基于Xsens MVN惯性运动捕捉系统装备的人体运动特性研究

作     者：张雄杰 

作者单位：燕山大学 

学位级别：硕士

导师姓名：周玉林

授予年度：2016年

学科分类：08[工学] 080202[工学-机械电子工程] 0802[工学-机械工程] 

主      题：人形并联机器人 人体运动分析 运动捕捉 步态分析 关节灵活工作空间 关节力 关节力矩 

摘      要：随着《中国制造2025》计划的公布与实施,高档数控机床和机器人已成为其中的关键性领域技术之一。人形机器人是机器人技术领域重要的部分。要使人形机器人服务家庭、融入社会则其必须具有自然人的形态与特征。对于人体关节结构的模仿、肌肉群的并联驱动方式(协同和拮抗)、关节运动规律的自身内在机构学本质属性与特征的研究,是人形机器人的仿生研究与设计的理论基础和数据支撑,具有科学意义与实际价值。利用Xsens MVN惯性运动捕捉设备,采集人体典型运动与姿态——步行的实验数据,基于人体的关节和骨架段的线位移、角位移、线速度、角速度、线加速度、角加速度运动学参数,研究人体运动学、静力学、动力学特征,并对肩关节、髋关节、踝关节的工作空间进行实测、分析与描述。主要内容如下:构建了人体主体骨架运动模型。基于人体解剖学原理结构,将人体分23个体段、具有18个关节、36个自由度;定义了部分解剖学专业术语;并规划建立了统一的人体主体骨架模型坐标体系。利用Xsens MVN惯性运动捕捉设备,采集了40组人体日常步行动作的实验数据。在分析和归纳了个体行走时髋关节、膝关节、踝关节的关节角随时间变化的规律与特性的基础上,建立了行走时三关节的关节角随时间变化的通用函数;在分析了40组步行数据的基础上,以身高、体重、步行周期三个参数为自变量,通过函数拟合给出了通用函数系数求解方程。针对人体三大主要关节即肩关节、髋关节、踝关节的球面运动属性,将工作空间简化为球面上一部分,以关节输出标记点(极限)划过的轨迹所包络的球面部分为关节灵活工作空间,采集了关节灵活工作空间实测数据,并从球坐标和欧拉角两种描述形式分析了关节灵活工作空间特征。建立了人体三支链的动力学模型,并对人体下肢静力学及步行动力学进行分析求解。根据拉格朗日原理,获得考虑惯性力和惯性力矩的空间力系平衡方程并完成求解;在空间力系平衡方程与实验数据的支撑下,分析了人体站立时下肢静力学特征及人行走时髋关节、膝关节、踝关节的关节力和关节力矩的变化图像和其上下限、变化范围。以人形机器人的球面并联仿生踝关节为例,针对特定自然人的身高、体重以及步行周期,以人体运动轨迹函数作为输出进行运动学反解,通过与Adams仿真软件得到的结果进行对比,验证了通用函数的一般性;以实测人体关节力和关节力矩为参考,通过关节机构的动力学的计算,得到驱动力、选择合适的驱动电机,体现了实测与分析的结果的基础性与实用性。