张爱丽[1]2003年在《基于MATLAB的人体上肢运动分析及仿真》文中研究指明七自由度人体上肢模型自由度较多，接近人体上肢的动作机能，但由于每增加一个自由度都需配备相关的驱动装置，使机构的复杂度和成本成倍地增加。当为残疾人设计仿生上肢时，仅需考虑使用者能完成最基本的日常活动，故可以对七自由度上肢模型的几个自由度进行必要的取舍，以得到能帮助残疾人完成基本日常活动、自由度更少、机构更加简单的仿生上肢。本文通过实验和理论分析建立了五自由度的上肢模型，该模型能代替七自由度上肢完成日常活动，简化了仿生上肢机构，降低其生产成本。文中还运用MATLAB语言对所建立的五自由度上肢模型进行了运动学和动力学分析及仿真。 在总结人体上肢45项基本日常活动的基础上，对这些活动进行了动作分解、提取及过滤，得到8项影响上肢关节活动范围的动作，将其作为实验项目，测得人体上肢在日常活动中的关节活动范围。结合实验结果，建立了能代替七自由度上肢完成日常活动的五自由度上肢模型。该模型能满足残疾人对仿生上肢可完成基本日常活动、成本低、灵巧美观的要求。 采用VC与MATLAB语言混合编程及引擎调用技术，编制了五自由度上肢的运动分析程序，并对该模型进行了合理性分析。用户只需输入仿生上肢的结构参数和状态参数，就可对其进行运动学和动力学分析，得到上肢的位置、姿势和关节驱动力，并实现上肢模型的仿真。
高文杰[2]2000年在《五自由度人体上肢仿生机构运动学及动力学的研究》文中研究说明根据人体上肢的生理解剖特点及对以往测量人体上肢完成日常生活运动资料进行的分析和研究，将人体上肢的7个自由度进行了必要的取舍，给出了一种5自由度人体上肢仿生机构的运动模型。人体上肢仿生机构机构采用该模型，自由度较少，从而可以成倍地降低其复杂度和研制成本。 为了了解人体上肢的运动，对人体上肢完成日常生活运动的各关节运动角度进行了测量，本论文将常见的日常生活行为分解成26个基本的动作，并对人体上肢到达这些功能点位置的姿势作了明确的规定，实验结果相对收敛。 以实验测量的结果为基础，对人体上肢进行了运动分析，计算出人体上肢完成各基本动作的终端位姿。对人体上肢仿生机构进行了运动综合，求出了5自由度仿生机构到达人体上肢终端位姿时各关节的角度，并导出了仿生机构速度、加速度的计算公式。最后对人体上肢仿生机构进行了静力学和动力学的分析，得到了仿生机构各关节驱动力和驱动力矩的表达式。
许路航[3]2011年在《基于计算机仿真技术的人体上肢日常运动规律的研究》文中指出研究人体上肢日常运动规律对于手臂外骨骼的设计和控制具有重要的指导意义,可应用于临床诊断、康复训练、体育运动损伤评估、人机工程学等领域。本文以喝水动作为对象,运用计算机仿真技术研究不同条件下单关节和整个上肢的驱动力矩和功耗,以及全过程的总耗能。主要工作包括：1.从解剖学角度对人体上肢的生理结构及其运动形式进行分析,归纳了上肢各关节的运动转角范围及其生物力学参数的计算公式。在此基础上基于刚体假设理论设计了四自由度的二刚体(前臂和上臂)上肢模型。2.运用机器人运动学和动力学理论,首先根据D-H方法和齐次变换原理建立了上肢模型的运动学方程,并对其正逆求解问题进行了简要阐述；然后基于运动的能量项采用拉格朗日方程法建立了上肢模型的动力学方程。3.在ADAMS仿真平台上,采用上述模型和方程,对喝水动作进行仿真和数据测量实验,研究上肢日常运动规律：(1)通过观察实测为模型提供时间和转角的输入参数。本文选择一名健康成年男子,对其喝水动作进行了3种运动速度(正常、快速、慢速)和4种运动轨迹(正常1种、非正常2种,避障1种)的实验(每个实验重复10次),通过计时、多角度拍照及角度测量获取每次实验的动作完成时间和手臂末端到达各目标位置时的关节转角数据,为仿真实验提供基础源数据。