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

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【摘要】：隨著《中國(guó)制造2025》計(jì)劃的公布與實(shí)施,高檔數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人已成為其中的關(guān)鍵性領(lǐng)域技術(shù)之一。人形機(jī)器人是機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域重要的部分。要使人形機(jī)器人服務(wù)家庭、融入社會(huì)則其必須具有自然人的形態(tài)與特征。對(duì)于人體關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的模仿、肌肉群的并聯(lián)驅(qū)動(dòng)方式(協(xié)同和拮抗)、關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的自身內(nèi)在機(jī)構(gòu)學(xué)本質(zhì)屬性與特征的研究,是人形機(jī)器人的仿生研究與設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)支撐,具有科學(xué)意義與實(shí)際價(jià)值。利用Xsens MVN慣性運(yùn)動(dòng)捕捉設(shè)備,采集人體典型運(yùn)動(dòng)與姿態(tài)——步行的實(shí)驗(yàn)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(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù),研究人體運(yùn)動(dòng)學(xué)、靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)特征,并對(duì)肩關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)的工作空間進(jìn)行實(shí)測(cè)、分析與描述。主要內(nèi)容如下:構(gòu)建了人體主體骨架運(yùn)動(dòng)模型。基于人體解剖學(xué)原理結(jié)構(gòu),將人體分23個(gè)體段、具有18個(gè)關(guān)節(jié)、36個(gè)自由度;定義了部分解剖學(xué)專業(yè)術(shù)語(yǔ);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(yùn)動(dòng)捕捉設(shè)備,采集了40組人體日常步行動(dòng)作的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。在分析和歸納了個(gè)體行走時(shí)髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)角隨時(shí)間變化的規(guī)律與特性的基礎(chǔ)上,建立了行走時(shí)三關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)角隨時(shí)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(gè)參數(shù)為自變量,通過(guò)函數(shù)擬合給出了通用函數(shù)系數(shù)求解方程。針對(duì)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(yùn)動(dòng)屬性,將工作空間簡(jiǎn)化為球面上一部分,以關(guān)節(jié)輸出標(biāo)記點(diǎn)(極限)劃過(guò)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(shí)測(cè)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(dòng)力學(xué)模型,并對(duì)人體下肢靜力學(xué)及步行動(dòng)力學(xué)進(jìn)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的支撐下,分析了人體站立時(shí)下肢靜力學(xué)特征及人行走時(shí)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(jī)器人的球面并聯(lián)仿生踝關(guān)節(jié)為例,針對(duì)特定自然人的身高、體重以及步行周期,以人體運(yùn)動(dòng)軌跡函數(shù)作為輸出進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)反解,通過(guò)與Adams仿真軟件得到的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證了通用函數(shù)的一般性;以實(shí)測(cè)人體關(guān)節(jié)力和關(guān)節(jié)力矩為參考,通過(guò)關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)的計(jì)算,得到驅(qū)動(dòng)力、選擇合適的驅(qū)動(dòng)電機(jī),體現(xiàn)了實(shí)測(cè)與分析的結(jié)果的基礎(chǔ)性與實(shí)用性。
【關(guān)鍵詞】：人形并聯(lián)機(jī)器人 人體運(yùn)動(dòng)分析 運(yùn)動(dòng)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(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：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(yùn)動(dòng)特性分析現(xiàn)狀13-18
• 1.2.1 人體運(yùn)動(dòng)特性分析國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀13-15
• 1.2.2 人體運(yùn)動(dòng)特性分析國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀15-16
• 1.2.3 人體運(yùn)動(dòng)研究及適用領(lǐng)域16-17
• 1.2.4 人體運(yùn)動(dòng)研究存在問(wèn)題17-18
• 1.3 本文研究方法18-19
• 1.4 研究?jī)?nèi)容19-21
• 第2章 人體主體骨架運(yùn)動(dòng)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(yǔ)21-24
• 2.2.1 解剖學(xué)姿勢(shì)21-22
• 2.2.2 解剖學(xué)方位術(shù)語(yǔ)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)模型的構(gòu)建32-33
• 2.6.3 人體主體骨架運(yùn)動(dòng)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(shí)驗(yàn)設(shè)備——Xsens MVN慣性運(yùn)動(dòng)捕捉設(shè)備36-44
• 3.2.1 設(shè)備原理及簡(jiǎn)介36-37
• 3.2.2 數(shù)據(jù)采集37-38
• 3.2.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)姿態(tài)曲線擬合44-46
• 3.4 步行運(yùn)動(dòng)學(xué)研究46-67
• 3.4.1 測(cè)量對(duì)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(yùn)動(dòng)軌跡擬合51-55
• 3.4.6 運(yùn)動(dòng)學(xué)特征時(shí)相、特征時(shí)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(dòng)力學(xué)研究87-107
• 5.1 引言87
• 5.2 下肢動(dòng)力學(xué)分析87-96
• 5.3 人體正常站立時(shí)下肢靜力學(xué)96-98
• 5.4 人體行走時(shí)的關(guān)節(jié)動(dòng)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(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)的應(yīng)用和驗(yàn)證107-114
• 6.1 引言107
• 6.2 人體運(yùn)動(dòng)學(xué)求解機(jī)構(gòu)輸入107-111
• 6.2.1 球面并聯(lián)仿生踝關(guān)節(jié)簡(jiǎn)介107-108
• 6.2.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)反解分析108-109
• 6.2.3 數(shù)值計(jì)算和仿真驗(yàn)證109-111
• 6.3 電機(jī)的選取111-113
• 6.3.1 動(dòng)力學(xué)建模112
• 6.3.2 電機(jī)的選取112-113
• 6.4 本章小結(jié)113-114
• 結(jié)論114-116
• 參考文獻(xiàn)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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