三维摄像测量系统在人体上肢运动分析中的应用

使用基于普通摄像机的三维摄像测量系统，对人体上肢运动数据进行了测量。根据人体上肢运动的特点，将其简化为具有7个自由度的刚体运动；通过分析布置在上肢上若干标记点的运动，建立了固连于上肢的关节坐标，提出了关节转角的计算方法，得到了日常活动中人体上肢关节运动数据。     

基于MATLAB的下肢假肢摆动相仿真

介绍了一种基于MATLAB软件的下肢假肢膝关节摆动相仿真方法.下肢假肢膝关节采用固定式气缸体的四连杆机械机构.详细描述了建立下肢假肢膝关节摆动相运动学、动力学模型的过程.为了验证模型有效性,将人体运动捕捉实验获得的髋关节摆动相运动数据输入模型来预测小腿角度.实验结果表明,该仿真结果与采集到的小腿角度非常接近,为控制算法...     

下肢康复机器人模糊主从控制方法

针对偏瘫患者的康复训练问题,本文研究了一种通过患者自身健康上肢来控制对侧受损下肢的康复训练方法。利用FAB系统测量了正常行走状态下人体上肢的肩、肘关节转角和下肢的髋、膝关节转角,对测量数据进行处理后获得人体上、下肢的步态运动轨迹。将步态测量获得的平均曲线作为基准曲线,对其进行包络分析获得参考曲线。在此基础上定义输入、输出变量的模糊集合和模糊逻辑,采用模糊化方法建立上肢运动与下肢运动之间的主从映射关系。选取上肢肩、肘关节转角的部分测量数据作为输入变量,基于Matlab进行仿真验证,通过解模糊化运算获得下肢髋、膝关节转角的输出值。将仿真验证获得的下肢髋、膝关节转角的输出值与下肢运动关节转角的原始测量值进行比对,输出信号能很好地反映下肢的运动趋势,初步验证了本文所建立的上、下肢运动之间模糊主从控制方法的可行性。     

以人体运动为参照的仿人机器人设计参考准则

为解决仿人机器人设计以经验设计或运动仿真验证为主,尚不存在以人类自身为参照,考虑走跑跳等多种运动行为要求下的初始设计方法问题,对人体多种运动行为进行运动捕捉与足底力测量,选择人体运动过程中关节力矩和关节功率作指标表征仿人机器人应达到的极限驱动能力。利用PhaseSpace三维运动捕捉系统和自行研制的至少5倍于体重的大量程集成化测力鞋系统对6名成年男性进行了走跑跳等运动行为的运动捕捉与足底力的测量实验,根据得到的149组实验数据,分析总结人体走、跑、跳等运动行为特征;采用牛顿-欧拉法对人体下肢机构进行逆动力学计算,用多元非线性拟合法拟合计算结果得到了各关节最大驱动力矩及功率方程式。综合归纳给出了不同运动方式下仿人机器人设计参考准则,为走跑跳等多运动方式仿人机器人的设计提供了参考。     

人体步态规律测量分析与研究

为系统研究人体下肢的运动规律,采用基于人体运动图像的检测系统以及人体关节角度测量装置,对人体在跑步机上行走时关节运动轨迹和关节角度进行了测量,该系统通过Visual C 6.0和Matlab/Simulink混合编程,来实现对运动图像以及标志点的采集工作.结合数据融合方法对测量结果进行了处理和分析,得到人体步态规律.测量结果为了解人体运动规律,分析异常步态以及康复治疗提供了依据.     

双下肢建模与运动控制研究

人体下肢行走为周期性规律运动,研究行走的步态特征对双足行走机器人步态规划以及动力型假肢运动控制都有很大的借鉴意义.利用VICON人体三维运动捕捉系统采集平地行走髋关节与膝关节的运动信息并进行分析.将人体简化为刚体模型,借助CAD软件Solidworks进行人体建模,利用COSMOS Motion插件进行下肢运动学分析.搭建双下肢运动平台,直流伺服电机作为驱动髋关节与膝关节运动的动力装置,通过对人体膝关节和髋关节角度信号的控制,最终达到模拟人腿的步态行走.     

用于检测下肢关节运动信息的外骨骼机构设计及运动学分析

对人体下肢关节的运动属性、直立行走的步态特征及人-机之间关节运动属性差异对人-机相容性的影响进行了分析,根据下肢康复训练的功能需求并通过在人-机联接环节增置连接关节,提出一种用于检测人体下肢髋、膝关节运动信息的外骨骼机构.建立了外骨骼机构关节运动与人体下肢关节运动之间的映射关系,并对人-机组成的封闭运动链进行了运动仿真分析.分析表明:外骨骼机构的关节运动与人体下肢髋、膝关节运动之间具有确定的量化联系,通过安置于外骨骼机构关节处的传感器能检测人体直立行走时的下肢关节运动信息.     