(2)通过设定不同运动速度、运动轨迹、环节质量、质心位置和有无避障进行不同条件的ADAMS仿真实验,测量单关节和整个上肢的驱动力矩和功耗,以及全过程的总耗能。(3)通过与正常喝水动作测量数据的比较和分析,总结出人体上肢日常运动规律：驱动力矩和功耗瞬间峰值与运动速度成正比；障碍物的存在会增加驱动力矩和功耗；正常动作遵循单关节最小功耗原则；关节转角存在性能最佳的活动范围；上肢质量越大,驱动力矩、功耗和总耗能随之增大；相对健康状态,环节质心位置偏低会增加驱动力矩、功耗和总耗能。实验结果不仅验证了本文方法的可行性和正确性,而且揭示出了人体上肢的运动规律,同时还可以为手臂外骨骼的设计和控制提供量化的参数依据,有助于其设计优化。
汪莉[4]2006年在《基于电磁跟踪系统的人体上肢运动信息的检测》文中指出人体运动信息的检测具有非常重要的意义，在临床诊断、运动捕捉、人机工程、康复工程、仿生学等领域有着广泛的应用。本文应用Polhemus公司的六自由度电磁跟踪系统，建立了基于电磁跟踪系统的人体上肢运动信息检测分析系统。 本文介绍了人体的解剖生理学结构、人体测量的基本知识和几种常见的人体运动学模型。接着对40项日常生活活动进行实验，用摄像机记录了9名正常成年人进行这40项活动的过程。分解每个活动，共得到16个基本动作。关节的各个自由度若都能满足这些基本动作的需求，即可顺利地进行日常生活活动。 然后对电磁跟踪系统利用传感器进行运动跟踪的原理、方法等相关的问题进行了论述。提出了一种利用电磁跟踪系统测量肘、腕关节屈／伸轴方向的方法，重新描述了上肢七自由度，优化了上肢运动模型，并且提出了一种相应优化后上肢模型的七自由度的计算方法。该算法可以由附着在上肢各环节上的传感器的位姿计算出上肢在运动过程中七自由度的变化情况，并使用MATLAB编写程序实现了该算法。 最后，实际测量了4名正常成年人的上肢肘、腕关节的屈／伸轴方向和进行2个ADL基本动作时上肢7个自由度的变化情况，实验表明，优化后的人体上肢运动模型和七自由度的算法是一种可靠和方便的测量方法。
左伟龙[5]2018年在《一种新型上肢康复机器人的运动学分析与实验研究》文中进行了进一步梳理脑卒中俗称脑中风,是一种高发病率、高死亡率、高致残率的疾病。2016年在“中国脑卒中大会暨第六届全国心脑血管病论坛”有专家指出,目前我国脑卒中的发病率以每年8.7%的速度上涨,而且发病趋势逐渐年轻化,病情十分不容乐观。最新研究结果表明:及早、及时、科学有效的对脑卒中患者的患肢进行康复性运动训练,可以极大的提高患者恢复肢体运动功能的速度。传统的治疗手段通常采用一对一的康复性运动训练,这种治疗方式无法记录病人的运动状况、运动速度、及运动强度等,同时治疗效果取决于康复理疗师的工作方法、工作态度、工作经验等。随着机器人应用范围越来越广泛,人们逐渐将其应用到康复医学领域。本文针对患者上肢康复训练的问题,设计开发了一种新型串并混联上肢康复机器人,完成了运动学的分析与优化、动力学的建模与分析、典型康复轨迹的仿真实验、实验平台的搭建,主要内容如下:1、提出了一种新型的串并混联康复机器人,基于D-H方法,建立了机器人关节坐标系,求出了机器人的运动学正解和反解。采用微分变换方法,得出了机器人的雅克比矩阵,确定了机器人的奇异位形,结果表明,该机器人在X-Y平面上,以点(0,-(R+a_1))为圆心,L为半径的圆上存在奇异位形。利用数值方法,求解出了机器人的工作空间,其在X-Y平面的投影为一扇形,其最大外接圆半径为350mm。以灵巧度作为优化目标函数,采用蜂群算法,完成了机器人机构优化。2、利用拉格朗日方程,建立了上肢康复机器人的动力学模型,求得了各个关节驱动力函数表达式。通过具体算例,并利用MATLAB与ADAMS两款软件对动力学进行仿真分析。