基于动作捕捉技术的人体上肢运动舒适性评价

人体上肢生物力学分析对上肢动作优化和相关产品的设计具有重要意义。首先,采用实时光学动作捕捉系统采集人体在执行指定动作过程中关键点的实时位置,并使用MATLAB软件设计编写了计算方程,重点对人体上肢的实验数据进行深入分析。然后,将人体肢体简化为球棍模型,运用余弦定理反求人体上肢运动过程中各关节角度的变化值,使用逆向动力学方法求解出人体上肢关节力矩的动态变化值以及通过优化计算得到人体上肢主要肌力的变化量。最后,通过计算人体上肢肌肉的实时负荷率来评价人体上肢运动舒适性,并建立了人体上肢运动舒适指数评价模型。结果表明人体在坐姿下执行指定动作时上肢肌肉处于舒适状态。研究结果为人体上肢动作的深度分析提供了理论基础。     

基于JACK的手机使用场景颈部及上肢关节舒适度评价分析

目的探索人体坐姿状态下握持手机最舒适姿势。方法基于人因工程学软件JACK,创建了三组不同百分位数字人P_S、P_(50)和P_(95),探究了颈部关节、肩部关节和肘部关节弯曲角度对颈部及上肢握持手机姿势舒适度的影响规律。并在Porter评价模型的基础上针对人体握持手机姿势构建了颈部及上肢关节舒适度评价模型。以颈部关节、肩部关节和肘部关节弯曲角度相对于Mode值的偏离值作为三组舒适度评价指标,并采用AHP法确定了三组指标的权重,根据所构建的颈部及上肢关节舒适度评价模型进行了舒适度评价。结果视距保持不变,随着颈部关节弯曲角度的增大,颈部及上肢关节舒适度呈先递增后递减的趋势。当视距在35 cm～40 cm之间,且颈部关节弯曲角度在17°～19°之间,肩部关节弯曲角度在12°～14°之间,肘部关节弯曲角度在120°～121°之间变化时,人体握持手机颈部及上肢舒适度指数大于0.8,为较舒适状态。结论该评价模型能够有效快速的进行关节舒适度评价。通过调节使用手机时关节弯曲角度,可以预防颈部及上肢关节疾病的产生。     

基于坐姿分析的座椅舒适度测试与评价

人们的很多生产生活活动是在坐姿下完成的,因此研究坐姿舒适度有很重要的意义。坐姿舒适度在座椅的设计中扮演着越来越重要的角色,而对座椅舒适度的研究也逐渐偏重对坐姿舒适度的评价。人性化座椅的设计必须满足舒适度高的要求,以达到人体舒适坐姿的需求。针对坐姿舒适度评价,采用经典的光学动作捕捉技术和问卷调查相结合的方法对坐姿舒适度进行科学评价。实验选用美国Motion Analysis光学动作捕捉系统,设置11个Eagle数字捕捉镜头,用EVaRT软件获取了40名志愿者人体关键点在空间中的点位数据,采用PCA主成分分析提取特征点的方法提取关键点,用MATLAB软件自主编程对关键点数据进行处理和计算,比较测试者坐在2种不同座椅上的关节角度和力矩数据差异。统计结果表明,志愿者采用不同的姿势坐在不同的座椅上时,躯干、大腿、膝盖部位的角度和力矩数据差异较为明显。结合人机工程理论,利用这些数据差异对坐姿进行分析,为座椅设计提供理论依据。这种人机工程学理论分析评价和问卷调查相结合的方法,为座椅的舒适度评价提供了有效的依据。     

肘关节运动姿态与其对应肌肉群肌电信号的测量与分析

为了测量人体肘关节运动姿态与其对应肌肉群的表面肌电信号并分析其关联性,首先利用Qualisys光学运动捕捉系统测量出人体上肢各关节的位置,并计算出肘关节的关节角度;同时利用Delsys表面肌电测试系统测量出运动过程中与肘关节关联度较高的肱二头肌和肱三头肌的表面肌电信号,提取肌肉活跃度特征;最后对比分析得出肘关节的关节角度曲线和肱二头肌与肱三头肌的共同收缩指数曲线有相似的变化趋势。     

