基于計算機仿真技術(shù)的人體上肢日常運動規(guī)律的研究.pdf

1、研究人體上肢日常運動規(guī)律對于手臂外骨骼的設(shè)計和控制具有重要的指導(dǎo)意義，可應(yīng)用于臨床診斷、康復(fù)訓(xùn)練、體育運動損傷評估、人機工程學(xué)等領(lǐng)域。本文以喝水動作為對象，運用計算機仿真技術(shù)研究不同條件下單關(guān)節(jié)和整個上肢的驅(qū)動力矩和功耗，以及全過程的總耗能。主要工作包括：
　　 1.從解剖學(xué)角度對人體上肢的生理結(jié)構(gòu)及其運動形式進行分析，歸納了上肢各關(guān)節(jié)的運動轉(zhuǎn)角范圍及其生物力學(xué)參數(shù)的計算公式。在此基礎(chǔ)上基于剛體假設(shè)理論設(shè)計了四自由度的二剛體(前

2、臂和上臂)上肢模型。
　　 2.運用機器人運動學(xué)和動力學(xué)理論，首先根據(jù)D-H方法和齊次變換原理建立了上肢模型的運動學(xué)方程，并對其正逆求解問題進行了簡要闡述；然后基于運動的能量項采用拉格朗日方程法建立了上肢模型的動力學(xué)方程。
　　 3.在ADAMS仿真平臺上，采用上述模型和方程，對喝水動作進行仿真和數(shù)據(jù)測量實驗，研究上肢日常運動規(guī)律：
　　 (1)通過觀察實測為模型提供時間和轉(zhuǎn)角的輸入?yún)?shù)。本文選擇一名健康成年男子

3、，對其喝水動作進行了3種運動速度(正常、快速、慢速)和4種運動軌跡(正常1種、非正常2種，避障1種)的實驗(每個實驗重復(fù)10次)，通過計時、多角度拍照及角度測量獲取每次實驗的動作完成時間和手臂末端到達各目標位置時的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)，為仿真實驗提供基礎(chǔ)源數(shù)據(jù)。
　　 (2)通過設(shè)定不同運動速度、運動軌跡、環(huán)節(jié)質(zhì)量、質(zhì)心位置和有無避障進行不同條件的ADAMS仿真實驗，測量單關(guān)節(jié)和整個上肢的驅(qū)動力矩和功耗，以及全過程的總耗能。
　　

4、 (3)通過與正常喝水動作測量數(shù)據(jù)的比較和分析，總結(jié)出人體上肢日常運動規(guī)律：驅(qū)動力矩和功耗瞬間峰值與運動速度成正比；障礙物的存在會增加驅(qū)動力矩和功耗；正常動作遵循單關(guān)節(jié)最小功耗原則；關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角存在性能最佳的活動范圍；上肢質(zhì)量越大，驅(qū)動力矩、功耗和總耗能隨之增大；相對健康狀態(tài)，環(huán)節(jié)質(zhì)心位置偏低會增加驅(qū)動力矩、功耗和總耗能。
　　 實驗結(jié)果不僅驗證了本文方法的可行性和正確性，而且揭示出了人體上肢的運動規(guī)律，同時還可以為手臂外骨骼的設(shè)