且为座位、鞋靴的弧度设计、床垫的分软硬区设计提供了依据，满足个人舒适度需求。

Method for measuring surface depression value of flexible material under action of human body

The invention discloses a method for measuring flexible material in the body under the action of the surface depression value method comprises the following steps: the strain along X and Y directions were posted on the PVC pad of the upper and lower surfaces, and the electric soldering iron strain sheet and thin wire, thereby forming a strain gauge array; strain gauge array and static strain gauge connected by a thin wire of 1/4 bridge; PVC cushion laid on the soft material to be tested; people acting on the flexible materials, testing the strain gauge array, strain static strain gauge records for each strain gauge and save; the strain based on finite difference method and overdetermined linear equations, obtained the value of soft material surface depression. The present invention accurately measured in the human body under the action of flexible material surface depression value, not only applicable to the mattress, sofa, in the body under the action of the shoe bottom die sag measurements, but also for the seat, footwear design, the soft mattress radian design provides the basis to meet the individual demand of comfort.

【技术实现步骤摘要】
一种测量柔性材料在人体作用下表面凹陷值的方法
本专利技术涉及一种位移测量方法，属于测量
，尤其涉及柔性材料(如：床垫、座椅坐垫或靠背、鞋靴等)在人体作用下的表面凹陷值的测量