键盘打字对颈部和上肢肌肉影响的分析研究

目的 分析键盘打字时工作台不同人因参数对颈部和上肢肌肉活动的影响,进而为长期处于键盘打字状态的用户提供打字建议.方法 设计不同人因变量实验(躯干姿势、键盘角度、显示器角度),对8名健康有经验的日常打字时长在4小时以上的被试进行颈部和上肢肌肉表面肌电(sEMG)和主观评测数据采集.每名被试进行8组20分钟的打字实验.结果 对sEMG和主观舒适度数据进行分析,发现躯干姿势、键盘角度、显示器角度均对颈部和上肢肌肉活动具有影响,而对主观数据均无影响.站姿且显示器为120°的情况下颈部肌肉活跃程度最低;和坐姿相比,站姿时上肢肌肉活动程度相对较弱,而手臂和手腕在一定支撑的情况下肌肉活动程度较低.结论 工作台的不同人因参数能够影响颈部和上肢肌肉的活动水平.该研究能够为长期处于键盘打字状态的用户提供打字建议,并为人机工作环境的优化设计提供指导方法.     

应用等张模式测定人体单关节肌群功率发展与保持能力的方法学研究

人体肌肉功率的发展与保持能力在完成生产劳动、日常体力活动和体育运动中具有重要的作用.本文以12名健康普通大学生为研究对象,运用模拟仿真测试评价训练系统( BTE PrimusRS)的等张测量模式来探讨人体单关节肌群功率发展与保持能力的测评方法.结果表明BTE PrimusRS系统能客观、准确地评价人体单关节肌群功率发展与保持能力的水平;此等张测试模式下,50％等长峰值肌力(或力矩)的阻力负荷设置较为合理;等长峰值肌力应采用非爆发式静力性测量模式获得.     

一种冲击钻人机性能快速评价方法

为了快速评价冲击钻性能的优劣,本文基于理想解相似的简化偏好技术(TOPSIS)方法,选取四把典型冲击钻为切入点,研究使用者在不同操作姿势下使用冲击钻时的肌肉负荷以及操作的效率,对影响冲击钻优劣的指标进行深入辨别。利用工效学测定使用者在不同姿势下钻孔时的生理指标表面肌电(sEMG)的参数变化,以及钻孔速度与精确度两项工作效能指标参数,通过实验数据的分析与提取,对四款冲击钻进行评价。结果表明,根据生理指标和工作绩效可以有效的评估冲击钻性能,但生理指标的影响参数很多,很难进行综合评判,因此本文利用TOPSIS方法结合专家咨询法进行评估,从而优选出其中一个满意性。     

基于人工神经网络的上肢关节刚度估算

人体上肢是多自由度的灵巧运动器官,会随着接触物体刚度的差异变化而表现出刚柔不同的变化。研究人体肌肉的刚度特性对于医疗行业和服务行业以及制造行业都有着重要意义。本文利用人工神经网络建立以人体肌肉的EMG信号和上肢关节角度为输入、人体关节刚度为输出的关系模型,为后期的遥操作提供理论依据。     

无动力下肢负重外骨骼人机动力学及其储能元件刚度优化EI北大核心CSCD

为提高人体搬运效率,降低人体关节损害,提高外骨骼能量利用效率,基于人机动力学对一种无动力辅助负重下肢外骨骼的储能元件刚度进行优化。应用牛顿-欧拉动力学方程建立人机耦合动力学模型,得到各关节力矩与大小腿长度和质量、关节转角及弹簧刚度关系的数学模型。将三维动作捕捉系统采集的角度数据代入动力学方程中,通过MATLAB进行计算得到关节力矩动态变化规律。建立人机系统各部分的能量流动模型,并进行步态周期内的能量流动分析,以储能元件刚度为参数,储能元件的能量流动为约束条件,各关节平均力矩最小为目标建立优化模型,通过与AnyBody人体仿真软件获得的人体模型作对比验证优化结果的正确性。结果表明,穿戴优化后外骨骼减轻了下肢着地时对人体的冲击,有效降低了人体能耗和下肢关节转矩。     

负荷对手臂肌肉运动取向的影响

人体运动时肌肉活动模式的了解与掌握对运动障碍患者的康复治疗有重要的指导意义.该文利用负荷作用下手臂运动时产生的表面肌电信号(EMG),结合三维运动测量系统,提取肌电信号随负荷和运动方向变化的时域和非线性特征值,以探究负荷对手臂肌肉运动取向的影响.以正常人右侧手臂为实验对象,研究结果发现手臂肌肉在运动时均存在一定的角度取向,且随着负荷的增加,各肌肉角度取向有规律性的偏转.在手臂运动障碍患者的康复治疗中,可据此设计特定动作来训练病人手臂指定肌肉的适应力.     

