面向手持式工具手柄抓握分析的抓握手有限元模型研究

摘要

设计优良的工具能被人们很好的利用，又能让操作者使用工具时感觉非常舒服，手表面的压力分布是影响手舒适度的很重要的一个因素，而手柄的几何形状决定着抓握手柄时手表面压力分布情况，因此在手柄的设计阶段能够获取表面压力对工具手柄的设计具有重要的意义。
　　 本文拟针对枪体式工具手柄的设计，建立相应的有限元抓握手模型，获取抓握后的手表面压力分布情况，以利于抓握工具时手部舒适度的研究:
　　 (1)先对不同手柄的几何形态和握持方式进行分析，以枪体式工具作为研究对象，对影响有限元手模型与手柄模型完成抓握的因素进行分析:应根据正常人体标准建立合适的手模型，对手抓握手柄时所需自由度进行限制，手指关节处进行处理使其能对手柄模型完成抓握，获取手抓握时手指转动随时间变化关系，对手指的抓握进程进程控制，最后在有限元软件中完成手对手柄的抓握。
　　 (2)通过对手部解剖结构的分析，根据枪体式工具手柄的抓握姿态，对模型进行合理的简化和处理，建立包括手部骨骼和软组织的手部工作模型。
　　 (3)为使有限元手指抓握进程和自然手的抓握进程一致，根据摄影测量原理建立计算手指转角的理论，并构建相应的实验，得到手抓握时手指转动随时间变化的关系。并采用虚拟传感器对手的抓握进程进行控制。
　　 (4)对划分好网格的手部几何模型，赋予材料参数，设置相应的边界条件和载荷，设置手与手柄之间的相互关系等，建立有限元抓握手模型。完成有限元抓握手模型对手柄模型的抓握。获取了此时手表面的压力分布数据。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 手柄与工具的关系

1．1．2 手柄的类别

1．1．3 手柄几何形状对抓握手柄时手表面压力分布的影响

1．1．4 抓握手柄时手表面压力分布数据在手柄形状设计中的意义

1．2 应用现代设计方法获取手表面压力分布在手柄设计中的意义

1．3 有限元抓握手摸型与手柄模型建立的必要性

1．4 国内外研究现状

1．5 课题的主要内容和研究意义

1．5．1 主要研究内容

1．5．2 研究意义

1．5．3 技术路线

1．6 本章小结

第2章 手对手柄的抓握因素分析

2．1 本文研究对象

2．2 抓握手柄时手表面压力分布对手舒适度的影响

2．2．1 手部的分区

2．2．2 抓握手柄时手部各区域所承受力分析

2．3 有限元手模型对手柄模型完成抓握因素分析

2．3．1 需建立合适的手模型

2．3．2 需对手模型运动所需要的自由度进行约束

2．3．3 手指关节处做适当的处理使各节手指能发生转动

2．3．4 获取手抓握时各关节转动角度随时间变化的关系

2．3．5 需对手对手柄的抓握进程进行控制

2．3．5 在有限元软件中完成手对手柄的抓握

2．4 本章小结

第3章 抓握手模型的建立

3．1 手部解剖结构

3．1．1 手骨

3．1．2 骨连接

3．1．3 肌肉

3．1．4 皮肤、神经及其软组织

3．2 手部几何模型的建立

3．2．1 模型的简化原则

3．2．2 数据的获取

3．2．3 模型的建立

3．3 本章小结

第4章 手指关节转动角度获取及进程控制的建立

4．1 手指关节转动角度的获取方法

4．1．1 在手指关节处放置标记点

4．1．2 在各节手指放置参考直线

4．2 摄像测量学基本原理和算法

4．2．1 摄像测量常用成像模型

4．2．2 空间点目标三维位置交会测量

4．3 计算手指间角度理论公式的建立

4．4 实验的构建

4．4．1 实验过程

4．4．2 计算的结果曲线

4．5 手指转动角度控制

4．6 本章小结

第5章 有限元抓握手模型的建立

5．1 有限元手模型建立分析

5．2 网格

5．3 材料

5．4 载荷及边界条件

5．5 相互作用关系

5．6 后处理

5．7 本章小结

第6章 不同手柄抓握手表面压力分布及结果分析

6．1 圆柱形手柄抓握手表面压力分析

6．1．1 圆柱形手柄有限元模型建立

6．1．2 手柄手抓握有限元分析

6．1．3 结果分析

6．2 椭圆柱形手柄抓握手表面压力分析

6．2．1 椭圆柱形手柄有限元模型建立

6．2．2 手柄手抓握有限元分析

6．2．3 结果分析

6．3 斜圆柱形手柄抓握手表面压力分析

6．3．1 斜圆柱形手柄有限元模型建立

6．3．2 手柄手抓握有限元分析

6．3．3 结果分析

6．4 本章小结

第7章 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

参考文献

附录

致谢

攻读学位期间参加的科研项目和成果