基于人机工程学的机电式动作捕捉系统开发

摘要

随着科学技术的快速发展，人体运动特性的相关研究在人机工程学、工程仿生、生物工程等领域的重要性日益凸显。人体动作的捕捉研究作为一种交叉性极强的研究学科，与相关科学技术的发展密不可分。现今，动作捕捉技术的原理从最初的Rotoscope转描法发展到基于光学式、声学式等原理的动作捕捉方案。其中，基于机电式原理的动作捕捉方案较于其他技术方案，在成本、精度以及实时性等方面有着十分明显的优势，具有很大的研究价值。 机电式动作捕捉系统的关键在于其机械结构的设计，以及相应的运动分析方法。通过分析人体各运动关节的结构，对人体关节的运动特点进行分析和总结，并且建立相应的多刚体运动学模型。在此基础上设计动作捕捉系统的整体结构，依据D-H法的思路给出机械结构各基准点的坐标计算方法，并给出基于MATLAB的人体运动姿态的解算方法和程序实现方法。最后通过制作实验样机，验证所提出的动作捕捉方案是合理可行的。主要内容如下: (1)阐述动作捕捉技术的研究背景和研究意义，分析外骨骼机器人领域的研究对本文的借鉴意义，综合论述国内外的动作捕捉系统的发展现状。 (2)通过研究与人体运动相关的各关节的结构和运动原理，分析人体各关节的运动特点、自由度以及活动范围，并给出多刚体运动学模型。特别地，针对结构复杂的人体脊椎，通过分析脊椎的功能段和人体脊椎运动的宏观特点，给出脊椎运动的简化模型，为动作捕捉系统机械结构的设计提供参考。 (3)依据对人体关节运动的分析对动作捕捉系统的整体结构进行设计，主要包括在设计时考虑到人体关节活动时的路径灵活性引入冗余自由度，同时从结构的复杂程度和人体运动的宏观特点出发对自由度进行重新布置，并且基于机械结构给出传感器的安装方案;根据D-H法对各个基准点的坐标给出了计算方法。通过分析初始姿态下基准点在空间坐标中的分布特点，建立用于描述人体姿态的数学模型，并且给出基于MATLAB的动作解算和程序实现方法。 (4)根据设计的机械结构和动作捕捉方案，制作动作捕捉系统实验样机，介绍角度传感器和数据采集卡的选用和误差分析，以及数据的预处理方法。通过进行人体动作捕捉实验，验证本文所提出的动作捕捉方案合理性和可行性。

目录

声明

摘要

第一章绪论

1．1课题研究的背景及意义

1．1．1动作捕捉技术阐述及其研究意义

1．1．2外骨骼技术的阐述以及对机电式动作捕捉系统研究的意义

1．2国内外动作捕捉系统研究现状分析

1．2．1国外动作捕捉系统研究现状

1．2．2国内动作捕捉系统研究现状

1．2．3研究现状分析结论

1．3本文的主要研究内容

第二章人体运动特点分析

2．1人体姿态描述术语和运动学模型概述

2．1．1人体姿态描述术语

2．1．2人体姿态描述的运动学方法

2．2人体上肢机理与运动特性分析

2．2．1上肢关节运动机理

2．2．2基于D-H法的人体上肢工作空间分析

2．3人体下肢机理与运动特性分析

2．3．1人体下肢运动机理

2．3．2基于D-H法的人体下肢工作空间分析

2．4人体脊椎机理与运动特性分析

2．4．1人体脊椎运动机理

2．4．2脊柱运动特性分析

2．4本章小结

第三章动作捕捉系统机械结构设计

3．1机械结构的设计要求

3．2上肢机械结构设计

3．2．1上肢结构自由度分析与设计

3．2．2人体上肢结构设计

3．3下肢机械结构设计

3．3．1人体下肢自由度设计

3．3．2人体下肢机械结构设计

3．4脊椎机械结构设计

3．4．1脊椎机械结构自由度设计

3．4．2脊椎机械结构设计

3．5本章小结

第四章人体运动姿态的解算和还原方法

4．1运动姿态解算的相关定义

4．1．1基准点的定义

4．1．2坐标系的建立准则

4．1．3初始位置的定义

4．2运动姿态解算

4．2．1基于D-H法的上肢基准点解算

4．2．2基于D-H法的下肢基准点解算

4．3基于BATLAB的人体姿态还原

4．3．1人体姿态数学模型建立

4．3．2人体动作还原的基本思路与程序实现

4．3本章小结

第五章动作捕捉系统的样机试制与方案验证

5．1动作捕捉系统的硬件组成与部件选型

5．1．1动作捕捉系统的基本组成

5．1．2动作捕捉系统角度传感器的选用

5．1．3数据采集卡的选用

5．2动作捕捉系统的实验验证

5．2．1数据采集卡的设置

5．2．1数据的采集与预处理

5．2．2动作捕捉系统样机实验

5．3本章小结

总结与展望

参考文献

致谢