本文關(guān)鍵詞：基于Xsens MVN慣性運動捕捉系統(tǒng)裝備的人體運動特性研究

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【摘要】：隨著《中國制造2025》計劃的公布與實施,高檔數(shù)控機床和機器人已成為其中的關(guān)鍵性領(lǐng)域技術(shù)之一。人形機器人是機器人技術(shù)領(lǐng)域重要的部分。要使人形機器人服務(wù)家庭、融入社會則其必須具有自然人的形態(tài)與特征。對于人體關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的模仿、肌肉群的并聯(lián)驅(qū)動方式(協(xié)同和拮抗)、關(guān)節(jié)運動規(guī)律的自身內(nèi)在機構(gòu)學(xué)本質(zhì)屬性與特征的研究,是人形機器人的仿生研究與設(shè)計的理論基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)支撐,具有科學(xué)意義與實際價值。利用Xsens MVN慣性運動捕捉設(shè)備,采集人體典型運動與姿態(tài)——步行的實驗數(shù)據(jù),基于人體的關(guān)節(jié)和骨架段的線位移、角位移、線速度、角速度、線加速度、角加速度運動學(xué)參數(shù),研究人體運動學(xué)、靜力學(xué)、動力學(xué)特征,并對肩關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)的工作空間進行實測、分析與描述。主要內(nèi)容如下:構(gòu)建了人體主體骨架運動模型。基于人體解剖學(xué)原理結(jié)構(gòu),將人體分23個體段、具有18個關(guān)節(jié)、36個自由度;定義了部分解剖學(xué)專業(yè)術(shù)語;并規(guī)劃建立了統(tǒng)一的人體主體骨架模型坐標(biāo)體系。利用Xsens MVN慣性運動捕捉設(shè)備,采集了40組人體日常步行動作的實驗數(shù)據(jù)。在分析和歸納了個體行走時髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)角隨時間變化的規(guī)律與特性的基礎(chǔ)上,建立了行走時三關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)角隨時間變化的通用函數(shù);在分析了40組步行數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,以身高、體重、步行周期三個參數(shù)為自變量,通過函數(shù)擬合給出了通用函數(shù)系數(shù)求解方程。針對人體三大主要關(guān)節(jié)即肩關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)的球面運動屬性,將工作空間簡化為球面上一部分,以關(guān)節(jié)輸出標(biāo)記點(極限)劃過的軌跡所包絡(luò)的球面部分為關(guān)節(jié)靈活工作空間,采集了關(guān)節(jié)靈活工作空間實測數(shù)據(jù),并從球坐標(biāo)和歐拉角兩種描述形式分析了關(guān)節(jié)靈活工作空間特征。建立了人體三支鏈的動力學(xué)模型,并對人體下肢靜力學(xué)及步行動力學(xué)進行分析求解。根據(jù)拉格朗日原理,獲得考慮慣性力和慣性力矩的空間力系平衡方程并完成求解;在空間力系平衡方程與實驗數(shù)據(jù)的支撐下,分析了人體站立時下肢靜力學(xué)特征及人行走時髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)力和關(guān)節(jié)力矩的變化圖像和其上下限、變化范圍。以人形機器人的球面并聯(lián)仿生踝關(guān)節(jié)為例,針對特定自然人的身高、體重以及步行周期,以人體運動軌跡函數(shù)作為輸出進行運動學(xué)反解,通過與Adams仿真軟件得到的結(jié)果進行對比,驗證了通用函數(shù)的一般性;以實測人體關(guān)節(jié)力和關(guān)節(jié)力矩為參考,通過關(guān)節(jié)機構(gòu)的動力學(xué)的計算,得到驅(qū)動力、選擇合適的驅(qū)動電機,體現(xiàn)了實測與分析的結(jié)果的基礎(chǔ)性與實用性。
【關(guān)鍵詞】：人形并聯(lián)機器人 人體運動分析 運動捕捉 步態(tài)分析 關(guān)節(jié)靈活工作空間 關(guān)節(jié)力 關(guān)節(jié)力矩
【學(xué)位授予單位】：燕山大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TP242
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第1章 緒論12-21
• 1.1 研究背景及意義12-13
• 1.2 人體運動特性分析現(xiàn)狀13-18