动力型假肢膝关节设计与仿真研究

目前应用的被动式假肢膝关节由于其局限性并不能满足截肢者日常活动的需求,设计了一种能够为穿戴者提供助力的动力型假肢膝关节.利用Vicon人体三维运动捕捉系统,采集人体下肢运动信息,对人体膝关节的运动进行分析,结合动力型假肢膝关节实现的功能和工作原理设计其结构.利用CAD软件Solidworks对动力型假肢膝关节进行建模,...     

基于微型传感器的虚拟人运动控制

利用传感器数据和相邻肢体段相互关联的特点,根据人体运动特征建立了层次化结构的虚拟人运动模型,通过微型传感器采集的数据驱动虚拟人每个关节旋转,计算出关节的旋转角度,给出基于下肢运动的人体位移的计算方法。最后采用微型传感器数据和前向动力学相结合的方法对虚拟人运动进行控制,实现人体运动的重现。     

单曲膝行走步态对下肢力学、肌肉力和肌肉激活度的影响

单曲膝行走步态是人体某一条腿受伤后的主要行走步态,针对目前关于单曲膝行走步态下的下肢运动生物力学特性研究较少的问题,本文对单曲膝行走步态对下肢的运动学、动力学、肌肉力和肌肉激活度的影响进行了研究。利用FAB无线运动动作捕捉系统及力学评估系统采集下肢运动的相关数据,将在正常行走步态和单曲膝行走步态下采集到的数据作为驱动数据输入3-D人体模型,并结合建立的下肢运动学、动力学和肌肉力模型进行分析单曲膝行走步态和正常行走步态下的生物力学特点的差异。研究结果表明:与正常行走步态相比,在单曲膝行走步态下,下肢关节角的运动范围减小;在步态周期的早期,除髋关节屈伸外,各关节的驱动力矩均显着增加;在步态周期的后期,膝关节和踝关节的驱动力矩显着降低,且半膜肌、半腱肌、股二头肌、长内收肌、臀大肌、髂肌、腰肌、股四头肌、股直肌和胫骨前肌的肌肉力和激活度增加明显,但比目鱼肌和胫骨后肌的肌肉力和肌肉激活度减小。研究结果增添了在单曲膝行走步态下下肢的生物特征数据,并为康复医疗技术和下肢康复设备的开发提供了数据。     

一种基于标记点的人体上肢运动检测方法

采用基于普通摄像机的多维摄像分析系统对人体运动参数进行测量，需要研究位于人体上相应部位的标记点与选定的参考坐标系之间的关系，进而得到标记点在参考坐标系中的运动特性，并对人体运动进行评估。本文通过对人体上肢运动模型的研究，并结合摄像测量系统，给出了一种基于普通摄像机的人体上肢运动参数求解方法。     

光学式运动捕捉技术在人体动画中的应用研究

为了使用运动捕捉系统更高效地制作三维角色动画,创造极具真实感动作的三维角色,通过对基于运动捕捉技术的三维人体动画制作流程的分析和实现,提出了运动捕捉过程的数据采集、数据处理及数据重用的方法和技巧,包括摄像机标定、标记点跟踪和三维重建技术等。通过重建后的数据驱动虚拟角色,实现了一系列真实感人体动作的捕获与使用,使虚拟角色具有了生命。     

基于数据驱动的膝关节外骨骼控制

为了识别人体运动意图协调人机运动,采用二维激光测距仪采集地形数据进行在线识别,使用学习向量量化（LVQ）的方法,基于不同地形间的距离特征实现快速、准确的地形分类. 设计基于数据驱动的无模型自适应控制方法,基于膝关节角度的输入输出数据建立动态线性化模型,避免了人机外骨骼建模的复杂性和建模误差. 建立人机外骨骼模型,通过仿真得到正常行走时膝关节的先验力矩,引入先验力矩提高控制器的准确性. 搭建ADAMS和MATLAB联合仿真平台,选取平地路况进行实验. 实验结果表明,所设计的控制方法使得外骨骼膝关节对目标角度有良好的跟踪,对人体行走有较好的助行效果.     

基于气动人工肌肉的仿人机器人膝关节设计与控制

考虑气动人工肌肉的功率/质量比与柔性优势,研究其在仿人机器人下肢结构中的应用.首先分析人体下肢生理结构及功能映射,进行膝关节的结构设计;其次,采用H鲁棒控制理论,设计了膝关节运动角度控制器,以及基于反馈线性化原理的气动肌肉气压控制器;最后,搭建关节运动控制实验平台,并进行验证性实验研究.结果表明,所设计的气动关节能完成大腿-小腿相对转动90°的运动要求,关节轨迹跟踪稳态误差小于4%.     

