基于Xsens MVN慣性運動捕捉系統(tǒng)裝備的人體運動特性研究.pdf

1、隨著《中國制造2025》計劃的公布與實施，高檔數(shù)控機床和機器人已成為其中的關(guān)鍵性領(lǐng)域技術(shù)之一。人形機器人是機器人技術(shù)領(lǐng)域重要的部分。要使人形機器人服務(wù)家庭、融入社會則其必須具有自然人的形態(tài)與特征。對于人體關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的模仿、肌肉群的并聯(lián)驅(qū)動方式(協(xié)同和拮抗)、關(guān)節(jié)運動規(guī)律的自身內(nèi)在機構(gòu)學(xué)本質(zhì)屬性與特征的研究，是人形機器人的仿生研究與設(shè)計的理論基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)支撐，具有科學(xué)意義與實際價值。
　　利用Xsens MVN慣性運動捕捉設(shè)備，采集人體

2、典型運動與姿態(tài)——步行的實驗數(shù)據(jù)，基于人體的關(guān)節(jié)和骨架段的線位移、角位移、線速度、角速度、線加速度、角加速度運動學(xué)參數(shù)，研究人體運動學(xué)、靜力學(xué)、動力學(xué)特征，并對肩關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)的工作空間進行實測、分析與描述。主要內(nèi)容如下：
　　構(gòu)建了人體主體骨架運動模型?；谌梭w解剖學(xué)原理結(jié)構(gòu)，將人體分23個體段、具有18個關(guān)節(jié)、36個自由度；定義了部分解剖學(xué)專業(yè)術(shù)語；并規(guī)劃建立了統(tǒng)一的人體主體骨架模型坐標體系。
　　利用Xsens

3、MVN慣性運動捕捉設(shè)備，采集了40組人體日常步行動作的實驗數(shù)據(jù)。在分析和歸納了個體行走時髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)角隨時間變化的規(guī)律與特性的基礎(chǔ)上，建立了行走時三關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)角隨時間變化的通用函數(shù)；在分析了40組步行數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，以身高、體重、步行周期三個參數(shù)為自變量，通過函數(shù)擬合給出了通用函數(shù)系數(shù)求解方程。
　　針對人體三大主要關(guān)節(jié)即肩關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)的球面運動屬性，將工作空間簡化為球面上一部分，以關(guān)節(jié)輸出標記點(極限)劃過

4、的軌跡所包絡(luò)的球面部分為關(guān)節(jié)靈活工作空間，采集了關(guān)節(jié)靈活工作空間實測數(shù)據(jù)，并從球坐標和歐拉角兩種描述形式分析了關(guān)節(jié)靈活工作空間特征。
　　建立了人體三支鏈的動力學(xué)模型，并對人體下肢靜力學(xué)及步行動力學(xué)進行分析求解。根據(jù)拉格朗日原理，獲得考慮慣性力和慣性力矩的空間力系平衡方程并完成求解；在空間力系平衡方程與實驗數(shù)據(jù)的支撐下，分析了人體站立時下肢靜力學(xué)特征及人行走時髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)力和關(guān)節(jié)力矩的變化圖像和其上下限、變化范圍。