久坐人群无器械训练动作识别与计数算法研究

针对久坐人群长期缺乏运动导致身体呈现亚健康状态和现有训练方法缺乏监督性的现状,提出一种人体动作识别与计数方法实现4种无器械训练动作精准识别与计数。以手机摄像头捕获训练者的视频信息作为输入,通过BlazePose网络模型处理得到的人体骨骼点数据经过数据滤波处理、特征提取后,利用3种常见的机器学习算法进行动作分类,将分类的结果结合骨骼信息,采用检测波峰波谷计数算法统计训练动作的完成次数。实验结果表明,采用GBDT算法得出动作识别率为96.5%,计数算法准确率为98.9%,具有良好的实际应用价值。     

心肺功能评估训练系统的恒功率控制

针对在心肺功能评估和训练中由于蹬踏速率波动导致运动负荷(功率)无法维持恒定的问题,设计了一种新型磁阻发生装置,可实时、快速、精确地调节阻力,并通过模糊PID控制实现了一定范围内不受蹬踏速率影响的恒功率控制。为验证恒功率控制效果,在改进后的心肺功能评估训练系统和Monark心肺功能评估训练系统上分别进行了恒功率实验,测试结果表明:对于改进后的系统,蹬踏速率在50~70r/min变化时,实时功率曲线控制在目标功率曲线±8W内上下波动,2min内整体平均功率与目标功率误差小于2 W,系统克服了由于蹬踏速率改变而导致人体输出功率无法恒定的问题;相比Monark系统,在相同目标功率及相同蹬踏速率变化条件下,改进后的系统在恒功率控制精度上整体提升了2 W,同时降低了控制误差。     

长耳鸮皮肤和覆羽耦合吸声降噪特性研究

利用体视显微镜和驻波管吸声系数测试仪,对长耳鸮、雉鸡、鸽子的胸腹部皮肤和覆羽进行形态、结构观察测试及吸声降噪特征对比试验,并试验研究了长耳鸮皮肤组织试样的耦合吸声特征。结果表明,长耳鸮皮肤和覆羽具有独特的多层次形态与结构耦合特征;在测试频率范围内,三种鸟类皮肤和覆羽的吸声能力在低频段（1000Hz以下）无明显差异,在高频段（1000Hz-4000Hz）,长耳鸮皮肤和覆羽呈现一定的吸声性能,其吸声系数最大值可达0．45,而雉鸡和鸽子体表吸声性较差。根据长耳鸮体表耦合降噪特征运用微穿孔板吸声体吸声系数计算理论,建立仿生耦合吸声数值模型,分析其形态与结构耦合特征的吸声机理。     

柔性仿生爬壁机器人控制系统研究

通过对壁虎运动机理以及柔性脚掌结构的理论分析和实验研究,文中提出一种新型柔性仿壁虎爬壁机器人的控制方法,该控制系统采用以MCU为核心控制器的分布式系统,依据精确的步态规划实现了机器人的稳定爬行,在实验环境下通过实物样机验证了该方法的可行性和有效性.     

仿人机器人平地行走步态规划与仿真

为研究仿人机器人的平地行走运动,首先,根据人体结构特点和运动特征,并基于二维倒立摆原理,规划机器人平地行走过程中质心和摆动腿踝关节的运动轨迹;其次,通过建立机器人支撑腿和摆动腿的几何模型,对前向、侧向运动中两条腿所涉及的10个自由度的运动进行规划;进一步,根据逆运动学求解各关节角的运动轨迹,利用仿真软件ADAMS建立仿真模型,并进行平地行走虚拟仿真。仿真结果验证了文中所采用的步态规划方法的可行性,同时也验证了机器人结构设计和电机选型的合理性,为机器人样机的研制提供了理论依据。     

基于移动端的人体运动能耗检测系统

量化运动能耗是科学运动的基础。目前日常运动能耗的检测设备存在诸多限制条件。针对这一问题,采用近些年飞速发展的图像识别技术,设计了一套基于移动手机端的人体运动能耗检测系统,系统包含4种运动健身动作,通过手机前置摄像头拍摄在语音和视频指导下人体完成相应动作的视频,利用图像分析技术实时计算出人体运动能耗值,实现对人体运动时的能耗检测,实验结果与被称为"金标准"的间接测热法测得值的相关系数均达到了0.6以上(P<0.01),另外提出了4种动作的能耗预测方程,采用Bland-Altman分析法分析验证组的实验结果与标准值得一致性程度,结果表明两种方法的一致性较高,可作为传统方法的替代。     

仿生耦合功能表面应力-应变本构关系

采用试验优化设计方法对相同试验条件下凹坑形仿生光滑试样以及具有仿生耦合表面的非光滑试样进行了干摩擦磨损试验对比研究。在相同试验条件下,凹坑形仿生非光滑试样磨损率小于光滑试样,即前者耐磨性较高。在此基础上,作者进行了受压状态下试样表面应力的试验测试和ANSYS有限元计算分析,探讨了非光滑凹坑对试样表面应力-应变分布的影响。结果表明:在受力状态下,仿生非光滑凹坑改善了试样表面的应力分布,使非光滑试样表面凹坑间的区域局部应力明显小于光滑试样表面的应力,即产生了局部低应力区。本文初步提出了非光滑结构的力矩效应和应力缓释效应。     

轴流风机仿生叶片降噪试验研究及机理分析

根据长耳鸮翼前缘非光滑形态降噪特性,设计了仿生前缘非光滑轴流风机叶片。试验研究表明:仿生非光滑叶片在50~2000 Hz的频段上噪声值明显小于原型风机叶片,最大降噪率为2.52%;影响仿生非光滑叶片降噪效果的主次因素为非光滑单元间距t、非光滑单元高度h和非光滑单元个数。计算机模拟分析表明,仿生前缘非光滑形态降噪机理主要为:减少翼型表面紊流附面层压力脉动并延缓翼型后部涡流分离脱落;有效减少气流流经前后翼型表面时翼型间扰流作用,起到良好的导流作用,使后翼型来流平稳,气流噪声降低。     

融入日常生活的体脂率动态监测系统设计

针对肥胖相关疾病发病率持续升高的现状,基于生物电阻抗原理(BIA),设计了以智能坐便器为载体的体脂率动态监测系统。系统由人体阻抗测量模块、体重测量模块以及APP组成,通过软硬件开发和算法设计,实现了体脂率的快速测量。与欧姆龙HBF701的对比实验结果表明两者的相关系数为0.937,系统具有较高的测量精度。此外,系统与人们日常生活有机结合,从而实现了体脂率的长期动态监测,对预防肥胖相关疾病的发生具有重要价值。     

基于仿生原理的节能减振类人机器人膝关节的设计

通过对人体膝关节结构的研究,设计了一种基于仿生原理的类人机器人膝关节.仿效人体膝关节处的ACL、PCL(前、后十字韧带)及半月板结构,为机器人膝关节设计了节能和减振结构,降低了机器人在迈步期膝关节的峰值驱动力矩,减小了机器人脚着地阶段膝关节受到的冲击,并增加了膝关节的刚度,提高了机器人行走的稳定性.采用NDI公司的Optotrak Certus三维动态测量系统测得人体各关节运动角度与时间的离散点序列,用最小二乘法拟合成机器人行走步态曲线.在ADAMS软件环境下建立虚拟样机模型,对机器人进行了平地行走仿真分析,仿真结果验证了设计的有效性与可行性.