技术介绍
柔性材料(如：床垫、座椅坐垫或靠背、鞋靴等)跟人们的衣食住行密切相关。在购买汽车时，座椅舒适度也越来越被看重；购买柔性材料、座椅、沙发等软垫家具，其舒适度更是购买者是否会购买的首要因素；在购买鞋靴时，鞋靴能否很好地贴合脚板，给人体更合理的支撑。制造商和设计者必须不断创新、提高舒适度才能在市场的激烈竞争中占有一席之地。为给人体更合理的支撑，床垫需要进行分区设计，不同的人体部位对应不同的刚度、弹性，测量人体睡在床垫上的表面凹陷值，这对床垫刚度和弹性的选取有重要的意义；测量人坐在座椅、沙发上的表面凹陷值，对座椅、沙发的设计有着非凡的意义，这样可以根据人体坐在某种材料上的表面凹陷曲面，对软垫家具的坐垫和靠背进行分区设计，如对背部、臀部和腿部等不同的作用区域实行不同的弹性和刚度设计。另外，对硬质的椅子、凳子(如：塑料、木材、金属、石材等)进行合理的弧度设计，使其更能满足个人的舒适度需求。鞋靴需要更好地贴合脚板，鞋底和鞋垫需要有合理的弧面设计，这个弧面可通过人体作用的鞋底和鞋垫材料的凹陷值来确定。使用床垫、座椅、沙发、鞋靴的舒适度因人而异，鉴于3D打印技术的不断发展与成熟，床垫、座椅、沙发、鞋靴在不远的将来可以通过3D打印而被快速制作出来，这些商品的私人订制会成为未来发展的趋势。测量挠度技术主要有两类：一类是利用千分表、位移计直接测量，另一类是借助光学原理摄影技术，再通过图像处理得到挠度。测量坚硬物体(如钢结构、混凝土结构)的位移可以通过千分表、位移计测得，而柔软物体的位移测量会稍有困难。因为制作床垫、座椅、沙发、鞋靴的材料多为柔性材料，不但刚度较小，而且是要在人体的遮盖下，测量在人体作用下床垫、座椅、沙发、鞋靴的凹陷值更为困难。若在柔性材料内部嵌入位移传感器装置，势必会破坏柔性材料的整体结构，进而影响结构的弹性和刚度。如今，测量床垫、座椅、沙发、鞋靴等柔性材料在人体坐着的表面凹陷值的设备和方法非常少。Custom8公司开发的一款测量柔性材料(如柔性材料、小车座位等)位移的感应垫Idoshape感应垫，Idoshape感应垫是运用柔性印刷电路板进行测量，并提供人体不同形式的睡眠系统和座位系统的信息，该项专利技术获得了2013年家具配料展览会奖：智能材料与设计。
技术实现思路
为了克服现有技术存在的缺点与不足，本专利技术提供一种测量柔性材料在人体作用下表面凹陷值的方法，实现了在人体作用下柔性材料表面凹陷值的准确测量。为解决上述技术问题，本专利技术提供如下技术方案：一种测量柔性材料在人体作用下表面凹陷值的方法，包括以下步骤：S1、将应变片沿x方向和y方向分别贴在PVC软垫的上、下表面，并采用电烙铁焊接应变片和细电线，从而形成应变片阵列；S2、将应变片阵列与静态应变仪通过细导线进行1/4桥连接；S3、将PVC软垫铺在待测试的柔软材料上，且将所有静态应变仪调零；人作用于柔性材料上，应变片阵列进行测试，静态应变仪记录每个应变片的应变并保存；S4、对应变片的应变进行基于有限差分法和超定线性方程组求解，得到柔软材料表面的凹陷值。进一步地，所述步骤S1具体为：将应变片沿x、y方向分别贴在柔性材料同一个位置的上、下表面，应变片沿x、y方向均为等间距，并对应变片进行编号。进一步地，所述步骤S4，具体步骤为：1)首先计算柔性材料表面的挠度曲面在xoz平面相平行的平面内的曲率其中，εx是应变，αx是沿x方向的截面转角，rx是沿x方向的曲率半径，柔性材料的厚度为t；根据应变εx，计算x方向曲率为：同理可得，柔性材料表面的挠度曲面在yoz平面相平行的平面内的曲率为2)由板壳力学可知，在矩形板的情况下，得到挠度曲面在xoz平面以及与yoz平面相平行的平面内的曲率计算公式，它们分别为：其中，w为凹陷值；3)根据Taylor定理，如果凹陷值w是四次连续可微，那么：这里x-Δx＜c2＜x＜c1＜x+Δx，把它们相加消去一阶导数项得到：4)根据一般中值定理：设凹陷值w是区间[a,b]上的连续函数，x1,…xn是[a,b]中的点，而且a1,…an＞0，那么在a，b之间存在数c使得：(a1+…+an)w(c)＝a1w(x1)+…+anw(xn)(9)将式(6)和式(7)中的误差项结合起来，并且两边都除以Δx2得到二阶导数的三点中心差分公式：其中，cx∈[x-Δx,x+Δx]；同理可得，y方向的三点中心差分公式为：其中，cy∈[y-Δy,y+Δy]；5)联立式(2)-(5)和式(10)-(11)，并忽略高阶误差项，凹陷值w与应变εx的关系为：6)由于方程组(12)中方程的个数多于变量的个数，使用超定线性方程组方法求得方程组(12)的广义解，得到柔性材料表面的凹陷值w。进一步地，所述超定线性方程组方法，具体为：设有超静定线性方程组其矩阵形式仍记为Ax＝b,其中A为m×n阶矩阵，x∈Rn,b∈Rm(m＞n)；考虑方程组(13)在下述意义下求解：求x，使得由它产生的每个方程的偏差的平方和最小，即求以下公式的解：公式(14)成为线性最小二乘问题，其解成为方程组(13)的最小二乘解；由多元微分学，公式(2)的解必定是多元函数F(x)的驻点，因为：因此，求解公式(14)可转化为求解方程组：即为简便起见，记ak＝(a1k,a2k,···,amk)T，则于是方程组(17)可简记为用方程组(13)的系数矩阵表示，则为ATAx＝ATb(20)这是一个n阶线性方程组，成为超定方程组(13)的正则方程组或正规方程组；如果A为列满秩，记rank(A)＝n，则ATA是一个对称正定矩阵，因而正则方程组(20)存在唯一解，其解即为超定线性方程组(13)的最小二乘解；比较式(12)和式(20)，式(12)中每个测点所组成w、εx(εy)分别为式(20)中的x、b，而A的值有式(12)中的系数决定。采用上述技术方案后，本专利技术至少具有如下有益效果：(1)本专利技术结合矩形板小挠度理论与有限差分法理论，提出一种测量在人体作用下柔性材料表面凹陷值的方法；该方法实现了在人体作用下柔性材料表面凹陷值的测量；本专利技术在以下三个领域将会得到使用：1)床垫需要进行分区设计，不同的人体部位对应不同的刚度、弹性，测量人体睡在床垫上的表面凹陷值，这对床垫刚度和弹性的选取有重要的意义；2)测量人坐在座椅、沙发上的表面凹陷值，对座椅、沙发的设计有着非凡的意义，这样可以根据人体坐在某种材料上的表面凹陷曲面，对软垫家具的坐垫和靠背进行分区设计，如对背部、臀部和腿部等不同的作用区域实行不同的弹性和刚度设计；另外，对硬质的椅子、凳子(如：塑料、木材、金属、石材等)进行合理的弧度设计，使其更能满足个人的舒适度需求；3)鞋靴需要更好地贴合脚板，鞋底和鞋垫需要有合理的弧面设计，这个弧面可通过人体作用的鞋底和鞋垫材料的凹陷值来确定；(2)本专利技术具有较强的创新性以及重要的工业价值和应用前景；可以预期的是，人们的生活水平不断提高，对软垫家具、鞋靴的舒适性需求也日益提高，然而，使用柔性材料的舒适度因人而异，鉴于3D打印技术的不断发展与成熟，床垫、座椅、沙本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种测量柔性材料在人体作用下表面凹陷值的方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、将应变片沿x方向和y方向分别贴在PVC软垫的上、下表面，并采用电烙铁焊接应变片和细电线，从而形成应变片阵列；S2、将应变片阵列与静态应变仪通过细导线进行1/4桥连接；S3、将PVC软垫铺在待测试的柔软材料上，且将所有静态应变仪调零；人作用于柔性材料上，应变片阵列进行测试，静态应变仪记录每个应变片的应变并保存；S4、对应变片的应变进行基于有限差分法和超定线性方程组求解，得到柔软材料表面的凹陷值。

