模仿太极推手的柔顺机械臂人机交互生物力学仿真

摘要

安全性、舒适性的人机交互是服务机器人领域的一大热点及难点问题，为了研究人机共融环境下柔顺机械臂的人机交互过程，选取柔顺交互的典型运动——太极推手作为人机交互过程的代表，通过生物力学测量技术得到太极推手的运动学与力学数据，并在LifeMOD中实现单独人体太极推手动力学仿真，通过建立人体上肢运动学模型分析了人体上肢的运动学特性，最终建立仿人体上肢的柔顺机械臂与人体的共融模型，利用LifeMOD/ADAMS软件实现了人体-柔顺机械臂太极推手运动的交互生物力学仿真。本论文完成的主要工作如下:
　　运用FAB运动捕捉系统和MYO臂环对太极推手的基础运动——定步平圆单推手进行运动生物力学测量实验，获取运动学数据、足底力数据以及右前臂肌肉的表面肌电信号，并对测量结果进行数据处理及分析。
　　利用LifeMOD生物力学仿真软件，建立了被测试者的虚拟人体模型，包括19个基础环节、18个关节以及全身118个肌群，将实验测量的运动数据处理转换后导入到人体模型中，在LifeMOD软件中实现了测试者人体模型单独进行太极定步平圆单推手运动的生物力学仿真，通过仿真得到并分析了的人体各部位运动变量、关节力矩以及肌肉力等数据。
　　利用机器人学理论方法，建立了人体右上肢的运动学模型，共包含6个自由度:肩关节的屈/伸、外展/内收，肘关节的屈/伸、外旋/内旋以及腕关节的屈/伸、外展/内收，运用D-H法建立了模型的后置坐标系并利用坐标变换求得掌心的运动学正解，采用遍历法确定掌心的可达工作空间，运用微分变换法求解出模型的雅克比矩阵，并以可操作度为指标分析了上肢模型在太极推手过程中的灵活度。
　　利用ADAMS建立了仿人体上肢的6-DOF柔顺机械臂三维虚拟模型，其中每个关节采用扭转弹簧阻尼器实现关节的柔顺性。利用LifeMOD/ADAMS建立了人体-柔顺机械臂共融模型，并实现了人体主动式的人-机械臂太极推手人机交互生物力学仿真以及模仿太极推手的人-柔顺机械臂交互生物力学仿真。对比单独人体太极推手仿真和模仿太极推手人机交互仿真中的人体关节位移及关节力矩发现:人体关节刚度可随外负载的变化而改变。此外，对不同关节刚度的柔顺臂进行了模仿太极推手的人机交互仿真试验，对比分析交互过程的接触力得出结论:机械臂关节刚度的降低可降低人机交互过程接触力，从而提高人机物理交互的安全性。

目录

声明

致谢

摘要

1 引言

1．2 人机交互需求与研究现状

1．3 柔顺机械臂研究与应用现状

1．4 柔顺机械臂结构设计技术

1．5 柔顺机械臂控制方法

1．6 主要研究内容和章节安排

2 太极推手运动生物力学测量与分析

2．1 太极推手概述

2．1．1 太极推手概述

2．1．2 太极推手运动生物力学研究概述

2．2 太极推手运动生物力学测量实验

2．2．1 被测试者信息

2．2．2 测量设备

2．2．3 实验步骤与方法

2．3 太极推手测量结果与分析

2．3．1 定步平圆单推手运动

2．3．2 定步平圆单推手运动捕捉数据及分析

2．3．3 右前臂表面肌电信号及分析

2．4 本章小结

3 单独人体太极推手生物力学仿真

3．1 LifeMOD生物力学仿真软件

3．2 LifeMOD人体模型建立

3．3 单独人体太极推手反向动力学仿真

3．3．1 调整人体模型关节设置

3．3．2 反向动力学仿真

3．4 单独人体太极推手正向动力学仿真

3．5 仿真结果和数据分析

3．6 本章小结

4 人体上肢运动学建模

4．1 上肢简化运动学模型

4．2 运动学正解

4．3 掌心可达工作空间

4．4 上肢模型雅克比矩阵

4．5 上肢灵巧度分析

4．6 本章小结

5 模仿太极推手的人机交互生物力学仿真

5．1 仿人柔顺机械臂模型建立

5．1．1 ADAMS建立柔顺机械臂模型

5．1．2 柔顺机械臂仿真实验

5．2 人机共融模型建立

5．3 模仿太极推手的人机交互生物力学仿真

5．3．1 人体主动式太极推手人机交互仿真

5．3．2 人机对推式太极推手人机交互仿真

5．3．3 实验结果及分析

5．4 不同关节刚度的柔顺臂太极推手人机交互仿真

5．5 本章小结

6 结论

参考文献

附录

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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