人體上肢運動學分析與類人肢體設(shè)計及運動規(guī)劃.pdf

1、類人肢體是指功能結(jié)構(gòu)與人肢體類似、外形與人肢體接近,能夠?qū)\動功能缺失的肢體進行功能替代(全尺寸假肢)、運動功能受損的肢體進行功能輔助(外骨骼肢體康復(fù)機器人)或者對肢體負載能力進行功能增強(外骨骼機器人)的一類機械肢體的統(tǒng)稱。針對類人肢體運動學設(shè)計及運動規(guī)劃中的共性基礎(chǔ)問題,在人肢體運動學分析與性能評價的基礎(chǔ)上,對類人肢體運動機構(gòu)與驅(qū)動機構(gòu)設(shè)計以及擬人運動規(guī)劃等開展了系統(tǒng)深入的研究。這些研究對于加深人類對自身運動能力的認識,創(chuàng)新類人肢體

2、設(shè)計理念,具有重要的理論意義和應(yīng)用價值。本論文的主要研究工作包括:
　　針對人體上肢不同節(jié)段在日常功能運動中的特點,構(gòu)建了由胸骨-鎖骨-肩胛骨-肱骨-前臂(尺骨+橈骨)組成的人體上肢功能運動鏈,建立了上肢功能運動鏈的運動學模型,提出了肢體運動靈巧性和可操作性橢球指標。結(jié)合多目運動解析系統(tǒng)這一數(shù)字化手段,建立了基于輔助剛體的骨性標記點空間軌跡的動態(tài)重構(gòu)方法,以及基于最小二乘原理的肱骨轉(zhuǎn)動中心估計方法。結(jié)合3種典型功能運動,對上肢功能

3、運動軌跡上的運動靈巧性與操作能力進行了定量的評價,相關(guān)實驗結(jié)果驗證了評價方法的有效性。
　　圍繞用工程科學的方法復(fù)現(xiàn)人體上肢功能運動的目標,建立了外骨骼康復(fù)機器人與人體上肢之間的運動映射關(guān)系,提出了具有8個主動自由度和2個被動自由度的外骨骼康復(fù)機器人設(shè)計方法,構(gòu)建了由氣動肌肉-鋼絲繩-關(guān)節(jié)盤-鋼絲繩-氣動肌肉組成的柔性驅(qū)動單元,提出了鋼絲繩張緊與分離裝置的設(shè)計方法,為安全舒適的康復(fù)訓(xùn)練提供了有效的保障。提出了相對靈巧性指標,為定量

4、比較康復(fù)機器人與人體上肢的運動能力提供了依據(jù)。實驗結(jié)果驗證了外骨骼康復(fù)機器人運動機構(gòu)與驅(qū)動機構(gòu)設(shè)計方法的合理性。
　　針對現(xiàn)有方法在求解多自由度復(fù)雜空間機構(gòu)工作空間時存在計算量大、迭代求解算法不穩(wěn)定等弊端,定義了評價空間點與網(wǎng)格角點遠近程度的距離權(quán)重指標,構(gòu)建了描述空間散亂點云在不同網(wǎng)格角點附近分布密集程度的三維距離權(quán)重矩陣,提出了三維距離權(quán)重矩陣平滑處理的三維卷積方法,結(jié)合關(guān)節(jié)空間均勻采樣得到的機械臂末端空間位置的點云,提出了多

5、自由度復(fù)雜運動鏈工作空間邊界的求解方法,運用該方法分析了類人肢體與人體上肢工作空間的形態(tài)和包容關(guān)系,研究結(jié)果驗證了提出的工作空間邊界提取方法的有效性。
　　針對類人肢體復(fù)現(xiàn)人體上肢功能運動軌跡時空特征的基本要求,在(3)SE上建立了剛體運動的廣義牛頓方程,構(gòu)造了誘導(dǎo)人手形成高曲率運動軌跡與單峰鐘形速度軌跡的混合勢場,建立了混合勢場作用下的力1-形式,以及力的1-形式與(3)SE群結(jié)構(gòu)中余切空間上向量之間的微分映射關(guān)系。在關(guān)節(jié)空間定