坐立卧式护理轮椅的结构设计及运动学仿真分析

为满足行动不便的老年人和残障患者的护理需求,设计了可辅助站立、辅助躺卧的坐立卧式护理轮椅.阐述了轮椅机构的设计方案和工作原理,并基于人机工程学原理,采用三维步态分析及运动系统分析了正常人体起立、躺卧过程中各关节的运动轨迹规律.建立轮椅机构间几何关系,并对机构进行了运动学分析;结合人体测量学数据,确定各构件参数并建立虚拟样机;运用Adams软件对机构进行了运动仿真,仿真中机构运行平稳.仿真结果表明,坐立卧式护理轮椅辅助人体坐、立、卧运动符合健康人体运动规律,验证了机构设计的合理性.     

人体骨盆位姿模拟机构的运动学分析及仿真

根据人体骨盆的运动规律,设计了一种4自由度人体骨盆位姿模拟机构.建立了人体骨盆位姿模拟机构的正运动学模型和逆运动学模型,并推导出了机构的雅可比矩阵.基于机构的运动学模型建立了仿真模型,并采用MATLAB/Simulink对人体骨盆位姿模拟机构进行了仿真分析.仿真结果表明:该机构方案是可行的,能够模拟人体骨盆的运动规律.同时仿真结果也验证了运动学模型的正确性.     

基于虚拟样机技术的外骨骼助力搬运机器人结构设计与仿真研究

针对现有外骨骼助力搬运机器人结构复杂、价格昂贵的问题,对外骨骼助力搬运机器人虚拟样机技术的结构设计、运动学与控制仿真展开了研究。设计了一款结构相对简单,在人体弯腰搬运重物时对人体腰部提供助力,且肘关节设计为自锁机构的可穿戴全身外骨骼助力搬运机器人;通过对外骨骼下肢运动学模型建立了D-H坐标,进行了正逆运动学分析;利用虚拟样机技术,采用人体步态行走时所采集的实验数据,对外骨骼助力搬运机器人进行了步态运动的仿真分析与联合控制仿真。研究结果表明:所设计的外骨骼助力搬运机器人的步态仿真运动与人体的实际数据相符,验证了所设计结构的稳定性与可靠性。     

基于虚拟样机的外骨骼关节力矩驱动特性分析

针对需要与人体高度偕行的外骨骼,采用基于运动生物力学分析方法,对外骨骼进行运动仿真。对人体运动分析,采用连续体离散化-离散体连续化的思路。连续体离散化利用高速摄像机与光学动作捕捉系统测试人体关节在人体运动时的空间三维坐标。离散体连续化采用最小二乘法对测试数据进行拟合分析得到可以应用于外骨骼人体运动模型。建立外骨骼虚拟样机,将人体运动模型应用于外骨骼虚拟样机中仿真,得到运动时外骨骼各关节处受力曲线,分析关节力矩驱动特性,其中最大受力和力矩都在左膝关节处,分别为450 N和68 N·m,对外骨骼设计制造时材料选择、结构设计有着重要作用。     

下肢助行器结构设计及运动仿真

对用于辅助下肢瘫痪患者重新站立行走的下肢助行器的总体方案及其工作原理进行了设计与分析。根据人机工程学中的人体结构测量及结构几何关系确定了各杆长度。在CATIA中建立了助行器的三维样机模型,通过ADAMS进行了运动仿真分析,得到了助行器的速度、力矩等参数,并与正常人体步态参数比较,验证了机构设计的合理性和方案的可行性。     

人体下肢外骨骼的运动分析与仿真

以人体下肢和下肢外骨骼的耦合特性为研究目的,在分析了人体行走的步态特征参数和运动参数的基础上,运用D-H建模方法建立下肢外骨骼运动模型。然后运用仿真软件ADAMS对外骨骼运动模型进行仿真分析。仿真结果验证了运动分析、建模及理论推导的正确性,为下一步研究下肢外骨骼打下了理论基础。     

助力机器腿仿真研究

助力机器腿是为腿部受过轻度损伤，或者因为偏瘫和脑瘫，不能稳定行走的患者设计的一种辅助行走的机器人。建立了基于广义坐标的助力机器腿逆运动学模型，采用三次样条插值规划人体的髋关节和踝关节运动轨迹，结合人体运动的几何约束和运动约束，推导出人体腿部参数化步态模型。采用图像分析方法，得到了人体行走过程中髋关节和踝关节的轨迹，通过比较分析，验证了理论分析的正确性。在Matlab／Simulink，SimMechanics下，进行了机械腿仿真分析，并给出了仿真结果。     

