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

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