一种基于肌电信号的踝关节动作预测方法的研究

进行了使用肌电信号预测关节动作的研究,提出了一种基于肌电信号的预测踝关节动作的方法。首先,选取与踝关节动作相关的5块肌肉(胫骨前肌、腓肠内肌、腓肠外肌、腓骨长肌和比目鱼肌)以及踝关节角作为研究对象,采集这5块肌肉的肌电信号和踝关节角信号,并进行特征提取和归一化处理。然后,建立了一个四层前向神经网络模型,使用误差逆向传播(BP)算法进行训练。最后,神经网络预测输出值经过六层小波去噪处理。实验中,9名志愿者的踝关节在矢状面内做有规律的背屈和跖屈动作,采集踝关节角和上述5块肌肉表面肌电信号,然后用上述方法预测踝关节动作,用相关系数评价预测的效果。实验结果显示,所提出的方法可以准确预测踝关节动作。     

脑电-肌电信号样本熵与小波熵分析

为了探索自主动作和电刺激产生动作两种不同模式下的大脑运动皮层活动与肌肉收缩之间的关系,搭建了脑电和肌电实验测量平台,设计了自主腕部外旋和穴位电刺激两种实验动作模式,同步采集不同动作模式诱发的脑电信号和表面肌电信号,计算和分析信号的样本熵与小波熵.结果发现穴位电刺激模式下,脑电信号样本熵增大,肌电信号样本熵减小,脑-肌电的平均互样本熵增大,肌电信号的小波熵明显减小.表明穴位电刺激使大脑活动复杂性提高,肌肉活动的有序性增强,出现了优势节律,脑-肌电协同性提高.     

座椅舒适度的评价方法与应用

座椅是人们坐姿活动时的主要家具之一,座椅的舒适度是座椅设计当中应该考虑的重要内容之一。本文主要介绍了座椅舒适度的三种评价方法,有体压分布测量分析法、表面肌电测量分析法、主观评价方法中的量表法,并讨论了各种评价方法的实际应用,最后探讨了主观评价方法在座椅舒适度评价当中的重要意义。     

基于人体舒适度指数的居民用电分析及用电负荷预测研究

针对气象状况、季节等因素对居民用电负荷有不同影响,为深入分析不同因素与居民用电的相关性,提出人体气象舒适度指数,建立适用于用电负荷的人体气象舒适度指数模型。采用灰色关联度方法分析各气象因子以及人体舒适度指数与居民用电的相关性。基于郑州气象大数据和居民用户用电数据,得到人体气象舒适度指数相比于其他单个气象因子具有更强的关联性。基于灰度预测模型和RBF神经网络,结合人体舒适度指数对用电的影响,提出灰色RBF神经网络预测算法。用郑州某小区近年的负荷数据作为预测样本数据,分别采用灰色预测模型、RBF神经网络预测模型以及灰色RBF神经网络预测模型对用户负荷进行预测分析。测试结果表明：灰色RBF神经网络模型预测精度最高,可为后续居民用电负荷的精确预测奠定理论基础。     

基于JACK虚拟仿真分析的介助老人护理床人机工程学设计

目的 目前护理床普遍采用标准化设计,针对介助老人及护理人员的双用户体验模型进行护理床人机工程学设计,对现有护理床结构、功能提出改进方案。方法 以人机工程软件Jack为分析工具,建立符合中国老年人身体尺寸模型和护理人员相关任务动作模型,在此基础上进行虚拟仿真,对介助老人护理床使用人机匹配性、不同姿势下的舒适度分析,以及护理人员在护理任务中不同动作的舒适性、动作姿势和快速上肢分析,并通过对静态人体尺寸与动态功能尺寸人机分析,对现有护理床进行设计改进。结论 在护理床设计过程中进行介助老人和护理人员双用户人机工程分析,有利于发现双用户在使用过程中不合理的设计内容,得到新的基于人机工程学的护理床设计方法,提高介助老人和护理人员的舒适性,提高使用性能。     

仿人型服务机器人双臂动作示教及评估研究

目的 基于自主研发的仿人型双臂服务机器人,研究体感示教及动作再现技术,并评估机器人拟人动作的合理性.方法 首先根据机器人的构型,利用D-H法对机器人进行运动学建模.然后设定6种日常生活中常见的人体上肢动作,利用Kinect V2动作捕捉设备获取真人演示动作数据,将臂形角作为冗余量进行运动学逆解,求得机器人所需关节角,使机器人能够复现人体动作.之后基于恐怖谷理论,结合层次分析法和语义分析法,提出评估方法,评估机器人复现的动作.结果 机器人以拟人的姿态复现了人体示教动作,评估结果显示,不同类型的动作会让受试者产生不同的心理感受.结论 对于仿人型双臂服务机器人而言,体感示教是一种自然高效的示教方式,由此产生的行为符合用户心理预期,为服务机器人融入日常生活提供了理论依据.     

