人體上肢運(yùn)動(dòng)學(xué)分析與類(lèi)人肢體設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)規(guī)劃.pdf

1、類(lèi)人肢體是指功能結(jié)構(gòu)與人肢體類(lèi)似、外形與人肢體接近,能夠?qū)\(yùn)動(dòng)功能缺失的肢體進(jìn)行功能替代(全尺寸假肢)、運(yùn)動(dòng)功能受損的肢體進(jìn)行功能輔助(外骨骼肢體康復(fù)機(jī)器人)或者對(duì)肢體負(fù)載能力進(jìn)行功能增強(qiáng)(外骨骼機(jī)器人)的一類(lèi)機(jī)械肢體的統(tǒng)稱(chēng)。針對(duì)類(lèi)人肢體運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)規(guī)劃中的共性基礎(chǔ)問(wèn)題,在人肢體運(yùn)動(dòng)學(xué)分析與性能評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上,對(duì)類(lèi)人肢體運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)以及擬人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃等開(kāi)展了系統(tǒng)深入的研究。這些研究對(duì)于加深人類(lèi)對(duì)自身運(yùn)動(dòng)能力的認(rèn)識(shí),創(chuàng)新類(lèi)人肢體

2、設(shè)計(jì)理念,具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。本論文的主要研究工作包括:
　　針對(duì)人體上肢不同節(jié)段在日常功能運(yùn)動(dòng)中的特點(diǎn),構(gòu)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(yùn)動(dòng)鏈,建立了上肢功能運(yùn)動(dòng)鏈的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型,提出了肢體運(yùn)動(dòng)靈巧性和可操作性橢球指標(biāo)。結(jié)合多目運(yùn)動(dòng)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(biāo)記點(diǎn)空間軌跡的動(dòng)態(tài)重構(gòu)方法,以及基于最小二乘原理的肱骨轉(zhuǎn)動(dòng)中心估計(jì)方法。結(jié)合3種典型功能運(yùn)動(dòng),對(duì)上肢功能

3、運(yùn)動(dòng)軌跡上的運(yùn)動(dòng)靈巧性與操作能力進(jìn)行了定量的評(píng)價(jià),相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了評(píng)價(jià)方法的有效性。
　　圍繞用工程科學(xué)的方法復(fù)現(xiàn)人體上肢功能運(yùn)動(dòng)的目標(biāo),建立了外骨骼康復(fù)機(jī)器人與人體上肢之間的運(yùn)動(dòng)映射關(guān)系,提出了具有8個(gè)主動(dòng)自由度和2個(gè)被動(dòng)自由度的外骨骼康復(fù)機(jī)器人設(shè)計(jì)方法,構(gòu)建了由氣動(dòng)肌肉-鋼絲繩-關(guān)節(jié)盤(pán)-鋼絲繩-氣動(dòng)肌肉組成的柔性驅(qū)動(dòng)單元,提出了鋼絲繩張緊與分離裝置的設(shè)計(jì)方法,為安全舒適的康復(fù)訓(xùn)練提供了有效的保障。提出了相對(duì)靈巧性指標(biāo),為定量

4、比較康復(fù)機(jī)器人與人體上肢的運(yùn)動(dòng)能力提供了依據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了外骨骼康復(fù)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的合理性。
　　針對(duì)現(xiàn)有方法在求解多自由度復(fù)雜空間機(jī)構(gòu)工作空間時(shí)存在計(jì)算量大、迭代求解算法不穩(wěn)定等弊端,定義了評(píng)價(jià)空間點(diǎn)與網(wǎng)格角點(diǎn)遠(yuǎn)近程度的距離權(quán)重指標(biāo),構(gòu)建了描述空間散亂點(diǎn)云在不同網(wǎng)格角點(diǎn)附近分布密集程度的三維距離權(quán)重矩陣,提出了三維距離權(quán)重矩陣平滑處理的三維卷積方法,結(jié)合關(guān)節(jié)空間均勻采樣得到的機(jī)械臂末端空間位置的點(diǎn)云,提出了多

5、自由度復(fù)雜運(yùn)動(dòng)鏈工作空間邊界的求解方法,運(yùn)用該方法分析了類(lèi)人肢體與人體上肢工作空間的形態(tài)和包容關(guān)系,研究結(jié)果驗(yàn)證了提出的工作空間邊界提取方法的有效性。
　　針對(duì)類(lèi)人肢體復(fù)現(xiàn)人體上肢功能運(yùn)動(dòng)軌跡時(shí)空特征的基本要求,在(3)SE上建立了剛體運(yùn)動(dòng)的廣義牛頓方程,構(gòu)造了誘導(dǎo)人手形成高曲率運(yùn)動(dòng)軌跡與單峰鐘形速度軌跡的混合勢(shì)場(chǎng),建立了混合勢(shì)場(chǎng)作用下的力1-形式,以及力的1-形式與(3)SE群結(jié)構(gòu)中余切空間上向量之間的微分映射關(guān)系。在關(guān)節(jié)空間定