组-第二组终期

显控界面中上肢推拉动作的

动力学仿真本科生毕设答辩10101047叶青指导老师丁立生物与医学工程学院

SchoolofBiologicalScienceandMedicalEngineering,BUAA1、选题依据—背景及意义2022/10/182显控界面的工效学设计国内国外显控界面工效学测评国家科技支撑计划课题《显控界面工效学仿真测评技术和标准研究》人体上肢力学仿真测评平台显控界面中上肢推拉动作的动力学仿真显控界面操纵绩效静力学动力学毕设答辩--显控界面中上肢推拉动作的动力学仿真1、选题依据—仿真对象2022/10/183显控界面显示界面控制界面家电汽车其它上肢推拉动作毕设答辩--显控界面中上肢推拉动作的动力学仿真1、选题依据—研究现状2022/10/184显控界面的工效学仿真布局尺寸交互层次交互性能上肢动力学研究日常活动康复、卫生事业体育领域将上肢动力学研究方法用于显控界面的仿真评测缺少力学角度、定量研究方法适用但少有涉及显控界面或装置毕设答辩--显控界面中上肢推拉动作的动力学仿真2、研究内容及方案2022/10/1852、运动学、动力学计算方法3、实例仿真：冰箱开门动作4、简单肌肉力模型及验证----反向运动学：末端位置与姿态→关节运动参数----动力学Kane法：关节力矩1、建立上肢运动学、动力学模型----多刚体系统：上臂、前臂、手部三节段----关节力矩模型：肩肘腕三关节，最多六自由度----参数确定：开门半径r，时间t，初始位置

，上肢节段物理参数----仿真分组：同r，不同初始位置；同初始位置，不同r----主要考虑肱二头肌----肌电数据与仿真结果对比验证毕设答辩--显控界面中上肢推拉动作的动力学仿真2022/10/1862、上肢力学模型毕设答辩--显控界面中上肢推拉动作的动力学仿真2.1、多刚体系统及自由度末端位置及姿态向量个数→自由度个数（最多确定六个）（最多六个）三节段刚体：上臂、前臂、手部三关节：肩、肘、腕肩关节：内外旋角度α1、外展内收角度β

1、前屈后伸角度γ1肘关节：前屈后伸角度γ2腕关节：外展内收角度β3、前屈后伸角度γ3（手心面向身体内侧）2022/10/1872、上肢力学模型毕设答辩--显控界面中上肢推拉动作的动力学仿真2.2、卡尔丹角坐标及旋转变换刚体的姿态可以看成是α、β和γ三次角度旋转的叠加，每一步旋转的方向余弦矩阵分别为：如对应于肩关节，其卡尔丹角坐标的旋转矩阵为：2022/10/1882、上肢力学模型毕设答辩--显控界面中上肢推拉动作的动力学仿真2.3、关节力矩模型肩关节：内外旋角度α1→内外旋力矩τ11

外展内收角度β

1→外展内收力矩τ12

前屈后伸角度γ1

→前屈后伸力矩τ13肘关节：前屈后伸角度γ1

→前屈后伸力矩τ23腕关节：（手心面向身体内侧）

外展内收角度β1→外展内收力矩τ32

前屈后伸角度γ1

→前屈后伸力矩τ332022/10/1893、仿真计算方法毕设答辩--显控界面中上肢推拉动作的动力学仿真3.1、反向运动学方法末端运动与关节运动关系式：两端同时求导：末端的速度、角速度矩阵各关节的运动角速度雅克比矩阵JJLi和JAi分别表示第i关节变量引起的三维线速度和三维角速度系数JAi=ki-1得到求算最多6个关节角的微分方程组，解唯一2022/10/18103、仿真计算方法毕设答辩--显控界面中上肢推拉动作的动力学仿真3.2、动力学Kane法关节力矩（未知待求）主动力Kane方程：广义主动力广义惯性力关节力矩模型根据偏（角）速度展开→最多6个方程的线性方程组→求解关节力矩2022/10/18114、冰箱开门实例仿真毕设答辩--显控界面中上肢推拉动作的动力学仿真4.1、实例描述1）末端节段的位置与状态向量并不完全确定