基于Kinect的人体作业仿真方法研究

为了提高生产企业作业分析的效率和改善作业,提出了一种基于非介入式运动捕捉设备Kinect的人体作业仿真方法。首先利用Kinect对真实的人体作业动作进行捕获,获取所需的人体运动数据,接着在Kinect人体模型和人机工效软件DELMIA的人体模型之间建立映射,并在此基础上对DELMIA软件进行二次开发,最终实现由Kinect获取的人体运动数据驱动DELMIA里的虚拟人体进行仿真作业。仿真结果表明：基于Kinect的作业仿真方法在运动捕捉的适用环境、精确性和响应速度等方面都能很好地满足企业应用的要求。     

未知点初始坐标精度对基线解算结果的影响——Bernese和GAMIT解算结果对比

通过对我国4个IGS站上的数据给予不同的初始坐标来解算基线的实验,发现Bernese软件对未知点的初始坐标的精度要求不像GAM IT那么高,当未知点初始坐标达到1 000 m的误差时,经过迭代解算仍然可以得到正确的基线结果,而GAM IT要正确解算基线,初始坐标误差不能超过20 m.建议用Bernese软件进行计算时,最好进行一次以上迭代计算;当用GAM IT处理含有昆明站的数据时,昆明站的初始坐标不能使用观测数据文件中给的初始坐标.     

助力外骨骼负载特征与驱动特征耦合效应

针对助力外骨骼在蹲起姿态中由不同负载特征所引起的驱动失效问题,为了研究负载特征对关节驱动的影响,建立考虑负载特征的助力外骨骼蹲起姿态动力学模型,研究负载特征与关节驱动特征的耦合关系.基于Lagrange动力学理论及矩阵理论,推导出多刚体系统动力学建模矩阵法,得到助力外骨骼关节驱动力矩及驱动功率方程.通过人体机器多视觉运动捕捉测量实验及非线性拟合,得到各关节的角位移、角速度及角加速度.研究结果表明:负载质量与踝关节及膝关节驱动特征为线性强耦合,与髋关节驱动特征为分段线性弱耦合;负载位置与髋关节驱动特征为分段线性强耦合,负载姿态与髋关节驱动特征为分段非线性耦合,负载位置及负载姿态与踝关节及膝关节驱动特征无耦合效应.     

背向滑步式掷铅球的三维运动学分析

为探索优秀男子铅球运动员个体动作技术特征;文中利用瑞士产AOS高速摄像运动捕捉系统,其中两台摄像机以120帧/s拍摄频率进行三维同步拍摄,截断频率为6Hz;建立20个关键点的人体和器械模型,数据解析应用美国产Kwon3D软件进行解析;应用EXCEL2003进行数据处理。得到铅球投掷各个阶段的关节角度、耗时、末速度、肢体位移、铅球出手速度、高度、角度等运动学参数及相关动作特征画面人体棍图或铅球运动轨迹.通过对两名样本运动学参数的分析,得出铅球的运动成绩构成中,出手初速起主导作用,出手角次之,出手高度作用最小.     

臂式站起运动康复训练机械结构设计及分析

通过建立人体运动生物力学模型研究了健康人体站起运动轨迹,设计了多自由度臂式下肢康复训练机械结构并对其进行了有限元分析与优化。通过实验研究了人体站起过程中各关节部位的角度变化,为下肢康复训练设备控制提供了参考。分析结果表明,对人体运动生物力学模型的研究和实验所得的数据能够对下肢智能康复训练方法提供有效参考,而本文所设计的机械结构符合使用环境下的力学性能要求,并且具有质量轻、占地少和成本低等优点,适于临床应用和产品化推广。     

下肢外骨骼机器人动力学参数辨识与步态跟踪

为了提高下肢外骨骼机器人步态轨迹跟踪的精度,对于下肢外骨骼二连杆动力学模型,提出一种静态与动态结合的参数辨识的实验方法,并结合穿戴者人体参数,得到人机协同系统精确的动力学模型。采用基于模型上界的滑模控制,并引入低通滤波器,进行MATLAB步态跟踪仿真。经仿真表明,髋关节和膝关节转矩的实验测量值与理论计算值的波形基本一致,动力学参数辨识结果正确;基于滑模控制的人机协同系统能够实现髋关节和膝关节对参考步态轨迹的精准跟踪,低通滤波器能够有效减小滑模控制引起的高频抖振。这为下肢外骨骼动力学参数辨识提供了一种解决方案,为基于模型的控制方法提供了一种参考模型,为下肢外骨骼人机协同系统的步态轨迹精准跟踪提供了一种参考方法。