【技术特征摘要】
1.一种测量柔性材料在人体作用下表面凹陷值的方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、将应变片沿x方向和y方向分别贴在PVC软垫的上、下表面，并采用电烙铁焊接应变片和细电线，从而形成应变片阵列；S2、将应变片阵列与静态应变仪通过细导线进行1/4桥连接；S3、将PVC软垫铺在待测试的柔软材料上，且将所有静态应变仪调零；人作用于柔性材料上，应变片阵列进行测试，静态应变仪记录每个应变片的应变并保存；S4、对应变片的应变进行基于有限差分法和超定线性方程组求解，得到柔软材料表面的凹陷值。2.如权利要求1所述的一种测量柔性材料在人体作用下表面凹陷值的方法，其特征在于，所述步骤S1具体为：将应变片沿x、y方向分别贴在位移柔性材料同一个位置的上、下表面，应变片沿x、y方向均为等间距，并对应变片进行编号。3.如权利要求1所述的一种测量柔性材料在人体作用下表面凹陷值的方法，其特征在于，所述步骤S4，具体步骤为：1)首先计算柔性材料表面的挠度曲面在xoz平面相平行的平面内的曲率其中，εx是应变，αx是沿x方向的截面转角，rx是沿x方向的曲率半径，柔性材料的厚度为t；根据应变εx，计算x方向曲率为：同理可得，柔性材料表面的挠度曲面在yoz平面相平行的平面内的曲率为2)由板壳力学可知，在矩形板的情况下，得到挠度曲面在xoz平面以及与yoz平面相平行的平面内的曲率计算公式，它们分别为：其中，w为凹陷值；3)根据Taylor定理，如果凹陷值w是四次连续可微，那么：这里x-Δx＜c2＜x＜c1＜x+Δx，把它们相加消去一阶导数项得到：4)根据一般中值定理：设凹陷值w是区间[a,b]上的连续函数，x1,…xn是[a,b]中的点，而且a1,…an＞0，那么在a，b之间存在数c使得：(a1+…+an)w(c)＝a1w(x1)+…+anw(xn)(9)将式(6)和式(7)中的误差项结合起来，并且两边都除以Δx2得到二阶导数的三点中心差分公式：其中，cx∈[x-Δx,x+Δx]；同理可得，y方向的三点中心差分公式为：<...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁鸿，吴嘉瑜，张苗，李善倾，
申请(专利权)人：暨南大学，
类型：发明
国别省市：广东,44