基于Xsens MVN惯性运动捕捉系统装备的人体运动特性研究

发布时间：2017-09-01 15:23

  本文关键词：基于Xsens MVN惯性运动捕捉系统装备的人体运动特性研究

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【摘要】：随着《中国制造2025》计划的公布与实施,高档数控机床和机器人已成为其中的关键性领域技术之一。人形机器人是机器人技术领域重要的部分。要使人形机器人服务家庭、融入社会则其必须具有自然人的形态与特征。对于人体关节结构的模仿、肌肉群的并联驱动方式(协同和拮抗)、关节运动规律的自身内在机构学本质属性与特征的研究,是人形机器人的仿生研究与设计的理论基础和数据支撑,具有科学意义与实际价值。利用Xsens MVN惯性运动捕捉设备,采集人体典型运动与姿态——步行的实验数据,基于人体的关节和骨架段的线位移、角位移、线速度、角速度、线加速度、角加速度运动学参数,研究人体运动学、静力学、动力学特征,并对肩关节、髋关节、踝关节的工作空间进行实测、分析与描述。主要内容如下:构建了人体主体骨架运动模型。基于人体解剖学原理结构,将人体分23个体段、具有18个关节、36个自由度;定义了部分解剖学专业术语;并规划建立了统一的人体主体骨架模型坐标体系。利用Xsens MVN惯性运动捕捉设备,采集了40组人体日常步行动作的实验数据。在分析和归纳了个体行走时髋关节、膝关节、踝关节的关节角随时间变化的规律与特性的基础上,建立了行走时三关节的关节角随时间变化的通用函数;在分析了40组步行数据的基础上,以身高、体重、步行周期三个参数为自变量,通过函数拟合给出了通用函数系数求解方程。针对人体三大主要关节即肩关节、髋关节、踝关节的球面运动属性,将工作空间简化为球面上一部分,以关节输出标记点(极限)划过的轨迹所包络的球面部分为关节灵活工作空间,采集了关节灵活工作空间实测数据,并从球坐标和欧拉角两种描述形式分析了关节灵活工作空间特征。建立了人体三支链的动力学模型,并对人体下肢静力学及步行动力学进行分析求解。根据拉格朗日原理,获得考虑惯性力和惯性力矩的空间力系平衡方程并完成求解;在空间力系平衡方程与实验数据的支撑下,分析了人体站立时下肢静力学特征及人行走时髋关节、膝关节、踝关节的关节力和关节力矩的变化图像和其上下限、变化范围。以人形机器人的球面并联仿生踝关节为例,针对特定自然人的身高、体重以及步行周期,以人体运动轨迹函数作为输出进行运动学反解,通过与Adams仿真软件得到的结果进行对比,验证了通用函数的一般性;以实测人体关节力和关节力矩为参考,通过关节机构的动力学的计算,得到驱动力、选择合适的驱动电机,体现了实测与分析的结果的基础性与实用性。
【关键词】：人形并联机器人 人体运动分析 运动捕捉 步态分析 关节灵活工作空间 关节力 关节力矩
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP242
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第1章 绪论12-21
• 1.1 研究背景及意义12-13
• 1.2 人体运动特性分析现状13-18
• 1.2.1 人体运动特性分析国外发展现状13-15
• 1.2.2 人体运动特性分析国内研究现状15-16
• 1.2.3 人体运动研究及适用领域16-17
• 1.2.4 人体运动研究存在问题17-18
• 1.3 本文研究方法18-19
• 1.4 研究内容19-21
• 第2章 人体主体骨架运动模型的构建21-36
• 2.1 引言21
• 2.2 人体解剖学专业术语21-24
• 2.2.1 解剖学姿势21-22
• 2.2.2 解剖学方位术语22
• 2.2.3 解剖学的轴和面22-23
• 2.2.4 人体骨架模型坐标系的建立23-24
• 2.3 人体骨学24-27
• 2.3.1 骨骼的分类24-27
• 2.4 骨连接27-30
• 2.4.1 直接连接27
• 2.4.2 间接连结27-30
• 2.5 人体肌学30-31
• 2.5.1 肌的形态和构造30
• 2.5.2 肌的起止、配布和作用30-31
• 2.5.3 肌的辅助装置31
• 2.6 人体主体骨架运动模型31-35
• 2.6.1 人体环节划分31-32
• 2.6.2 人体主体骨架运动模型的构建32-33
• 2.6.3 人体主体骨架运动模型坐标系建立33-35
• 2.7 本章小结35-36
• 第3章 人体步态分析及步行通用函数36-68
• 3.1 引言36
• 3.2 实验设备——Xsens MVN惯性运动捕捉设备36-44
• 3.2.1 设备原理及简介36-37
• 3.2.2 数据采集37-38
• 3.2.3 数据存储38-40
• 3.2.4 数据处理40-42
• 3.2.5 欧拉角42-44
• 3.3 人体运动姿态研究思路44-46
• 3.3.1 关节数据的保存和提取44
• 3.3.2 人体运动姿态曲线拟合44-46
• 3.4 步行运动学研究46-67
• 3.4.1 测量对象46
• 3.4.2 步态分析参数及定义46-48
• 3.4.3 行走规律的探索48-50
• 3.4.4 关节角度变化50-51
• 3.4.5 运动轨迹拟合51-55
• 3.4.6 运动学特征时相、特征时刻、特征极值与h,m,T的关系55-67
• 3.5 本章小结67-68
• 第4章 关节组灵活工作空间68-87
• 4.1 引言68-69
• 4.2 关节组灵活工作空间球坐标表示69-82
• 4.2.1 肩关节灵活工作空间70-77
• 4.2.2 髋关节灵活工作空间77-80
• 4.2.3 踝关节灵活工作空间80-82
• 4.3 关节组灵活工作空间欧拉角表示82-86
• 4.3.1 肩关节灵活工作空间83-84
• 4.3.2 髋关节灵活工作空间84-85
• 4.3.3 踝关节灵活工作空间85-86
• 4.4 本章小结86-87
• 第5章 下肢静力学及步行动力学研究87-107
• 5.1 引言87
• 5.2 下肢动力学分析87-96
• 5.3 人体正常站立时下肢静力学96-98
• 5.4 人体行走时的关节动力学98-106
• 5.4.1 行走足底力分析98-100
• 5.4.2 关节力与关节力矩变化图像100-105
• 5.4.3 步行关节力与关节力矩范围表105-106
• 5.5 本章小结106-107
• 第6章 人体运动学、动力学的应用和验证107-114
• 6.1 引言107
• 6.2 人体运动学求解机构输入107-111
• 6.2.1 球面并联仿生踝关节简介107-108
• 6.2.2 运动学反解分析108-109
• 6.2.3 数值计算和仿真验证109-111
• 6.3 电机的选取111-113
• 6.3.1 动力学建模112
• 6.3.2 电机的选取112-113
• 6.4 本章小结113-114
• 结论114-116
• 参考文献116-121
• 攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果121-122
• 致谢122

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