显控界面中上肢推拉动作的动力学仿真

显控界面中上肢推拉动作的动力学仿真

摘要

随着工业设计的发展以及人机交互的不断精细化、智能化，显控界面的工效设计越来越突显出其重要性。然而，目前国内针对显控界面的国人工效测评平台尚未出现。仿真测评因其低成本、长效性、定量性，成为针对显控界面进行工效测评的好方法。本文主要针对显控界面人机交互中所涉及到的人体上肢推拉动作进行了模型建立与动力学仿真。从运动学和动力学两部分给出了仿真计算的方法与流程。运动学部分利用反向运动学计算方法，依据末端轨迹与姿态来求解上肢多刚体模型中的运动学参数；动力学部分主要是通过Kane法来求解模型中的关节力矩与简单的肌肉力结果。其后，针对人手拉开冰箱门这一具体的动作给出了仿真实例结果。对不同开门半径和不同上肢初始位置的运动学、动力学结果进行了对比分析与讨论，并结合数值结果对冰箱的设计重点以及人体开门姿势的选取给出了相关建议。此外，介绍了简单肌肉力模型的求算方法，并用人体实验的表面肌电与仿真肌肉力进行了归一化结果的对比分析，从而间接验证本文选用的运动学、动力学方法的可行性与可信度。

关键词：显控界面，多刚体，动力学仿真，Kane法

Abstract

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目       录

1 绪论1

1.1研究背景与意义1

1.2国内外研究现状2

1.2.1显控界面工效学评价与仿真2

1.2.2上肢运动的动力学仿真研究现状2

1.2.3人体仿真相关软件特点3

1.3研究内容及方法3

1.4论文构成4

2 人体上肢模型6

2.1上肢运动特点及简化6

2.1.1上肢运动的解剖特点6

2.1.2上肢运动模型的简化6

2.2多刚体模型及模型自由度6

2.3卡尔丹角坐标与旋转变换7

2.4关节力矩与简单肌肉力模型9

2.4.1关节力矩模型9

2.4.2简单肌肉力模型9

小结9

3 仿真计算方法10

3.1 运动学方法10

3.1.1广义坐标的选取10

3.1.2广义坐标的反向求解11

3.1.3基础坐标系下角速度的计算12

3.1.4速度等其他运动学参数的计算13

3.2 动力学方法13

3.2.1 Kane方法概述14

3.2.2 关节力矩模型的计算16

3.2.3 简单肌肉力模型的计算17

小结17

4 冰箱开门实例仿真18

4.1实例描述与模型简化18

4.2模型数学与物理描述18

4.3仿真计算过程19

4.3.1 反向运动学计算19

4.3.2 反向动力学计算22

4.4仿真计算结果及讨论24

4.4.1 不同参数下的仿真结果24

4.4.2 结果分析与讨论28

小结31

5 简单肌肉力模型及验证32

5.1验证思路32

5.2验证实验32

5.2.1被试者32

5.2.2肌电采集设备33

5.2.3实验方法与流程33

5.3简单肌肉力模型计算34

5.4仿真与实验结果对比34

5.4.1肌电信号处理34

5.4.2仿真计算结果35

5.4.3结果对比分析36

小结36

结论37

致谢38

参考文献39