上肢伸展姿势及运动轨迹预测

论文摘要

上肢伸展姿势及运动轨迹预测是工效学领域的前沿课题。目前已有的上肢伸展姿势及运动轨迹预测方法在预测准确性、自然性和实时性方面尚存在缺陷。本研究首先根据人体上肢和躯干的生理特点,对其进行了合理建模,并将站姿人体右侧上肢工作空间均匀划分为600个子区域,通过实时测量操作者执行上肢伸展运动的运动轨迹,引入曲线拟合和基于自组织映射理论的权重分布核函数相结合的方法,分别实现了站姿人体躯干非受限条件下,以典型定位运动(研究一)和快速定位运动(研究二)速度完成点对点指向任务、以典型定位运动速度完成按键任务(研究三)时,右手食指及达工作空间内任意目标位置的上肢伸展姿势及运动轨迹预测。整合上述结果,建立了基于任务的上肢伸展姿势及运动轨迹预测系统。该系统可直接应用于工效学领域计算机三维仿真人体的建立和发展,同时可直接应用于对航空航天座舱、核电站中央控制室、交通工具驾驶舱等的工效学设计与评价。本研究获得了如下主要结论:(1)执行上肢伸展运动时,上肢各关节对伸展运动所起的作用随时间而变化,且同一关节所含各自由度对伸展运动的贡献也存在差异。(2)上肢伸展姿势及运动轨迹主要由及达目标所处的空间位置决定,但同时受伸展运动速度和控制器类型的影响。(3)将曲线拟合和基于自组织映射理论的权重分布核函数相结合的方法,不仅适用于上肢伸展姿势及运动轨迹的预测,同时可为其他肢体部分运动轨迹的预测提供指导和借鉴作用。(4)本研究所建立的基于任务的上肢伸展姿势及运动轨迹预测系统可满足工效学领域上肢伸展姿势及运动轨迹预测的准确性、自然性和实时性需要。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 前言
• 1.1 上肢伸展姿势及运动轨迹预测方法
• 1.1.1 启发式算法
• 1.1.2 逆向运动学方法
• （1） 数值算法
• （2） 非线性优化方法
• （3） 伪逆方法
• （4） 几何算法
• （5） 遗传—梯度算法
• （6） 人工神经网络方法
• （7） 行为的逆向运动学方法
• 1.1.3 函数回归分析方法
• （1） 函数回归分析的原理
• （2） 反应曲线的光滑处理
• （3） 回归系数的估计及方程的预测
• （4） 残差分析
• （5） 函数回归分析方法在肢体运动轨迹预测中的应用
• 1.2 问题提出
• 1.2.1 上肢和躯干建模的不适宜简化
• 1.2.2 上肢伸展运动轨迹预测方法的缺陷
• 1.2.3 单一任务条件的预测
• 1.3 研究构思
• 1.4 研究意义
• 2 研究方法
• 2.1 人体上肢运动模拟测量系统的建立
• 2.1.1 三维空间定位指示系统
• 2.1.2 三维动作分析系统
• 2.1.3 系统的扩展及应用价值
• 2.2 上肢和躯干的合理建模
• 2.2.1 腕关节
• 2.2.2 肘关节
• 2.2.3 肩关节
• 2.2.4 躯干
• 2.2.5 简化假设
• 2.3 静态人体尺寸测量
• 2.4 上肢伸展过程上肢及躯干运动轨迹预测方法
• 2.4.1 工作空间的划分及测试点的选取
• 2.4.2 上肢和躯干角位移计算方法
• （1） 上肢和躯干部分空间三维坐标纵向数据的获得
• （2） 各自由度角位移的计算方法
• 2.4.3 上肢伸展运动轨迹预测方程的建立及检验
• （1） 上肢伸展运动轨迹预测方程的建立
• （2） 上肢伸展运动轨迹预测方程的检验
• 2.4.4 上肢伸展运动轨迹预测方法的合理性
• 2.5 上肢伸展姿势及运动轨迹预测任务的多样性
• 3 研究一 典型定位运动上肢伸展姿势及运动轨迹预测
• 3.1 研究方法
• 3.1.1 受试者
• 3.1.2 静态人体尺寸测量
• 3.1.3 上肢伸展运动测量程序
• 3.1.4 数据记录及处理
• 3.2 研究结果
• 3.3 预测方程的拟合检验
• 3.3.1 拟合检验方法
• 3.3.2 拟合检验结果
• 4 研究二 速度应激状态上肢伸展姿势及运动轨迹预测
• 4.1 研究方法
• 4.2 研究结果
• 5 研究三 按键任务上肢伸展姿势及运动轨迹预测
• 5.1 研究方法
• 5.2 研究结果
• 6 上肢伸展姿势及运动轨迹预测系统的建立
• 7 综合讨论
• 7.1 上肢和躯干在伸展运动中的作用
• 7.2 任务条件对上肢伸展姿势及运动轨迹的影响
• 7.3 人体测量变量对上肢伸展运动的影响
• 8 结论及进一步研究设想
• 参考文献
• 附录
• 附录1 研究指导语
• 附录2 测试顺序
• 后记