基于計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的人體上肢日常運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究.pdf

1、研究人體上肢日常運(yùn)動(dòng)規(guī)律對(duì)于手臂外骨骼的設(shè)計(jì)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(yùn)動(dòng)損傷評(píng)估、人機(jī)工程學(xué)等領(lǐng)域。本文以喝水動(dòng)作為對(duì)象，運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)研究不同條件下單關(guān)節(jié)和整個(gè)上肢的驅(qū)動(dòng)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(duì)人體上肢的生理結(jié)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)形式進(jìn)行分析，歸納了上肢各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)角范圍及其生物力學(xué)參數(shù)的計(jì)算公式。在此基礎(chǔ)上基于剛體假設(shè)理論設(shè)計(jì)了四自由度的二剛體(前

2、臂和上臂)上肢模型。
　　 2.運(yùn)用機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)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(yùn)動(dòng)學(xué)方程，并對(duì)其正逆求解問題進(jìn)行了簡(jiǎn)要闡述；然后基于運(yùn)動(dòng)的能量項(xiàng)采用拉格朗日方程法建立了上肢模型的動(dòng)力學(xué)方程。
　　 3.在ADAMS仿真平臺(tái)上，采用上述模型和方程，對(duì)喝水動(dòng)作進(jìn)行仿真和數(shù)據(jù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)，研究上肢日常運(yùn)動(dòng)規(guī)律：
　　 (1)通過觀察實(shí)測(cè)為模型提供時(shí)間和轉(zhuǎn)角的輸入?yún)?shù)。本文選擇一名健康成年男子

3、，對(duì)其喝水動(dòng)作進(jìn)行了3種運(yùn)動(dòng)速度(正常、快速、慢速)和4種運(yùn)動(dòng)軌跡(正常1種、非正常2種，避障1種)的實(shí)驗(yàn)(每個(gè)實(shí)驗(yàn)重復(fù)10次)，通過計(jì)時(shí)、多角度拍照及角度測(cè)量獲取每次實(shí)驗(yàn)的動(dòng)作完成時(shí)間和手臂末端到達(dá)各目標(biāo)位置時(shí)的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)，為仿真實(shí)驗(yàn)提供基礎(chǔ)源數(shù)據(jù)。
　　 (2)通過設(shè)定不同運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)軌跡、環(huán)節(jié)質(zhì)量、質(zhì)心位置和有無避障進(jìn)行不同條件的ADAMS仿真實(shí)驗(yàn)，測(cè)量單關(guān)節(jié)和整個(gè)上肢的驅(qū)動(dòng)力矩和功耗，以及全過程的總耗能。
　　

4、 (3)通過與正常喝水動(dòng)作測(cè)量數(shù)據(jù)的比較和分析，總結(jié)出人體上肢日常運(yùn)動(dòng)規(guī)律：驅(qū)動(dòng)力矩和功耗瞬間峰值與運(yùn)動(dòng)速度成正比；障礙物的存在會(huì)增加驅(qū)動(dòng)力矩和功耗；正常動(dòng)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(dòng)范圍；上肢質(zhì)量越大，驅(qū)動(dòng)力矩、功耗和總耗能隨之增大；相對(duì)健康狀態(tài)，環(huán)節(jié)質(zhì)心位置偏低會(huì)增加驅(qū)動(dòng)力矩、功耗和總耗能。
　　 實(shí)驗(yàn)結(jié)果不僅驗(yàn)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(yùn)動(dòng)規(guī)律，同時(shí)還可以為手臂外骨骼的設(shè)