基于运动捕捉仪的人体上肢运动轨迹参数的测量与分析

针对人体上肢运动的轨迹参数和方程模型复杂、计算量庞大的问题,提出了一种新型的测量上肢运动轨迹方法。首先对人体上肢运动模型进行了重新分析与简化,根据人体上肢运动特点设计了一组实验,其中包含单关节运动实验、多关节协同运动实验及任务实验;通过NDI运动捕捉仪系统采集了实验者的上肢基本运动数据;将实验数据中的离散点用曲线拟合并展开后,得到了各组实验中各关节的周期性轨迹方程;运用ADAMS进行了建模及运动仿真,以验证拟合轨迹方程的正确性。研究结果表明,该方法能有效测量人体上肢运动参数,其结果可供上肢康复训练机器人的运动轨迹控制与上肢运动功能评价时参考。     

两自由度人体手臂震颤模拟平台设计及性能分析

针对利用生物力加载技术抑制人体手臂震颤研究的需要,设计了一种用于模拟手臂震颤运动的两自由度平台的三维模型,并且在机械结构的基础上搭建了相应的控制系统,利用所设计的三维模型以及控制系统,建立了两自由度人体手臂震颤运动模拟平台实体。对平台实体进行了性能分析实验,得到相应的手臂震颤仿真信号以及震颤运动轨迹,并对其进行了分析;经实验验证,所设计的两自由度人体手臂震颤运动模拟平台产生的"震颤"运动是稳定且可靠的。     

一种仿人髋关节的机械机构设计及分析

本文针对人体髋关节的结构进行机械机构的设计、分析、建模及仿真,提出了以三自由度球面并联正交机构作为髋关节的运动机理,利用机械原理、机械设计、并联机器人理论和机器人运动分析理论进行仿人髋关节的机构设计与分析的研究。     

CCD传感器在人体运动图像检测系统中的应用

介绍了一种基于CCD传感器的人体运动图像检测新方法,它采用图像动态采集及标志点自动识别跟踪技术,实现了运动图像的在线采集与分析;利用该方法构建了二维和三维人体运动图像检测分析系统,并将其用于人体步态和人手运动分析。     

基于强化学习的机器人手臂仿人运动规划方法

面向人-机器人交互共融环境对机械臂仿人运动规划的重大需求,本文提出了一种基于强化学习的机器人手臂仿人运 动规划方法。 首先,基于人体手臂的结构特征,设计了体现机械臂运动特性的肩夹角、肘夹角和腕关节运动角,并采用正态性和 相关性分析方法,对 VICON 运动捕捉系统获取的人体手臂运动数据进行分析,以获取人臂运动特性规则。 然后,根据不同的运 动特性规则,设计对应的回报函数,并采用强化学习方法进行机械臂仿人运动模型的训练。 最后,搭建机械臂仿人运动平台,实 验统计仿人运动的成功率为 91. 25% ,验证了所提规划方法的可行性和有效性,可用于提高机械臂运动的仿人性。     

Analysis of human arm movement during vehicle steering maneuver

The analysis of human arm motion during steering maneuver is carried out for investigation of man-machine interface of driver and steering system Each arm is modeled as interconnection of upper arm, lower arm, and hand by rotational joints that can properly represents permissible joint motion, and both arms are connected to a steering wheel through spring and damper at the contact points The joint motion law during steering motion is determined through the measurement of each arm movement, and subsequent inverse kinematic analysis Combining the joint motion law and inverse dynamic analysis, joint stiffness of arm is estimated Arm dynamic analysis model for steering maneuver is setup, and is validated through the comparison with experimentally measured data, which shows relatively good agreement To demonstrate the usefulness of the arm model, it is applied to study the effect of steering column angle on the steering motion

     

Underlying control strategy of human leg posture and movement

While a great number of studies on human motor control have provided a wide variety of viewpoints concerning the strategy of the central nervous system (CNS) in controlling limb movement, none were able to reveal the exact methods how the movement command from CNS is mapped onto the neuromuscular activity. As a preliminary study of human-machine interface design, the characteristics of human leg motion and its underlying motor control scheme are studied through experiments and simulations in this paper. The findings in this study suggest a simple open-loop motor control scheme in leg motion. As a possible candidate, an equilibrium point control model appears consistent in recreating the experimental data in numerical simulations. Based on the general leg motion analysis, the braking motion by the driver’s leg is modeled.     

