人體上肢運動學分析與類人肢體設計及運動規(guī)劃.pdf

1、類人肢體是指功能結構與人肢體類似、外形與人肢體接近,能夠對運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計及運動規(guī)劃中的共性基礎問題,在人肢體運動學分析與性能評價的基礎上,對類人肢體運動機構與驅動機構設計以及擬人運動規(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、設計理念,具有重要的理論意義和應用價值。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)重構方法,以及基于最小二乘原理的肱骨轉動中心估計方法。結合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,相關實驗結果驗證了評價方法的有效性。
　　圍繞用工程科學的方法復現(xiàn)人體上肢功能運動的目標,建立了外骨骼康復機器人與人體上肢之間的運動映射關系,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機器人設計方法,構建了由氣動肌肉-鋼絲繩-關節(jié)盤-鋼絲繩-氣動肌肉組成的柔性驅動單元,提出了鋼絲繩張緊與分離裝置的設計方法,為安全舒適的康復訓練提供了有效的保障。提出了相對靈巧性指標,為定量

4、比較康復機器人與人體上肢的運動能力提供了依據(jù)。實驗結果驗證了外骨骼康復機器人運動機構與驅動機構設計方法的合理性。
　　針對現(xiàn)有方法在求解多自由度復雜空間機構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重指標,構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重矩陣,提出了三維距離權重矩陣平滑處理的三維卷積方法,結合關節(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)和包容關系,研究結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,構造了誘導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群結構中余切空間上向量之間的微分映射關系。在關節(jié)空間定