→自由度4：肩关节的展收β1和屈伸γ1，肘关节的屈伸γ2，腕关节屈伸γ32）末端轨迹为1/4圆弧，设运动为匀速圆周，运动时间为t3）上肢末端所受冰箱门的拉力F，设其大小恒定，方向为轨迹圆弧的切向2022/10/18124、冰箱开门实例仿真毕设答辩--显控界面中上肢推拉动作的动力学仿真4.2、仿真分组（*实际程序运算中，初值=0时无法产生后序数值结果，故取=1代替。）初始关节角度相同，末端r不同末端r相同，初始关节角度不同（上/中/下）2022/10/18134、冰箱开门实例仿真毕设答辩--显控界面中上肢推拉动作的动力学仿真4.2、仿真结果及分析关节角度、角速度、力矩极值一览2022/10/18144、冰箱开门实例仿真毕设答辩--显控界面中上肢推拉动作的动力学仿真4.2、仿真结果及分析----以条件一为例运动学：1）肩：屈伸角度基本不变；2）肩：水平展收角从内收10°~外展111.97°，呈均匀下降的趋势；3）肘：屈伸达极限值但时间极短；4）腕：屈伸角度未超极限动力学：1）肩：屈伸力矩变化范围及平均水平都最大（重力作用）；2）肩关节的展收力矩和肘关节、腕关节的屈伸力矩都较小：2022/10/18154、冰箱开门实例仿真毕设答辩--显控界面中上肢推拉动作的动力学仿真4.2、仿真结果及分析----半径不同条件比较关节角度关节力矩r=0.45mr=0.55mr=0.35m1）r增大→腕的屈伸范围增大2）r增大→肘的最大屈伸角度增大。当r=0.55m的时候，其最大屈伸角小范围超出其极限屈伸：仅靠上肢运动完成开门动作已变得困难3）r对力矩影响较小

→保持冰箱开门的流畅性≥135°2022/10/18164、冰箱开门实例仿真毕设答辩--显控界面中上肢推拉动作的动力学仿真4.2、仿真结果及分析----初始位置不同条件比较关节角度关节力矩1）运动学：初始向上/向下时，肩屈伸、水平展收范围明显更大2）动力学：初始向上/向下时，肩展收力矩范围增大考虑实际，建议在冰箱开门动作中，上肢尽量避免采用向上姿态（手高于肩）→冰箱门的高度设计初始：中初始：下初始：上2022/10/18175、简单肌肉力模型及验证毕设答辩--显控界面中上肢推拉动作的动力学仿真5.1、肌电采集及处理采用肌电信号滤波后的波形平均值作为分析指标2022/10/18185、简单肌肉力模型及验证毕设答辩--显控界面中上肢推拉动作的动力学仿真5.2、肌肉力仿真结果2022/10/18195、简单肌肉力模型及验证毕设答辩--显控界面中上肢推拉动作的动力学仿真5.3、归一化结果对比仿真肌力平均值结果与肌电数据归一化结果的趋势较为一致→仿真结果具有一定的可信度，仿真方法具有可行性2022/10/18206、结论与展望毕设答辩--显控界面中上肢推拉动作的动力学仿真1、针对不同r：r增大→关节角度范围普遍增大。尤其r达到0.55m后，肘屈伸将超过实际极限。考虑冰箱容量、设计冗余量，为保持开门动作方便性，建议家用冰箱门宽避免超过0.6m。2、针对不同初始位置：上肢初始位置向上（手高于肩）时，肩展收力矩范围明显增大。故建议开门动作中避免上肢向上姿态→冰箱高度设计。4、表面肌电与仿真肌肉力归一化结果对比分析：趋势一致。间接验证了结果可信性与方法可行性3、肩屈伸力矩明显高于其他：重力作用；当上肢末端受力较小时，其他关节力矩也较小→保持冰箱门的开门流畅性以保证关节小力矩。2022/10/18216、结论与展望毕设答辩--显控界面中上肢推拉动作的动力学仿真1、手部的姿态与位置向量的已知程度→模型可计算自由度多少。采用运动捕捉等方法尽量弄清手部在推拉动作中的轨迹方程或变化规律是今后工作重点。2、仿真计算结果有待进一步的精确验证。肌肉力模型需切实改进。3、更复杂的上肢推拉动作仿真；对显控界面更具体的测评。2022/10/18硕士答辩--航天员上肢活动力学仿真研究22致谢4、感谢所有答辩老师-----改进的方向和动力1、感谢指导老师丁立老师-----指导方向、发挥空间2、感谢远在家乡的父母----精神鼓舞3、感谢实验室的师兄师姐-----家的感觉、科研榜样谢谢！2022/10/1824附录毕设答辩--显控界面中上肢推拉动作的动力学仿真F=0NF=2NF=5N一、不同末端力大小2022/10/1825附录毕设答辩--显控界面中上肢推拉动作的动力学仿