• 1.2.1 人體運動特性分析國外發(fā)展現(xiàn)狀13-15
• 1.2.2 人體運動特性分析國內(nèi)研究現(xiàn)狀15-16
• 1.2.3 人體運動研究及適用領(lǐng)域16-17
• 1.2.4 人體運動研究存在問題17-18
• 1.3 本文研究方法18-19
• 1.4 研究內(nèi)容19-21
• 第2章 人體主體骨架運動模型的構(gòu)建21-36
• 2.1 引言21
• 2.2 人體解剖學(xué)專業(yè)術(shù)語21-24
• 2.2.1 解剖學(xué)姿勢21-22
• 2.2.2 解剖學(xué)方位術(shù)語22
• 2.2.3 解剖學(xué)的軸和面22-23
• 2.2.4 人體骨架模型坐標(biāo)系的建立23-24
• 2.3 人體骨學(xué)24-27
• 2.3.1 骨骼的分類24-27
• 2.4 骨連接27-30
• 2.4.1 直接連接27
• 2.4.2 間接連結(jié)27-30
• 2.5 人體肌學(xué)30-31
• 2.5.1 肌的形態(tài)和構(gòu)造30
• 2.5.2 肌的起止、配布和作用30-31
• 2.5.3 肌的輔助裝置31
• 2.6 人體主體骨架運動模型31-35
• 2.6.1 人體環(huán)節(jié)劃分31-32
• 2.6.2 人體主體骨架運動模型的構(gòu)建32-33
• 2.6.3 人體主體骨架運動模型坐標(biāo)系建立33-35
• 2.7 本章小結(jié)35-36
• 第3章 人體步態(tài)分析及步行通用函數(shù)36-68
• 3.1 引言36
• 3.2 實驗設(shè)備——Xsens MVN慣性運動捕捉設(shè)備36-44
• 3.2.1 設(shè)備原理及簡介36-37
• 3.2.2 數(shù)據(jù)采集37-38
• 3.2.3 數(shù)據(jù)存儲38-40
• 3.2.4 數(shù)據(jù)處理40-42
• 3.2.5 歐拉角42-44
• 3.3 人體運動姿態(tài)研究思路44-46
• 3.3.1 關(guān)節(jié)數(shù)據(jù)的保存和提取44
• 3.3.2 人體運動姿態(tài)曲線擬合44-46
• 3.4 步行運動學(xué)研究46-67
• 3.4.1 測量對象46
• 3.4.2 步態(tài)分析參數(shù)及定義46-48
• 3.4.3 行走規(guī)律的探索48-50
• 3.4.4 關(guān)節(jié)角度變化50-51
• 3.4.5 運動軌跡擬合51-55
• 3.4.6 運動學(xué)特征時相、特征時刻、特征極值與h,m,T的關(guān)系55-67
• 3.5 本章小結(jié)67-68
• 第4章 關(guān)節(jié)組靈活工作空間68-87
• 4.1 引言68-69
• 4.2 關(guān)節(jié)組靈活工作空間球坐標(biāo)表示69-82
• 4.2.1 肩關(guān)節(jié)靈活工作空間70-77
• 4.2.2 髖關(guān)節(jié)靈活工作空間77-80
• 4.2.3 踝關(guān)節(jié)靈活工作空間80-82
• 4.3 關(guān)節(jié)組靈活工作空間歐拉角表示82-86
• 4.3.1 肩關(guān)節(jié)靈活工作空間83-84
• 4.3.2 髖關(guān)節(jié)靈活工作空間84-85
• 4.3.3 踝關(guān)節(jié)靈活工作空間85-86
• 4.4 本章小結(jié)86-87
• 第5章 下肢靜力學(xué)及步行動力學(xué)研究87-107
• 5.1 引言87
• 5.2 下肢動力學(xué)分析87-96
• 5.3 人體正常站立時下肢靜力學(xué)96-98
• 5.4 人體行走時的關(guān)節(jié)動力學(xué)98-106
• 5.4.1 行走足底力分析98-100
• 5.4.2 關(guān)節(jié)力與關(guān)節(jié)力矩變化圖像100-105
• 5.4.3 步行關(guān)節(jié)力與關(guān)節(jié)力矩范圍表105-106
• 5.5 本章小結(jié)106-107
• 第6章 人體運動學(xué)、動力學(xué)的應(yīng)用和驗證107-114
• 6.1 引言107
• 6.2 人體運動學(xué)求解機構(gòu)輸入107-111
• 6.2.1 球面并聯(lián)仿生踝關(guān)節(jié)簡介107-108
• 6.2.2 運動學(xué)反解分析108-109
• 6.2.3 數(shù)值計算和仿真驗證109-111
• 6.3 電機的選取111-113
• 6.3.1 動力學(xué)建模112
• 6.3.2 電機的選取112-113
• 6.4 本章小結(jié)113-114
• 結(jié)論114-116
• 參考文獻116-121
• 攻讀碩士學(xué)位期間承擔(dān)的科研任務(wù)與主要成果121-122
• 致謝122

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