顯控界面中上肢推拉動作的動力學仿真

顯控界面中上肢推拉動作的動力學仿真

摘要

隨著工業設計的發展以及人機交互的不斷精細化、智能化，顯控界面的工效設計越來越突顯出其重要性。然而，目前國內針對顯控界面的國人工效測評平臺尚未出現。仿真測評因其低成本、長效性、定量性，成為針對顯控界面進行工效測評的好方法。本文主要針對顯控界面人機交互中所涉及到的人體上肢推拉動作進行了模型建立與動力學仿真。從運動學和動力學兩部分給出了仿真計算的方法與流程。運動學部分利用反向運動學計算方法，依據末端軌跡與姿態來求解上肢多剛體模型中的運動學參數；動力學部分主要是通過Kane法來求解模型中的關節力矩與簡單的肌肉力結果。其后，針對人手拉開冰箱門這一具體的動作給出了仿真實例結果。對不同開門半徑和不同上肢初始位置的運動學、動力學結果進行了對比分析與討論，并結合數值結果對冰箱的設計重點以及人體開門姿勢的選取給出了相關建議。此外，介紹了簡單肌肉力模型的求算方法，并用人體實驗的表面肌電與仿真肌肉力進行了歸一化結果的對比分析，從而間接驗證本文選用的運動學、動力學方法的可行性與可信度。

關鍵詞：顯控界面，多剛體，動力學仿真，Kane法

Abstract

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目       錄

1 緒論1

1.1研究背景與意義1

1.2國內外研究現狀2

1.2.1顯控界面工效學評價與仿真2

1.2.2上肢運動的動力學仿真研究現狀2

1.2.3人體仿真相關軟件特點3

1.3研究內容及方法3

1.4論文構成4

2 人體上肢模型6

2.1上肢運動特點及簡化6

2.1.1上肢運動的解剖特點6

2.1.2上肢運動模型的簡化6

2.2多剛體模型及模型自由度6

2.3卡爾丹角坐標與旋轉變換7

2.4關節力矩與簡單肌肉力模型9

2.4.1關節力矩模型9

2.4.2簡單肌肉力模型9

小結9

3 仿真計算方法10

3.1 運動學方法10

3.1.1廣義坐標的選取10

3.1.2廣義坐標的反向求解11

3.1.3基礎坐標系下角速度的計算12

3.1.4速度等其他運動學參數的計算13

3.2 動力學方法13

3.2.1 Kane方法概述14

3.2.2 關節力矩模型的計算16

3.2.3 簡單肌肉力模型的計算17

小結17

4 冰箱開門實例仿真18

4.1實例描述與模型簡化18

4.2模型數學與物理描述18

4.3仿真計算過程19

4.3.1 反向運動學計算19

4.3.2 反向動力學計算22

4.4仿真計算結果及討論24

4.4.1 不同參數下的仿真結果24

4.4.2 結果分析與討論28

小結31

5 簡單肌肉力模型及驗證32

5.1驗證思路32

5.2驗證實驗32

5.2.1被試者32

5.2.2肌電采集設備33

5.2.3實驗方法與流程33

5.3簡單肌肉力模型計算34

5.4仿真與實驗結果對比34

5.4.1肌電信號處理34

5.4.2仿真計算結果35

5.4.3結果對比分析36

小結36

結論37

致謝38

參考文獻39