对比两者仿真的结果可以看出,动力学模型与虚拟样机模型建立正确。3、针对脑卒中治疗问题,探讨了被动运动训练模式,在此模式下,患者通过完成一些典型的康复性动作,从而重塑大脑中枢神经系统。针对几种典型的康复轨迹进行了运动仿真,首先建立末端轨迹函数表达式,并通过MATLAB仿真出轨迹图形,其次利用ADAMS对虚拟样机进行仿真,得到末端点的轨迹曲线及电机的速度和加速度曲线。两者仿真结果表明,机构设计合理,运动学模型建立正确。4、研制了上肢康复机器人样机,采用C#语言开发了上位机界面,对“8”字形、“0”字形、“1”字形,“一”字形康复轨迹进行实验验证。实验结果表明,运动学理论分析模型正确,控制系统工作稳定。本研究对后续机器人的刚度分析、轨迹规划、系统控制等工作奠定了一个基础,具有一定的指导意义。
李志宾[6]2018年在《用于人体肩关节康复的球面外骨骼机器人设计与研究》文中指出随着老龄化社会的到来和人们生活水平的提高,机器人在医疗康复和助老助残领域将具有重大应用前景。具有实质性医学科学研究内容的医工交叉研究将是医疗康复机器人的重要研究方向之一。可穿戴外骨骼机器人,它基于仿生原理,结合人体工程学,穿戴于患肢。肩关节是人体上肢的主要运动关节。偏瘫患者或肩关节受伤将直接影响到人的日常生活工作,因此对脑卒中偏瘫或损伤的肩关节康复治疗显得尤为重要。本文基于肩关节生理结构及运动机理,提出了一种用于肩关节康复训练的球面可伸缩外骨骼康复机器人。首先对偏瘫患肢机械康复训练的本质进行了分析,基于肩关节生理结构和运动机理,提出了对肩关节康复机器人设计和性能要求。针对设计要求和存在的问题,提出了一种球面可伸缩外骨骼肩关节康复机器人。利用坐标转换法建立球面可伸缩机构运动学模型,进行正逆运动学求解及奇异性分析,然后结合人体肩关节运动机理,进行运动学仿真分析,得出位移、速度和加速度曲线,验证该机构运动形式能达到肩关节运动要求。然后采用拉格朗日方程法建立肩关节康复机构系统动力学模型,并通过ADAMS进行了动力学仿真分析,为肩关节康复机器人的轨迹跟踪控制分析提供了理论基础。最后考虑到康复机构的运动精度将直接影响到肩关节康复训练的效果,甚至会造成二次损伤,为保证肩关节康复机构能在训练过程具有更好稳定性和位置控制精度,研究了其运动轨迹跟踪控制。分析了独立PD控制、具有重力补偿的PD控制和由PD控制演变而来的计算力矩控制算法。考虑到康复训练过程存在很多影响康复效果的不确定因素,提出了基于变结构补偿的PD反馈控制和PD反馈鲁棒自适应控制算法,然后建立了ADAMS与MATLAB联合仿真平台,对以上控制算法进行联合仿真。结果表明,PD反馈鲁棒自适应控制算法精度能满足肩关节康复训练要求。
杜金霞[7]2008年在《仿人臂通用机器人的研究》文中研究指明本文主要是在分析人体手臂特征的基础上,建立了仿人臂通用机器人的模型并对其进行运动学研究。目前的仿人臂机器人,一般都有七个自由度,因为七自由度的人体上肢较为灵活,但在实际设计和制造仿人臂通用机器人时,每增加一个自由度都会使机构的复杂度和成本成倍地增加,为了使所设计的仿人臂通用机器人最大限度简化机构、降低成本,使其得到普及和推广,本文在满足人臂基本功能的前提下对这七个自由度进行必要的取舍,获得五自由度的仿人臂通用机器人模型,并进一步对这个五自由度的仿人臂通用机器人模型进行运动学分析及仿真。本文的主要研究内容及成果包括以下几个方面:1.突破了以前研究者针对某种特定运动对机器人进行建模的思想,本文根据人体手臂的基本功能建立了适用于绝大多数非指定性运动的五自由度仿人臂通用机器人模型;2.在机器人学的理论基础上,将机器人模型建立在D-H坐标系下,根据变换方程推导出一组简单实用的方程来实现运动学方程的正解;3.由于运动方程的反解是工业机器人运动学系统的一个难点与热点,本文用较大的篇幅推求了一组迭代公式来实现运动方程的反解,并用Matlab验证方法的准确性;4.利用Matlab对五自由度的仿人臂通用机器人模型进行运动学分析及仿真,经过观察和分析可知所设计机器人能够模拟人体手臂的运动,说明该模型设计合理,达到了预期目的。
