基于计算机仿真技术的人体上肢日常运动规律的研究

论文摘要

研究人体上肢日常运动规律对于手臂外骨骼的设计和控制具有重要的指导意义,可应用于临床诊断、康复训练、体育运动损伤评估、人机工程学等领域。本文以喝水动作为对象,运用计算机仿真技术研究不同条件下单关节和整个上肢的驱动力矩和功耗,以及全过程的总耗能。主要工作包括：1.从解剖学角度对人体上肢的生理结构及其运动形式进行分析,归纳了上肢各关节的运动转角范围及其生物力学参数的计算公式。在此基础上基于刚体假设理论设计了四自由度的二刚体（前臂和上臂）上肢模型。2.运用机器人运动学和动力学理论,首先根据D-H方法和齐次变换原理建立了上肢模型的运动学方程,并对其正逆求解问题进行了简要阐述；然后基于运动的能量项采用拉格朗日方程法建立了上肢模型的动力学方程。3.在ADAMS仿真平台上,采用上述模型和方程,对喝水动作进行仿真和数据测量实验,研究上肢日常运动规律：（1）通过观察实测为模型提供时间和转角的输入参数。本文选择一名健康成年男子,对其喝水动作进行了3种运动速度（正常、快速、慢速）和4种运动轨迹（正常1种、非正常2种,避障1种）的实验（每个实验重复10次）,通过计时、多角度拍照及角度测量获取每次实验的动作完成时间和手臂末端到达各目标位置时的关节转角数据,为仿真实验提供基础源数据。（2）通过设定不同运动速度、运动轨迹、环节质量、质心位置和有无避障进行不同条件的ADAMS仿真实验,测量单关节和整个上肢的驱动力矩和功耗,以及全过程的总耗能。（3）通过与正常喝水动作测量数据的比较和分析,总结出人体上肢日常运动规律：驱动力矩和功耗瞬间峰值与运动速度成正比；障碍物的存在会增加驱动力矩和功耗；正常动作遵循单关节最小功耗原则；关节转角存在性能最佳的活动范围；上肢质量越大,驱动力矩、功耗和总耗能随之增大；相对健康状态,环节质心位置偏低会增加驱动力矩、功耗和总耗能。实验结果不仅验证了本文方法的可行性和正确性,而且揭示出了人体上肢的运动规律,同时还可以为手臂外骨骼的设计和控制提供量化的参数依据,有助于其设计优化。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 本文主要工作
• 1.4 论文组织结构
• 第二章 上肢生理结构及生物力学参数研究
• 2.1 引言
• 2.2 解剖学基本术语
• 2.2.1 标准解剖学姿势
• 2.2.2 方位术语
• 2.2.3 轴和面
• 2.2.4 关节的运动
• 2.3 上肢的生理结构
• 2.3.1 上肢骨
• 2.3.2 上肢的骨连结
• 2.3.3 上肢肌
• 2.4 人体生物力学参数研究
• 2.5 本章小结
• 第三章 上肢模型的建立
• 3.1 引言
• 3.2 上肢模型的结构及自由度确定
• 3.2.1 刚体假设理论
• 3.2.2 四自由度模型的设计及其合理性
• 3.3 上肢模型坐标系的建立
• 3.3.1 上肢的坐标系
• 3.3.2 位姿描述及齐次变换矩阵
• 3.3.3 D-H表示法及模型坐标系的建立
• 3.4 运动学分析
• 3.4.1 运动学方程的建立
• 3.4.2 运动学方程的正解和逆解
• 3.4.3 雅可比矩阵
• 3.5 动力学分析
• 3.5.1 拉格朗日方程
• 3.5.2 上肢模型动力学方程的建立
• 3.6 本章小结
• 第四章 日常动作测量实验及关节轨迹规划
• 4.1 引言
• 4.2 日常生活动作
• 4.3 实验过程
• 4.3.1 实验动作的选择
• 4.3.2 实验条件的设置
• 4.3.3 动作的测量
• 4.3.4 数据处理及结果
• 4.4 关节轨迹规划
• 4.4.1 以三次多项式规划
• 4.4.2 以Heaviside函数规划
• 4.5 本章小结
• 第五章 仿真分析
• 5.1 引言
• 5.2 ADAMS仿真平台简介
• 5.3 上肢仿真模型的建立
• 5.3.1 刚体模型的建立及参数设定
• 5.3.2 添加约束和驱动
• 5.4 关节运动控制函数
• 5.5 运动仿真
• 5.5.1 正常运动
• 5.5.2 速度对运动的影响
• 5.5.3 障碍物对运动的影响
• 5.5.4 不同轨迹对运动的影响
• 5.5.5 环节质量对运动的影响
• 5.5.6 环节质心对运动的影响
• 5.6 运动规律总结
• 5.7 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 本文主要研究工作
• 6.2 本文创新点
• 6.3 工作展望
• 参考文献
• 攻读学位期间的研究成果
• 致谢