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人体上肢运动学分析与类人肢体设计及运动规划

陈文斌  
【摘要】:类人肢体是指功能结构与人肢体类似、外形与人肢体接近,能够对运动功能缺失的肢体进行功能替代(全尺寸假肢)、运动功能受损的肢体进行功能辅助(外骨骼肢体康复机器人)或者对肢体负载能力进行功能增强(外骨骼机器人)的一类机械肢体的统称。针对类人肢体运动学设计及运动规划中的共性基础问题,在人肢体运动学分析与性能评价的基础上,对类人肢体运动机构与驱动机构设计以及拟人运动规划等开展了系统深入的研究。这些研究对于加深人类对自身运动能力的认识,创新类人肢体设计理念,具有重要的理论意义和应用价值。本论文的主要研究工作包括: 针对人体上肢不同节段在日常功能运动中的特点,构建了由胸骨-锁骨-肩胛骨-肱骨-前臂(尺骨+桡骨)组成的人体上肢功能运动链,建立了上肢功能运动链的运动学模型,提出了肢体运动灵巧性和可操作性椭球指标。结合多目运动解析系统这一数字化手段,建立了基于辅助刚体的骨性标记点空间轨迹的动态重构方法,以及基于最小二乘原理的肱骨转动中心估计方法。结合3种典型功能运动,对上肢功能运动轨迹上的运动灵巧性与操作能力进行了定量的评价,相关实验结果验证了评价方法的有效性。 围绕用工程科学的方法复现人体上肢功能运动的目标,建立了外骨骼康复机器人与人体上肢之间的运动映射关系,提出了具有8个主动自由度和2个被动自由度的外骨骼康复机器人设计方法,构建了由气动肌肉-钢丝绳-关节盘-钢丝绳-气动肌肉组成的柔性驱动单元,提出了钢丝绳张紧与分离装置的设计方法,为安全舒适的康复训练提供了有效的保障。提出了相对灵巧性指标,为定量比较康复机器人与人体上肢的运动能力提供了依据。实验结果验证了外骨骼康复机器人运动机构与驱动机构设计方法的合理性。 针对现有方法在求解多自由度复杂空间机构工作空间时存在计算量大、迭代求解算法不稳定等弊端,定义了评价空间点与网格角点远近程度的距离权重指标,构建了描述空间散乱点云在不同网格角点附近分布密集程度的三维距离权重矩阵,提出了三维距离权重矩阵平滑处理的三维卷积方法,结合关节空间均匀采样得到的机械臂末端空间位置的点云,提出了多自由度复杂运动链工作空间边界的求解方法,运用该方法分析了类人肢体与人体上肢工作空间的形态和包容关系,研究结果验证了提出的工作空间边界提取方法的有效性。 针对类人肢体复现人体上肢功能运动轨迹时空特征的基本要求,在SE(3)上建立了刚体运动的广义牛顿方程,构造了诱导人手形成高曲率运动轨迹与单峰钟形速度轨迹的混合势场,建立了混合势场作用下的力1-形式,以及力的1-形式与SE(3)群结构中余切空间上向量之间的微分映射关系。在关节空间定义了诱导关节角变化的伪势能函数,提出了复现人肢体运动轨迹时空特征的臂手假肢运动轨迹生成方法,该方法生成的四种功能运动轨迹与实测的功能运动轨迹比较的结果表明,提出的臂手假肢运动规划方法能够复现人肢体功能运动轨迹的时空特征。


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