李海涛[8]2016年在《康复用外骨骼上肢机械臂仿生结构研究》文中指出目前康复工程中外骨骼式的机械康复设备应用广泛,既逐渐满足了理疗康复的巨大需求又使得康复理疗的成本不断降低,对减轻患者的经济负担和理疗师的劳动负担发挥了重要作用,随着外骨骼康复理疗设备在临床的应用和对康复效果的分析,常规外骨骼机械式康复中存在的问题逐渐表现出来。临床发现外骨骼机械臂辅助人体实现康复动作时,患者长期进行机械重复性动作可致肩胛骨部位肌肉造成永久损伤,显著症状为肩峰下疼痛综合征,其原因是肌肉麻痹不能自主收缩,在外力牵引下发生损伤。本文在已完成基本康复动作的外骨骼式上肢康复机器人的基础上研究肩胛骨部分运动的仿生结构设计,用可靠的机械式传动代替电信号控制是本课题的显著特点,因动力需要从肩关节传递到肩胛骨后方的执行机构在空间内位置复杂,且执行机构需要进行位置调整,故选用绳管传动传递动力,钢丝绳和聚四氟乙烯管配合可在空间内灵活适应位置调整的需要,肩关节运动的同时通过减速及调整机构完成与肩胛骨运动的2:1转动关系转换,执行机构辅助肩胛骨运动,改善康复效果。主要对辅助肩胛骨转动系统的设计原理设计过程进行了详细的阐述。使用机械三维建模设计软件完成了结构设计,保证运动过程没有干涉。使用有限元软件对关键部件进行了受力和变形分析,保证零件结构的安全性;并进行模态分析检验机构是否与激励源发生共振。
刘珊[9]2008年在《人体上肢与上肢康复机器人运动控制研究》文中指出随着上肢偏瘫患者数量的增多,上肢康复机器人越来越多地引起人们的重视。但现有的上肢康复系统大多采用开环控制系统结构,较少考虑到患者的主动运动意识和反馈信号。本论文针对上肢康复机器人的运动控制问题,先对人体上肢的运动控制机理进行研究,再结合得到的结论,对上肢康复机器人运动控制进行研究。本文的主要工作和贡献包括以下几个方面:研究了矢状面内人体上肢的姿态控制问题。首先分析了矢状面内人体上肢的运动特性,建立矢状面内人体上肢神经肌肉骨骼系统的数学模型,采用多层感知器神经网络实现上肢姿态控制系统,控制系统的持续时间根据反馈误差实时估计得到,比较Levenberg-Marquardt学习算法和弹性BP算法在上肢姿态控制问题中的适用性。研究了矢状面内人体上肢的大幅度姿态运动控制问题。基于小脑神经网络思想,结合模糊控制和滑模控制理论,提出了一种滑模模糊小脑神经网络。该网络利用滑模面函数转换网络输入信号,提出基于量化方式的多维接受域函数实现联想单元与接受域空间之间的映射,有效地降低了网络的存储空间。网络参数的训练分两阶段完成,粗调阶段以滑模控制器训练网络参数,微调阶段以粗调阶段训练结果为基础,进一步加强控制系统的稳定性。针对人体上肢的轨迹跟踪控制问题,提出了一种进化对角回归神经网络,网络的结构由遗传算法与进化计算结合的混合学习算法优化得到,网络的参数由附加动量因子的自适应动态反向传播学习算法训练得到。这种具有动态映射能力和生物进化特性的神经网络更适合于矢状面内人体上肢这类多变量非线性系统的轨迹跟踪控制,可以进一步用于康复机器人控制等问题中。讨论了人体上肢的实时轨迹跟踪控制问题。在滑模模糊小脑神经网络的基础上,提出了一种滑模对角回归小脑神经网络。该网络在联想层节点中引入自回归单元,使网络具有更好的动态映射能力。这种动态小脑神经网络具有更好的跟踪平滑性和更强的鲁棒性,适合于多变量不确定非线性系统的动态控制。研究了上肢康复机器人的姿态控制问题。分析了上肢康复机器人的功能和结构,对上肢康复系统的机械结构部分建立了动力学模型。根据临床观察和患肢的病理分析,设计患者的主动作用函数。根据上肢康复机器人的控制需求,结合人体运动控制思想,采用鲁棒控制实现了上肢康复系统的大幅度姿态运动控制。根据李亚普诺夫稳定性定理,设计鲁棒控制律,并在仿真和实验中验证该控制律的有效性。讨论了上肢康复机器人的轨迹跟踪问题。基于逆向动力学补偿和滑模控制,提出一种多变量滑模控制策略,较好地实现了上肢康复系统的机械结构模型的轨迹跟踪控制。最后,对全文进行了总结,并指出了下一步需要进行的工作。