基于人体动作姿态识别的机器人仿人运动*

以关节式机器人为对象,进行机器人仿人运动研究。从人体动作姿态识别、人-机动作映射、机器人运动控制等方面,详细阐述机器人仿人运动算法。提出人体动作姿态识别方法,利用Kinect传感器捕获人体运作的关节点位置信息,在建立人体基准坐标系的基础上,为了得到描述肩、肘运动的动作信息,计算人体手臂动作的关节角度,实现人体动作姿态的识别。在分析人体肩、肘等关节和机器人机构差异性的基础上,建立人体手臂与四自由度机械手臂的人-机动作映射规则。针对机器人自由度较少,无法完全复现人体运动的情形,分析、比较不同控制策略的优缺点和适用性,寻求适合机器人操作的复现控制策略。关节式机器人接收运动控制指令,执行相应的关节运动,从而实现机器人仿人运动。相关试验验证了人体动作姿态识别和机器人仿人运动控制算法的有效性。研究成果对于提高机器人控制和操作的简单易用性、提高人机交互能力具有借鉴意义,对于扩展机器人应用领域具有实践意义。     

基于电磁跟踪系统的人体上肢运动实时检测方法

采用电磁跟踪系统对人体上肢运动数据进行测量,建立人体上肢的简化模型,并在此基础上布置传感器,达到实时跟踪的目的.提出一种通过电磁跟踪系统各个传感器得到的数据计算关节旋转矩阵的新算法,从而计算出上肢运动时各关节旋转角度,可用于对人体上肢日常活动范围的测量.     

基于表面肌电的肌肉舒适度评价准则

为了避免操作人员长期处于较差的姿势工作,选取人体上身5个关节进行动作试验,对每个动作变化起主要作用的肌肉块进行了肌电信号测试。通过最大主动收缩法消除不同受试者的肌电信号差异,对肌电百分比值进行归一化和加权平均法处理,根据每个动作变化涉及肌肉的平均生理横断面积,给出复合动作肌肉舒适度指数的计算方法;提出了一套基于表面肌电的肌肉舒适度评价准则,与DELMIA人机仿真软件中的RULA分析结果对比显示,该评价准则具有可行性,适合对操作人员的作业姿势进行评价。     

基于刚柔耦合系统的人体外骨骼研究

人体外骨骼结构由整体刚性部件和众多液压作动筒组成,为使人体外骨骼具有更好的减震和缓冲功能,在外骨骼结构中还增加了许多弹性阻尼部件。将整个人体外骨骼结构视为刚性部件与众多柔性部件的耦合结构。以60 kg为负重载荷,在ANSYS中创造性地利用刚柔耦合方式建立人体外骨骼结构有限元模型,并分析该外骨骼结构在行走过程中的受力情况和振动模态,获得各姿态应力值及各阶振型、自振频率。经分析得,外骨骼结构除踝关节结构需加强外,其余部件满足静力学强度要求,模态分析结果显示该外骨骼结构避开了人体运动时前后摆动的频率,但易于在左右摆动时产生共振。     

Estimation of muscle and joint forces in the human lower extremity during rising motion from a seated position

Biomechanical models are often employed to predict in vivo muscle or joint forces in the human body because measuring these forces is difficult. Even though the rising motion from a seated position frequently occurs in daily life and the force acting on the knee joints during the motion is important for aged or infirmed people, limited studies related to the motion have been conducted. This study aims to propose a numerical procedure to estimate the muscle and joint forces in the human lower extremity during rising motion from a seated position. The human lower extremity is idealized as a multibody system in which the Hill-type muscle force model is employed. The multibody system consists of four bodies (shank, thigh, pelvis, and upper body), three revolute joints, and ten forces. The motion of the multibody system is assumed constrained to the sagittal plane, and the muscles in the human lower extremity are idealized by nine action/reaction forces. The nine forces are determined by minimizing the metabolic energy, which is consumed during the rising motion. Metabolic energy consists of the energy consumed by heat generation of muscles and the mechanical work done by muscles. For the accuracy validation of the proposed estimation method, numerical results obtained with the proposed method are compared with existing experimental results.     

基于蒙皮模型和WEOPA的人体外形和运动跟踪

为了解决多关节人体三维外形和运动跟踪问题,提出了一种基于蒙皮模型(skinned model)和加权扩展正交普鲁克分析(weighted extended orthogonal procrustes analysis,WEOPA)的三维人体外形和运动跟踪方法。首先使用Shape-From-Silhouettes方法从当前帧多目视频图像轮廓中计算出被跟踪人物的可视外壳,然后建立人物先验蒙皮模型并与之匹配,其中蒙皮模型的引入使得多关节人体三维外形和运动跟踪问题被转化为一个分层非线性最小二乘匹配问题。考虑到在先验模型获取中肢体间连接部位产生的网格顶点粘连问题,采用WEOPA算法来进行求解,其中通过引入4种不同的权值分配策略,克服了顶点粘连对匹配的影响,并有效利用了匹配点对的几何法线信息。实验结果表明,该方法能对人物外形和运动进行有效的跟踪。