竖向环境振动下人与结构相互作用及舒适度研究

在研究环境振动下结构和人体的动力响应时,有必要考虑人与结构的相互作用。根据国际标准ISO5982规定的不同姿势下的竖向人体动力模型,建立了具有非经典阻尼的人与结构耦合运动方程。将运动方程转化为空间状态方程,从而实现了方程的解耦。在国际标准ISO2631的基础上,提出了由小波包变换求得频带能量,进而评价人体舒适度的方法。以一幢在轻型轨道附近的10层住宅为例,分析了不同人数和不同姿势的人体下的人与结构体的动力响应。结果表明：对于一般的质量和刚度分布均匀的结构,随着人数的增加,结构的减振效果越明显。随着楼层的增加,结构的减振程度和人体舒适度都不断降低。环境振动下坐姿人体的反应最显著,而立姿人体的次之。     

地铁车厢扶手人机工程仿真分析及改进设计

目的 为满足地铁乘客站姿乘车的便利性与舒适性,结合人机工程仿真分析软件Jack对车厢扶手的设计方案进行分析校核和改进设计。方法 依据GB/T7928—2003中A型车主要技术规格和GB13094—2017中客车扶手尺寸要求,在CAD软件中搭建了地铁车厢内装三维模型;根据GB10000—1988,在Jack软件中建立了第5百分位成年女性和第95百分位成年男性人体数字模型;结果 对站姿乘客使用扶手时的不同姿势进行快速上肢动作分析和舒适度分析,得到站姿整体舒适度评分结果;通过人机分析结果,对地铁车厢扶手数量布置和高度设置进行设计改进,并再次通过Jack软件对乘客站姿舒适度进行测试。结论 结果表明,改进后的设计方案满足乘客的便利性和舒适性要求,为地铁车厢扶手的人机工程设计提供参考,相关的设计参数值可对现有标准形成补充。     

动态驾驶环境所致人体肌肉疲劳的生物信号实验研究

为了评价不同的振动驾驶环境对人体舒适性的影响,通过模拟动态驾驶环境实验,采集了人体在不同振动强度下的表面肌电信号(SEMG).对其进行时域分析求得了积分肌电值(IEMG),应用频域分析对其进行特征值提取,得到了局部肌电幅度的中值频率(MF)与振动加速度、振动时间的关系,以及人体肱二头肌、竖脊肌、股二头肌的局部肌电与振动参数间的关系.实验中,借助近红外光谱技术(NIRS)观测与分析了肱二头肌、股二头肌和竖脊肌在不同振动环境下的肌氧含量变化特点,同时监测了脑氧含量的变化趋势,并对各振动环境下的人体舒适性及疲劳进行了主观评价实验.实验研究表明,振动驾驶环境直接影响人体的肌肉疲劳过程和人体的肌氧含量、脑氧含量,不同的振动环境会对人体肌肉疲劳及舒适性产生不同的影响.研究结果可为动态环境机械系统的人 车界面设计及操作舒适度的评定提供客观、有效的技术参考.     

基于表面肌电信号的超声探头人因设计评价研究

本研究利用表面肌电采集、分析技术和Borg量表来对超声探头的人因工程学设计进行评价,为超声探头的人因工程学设计评价提供方法参考。在本研究中,邀请10个志愿者使用两个在设计样式和重量存在差异的超声探头进行模拟超声检测操作任务。使用MPl50生理信号记录仪记录前臂上的两块肌肉一指浅屈肌和桡侧腕长伸肌的肌肉活动。同时应用Borg量表对志愿者的主观反馈进行评定。结果显示使用质量较重和手柄宽度较小的超声探头时手部要承担更大的劳动负荷,更容易使局部肌肉产生疲劳,同时志愿者主观反馈结果与表面肌电测定结果存在一致相关性。这个研究方法可以作为对医疗器械手柄人因设计的评价的方法,研究结果可以作为医院在选择超声探头的指导。