申登高[10]2016年在《人体下肢康复训练机构的综合与分析研究》文中认为下肢康复医学机构的研究是最近几年比较受关注的领域,其涵盖了医学,人体仿生学,人工智能学,信息分析数学,工程计算学等多门学科。对于康复机械的设计,不单单是从设计角度考虑问题,还要结合患者的自身状况进行设计,对于设计者有很高的要求,尤其在机械机构设计方面显得尤为重要,并且需要制定详细的康复方案。对于患者的康复治疗可以起到导向作用,也可以很好的帮助医生做一些协助工作。因此对于康复器械的研究具有重要的实际意义。本文设计了一个可以帮助人体下肢实现自行康复的机构。首先,研究了国内外对于医疗康复机构的研究现状,技术问题,未来的趋势,结合本设计对于设计的意义及面对的技术难点需要借鉴的优势等进行系统性的研究,对于人体下肢的基本结构尺寸,以及人体跨步走的姿势以及角度变化进行分析。并在此基础上分析人体下肢康复训练机器人机构建立的条件,做出人体下肢康复机构的方案。并且对于下肢康复各个关节的运动机理进行分析,对于机构的自由度进行配比,以及机械构型的理论分析,然后通过Pro/E建立机构三维模型,并对机构的驱动方式,所用的材料,电机类型的选择进行说明。其次,对于下肢康复机械机构进行运动学分析,先将整个机构进行简化分开对于各个关节的机械机构的自由度进行计算,再对各个关节的位置正逆解、速度和加速度进行分析。最后,对于机构的仿真分析,先用MATLAB的编程计算可以得出驱动杆长的位移曲线,速度曲线,以及加速度曲线。并对于Pro/E所建立的模型导入到ADAMS中并且进行运动学分析仿真。把通过MATLAB编程计算所得到的杆长的位移曲线,加速度曲线,速度曲线与通过ADAMS仿真产生的曲线进行比较,两组曲线完全一致,证明了理论推导的正确性。并且机构运动所产生的位移曲线、速度、加速度曲线图可以看出,都是一些过渡平滑的曲线,没有较大的波动,因此机构在康复训练的时候不会产生较大的冲击,经过理论分析对于下一步下肢康复机构的实际设计工作有着重要的实际意义。
参考文献：
[1]. 基于MATLAB的人体上肢运动分析及仿真[D]. 张爱丽. 天津科技大学. 2003
[2]. 五自由度人体上肢仿生机构运动学及动力学的研究[D]. 高文杰. 天津轻工业学院. 2000
[3]. 基于计算机仿真技术的人体上肢日常运动规律的研究[D]. 许路航. 青岛大学. 2011
[4]. 基于电磁跟踪系统的人体上肢运动信息的检测[D]. 汪莉. 天津科技大学. 2006
[5]. 一种新型上肢康复机器人的运动学分析与实验研究[D]. 左伟龙. 郑州大学. 2018
[6]. 用于人体肩关节康复的球面外骨骼机器人设计与研究[D]. 李志宾. 中北大学. 2018
[7]. 仿人臂通用机器人的研究[D]. 杜金霞. 兰州理工大学. 2008
[8]. 康复用外骨骼上肢机械臂仿生结构研究[D]. 李海涛. 青岛大学. 2016
[9]. 人体上肢与上肢康复机器人运动控制研究[D]. 刘珊. 华中科技大学. 2008
[10]. 人体下肢康复训练机构的综合与分析研究[D]. 申登高. 中北大学. 2016
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